集中供热的智能化系统研究

王金星WANG Jin-xing

（河北工大科雅能源科技股份有限公司，石家庄 050000）

0 引言

城市供暖作为当前能源消耗的重要一部分，优化供热系统以实现供热节能显得尤为重要。但是在传统的供热系统中，由于技术和设备的限制，导致很难满足节能要求，也使得集中供热系统运行效率低下，为此，想要充分摆脱这一困境，人们必须重视智能化技术在集中供热系统设计中的运用，构建全新的集中供热自动化系统，提高智能控制水平。

1 集中供热系统智能化改造的重要意义

1.1 实现供热负荷预测

在集中供热系统运行中，对系统负荷影响的因素比较多，例如室内室外温差、建筑结构、建筑种类、管网参数以及实际供热负荷等，并且每一种因素之间都不存在线性关系，一些甚至很难有效预测，比如天气变化无常以及管网突然故障等等。就现阶段而言，当前关于集中供热系统的负荷预报，通常都是使用传统预报方法和经验分析，包括知识平滑方法、回归式反洗方法以及时间序列分析等。而以往的预报方式要求给出由各种影响因素所构成的地热供暖负荷预测模型。但随着集中供热体系日趋复杂化，其中的非线性变动影响因素和时间变性并存，而除去有关供暖负荷的历史数据之外，在实际建模时也需要大量的历史数据支持，包括太阳辐射系数以及环境温度变化等，因此很难保证其完整性，有些时候甚至无法进行合理评价。所以，预测模型的精确程度将无法获得合理提高。若结合了以上因素，也使得以往的供热负荷预测方式无法满足现代化需求，而通过智能化系统的设计，能够有效解决这一困境，实现精准的供热负荷预测功能，也满足现代化集中供热系统的发展需求。

1.2 满足集中供热系统优化调度

对于传统的供热系统来说，在调度优化中主要包括搜索算法、枚举法和启发式计算方法。集中供热系统调度优化是一项复杂的问题，如果通过传统的搜索算法，那么也会引发更加复杂的问题，使收敛速度降低，影响集中供热系统运行效率，此外，由于非线性最优化的方法是单点搜索，容易陷入局部最优解，从而很难得到全局最优解。所以，通过集中供热系统智能化系统设计，也可以有效解决这一问题，通过遗传算法的引入，利用随机化技术指导编码参数的高效搜索，与其他算法相比具有良好的应用优势，能够全面实现集中供热系统调度优化的目标。

2 集中供热系统存在的问题

2.1 锅炉运行效率不高，污染排放量较大

锅炉系统是集中供热系统中的重要组成部分，但是在以往的锅炉系统设计中，经常存在设计不合理的现象，也有部分锅炉系统存在运行控制精确度不足的现象，进而造成锅炉运行过程中能源消耗较大，产生的污染排放也比较大，不仅浪费大量的能源，也会引发严重的污染。为此，这一问题也逐渐成为新时期集中供热系统研究中的热点话题。从以往的集中供热系统来看，大部分集中供热单位所使用的锅炉都是燃煤锅炉，而这种类型的锅炉最大缺陷就在于锅炉运行效率不高，而且会带来严重的污染。现阶段，在我国煤气改造理念的推动下，煤改电和煤改气工程的不断完善，也取代了传统的燃煤锅炉，逐步采用电锅炉和燃气锅炉。以电锅炉为例，其主要是通过电力能源的转化来达到高效供热效果，但是作为二次能源，将污染源由锅炉转移到电厂，也会引发一定的环境问题。此外，能源的综合利用效率也要结合实际工程分析进行设定。燃气锅炉的效率要高于燃煤锅炉，但是我国现阶段集中供热系统中的燃气锅炉运用中，许多燃气锅炉的应用效率没有得到有效发挥。

①锅炉运行中受到外部因素的影响，导致锅炉运行效率始终无法有效提升；②锅炉内部结构设计不合理，使燃料无法得到充分燃烧，引发能源浪费与环境污染；③排烟浓度较高，高温烟气排放也将大量热量消散，使锅炉供热效率大大减弱。

2.2 自动节能效果不高

在新时代的集中供热系统中，自动控制系统是重要的组成部分，同时也是系统中成本消耗最大的部分，所有自动化设备的有效运用，不仅能够准确地实现信息传递，同时还可以满足远程控制需求，对换热站实行管控和调度功能，从而合理化分配热源，达到能源充分利用的目的。但是结合我国当前的集中供热自动化系统来看，依然存在许多问题，具体表现在以下几个方面：

