基于华能松原热电热网建设的智慧供热系统技术及应用分析

张伟

（同方节能工程技术有限公司，北京 100083）

1 简介

目前，华能松原热电有限公司供热总面积为1337.11 万m2，其中直供站为34 个（2020 年新增直供热力站7 个，供热面积104.93 万m2），现状直供面积为800.39 万m2，趸售面积为536.72 万m2。供热主线分为矿区一线、矿区二线、开发一线、开发二线。

项目建设的必要性：

从供热技术层面：可实现新一代信息技术与传统供热技术的深度融合，实现热力站智能化建设、精准的负荷调度、二网的平衡调节等。

从系统节能层面：数据价值的挖掘和技术的综合应用可实现节能降耗8%～10%，同时，减少污染物的排放。

从企业管理层面：可实现供热资产的集约化管理，升级管理模式。

从社会效益层面：可改善供热质量，提升供暖效果，增强居民满意度。

因此，本项目的建设将具有较好的经济、社会和节能效益。

2 系统问题分析

2.1 系统运行能耗较高

经过近年来的自控设备完善和精细化管理，华能松原热电有限公司的供热能耗近几年不断降低。通过对华能松原热电有限公司近三年的能耗数据进行统计分析，单位面积热耗为0.45GJ/m2左右，单位面积电耗2.3kWh/m2左右，单位面积水耗146kg/m2左右。而类似气候条件、类似供热时长的其他供热公司的单位面积热耗为0.4GJ/m2左右，单位面积电耗为1.4kWh/m2左右，当前华能松原热电有限公司仍然有较大的供热节能潜力可以挖掘。

2.2 缺乏科学的负荷预测与热源调度手段

目前，供热运行主要以人工经验为主，供热质量凭直觉和用户投诉判断，主观因素偏多。热网节能的关键在于热源调度，热源调度的前提是科学准确的负荷预测。目前，公司虽然对部分用户室内温度进行了监测，但仍未能实现根据用户室内温度监测进行科学的负荷预测，进而根据负荷预测结果准确的调度负荷，导致供暖季出现阶段性超供现象，供热能耗居高不下。

2.3 智慧热网指挥中心配置不完备

热网的耦合性决定了热力站的调节必须从全网的角度统一考虑，缺乏上位的管控平台，无法保证热网的调节质量，无法实现对供热质量的综合管控和对运行指标的量化管理，无法对整个供热系统制定有效的安全运行保障措施和供热调度调控方案，造成供热能耗浪费，冬季供热运维保障工作有心无力。

2.4 二次网平衡调节手段缺失

二次网实际运行过程中，普遍存在“大流量、小温差”的现象，二次网供回水温差普遍处于10℃以下，造成二次网循环水泵运行电耗偏高。二次网循环泵基本都配备了相应的变频器，但实际运行过程中，由于二次网不平衡，为了保证远端用户的供热效果，二次网不得不“大流量、小温差”运行，二次网循环泵运行频率受制于二次网热力平衡的限值无法得到有效降低，造成热力站运行电耗居高不下。

二级网的运行变化频繁，受室外气温、建筑结构、管网是否规范等因素影响较大，目前，39 座配水间各分支环路的温度、流量已远传至中控室，中控室已实现对各配水间相关数据进行监测，但由于各配水间各环路只安装了关断阀，未安装电动调节阀，只能依据现场表计进行手动调控，无法根据温度、流量情况实时调节。由于热网存在滞后性、水力工况之间的耦合等情况，因此，难以将二级网水力工况调节平衡，造成二次网水力工况失调，用户出现冷热不均的现象，能耗较高。

3 解决方案

目前，热力公司具备基本的自控设备，但是缺乏顶层架构，仅具备热网监控系统和平衡调节软件，数据的统一管理、价值挖掘；设备的管理；数据的可视化；生产与经管平台的融合均不具备，供热系统的智慧化运营和管理系统基本缺失，距离智慧供热还有一定的距离。

