基于精細(xì)化控制的供熱系統(tǒng)節(jié)能分析

2018-08-31 267650

核心提示：綜合考慮氣象條件、建筑性質(zhì)、用戶使用習(xí)慣等多種因素，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對集中供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷進(jìn)行了實(shí)時預(yù)測。結(jié)合建筑的熱惰性、供熱系統(tǒng)和傳熱過程的時滯性，采用分布式變頻技術(shù)對主熱源水泵和各用戶的一次水泵進(jìn)行主動連續(xù)調(diào)節(jié)?；跀?shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了供熱站與換熱站的聯(lián)動控制。將精細(xì)化控制用于西安某熱力公司供熱系統(tǒng)，取得了良好的運(yùn)行和節(jié)能效果，節(jié)能率在50%以上，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】:集中供熱；負(fù)荷預(yù)測；分布式變頻；精細(xì)化控制；節(jié)能；DistrictHeating；LoadPrediction；DistributedFrequencyConversion；ElaborateControl；EnergySaving

【摘要】:綜合考慮氣象條件、建筑性質(zhì)、用戶使用習(xí)慣等多種因素，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對集中供熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷進(jìn)行了實(shí)時預(yù)測。結(jié)合建筑的熱惰性、供熱系統(tǒng)和傳熱過程的時滯性，采用分布式變頻技術(shù)對主熱源水泵和各用戶的一次水泵進(jìn)行主動連續(xù)調(diào)節(jié)。基于數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了供熱站與換熱站的聯(lián)動控制。將精細(xì)化控制用于西安某熱力公司供熱系統(tǒng)，取得了良好的運(yùn)行和節(jié)能效果，節(jié)能率在50%以上，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1.引言

我國北方城鎮(zhèn)地處寒冷和嚴(yán)寒地區(qū)，由于采暖期長、供熱面積基數(shù)大，采暖能耗占中國建筑用能的很大一部分，是我國目前建筑節(jié)能的主要對象。隨著鍋爐效率的提高及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能的加強(qiáng)，我國單位面積采暖能耗逐漸降低，但是隨著集中供熱市場的逐年擴(kuò)大，總體采暖能耗仍持續(xù)增長[1]。北方地區(qū)為了應(yīng)對冬季的寒冷氣候，供熱系統(tǒng)大都采用連續(xù)運(yùn)行的方式，運(yùn)行時間基本上都在100天以上。北方城鎮(zhèn)建筑供暖典型的“全時間、全空間”特征，是導(dǎo)致采暖能耗大的主要原因。

為減少建筑能耗，我國對北方地區(qū)既有和新建采暖建筑提出了一系列的節(jié)能要求，使得建筑單位面積能耗有明顯的下降。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于運(yùn)行調(diào)節(jié)不到位，建筑室溫偏高的現(xiàn)象普遍存在，能源浪費(fèi)嚴(yán)重。當(dāng)維持室溫為18℃時，北方城鎮(zhèn)建筑采暖需熱量在0.23~0.42GJ/(㎡?a)之間[2]。實(shí)際上，由于大部分建筑的室內(nèi)溫度高于18℃，甚至有的用戶高達(dá)25℃以上，導(dǎo)致北方城鎮(zhèn)建筑采暖實(shí)際用熱量在0.4~0.55GJ/(㎡?a)之間，平均約為0.47GJ/(㎡?a)[2]。究其原因，一方面是供熱按面積收費(fèi)的方式，用戶沒有節(jié)能的積極性；另一方面是換熱站及末端設(shè)備調(diào)節(jié)手段不到位，無法適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。

西安市城區(qū)內(nèi)現(xiàn)有不同體制不同規(guī)模的供熱企業(yè)共9家、鍋爐總臺數(shù)達(dá)到179臺，集中供熱面積達(dá)到1.78億㎡。目前，西安市主城區(qū)建筑總面積約為3.70億㎡，集中供熱普及率僅為48.1%，供熱市場廣闊。若所有建筑采暖用熱量控制為0.31GJ/(㎡?a)，3.70億㎡供熱面積的節(jié)能量為0.592億GJ。按西安市集中供熱收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的44元/GJ計(jì)算，年節(jié)能集中供熱費(fèi)用約26.048億元，節(jié)能潛力巨大。

本文分析了西安市新建建筑的理論耗熱量，然后給出了實(shí)際負(fù)荷的預(yù)測方法；結(jié)合西安某熱力公司的管網(wǎng)和用戶分布設(shè)計(jì)了分布式變頻供熱系統(tǒng)，并編制了精細(xì)化控制軟件；通過一個采暖期的運(yùn)行，對系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了評價(jià)。