①集中供热自动化系统中换热站在日常运行中很难实现对热量数据与热源产生数据有效对接；

②热量传输过程中会受到控制阻碍，导致热量无法高效输送到热力站，也很难达到用户控制效果；

③在集中供热系统工作时，最经常出现的问题便是温度水利失调现象，但由于这一问题大多是由供暖管道产生的，要彻底解决具有相当困难，而同时在供暖系统内部所使用的温度调控装置又没有合理性，导致整个工作系统都很难对室内外的气温数值进行合理调节，并由此造成了大量的热能散失。

2.3 供热管网热能损失严重

集中供热系统常见问题便是能源损耗，引发这一问题的主要因素是热管网中的热能损失严重，从而导致供热系统的热输送效率无法满足预期供热目标，也影响集中供热系统节能效果。而引发这一问题的因素包括以下几种：

①供热管网缺乏城市供热系统合理规划，导致管网长时间使用无法有效维护，经常出现管网破损等问题；

②管网安装设置环节中，由于施工人员的疏忽引发管网泄露等问题，大大降低了管网热输送效率，从而给集中供热企业带来较大的损失。

3 集中供热系统的智能化设计和实现

3.1 集中供热智能化监控系统设计

3.1.1 DCS电控柜硬件设计

图2为集中供热系统智能监控拓扑图，在DCS电控柜的一次管网和二次管网安装中，合理设计温度传感器、过滤器、压力变送器、流量计、补水阀变频器、循环泵等控制系统与监视设备。在DCS监控柜的设计中，还要融入可编程PLC控制装置、不间断UPS装置、无线传输模块、变压器、数据采集系统以及触摸屏，通过可编程PLC总线和无线传输模块连接，利用数据采集器传输数据，将触摸屏与可编程逻辑控制器相连。工业用数据采集器和现场传感器进行有效连接，无线数据远程传输模块将信号传输到控制中心，变压器和UPS为系统提供电能。通过补水泵和循环的变频控制系统设计，达到良好的智能控制效果。控制阀门开度完成二次供水温度调节，并且利用变频器调节实现二次回水的压力与压差调节。

图2 集中供暖温度监测系统详细拓扑图

3.1.2 通信协议和程序设计

供热管线的智能监测控制系统方案设计中，必须设计通讯网络、可编程控制器设备和管理信息等一些关键部分。在数据通信网络中，利用五G通信模块实现拨号，从而得到随机分配的IP地址，并通过数据中心IP和端口向大规模数据中心发送通讯申请，从而形成了良好的通讯联系。当DTU接收到热供控制器中的数据后，将数据到TCP/UDP内，当接收到远程传送的数据串码后，还可利用串口将数据发送至可程序化控制器中，从而进行了良好的数据处理，如图1所示。

图1 PLC控制流程

3.1.3 模糊PID控制技术

结合动态集中供热系统的设计来说，针对其具有的滞后性、耦合性以及时变性特征，需要构建Fuzzy-PID控制系统，从而为系统提供供水恒温输出功能。通过该控制系统的设计，能够对热网二次供水温度进行实时调节，通过人工设定控制器温度，利用实际语言变成的模糊法则，输出PID控制参数，达到二次供水温度控制的作用。

3.1.4 温度补偿调节技术

当室外温度产生较大变化时，集中供热系统的供热量大于需求后，很容易产生供热能源浪费。为此，通过智能化技术的运用，开展联合远程控制和现场温度补偿控制系统的设计，结合温度补偿器反馈来实现热负荷调节，热电厂基于热负荷预估反馈，建立供热面积与实时供水的数学模型，从而实现智能化供暖状态。集中供热调节的基本公式是：q=（tn-tw）/（tn-tw’）=g（tg-th）/（tg’-th’）=（tg+th-2tn）1+b/（tg’+th’-2tn）1+b

式中tn——供暖室内计算温度，℃；tw——供暖室外某一温度，℃；Tw’——供暖室外计算温度，℃。

3.1.5 组态监控系统

远程监控系统基于Kingview组态软件，对多个二级热力站进行实时监控，在主界面设计多个换热站的集中显示界面，在子界面设计各个换热站的热网回路，监测热网回路中一次供水温度、二次供水温度、阀门开度、循环泵压力、补水泵压力等指标。各换热站的子界面监控系统虽内容相似但相互独立，子界面监控系统集成到主界面监控系统中。根据结构化设计思想，该系统设计成一个清晰的层次结构，组成相对独立的单位，尽量避免彼此之间共享信息，从而达到良好的集中化供热智能化管理目标。