根据调研结果，结合热力的实际情况和建设经验，针对性地提出以下综合解决方案：（1）实现热力站智能化建设。智能化热力站是智慧供热系统的数据来源及调控基础，首先完善站内自控设施，提升自控水平。（2）趸售站数据的接入。实时监控该站数据，并进行整网预测。（3）部分热力站高直连机组改造。计划将原先分集水器所带的高中低区系统进行拆分，低区仍采用原先分集水器，中区和高区分为各自环路，在利旧的基础上，新增各环路的板式换热器、循环泵和补水泵等设备。（4）部分热力站大站拆小站。可在原有热力站位置，将较大的单个系统，拆分成小系统，一方面，便于一网精细化调节，另一方面，有利于缓解二次网失调。选取部分配水间和单元立管，推广二级网平衡技术。即利用二级网现有基础条件，对各环路安装电动平衡阀和数据采集箱，同时在中控室设立二级网控制平台，通过热网平衡软件对各环路及用户的室内温度等数据进行分析、计算，实现二次网的自动科学调控，降低管网水力失调度，降低能耗，满足用户的供热需求。（5）选取热力站典型热用户安装室温无线远传装置。通过最直接反映供暖质量的室温参数，对全网实际供热效果进行量化，指导供热运行。热源按管网负荷需求输出，“按需供热”，保证供热效果的同时节省供热成本。（6）新增厂内数据监测软件，实现热源首站的数据监测，同时将未纳入监控系统的热力站再接入。增加智慧供热软件平台。该平台实现新一代信息技术与传统供热技术的深度融合；构建统一的企业数据集成中心；实现各类生产、经管系统的集约化运维管理；实现了生产调度、设备管理、能耗管理、应急管理、智慧中心、水力计算和移动客户端等平台资源的整合，有助于实现热网的深度节能、数据的资源整合、可视化展示、事故的报警和故障处理等。（7）将现有收费软件数据纳入智慧供热软件平台，实现不同系统间的信息共享。

4 建设内容

4.1 热力站的智能化建设

热力站的智能化建设是实现智慧供热系统建设的必备条件，基本建设内容包括工艺设备、自控设备、视频监控、通讯形式等。

改造技术路线如下：（1）新增热力站自控系统完善；（2）部分热力站新增热表、水表、电表，实现能耗数据的精确统计；（3）实现一网水泵、二网水泵、补水泵的远程控制与调节。

监控系统：集中供热计算机监控管理系统分为六个层级，通过工业以太网承载的Mobus-TCP 协议连接到企业监控中心。

各层内容包括：（1）机电设施层：热源厂（热电厂、供热锅炉等）、隔压站及换热站等终端站点；（2）就地仪表层：包含温压传感器、流量计、阀门执行器、变频器等；（3）现场控制层：PLC、DCS 等可编程逻辑控制装置；（4）通信网络层：项目选用基于工业以太网的Mobus TCP 通讯协议；（5）中央监控层：在监控中心设置服务器，采集接收各终端站点数据并下发指令，达到安全、节能、环保型供热的要求，并保证供热质量；（6）信息管理层：通过信息管理层，完成全网调度指挥、事故处理，信息管理，实现科学管理，提高企业效益。

4.2 二网平衡改造

供热二次网平衡改造的目的在于消除供热二次网系统的水平热力失调，保证整个系统供热的均匀性，均匀分配各热用户之间的热量，可以大大节省二次网的供热量。实现测量各热用户的室内温度，以各热用户的室内温度作为调节目标。由稳态下的热平衡方程可以得到，散热器向房间的供热量与房间向室外的散热量相同，即：

式中，KFr为散热器的传热系数与传热面积的乘积，W/℃。KFb为建筑物的传热系数与传热面积的乘积（包括冷风渗入的影响），W/℃。

tg、th、ts、to为分别为二次网供水温度、回水温度、室温和室外温度，℃。

由上式可解出：

即在稳定工况下，室温为二次网供回水平均温度和室外温度的函数，权系数由建筑物的综合传热系数KFb与散热器的综合传热系数KFr之比决定。由于单一热力站所负责的建筑物的KFb与KFr之值相差不大，则各楼栋的二次网供回水平均温度（tg+th）/2 基本上反映了该楼栋的平均室温。