2.理論耗熱量

西安冬季采暖室外計(jì)算溫度為?3.4℃，實(shí)際采暖期為120天，接近日平均溫度≤+8℃的天數(shù)，因此，采暖期室外平均溫度按2.6℃計(jì)算[3]。熱負(fù)荷指標(biāo)按規(guī)范[3]推薦的節(jié)能建筑數(shù)值選取。考慮到住宅建筑、辦公建筑、賓館建筑、工業(yè)建筑的用熱時段及室溫設(shè)定值不同，對這幾類建筑的理論耗熱量分別進(jìn)行推算。

2.1.住宅建筑

住宅建筑熱指標(biāo)取40W/㎡，24h室內(nèi)溫度設(shè)定為20℃，由此可得平均熱指標(biāo)為：

q=20?2.618?(?3.4)×40=32.52q=20?2.618?(?3.4)×40=32.52W/㎡

年耗熱量為：

Q=32.52×120×24×3600/109=0.3372Q=32.52×120×24×3600/109=0.3372GJ/㎡

2.2.辦公建筑

辦公建筑熱指標(biāo)取60W/㎡，6:00~20:00室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃，20:00~6:00室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為5℃。由此可得平均熱指標(biāo)為

q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×60=33.01q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×60=33.01W/㎡

年耗熱量為：

Q=33.01×120×24×3600/109=0.3422Q=33.01×120×24×3600/109=0.3422GJ/㎡

對于24h要求室溫20℃的辦公建筑，年耗熱量為：

Q=60×120×24×3600/109=0.6221Q=60×120×24×3600/109=0.6221GJ/㎡

2.3.賓館建筑

賓館建筑熱指標(biāo)取45W/㎡，24h室內(nèi)溫度設(shè)定為22℃，由此可得平均熱指標(biāo)為

q=22?2.618?(?3.4)×45=40.79q=22?2.618?(?3.4)×45=40.79W/㎡

年耗熱量為：

Q=40.79×120×24×3600/109=0.4229Q=40.79×120×24×3600/109=0.4229GJ/㎡

2.4.工業(yè)建筑

工業(yè)建筑熱指標(biāo)取50W/㎡，6:00~20:00室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為20℃，20:00~6:00室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為5℃。由此可得平均熱指標(biāo)為

q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×50=27.51q=[20?2.618?(?3.4)×1524+5?2.618?(?3.4)×924]×50=27.51W/㎡

年耗熱量為：

Q=27.51×120×24×3600/109=0.2852Q=27.51×120×24×3600/109=0.2852GJ/㎡

3.集中供熱系統(tǒng)精細(xì)化控制

3.1.分布式變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1.分布式變頻系統(tǒng)原理

目前，我國北方城市的供熱系統(tǒng)仍以枝狀管網(wǎng)為主。在熱能輸送方式上，多采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行方式，即在熱源廠統(tǒng)一設(shè)置循環(huán)水泵，由其承擔(dān)熱源內(nèi)部阻力、輸送及輸配管網(wǎng)阻力、換熱站或其他末端系統(tǒng)阻力，用戶處不需在城市熱網(wǎng)側(cè)設(shè)置水泵。熱源循環(huán)水泵揚(yáng)程依據(jù)最不利環(huán)路的阻力進(jìn)行配置，以滿足遠(yuǎn)端用戶的用熱需求；近端用戶資用壓差過大，采用閥門進(jìn)行強(qiáng)制節(jié)流，以達(dá)到近端與遠(yuǎn)端的水力平衡要求。實(shí)際運(yùn)行中，對于規(guī)模較大的供熱管網(wǎng)，由于近端用戶調(diào)節(jié)閥處的壓差遠(yuǎn)大于閥門的調(diào)節(jié)范圍，導(dǎo)致近端用戶超流量現(xiàn)象大量存在，成了北方地區(qū)城鎮(zhèn)供暖每年都要面臨的困擾。為了解決末端不熱的問題，熱力公司往往采取加大流量的措施，從而進(jìn)一步擴(kuò)大了超流量用戶的范圍。

