理智系列城市集中供热计算机监控系统方案研究和实现

刘广大，薛贵军，梁大为，李水清，周振江

（1.河北联合大学机械工程学院，河北唐山 063009；2.河北理工大学智能仪器厂，河北唐山 063009）

理智系列城市集中供热计算机监控系统主要应用于中国蓬勃发展的城市集中供热行业，重点解决集中供热所涉及的热力、热电行业科学化管理手段和水平问题，提高能源的利用率，促进城市创造洁净的空气环境，强化和推动集中供热领域的节能减排，经济和社会效益显著。

城市集中供热是将集中热源所产生的蒸汽、热水通过管网供给一个城市或部分地区生产和生活使用的供热方式，它由热源、热网、热用户3个部分组成［1－5］。热力公司是承担城市集中供热任务的主体，各热力公司普遍面临着提高供热质量、节约供热能源、强化环保工作和降低供热成本的发展瓶颈问题，即缺少一套科学的集中供热监控管理系统。河北理工大学智能仪器厂在对中国热网管理现状充分调研的基础上，结合中国热网的特点，凭借服务于集中供热领域十几年的深厚底蕴，在研发了多项集中供热监控管理的关键技术的基础上，建立了一套适合中国国情的集中供热计算机监控系统——理智系列城市集中供热计算机监控系统，并在多个热力公司运行，取得了较好的效果。

1 建设理念

城市集中供热计算机监控系统在建设总理念上突出了对全热网的统一管理和调度，力图首先通过对全网供热量的平衡调节建立一个热力平衡的热网基础，进而推行热源供热量跟随环境温度变化的节能运行，实现用最小的能量消耗达到热用户满意的目的。因此在系统的配置上也形成了以未来气温变化预测为指导的供热量预报和以实时室外气温监测为依据的连续热量调节方案。

2 设计理念

本方案把供热运行管理的基本模式设计为在计算机监控管理系统的统一管理下实现依据国家关于冬季供暖的要求，实行集中规划热源供热量的平衡供热运行模式。具体控制策略明确为混合采用质调节和量调节的供热运行方案，把目标明确为用最小的供热成本达到良好的供热效果。

2.1 建立基于线性系统理论的热网平衡方法，实现用周期供热量调节热网平衡

针对城市热网平衡调节中存在的问题，本方案全面启用了由河北理工大学智能仪器厂研制的周期热量分析管理方法，将热量管理的科学思想真正贯通在由热源—热网—热力站—热用户构成的整体供热运行的全过程，把实现节能供热的设想落实成了可操作的具体内容，并对二次网温度监测细化到了各个分支。

周期供热量调节热网平衡的理论方法概括表述如下：以可靠的热量计量为基础，全面测控各热力站一次网热量和全部二次网环路的热量；监控中心依据周期供热量的平衡情况调控各热力站一次网的平衡，并且兼顾调节二次网各环路的平衡，把不热户划定在尽可能小的区域里，实现供热大局的热力平衡和供热效果稳定；在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果，对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，做到层次分明，运筹有致，达到经济运行的目标。一次网热力平衡的分布分析见图1，偏离平衡值的各热力站平衡热量偏差图见图2，一次网热力平衡分析给出流量调节建议的界面图见图3。

2.2 系统组网方式

本监控系统的组成采用了中央调度室（监控中心）通过公用电话网统辖各热力站的组网方式，网络结构见图4。

图1 一次网热力平衡的分布分析图Fig.1 Thermal balance diagram of primary network

图2 偏离平衡值的各热力站平衡热量偏差图Fig.2 Thermal deviation of each station compared to the mean value

图4 网络结构Fig.4 Diagram of network structure

2.3 系统功能设计

本方案在系统功能设计上突出了运行管理的实用性，首先在硬件系统构成上宏观突出了在中央集权管理下的系统网络化管理设计，适应了集中供热的大系统运行管理要求；另外，在硬件构成中还明确了对环境温度的集中测量环节，突出了监控中心可以随时根据环境变化情况实时调节热源供热量，为全网统一调度管理提供规划决策的数据依据。

