城市热网控制中的几个技术点分析

袁银生

(太原热力设计院(有限公司)，山西 太原 030006)

近年来，为响应国家节能减排的政策号召，和国家经济战略转型，北方各地逐步开展了取代以往单位、个人自建小锅炉，用以集中供热的大型锅炉供热或者用附近电厂余热供热取代。相比较在能耗上已经是一个非常大的进步。小锅炉的燃煤效率正常只能达到30%～40%，就算是很不错的产品。集中供热大型锅炉的热效率则能达到80%左右。电厂汽轮机组的发电效率在50%左右，利用余热供热后整个蒸汽机组的热效能使用到85%左右［1］。集中供热使整体的供热能效提高，确定了其在供热行业推广的必要性。

另一方面，集中供热的实施使城市热源得以集中，燃烧物的脱硫、脱硝等减少，空气污染的环保措施具备了实施的条件。以前分散供热时无法进行燃烧烟气净化。这是节能减排的主要环保措施。

城市集中供热的实施是必要的，也是节能减耗的必然措施。那为集中供热配套的计算机全网监控系统就是为优化供热效果，再次减低能源损耗的控制系统了。目前行业中作能源检测的企业不少、作控制系统的也很多，市场基本是成熟的。但是在集中供热的实施中、集中控制系统的建设初期和使用中仍有不少误解和漏洞。不理解的地方大家能相互学习，漏洞就需要大家研发填补。就我个人的了解对城市热网控制技术提出几点见解。

整个集中供热系统可以分为:热源供应系统、热力站控制系统、集中监视控制系统、全网平衡系统和能源分析评价系统。还应包括热源厂、热力站、主要管网节点的视频监控系统。此次只是对系统中部分控制要点进行分析阐述。

1 热源供应系统

北方地区现用热源主要有燃气锅炉热源、电厂余热供热、燃煤锅炉供热等。燃气锅炉燃料为天然气，因其热效高，燃烧产物主要是CO2和N2，H2O 等，属于清洁能源，但其燃气费用高，目前在一线城市使用较多。电厂余热供热这几年使用范围在逐步扩大，各地不少热电联产项目正在实施，是一个不错的能源共享合理利用的范本。燃煤锅炉供热在北方地区使用比较多，结合当地的出煤条件，链条炉、煤粉炉、流化床锅炉等，每种锅炉类型不同其燃烧要求的煤热含量不同，燃烧控制有所不同。但是不管是哪种锅炉目的都是出热量。

去过不少热源厂，不少地方还是靠司炉工人工控制燃烧给煤、鼓、引分量等，煤的燃烧是否燃尽全靠经验和验渣(验渣就是人为的用眼观测锅炉出渣的含煤量)，验渣工序在老一辈的司炉工那是常用的方法。曾经有个热源厂售卖炉渣，对方提了降价意见:说是今年的炉渣不如去年的炉渣含煤量高。这可以当一个笑话的讲，却不能真的当做一个笑话去对待。

在现在的锅炉燃烧系统，控制点主要是:炉温、炉压、引风量，鼓风量和给煤量的配合控制。这就要求控制系统精准的给定风量和煤量。因为引风机或者是鼓风机现在都要求变频驱动，有一定的调速范围，可以调整风量，给自动化控制燃烧系统提供了方便。燃煤锅炉炉膛要求是微负压运行，这就要求引风机和鼓风机之间根据燃烧情况进行调整。还要保证炉膛温度，炉膛温度低容易灭炉，炉膛温度太高对锅炉使用寿命有影响，炉膛容易结焦。炉膛负压控制目的之一是保证操纵工人的安全，如炉膛内压力太大，炉火将从观察孔冒出，危害操纵工人人身安全且造成环境污染。目的之二为保证系统的经济燃烧。负压太大，随着引风损失的热能会增大，排烟温度提高，不利于经济燃烧，计算机将炉膛负压控制在－5～－20 Pa 范围内，负压控制是通过调整风机速度完成的。利用鼓风机和引风机的变频器的调速特性改善风量的控制品质，降低风机的电耗。这在具体控制时就需要作鼓风前馈，提前给定引风机因变量。

图1 锅炉燃烧系统控制系统图

2 热力站控制系统

热力站的自控系统的控制目的是稳定用户室内温度，提前进行水温调节。主要方式根据二次网出水温度或回水温度，进行调节一次管网侧流量，也可以结合当天的室外温度作为补偿变量因素，一般是根据室外温度曲线提前2 小时进行二次出水温度规划，并进行实施调整。这是现在热力站控制中目前主要的应用方式，但实际应用中还有一些因素需要完善考虑，如:

1)确定出水温度时还需考虑用户的新旧建筑及保温效果，必要时可以在新旧建筑分水处再增加流量调整阀，对节能效果差的建筑进行节能改造。

2)在分系统供暖系统中，应在各系统补水支管上增加冷水表。热力站的用水多数都取自自来水系统，只在自来水主管上安装水表只能计量整个站区的用水量。而对于分区系统的失水量却无法进行量化。

3)二次供热网定压点的选取，二次供热网的定压是为了减少循环泵的出力，使循环泵的使用工况达到最佳流量工况。二次供热定压点的选取是否能准确反映二次供热网管道压力就是关键。当热力站二次供热压力点选取在二次回水除污器后时，压力值其实是不能真实的反映二次供热网的静压，除污器或过滤器堵，定压点压力值减小，补水泵补水，会使二次网实际压力值高于设定值，增加用户室内压力管道承压，造成用户内供热管道崩裂跑水。