3.2 智能化技术应用

在互联网+时代的推动下，智慧能源也得到了各个领域的广泛关注，而智慧供暖也成为了当代集中供热系统建设的重要发展方向。智慧供暖的核心在于实现自动化技术的有效融合，通过管网系统以及采集热源数据的采集，利用自动化系统作出准确预判，下达命令完成多系统联动控制效果，充分展现出系统运行的经济系与稳定性。优化集中供热系统的运行方式，也能够满足热力平衡和水力平衡的系统需求，降低能源消耗，为用户带来舒适的供暖体验，也能够提高供暖企业经济收益。所以，通过智能化技术的引入也可以确保供热体系中多方受益。此外，随着计算机技术与信息化技术的全面发展，计算机监控系统保持着较高的自动化程度，能够大大节约集中供热系统的劳动生产率与热效率，所以在集中供热系统中也实现广泛运用，进一步提升了集中供热系统的运行效率，设定相应的计算机监控体系对锅炉运行进行实时监管，结合具体情况，对整个集中供热系统计算机监控体系实现合理化设计，通过集散式监控模式和中央集中监控模式的灵活运用，降低系统故障率，提高智能化监控水平。

3.3 减排技术的开发和应用

在我国节能减排理念的推动下，也要做好集中供热系统的全面改革。众所周知，每年集中供热系统运行产生的污染和能源消耗巨大，因此，开展集中供热系统的减排和降耗也成为重要的研究方向。集中供热行业作为民生工程项目，要深入研究节能减排供暖技术，在工艺水平符合实际要求的基础上，实现集中供热系统内部设备进行智能化改造，利用最新节能降耗措施，减少锅炉烟气排放量，设计智能化除尘、降氮和脱硫脱硝系统，科学化地降低烟气排放量，有效减少能源浪费，符合集中供热系统节能减排的设计要求。通过变频技术的应用，集中供热系统的调节运行过程中，泵与风机等设备所消耗的电能较大，其变频控制技术的使用可带来显著的节能效果，同时还可以在很大程度上提高供热质量，满足用户的供热需求。尤其是分布式变频循环泵的使用，不仅可以提高水力平衡度，满足均衡供热需求，还可以提高效率，降低管网输送能耗，有效实现节能减排。由流体力学相关知识可知：

其中n1和n2分别代表机械转速，G1和G2代表流体实际流量，H1和H2表示流体压力值；P1和P2表示电机功率。由上式看出，相似工况下的水泵或风机满足相似定律，其转速和流量之间成正比，输出功率分别和流量与转速的立方成正比。通过引进变频设施，可以有效地实现整个集中供热系统的调速节电运行目标，尤其是在风机的运行方面所产生的节电效果最为显著。

3.4 分布式智能供热系统

集中供热系统作为一个结构复杂、规模宏大、目标多样的系统，在智能化设计中还要充分遵循大系统理论思路，将系统的总体功能与目标结合一定关系分配到各子系统中，所有子系统都设置独立控制装置，并且具备独立决策能力，将大系统功能和目标分解，各子系统复杂性比整合系统复杂性小，容易实现自身最优化，并且实现良好的协调，取得系统全局优化设计的效果。在整套系统的设计思路中，应用大系统理论，能够结合不同的系统结构，设计出各自的控制方法与方向，对集中供热系统进行阶梯化结构设计，通过把大系统分解成单独的子系统，以确保各系统之间共同管理信息，并通过为上级系统设计协调处理信息的自动管理功能，进行上下级信息交流，并且取得子系统优势的基础上，以确保大系统中获得最优值。集中供热系统由热源用户、热管网和提供热源所组成，提供热源为一次网系统，由热力所组成，对集中供热系统而言，一般包括次管网系统和热力站，用户端则是二次网系统，而这个系统在整个集中供热体系中又具有几个子系统，一次管网与二次网之间直接通过热力站连接，热力站的功能可以满足供暖需要，同时热力站之间彼此独立，相互间影响能够基于一次网合理调度来实现。所以，在进行整个供热系统方案设计中，可以通过热力站作为调节系统，确保集中供热系统建模结构简化，达到分布式智能供热效果。

4 结束语

综上所述，集中供热系统作为北方地区重要的民生工程，给人们的生活和城市发展都带来重要的保障。为此，文章主要从集中供热系统智能化改造的意义入手，分析了当前我国集中供热系统中存在的典型问题，对供热系统锅炉运行效率不高、污染排放量较大、自动节能效果不理想、供热管网热能损失严重等几个问题进行了深入讨论，并对此研究出全新的智能化集中供热系统，利用智能监控技术、节能减排理念以及分布式智能供热技术，解决传统集中供热中存在的各类问题，也符合新时期的供热系统运行要求，满足我国供热工程的健康发展。