太原集中供热二网系统建设分析

冯关儒

（太原市热力集团有限公司，山西 太原 030000）

1 太原市集中供热二网运行分析

1．1 太原市集中供热二网运行现状

太原市热力集团有限责任公司总供热面积达1．7 亿m2以上，占全市城区供热面积的72%，覆盖全市333 余万人，主要依靠13 个热源实施供热。

太原热网从2016 年建成37．8 km 的太古长输管网开始，逐步形成多热源、大落差、长距离的大型环状管网，调节难度增加，热网平衡成为公司生产运行的关键难题，经过4 a 的运行，一次管网以分公司为区域，设立关口阀门，1 400 余座换热站，均通过电动调节阀，实现远程监控，自动平衡，热力失调度显著下降，热网输送能力及平衡能力也取得了突破性进展。

2018 年开始，太原热力公司对供热系统进行挖潜，逐步探索解决二次管网水力失衡问题的技术路线，即建立从换热站到庭院管网，再到楼栋单元入口，最后到入户阀门的热网平衡系统。

截至目前，通过在单元回水管及入户回水管加装带回水温度测点的电动调节阀，利用数据采集箱实现阀门的供电及信号传输。逐渐在部分小区实现了控制到单元或者到户的二网控制模式，有效提高了二次管网的水力平衡度，降低了供热单耗，产生了较好的经济及社会效益。

本文就集中供热二次管网的单元阀及户阀系统建设方案，以及二网户阀通讯及实现方式展开详细论述。

同时，在二次网系统建设的同时，基于java 语言，B/S 架构，开发了二次网的平衡控制平台，并充分考虑二次网调节的可靠性、安全性。

通过该二网节能系统控制平台，能够实现降低水力失调，降低能耗，最终实现节能、绿色、安全的模式，对未来在更多小区推广，提供了理论及经验。

1．2 二次网水力失调及原因

1．2．1二网水力失调

当前许多供热系统在实际运行中流量比设计流量大1 倍～2 倍，设计温差25 ℃［1］，实际供回水温差为8 ℃～15 ℃，约为设计温差的50%。经常出现供热系统热源近端用户热，远端用户冷的现象。

二次网平米流量：设计外温下平方米流量2 kg，实际运行平方米流量5 kg 。

1．2．2失调原因

1） 设计时期。工程设计是根据水力学理论进行计算而选取相应的数据，而实际管材的数值与标准是有差别的。

2） 建设时期。由于施工条件的限制，使管路的实际情况与设计情况有很大的不同，建设期未进行调试或调试效果差。

3） 运营时期。供热管网新接入热用户或停运部分热用户，全网阻力特性改变，导致水力失调［2］； 随意调整网路分支阀门或用户入口阀门，导致水力失调；热用户室内水力工况改变，比如随意增减散热器或开关阀门等，同样会导致水力失调。

1．3 二网节能系统建设实践

本文为太原市热力公司市晋东国有资产管理处热力站至用户楼栋内分户装置及用户室内采暖系统的节能改造，共计32 栋住宅楼，采暖面积11． 4 万m2，涉及用户1 525 户。

主要工程内容为：

1） 每户安装远程户用控制阀，在用户不能缴纳采暖费时可以远程关闭阀门，停止供暖。

2） 每栋楼前安装物联网平衡阀，用于解决各楼栋之间水力失调、管网不平衡的问题。

3） 每栋楼前安装数据采集箱，用于采集各阀门的状态、楼栋回水温度，同时可以远程控制各阀门。

4） 搭建通讯网络，将数据采集箱的数据通过有线或无线的方式传输到热力站，通过热力站已有光纤传输到监控中心。

5） 新上监控中心软、硬件设备，具备数据采集、全网平衡控制、报警等功能。

6） 同时预留与其他系统的接口。

2 二次网节能系统建设方案

通过户用二网平衡调节阀调节方案，既可以解决水平失调，还可以解决垂直失调；对应每个用户的用热流量由每个用户阀门的开度大小决定，直接做到最末端的精细化流量分配，无需安装单元调节阀或者管网分支调节阀。二网硬件系统及通讯示意图如图1 所示。

图1 二网硬件系统及通讯示意图

2．1 单元阀调节阀系统方案

单元阀系统方案在每个单元热力入口位置安装单元阀，通过单元阀回水温度调节，解决庭院管网的水平方向失调。单元阀的投资回报期一般： 3 a ～5 a，造价：3 元/m2～4 元/m2。

2．2 户用二网平衡调节阀系统方案

户用二网平衡调节阀系统方案是在每户入口位置安装户用调节阀，通过调节每个用户的回水温度，解决户与户之间的水力失调，户用二网平衡调节阀必须集成回水温度采集功能，采集每一个用户入口的回水温度，然后根据回水温度控制每户的流量，从而达到热量的按需分配。

户用阀门的投资回报期一般： 2 a ～3 a，造价：4 元/m2～6 元/m2。

3 二次网调阀通讯现方式

3．1 系统架构

监控中心层：二次网平衡控制平台、全网平衡软件；网络通讯层： 无线； 就地设备层： DTU，PT100，电动球阀（连续型，安装在楼栋立管） ，DTU 箱（含通讯设备） 。