对于供热系统的管理体系，热网计算机监控系统围绕建立平衡供热基础和实现量调节供热的科学供热运行设计，把提高供热质量、降低供热成本进一步落实为对运行的管理。

一次网热力平衡是计算机运行管理系统的中心任务，因此本热网计算机运行管理系统的中心任务是确保一次网各热力站的热力平衡，为热源实现规划节能供热，形成了隔断欠热户直接控制热源的可操作模式。

3 控制策略

本方案控制策略强调集中控制和管理的原则是根据目前按供热面积管理和收费以及供热现状是以平衡供热为目标的集中规划供热决定的。由于包括热源和热网的全部供热环节都是在同一个指挥体系下的可规划运行整体，因此控制策略可以并且应该落实为坚持系统性和集中性的原则。

在一次网平衡控制策略的支持下，二次网的平衡供热问题被分离并且被限制成各热力站相互独立的问题，二次网的平衡应该由二次网自身解决。在户用热量表不能全面装备供热系统，并且在适当安装自力式流量平衡阀的情况下，二次网执行不小于3kg／（h·m2）运行流量的运行方案，二次网平衡可通过适当调节自力式流量平衡阀实现（地暖供热需特别对待）。

4 系统架构

理智系列城市集中供热计算机监控系统采用分层分布式系统结构，将整个热网监控系统划分为3个层面。

4.1 热力站现场测控层

由热力站PLC 控制柜及众多的测量和控制装置构成，这些装置具有测量、控制、保护、通讯等基本功能，可完成各自的特殊功能。该层装置数量较多，应利用现场总线技术予以连接。

4.2 通信管理层

热力站内测控单元通信主控单元的设计必须满足以下2个方面：1）硬件上，应采用单片机或嵌入式PC、电子硬盘，支持多种硬件接口，如RS232／485、以太网口、PROFIBUS 等其他现场总线接口，保障可靠性和通用性；2）软件上，应采用嵌入式实时操作系统（RTOS），模块化设计，可支持多种通信规约，如MODBUS，PROFIBUS，TCP／IP 等，保 障 实 时性、标准性和可扩展性。

中央调度室采用宽带、GPRS、电台等通讯网络与热网各热力站PLC控制柜交换数据，监控整个热网运行。

4.3 系统监控层

系统监控层包括热网监控运行工作站、数据库服务器、应用和Web服务器，以及通信、监控、应用等各种软件及其他设备等。此架构的优点在于设备就地安装，与热力站PLC控制柜间通过通讯线连接，分散控制。热网监控运行工作站除实现画面显示、报表生成、打印、人机接口、事件记录、报警、事故追忆、分析和系统维护等功能外，还可以充分利用热网监控系统联网后信息全面的优势，加强热网运行信息的应用，完成较为复杂的热网科学化运行管理工作。

系统功能架构见图5。

5 方案特点

5.1 建立了全新的三级热量管理的基本理念

图5 系统功能架构Fig.5 Diagram of system function structure

1）对热源、一次网、二次网这3个环节全部使用测量热量管理，废止了全面温度管理热网运行模式。2）隔离用户网对于热源的控制，确保热源能够实现按规划运行，摆脱热源受个别不热户控制的被动供热问题。3）热源实行自动化控制，确保热源供热量按规划的高效率运行。