当热力站二次供热网定压力点选取在二次网回水主管水流方向除污器(过滤器)前时，压力值能真实反映二次网静压值。除污器或过滤器堵时，二次回水压力值会升高，循环泵进水口压力值会降低，使二次流量减少，输出热量减少，使供热效果差。

图2 热力站热控系统二次供回水局部图

分析以上，目的是要说明，热力站的自动控制中，二次网回水的压力测点至少应包括除污器前、除污器后，过滤器后，并对它们之间压差进行比较报警，定压点应选择除污器前为合适。

3 集中监视控制系统

集中控制系统在监控中心的主要功能是把分散热力站数据，包括监控视频数据集中显示存盘，并对热力站运行数据进行调整给定。基础数据的调整给定基本上成套的自控均能够完成。在热力站回传运行数据的方式上有所区别，通常的数据连接所采用的几种方式为:

1)自建局域网专线连接，采用光纤或数据线进行连接，光纤传输距离远，成本高;数据线只能是近距离传输，成本低，但都不便于维护，可靠性差。

2)无线网络连接，企业自建无线局域网或加入移动、联通的局域网。自建局域网受传输距离和其他条件限制，不适合远距离连接;加入移动、联通无线网运行相对可靠，但运行成本高。

3)利用互联网连接，集中控制调度中心与分站点均连接至互联网，经由互联网传输数据，运行可靠，安装成本和运行成本都小。

图3 二次供热网参数巡检图

根据集中控制调度中心与换热站位置相对分散，信号传输距离远，数据量不大的特点，建议用户选用第3 种连接方法:利用互联网连接。根据中心信号集中、多与分站点分布远，站点多的特性，可以申请企业互联网专线，建立基于互联网基础的局域网，或采用基于VPN 技术的互联网连接方式。申请专线连接互联网相对来说，运行成本高些，稳定性更好，但是VPN 技术连接比较而言，运行成本低，安全可靠性也好。

4 全网平衡系统和能源分析评价系统

4.1 全网平衡系统

对于城市集中供热控制系统，控制中心可能只有一个或者几个。热力站会有很多个，在一次热水给定量确定的情况下，对于供热初期的热力站均要根据其供热面积，地势高低、距热源的远近等因素进行热量或者流量预设给定。同时，系统的耦合因数的体现，将视系统的规模而定，比如，北京、天津这样大城市的供热系统，其系统的鲁棒性非常高，局部的变化对系统的整体影响就小。而北方一些地方性的小型供热系统，由于其规模小，相应鲁棒性就低，局部的变化对系统整体的影响也就大。换热站控制器为相互独立的控制单元，由各站的控制器，独立的对站内的设备进行控制和调整。

所以集中控制系统首先应建立全网控制一体化系统，全网平衡系统。一旦其中一个站或者几个站的用热量或者给定一次水量发生变化，应根据其发生变量对整个系统的影响进行全网变量计算运行，即每个热力站的给定量都可根据供热总量范围内发生的变化量进行随动变化调整。

4.2 能源分析评价系统

根据当年的室外温度、天气情况等因素，综合热源供热量或者能源消耗量和供热用户的实际情况、供热面积等因素进行分析，综合评价能效利用情况。不断增加节能减耗方式、改进供热调控曲线、提高供热效果。

优化算法，能源分析系统拥有独立的自控优化算法软件包，包括:气候补偿算法、全网平衡算法、能耗分析等，满足供热单位在控制优化和节能降耗方面的需求。

同时，在优化算法服务中，考虑在工作日和节假日的情况下，终端用户的使用习惯;考虑室外温、降水、风向、风力等对系统的影响;考虑用户实际情况下(如热用户违规安装散热片)和热源负荷不足时的控制策略，使得系统变的更精准、更节能。将热源的运行数据接入能源分析系统，在优化算法运行过程中，对热源数据与换热站运行情况进行统一计算，提升系统的综合处理能力。

同时，热源数据和热力站数据的接入为热源负荷预测提供了基础数据，通过对热源(锅炉)运行数据、换热站运行数据、历史气象数据等历史数据的挖掘，逐步积累整套供热系统(热源、换热站、管网)的运行特点，并将特性数据存储在关系数据库中。

在实际供热运行过程中，系统将根据气象预报和系统运行特征数据，计算出供热的预测数据，指导供热系统运行。并在今后的实际运行过程中不断地积累改进算法，增加功能，在保证供热效果的前提下不断地降低能耗标准。

［1］葛素琴.城市集中供热电厂节能减排后评价研究［D］.北京：华北电力大学，2011.

［2］武涌，丁研，孙金颖.北方采暖地区既有居住建筑供热计量及节能改造工作现状及未来工作重点［J］.暖通空调，2010(11) ：33－39.

［3］叶本利.集中供热系统节能控制技术研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［4］张沈生，孙晓兵，傅卓林.国外供暖方式现状与发展趋势［J］.工业技术经济，2006(7) ：132－134.

［5］张令，王庆东.基于现场总线和高速以太网的SCADA供暖系统［J］.机电产品开发与创新，2006(3) ：39.

［6］余太保，潘军华，孙爱华.变频技术在供热系统中的应用［G］.中国建筑学会建筑热能动力分会第十六届学术交流大会论文集，2009.