在实际项目中，各楼栋入口二次网供水温度基本一致，为了减少项目工程投资，普遍将调节装置安装于各楼栋二次侧回水管道上，用以采集和调节二次侧回水温度数据，力求彼此一致。二次网平衡改造可以保证各楼栋间的均匀供热，避免冷热不均。因此，二次网平衡调节是保证供热要求条件下的最节能的调节方式，也是使热力公司获得最大经济效益的调节方式。

（1）对于现场具备安装空间、取电、通讯条件的采用平衡调节阀（电动）方案进行改造；（2）对各环路安装电动平衡阀、数据采集箱，在中控室设立二级网控制平台，利用现有光纤/无线将各环路运行参数远传至中控室，以各环路的供回水平均温度彼此一致作为调节目标，利用二级网平衡软件对各环路参数进行自动科学调控，降低管网水力失调度，达到二次级网均衡供热，降低能耗，提高服务质量，满足用户的供热需求。（3）对具备条件的单元实现平衡调节，改造技术路线同2。

4.3 智慧化运营和管理系统建设

城市供暖的主要问题已经从20 年前的室温低、高投诉、热费上缴率低等民生问题转变成为目前的室内过热、高能耗和降低污染物排放等面向生态文明发展的新要求。因此，对智慧供热提出了的建设目标：（1）改善室温效果；（2）节约供热能耗；（3）提升服务质量；（4）完善供热管理。

功能架构：

智慧供热信息系统的建设，包含六大层级：（1）设备层：包含热源数据、热网实时数据、换热站运行数据和用户数据，目前松原热电正在完善换热站自控系统的智能化建设和二次网平衡改造。（2）网络层：通过工业以太网，实现数据传输功能。目前，松原热电已具备。（3）数据采集及处理层：部署SCADA、室温采集、视频监控系统，实现数据汇聚、数据清洗、数据存储，将数据分发给热网自动平衡控制层和平台应用层。目前，松原热电SCADA 系统、视频监控完善、需要新增室温采集系统。（4）热网自动平衡控制层：可以有效地针对热网大惯性、长时滞、稳定性差和水力耦合性强的问题，解决热网普遍存在的水平水力失调、冷热不均的问题，大大地提高供热质量，有效地节约供热能耗，为热力公司带来经济效益。（5）平台应用及智慧决策层：支持运行GIS、生产调度系统、能耗分析系统、应急管理系统、设施管理系统、客服及收费管理系统、在线水力分析等功能开发。目前，松原热电没有打通各系统的平台级应用。（6）展示层：通过监控中心的设置的大屏、PC 客户端或网页及移动APP 的形式向客户发送实时信息。目前，松原热电已具备。智慧供热信息系统从功能架构上可以分为各级业务系统及智慧供热平台软件。其中，各级业务系统包括热网监控系统、一网平衡、二网平衡、室温监控系统、视频监控系统、热计量系统、客服及收费系统，共计8 个子系统。通过数据中心将各业务系统的数据集成，统一接入智慧供热平台软件，智慧供热平台软件基ArcGIS地理信息系统，实现生产调度、能耗分析、设备管理、应急管理、数据管理、水力计算、智慧中心等8 个功能模块，并配套手机APP 实现远程联动查看，同时平台支持第三方系统接入。

5 结语

本项目包括新接站及已有热力站的智能化改造、高直连系统的改造、大站改小站的建设、二次网平衡系统的建设、总调中心的智慧化运营和管理系统建设。实现新一代信息技术与传统供热技术的深度融合，实现热力站智能化建设、精准的负荷调度、二网的平衡调节等。更重要是数据价值的挖掘和技术的综合应用可实现节能降耗8%～10%左右，同时减少污染物的排放，改善供热质量，提升供暖效果，增强居民满意度。