5.2 组合应用二级泵技术和分布变频泵技术

1）取代了传统的统一大循环泵的运行方式，有效解决了各热力站富裕资用压力造成的大量电能浪费问题，降低了供热成本。2）在以混水方式实现了热源向热网传递热量的同时，解决了热源运行流量长期受困于热网运行流量的难题，从根本上解决了在供热运行中热网流量超出锅炉额定流量引起的电能浪费和作为旁通使用锅炉的热能浪费问题。3）把传统的供热系统改变成了一种柔性的供热系统，允许热网可以根据平衡需要，随意调节各热力站的运行流量，并且不会出现管道压力大幅度波动的安全问题，在机电“掉电关闭阀”系统的配套支持下，锅炉房的掉电安全保护可以得到有效加强。4）热网平衡调节工作可以随着各热力站循环泵的启动而完成，简化了大面积过热和过冷的调节工作。5）热网运行温差可以大于锅炉运行温差，有利于大温差、小流量节电热能传输方案的执行，实现了供热界多年希望的大温差量调节供热运行方案。

5.3 提升了多项供热技术，推动了供热行业技术进步

1）解开了传统供热系统热源流量和一次网流量之间的流量耦合关系，使得这2个流量可以根据需要自由调节。2）解开了传统供热系统各热力站运行流量之间的强耦合关系，也可以使得各热力站的运行流量根据需要自由调节。3）解决了困扰传统供热系统热能传输电耗大的难题，找到了一种节电的一次网热能传输工艺系统模式。4）在计算机监控系统的管理下可以实现量调节供热。5）实现了多热源－热网全自动联控，整体提高了热网自动化控制水平。

6 应 用

综合目前应用理智系列城市集中供热计算机监控系统的热力公司的统计数据，理智系列城市集中供热计算机监控系统为用户年节能在15%以上。

6.1 河北盛华化工有限公司采用本方案后实际节能情况

热源以河北盛华化工有限公司热电厂3台130 t／h循环流化床锅炉和2 台南京汽轮机厂生产的C25－4.90／0.981抽凝机组为主，凝汽器低真空循环水供热是利用汽轮机凝汽器中的尾气余热作为供暖系统热源，供热面积为80万m2。

2009年至2010年，采暖季张家口市供热单耗为热0.39GJ／m2（合标煤13.5kg／m2），电2.17kW·h／m2，实现年综合节能21%。

6.2 新疆吐哈石油基地应用本项目后实现节能情况

新疆吐哈石油基地供热系统采用间接换热的集中采暖和生活热水两联供系统，采暖面积为136.5万m2，全年连续供应生活热水。新疆吐哈石油基地2008年至2009年采暖季实现供热目标如下：平均室温达到22 ℃，实际单耗热合标煤22.3kg／m2，电4kW·h／m2，年实现综合节能16%。

6.3 山西朔州热力公司采用本方案后实现节能情况

山西朔州热力公司采用热电联产供热模式，以山西神头第二发电厂为热源，并利用热电厂冷却循环水余热供热，供热面积为628 万m2。2010年至2011年采暖季，朔州热力公司供热单耗如下：热0.47GJ／m2，电3.8kW·h／m2，年实现综合节能19%。

7 结 语

理智系列城市集中供热计算机监控系统方案，适用于中国北方的各类集中供热系统。理智系列城市集中供热计算机监控系统为热力行业的用户提供了可靠的科学化管理平台，解决了困扰热力行业多年的技术瓶颈——热力平衡难题，从根本上化解了阻碍热力行业科学化管理的症结，为推动和谐社会的建立，实现城市清洁天空的节能减排做出了较大的贡献。

2010－10－14 在北京国际会议中心召开了中国计算机信息系统集成10周年总结大会暨2010中国信息服务业高峰论坛。鉴于理智系列城市集中供热计算机监控系统对推动城市集中供热行业技术进步的贡献，以及节能减排的良好效果，河北理工大学智能仪器厂的“理智系列城市集中供热计算机监控系统方案”获“计算机信息系统集成典型解决方案（2010年度）”奖，此次表彰涉及23个省（市）81家单位的100个方案，该方案是河北省唯一获奖项目。此荣誉的获得，标志着理智系列城市集中供热计算机监控系统成果将对中国热力行业的技术进步产生积极的推动作用。

／References：

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