图2 为本方案选用的电动平衡调节阀外观图，标配回水温度采集功能，预留供水温度采集接口，可接PT100温度传感器； 同时预留供回水压力采集接口，可外接4 mA ～20 mA 二线制压力变送器，通过手机客户端可读取供回水温度及供回水压力情况。

图2 二网系统架构图

3．2 LORA 和NBIOT 方式对比NBIOT 和LORA 都是无线通信方案。

3．2．1LORA

优势：1） 通信费用非常低；2） 通信稳定可靠，适合大面积安装，房间内部信号无死角；3） 功耗极低，电池供电设备可以做到实时调控阀门。

劣势： 需要基站设备（市电节电或者太阳能电池方案） 。

3．2．2NBIOT

优势：不需要基站设备。

劣势：1） 通信资费高，每个阀门里面都有一个手机卡；2） 现场信号不好把控，管道井内部容易存在盲区；3） 功耗大，每次通信的间隔时间：12 h/24 h。

将电动平衡调节阀安装在单元入口或分户立管中便于接收手机信号及连接电源的最佳位置，阀门执行器可通过RS485 或外置GPRS 进行有线/无线通讯。外置DTU 控制器安装在小区内合适的取电和通讯连接位置处，可方便地与电动平衡调节阀进行有线/无线通讯。

为了方便DTU 控制器与电动调节阀的通讯，每栋楼（包含多个单元楼） 安装一台DTU 控制器。电调阀将采集到的二次网回水温度和阀位等参数传输给外置DTU控制器，而外置DTU 控制器将接收到的二次网调控参数传输给热控中心上位全网平衡控制软件（及4 节内容介绍的二次网平衡控制平台） 进行后台计算，得到各电动平衡调节阀的调控指令，通过外置DTU 控制器下发给各电调阀，指导电调阀进行相应的调节，直到各楼栋二次网回水温度趋于一致。同时采用电调阀可实现实时电动调节，则可以视实际情况灵活采用多种控制策略实现二网动态平衡。

4 二次网平衡控制平台搭建

4．1 上下位实现过程

安装在每户的远程户用控制阀和安装在每栋楼前（具备到户的安装户阀） 的二网平衡调节阀通过RS485 总线的形式将数据，如阀门状态、回水温度等参数传输给数据采集箱，采集箱通过无线或有线的方式将数据传输到热力站，然后通过已有光纤将数据上传到监控中心［3］。

在监控中心部署服务器和服务器软件，用于对二次网参数进行采集和存储，部署操作员站用于对二次网阀门进行远程操作。同时部署全网平衡软件，根据各二网平衡调节阀采集到的温度，统一设定温度目标，根据回水温度控制二网平衡调节阀的开度。

4．2 功能页面

首页显示实时气象温度、用户信息以及平衡控制、控制效果、数据查询、GIS、系统管理等主要功能，如图3 所示。

图3 二网平台功能页面

4．3 阀门管道布局

建立供热系统二网拓扑图，方便运行人员对庭院管网的路由及阀门位置进行直观监测，用户室温数据也在平台进行了接口预留，未来承接室温数据，直接在拓扑图显示，直观反映用户用热情况，如图4 所示。

图4 换热站所属二网阀门管道布局图

4．4 控制效果

通过上位软件调节，下位阀门在进行2 d 左右时间达到动态平衡状态，较以往调节时间10 d，为运行人员二网平衡节省了时间、人力和物力，图5 为其中某小区的控制效果示例图。

图5 换热站控制效果示例图

4．5 用户信息安全考虑

为了方便用户使用，统一采用阿里云服务器，系统部署在云端；同时为了保证数据安全，所有导入的用户基础数据，包括姓名、电话、身份证号码等敏感信息建议隐藏处理，在系统里面不是关键数据，不需要做真实数据，如此操作保证了用户信息安全。

5 结论

1） 对太原二网庭院管网进行节能改造，提升供热效果。供暖服务质量得到改善，解决水力失调导致的室温过低现象。降低投诉率： 通过调控可大幅度降低不同住户的室温差异，实现均衡供热，保证90%以上测温住户的室温差异不超过2 ℃。这样不但可以消除因室温不达标导致的投诉情况，还可以大量降低因室温差异大导致的住户投诉。减少人工投入： 在没有户端数据的情况下供热企业以人工巡查为主，故障原因不易查明，耗时耗力。通过本项目改造我们把“用户找热力”改成“热力找用户”，在住户供热系统出问题的时候

即可主动预警，服务人员上门。这样不但减少了投诉率，也便于精准故障定位和原因查明，极大降低了人工投入。2） 搭建基于java 的Web 平台，实现二网节能控制。通过控制平台，对庭院管网进行高效远程操作和调控；同时，控制平台进行了漏扫等工作，防止SQL 注入等网络安全问题的发生，经2020 年采暖季运行效果可以看出，平台稳定，控制有效，节能明显，对下一步推广更多二网庭院管网有很好的借鉴意义。