相比于調(diào)節(jié)閥，基于變頻技術(shù)的水泵調(diào)節(jié)流量的方式更為方便、可靠。在實(shí)際應(yīng)用中，降低熱源廠主循環(huán)水泵的揚(yáng)程，讓其僅克服熱源廠內(nèi)部的阻力，這樣使得熱源廠設(shè)備承受的壓力大為降低，水泵的運(yùn)行能耗也大幅度降低。由于熱源水泵揚(yáng)程不能克服熱源廠外的阻力，因此，所有熱用戶都必須在城市熱網(wǎng)側(cè)設(shè)置水泵，用以克服熱源廠至熱用戶之間的阻力。在熱用戶處設(shè)置的這一水泵稱為分布式變頻水泵。這樣一來，將在熱源處形成大流量、小揚(yáng)程水泵，在用戶處形成小流量、揚(yáng)程隨距離熱源距離逐漸增大的水泵。熱源大流量水泵與各用戶的小流量水泵串聯(lián)運(yùn)行，各用戶的小流量水泵并聯(lián)運(yùn)行。所有水泵均通過頻率控制實(shí)現(xiàn)各供暖用戶的水力平衡。這一系統(tǒng)即為分布式變頻供熱系統(tǒng)。自動化程度較好的分布式變頻系統(tǒng)可省去調(diào)節(jié)閥門，同時可降低供熱系統(tǒng)供水管道的壓力水平，系統(tǒng)更加安全。

3.1.2.分布式變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在分布式變頻系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)時按以下步驟進(jìn)行：

1)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算，確定系統(tǒng)所需的流量和壓力分布。

2)按照供熱的經(jīng)濟(jì)性，合理選擇壓差控制點(diǎn)位置，一般控制在熱源廠內(nèi)部。

3)選擇主循環(huán)泵，流量滿足全網(wǎng)流量需求，揚(yáng)程克服壓差控制點(diǎn)之前的系統(tǒng)阻力。

4)選擇用戶一次水泵，滿足該分支用戶的阻力和流量。用戶一次水泵應(yīng)滿足用戶近、遠(yuǎn)期負(fù)荷發(fā)展要求，并能適應(yīng)外網(wǎng)壓力變化。

3.2.集中供熱系統(tǒng)精細(xì)化控制

3.2.1.負(fù)荷預(yù)測

供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的熱負(fù)荷預(yù)測指導(dǎo)著供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)和控制。影響熱負(fù)荷的因素較多。按照主客觀分為氣象因素、建筑因素和人為因素。按照是否為熱計(jì)量建筑分為非熱計(jì)量、熱計(jì)量和用戶行為。用戶行為的不可預(yù)知性，使其成為負(fù)荷預(yù)測中的偶然因素。

供熱系統(tǒng)具有時變性、時滯性、隨機(jī)性和偶然性等特點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對熱負(fù)荷的預(yù)測擁有巨大優(yōu)勢。本文依據(jù)為每個換熱站專門開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行了熱負(fù)荷的預(yù)測，并基于預(yù)測的結(jié)果對供熱系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有專門文獻(xiàn)可查，本文不再贅述。

3.2.2.檢測參數(shù)

檢測參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，主要包括室外氣象參數(shù)(溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射等)，城市熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，城市熱網(wǎng)流量，用戶熱網(wǎng)供、回水溫度，用戶熱網(wǎng)供、回水壓力，分布式水泵運(yùn)行反饋。

3.2.3.控制對象

根據(jù)檢測參數(shù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算，得到各用戶的熱負(fù)荷預(yù)測結(jié)果。通過調(diào)節(jié)用戶分布式變頻水泵的轉(zhuǎn)速，改變城市熱網(wǎng)在用戶處的回水溫度，從而保證城市熱網(wǎng)的供、回水平均溫度在所需的數(shù)值上，保證換熱器的傳熱溫差，進(jìn)而保證熱用戶的供熱量。用戶管網(wǎng)側(cè)的流量，按照壓差調(diào)節(jié)的方法進(jìn)行用戶處水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整。

3.2.4.控制方法

用戶管網(wǎng)溫度調(diào)節(jié)方程為：

tpj=tg+th2=qhqh0(tpj0?tn0)+tntpj=tg+th2=qhqh0(tpj0?tn0)+tn(1)

式中，tpj為用戶管網(wǎng)供、回水平均溫度，tg為用戶管網(wǎng)供水溫度，th為用戶管網(wǎng)回水溫度，qh為熱負(fù)荷實(shí)時預(yù)測值，tn為室溫設(shè)定值，下標(biāo)0表示設(shè)計(jì)工況。

在不同的預(yù)測負(fù)荷下，通過調(diào)節(jié)城市管網(wǎng)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制城市管網(wǎng)的流量來控制用戶管網(wǎng)供回水平均溫度進(jìn)行用戶管網(wǎng)的溫度調(diào)節(jié)。

用戶管網(wǎng)流量調(diào)節(jié)根據(jù)最不利用戶壓差要求調(diào)節(jié)變頻水泵的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)板式換熱器傳熱方程，城市管網(wǎng)與用戶管網(wǎng)供、回水溫度有如下關(guān)系：

(τ1?tg)?(τ2?th)lgτ1?tgτ2?th=(τ10?tg0)?(τ20?th0)lgτ10?tg0τ20?th0qhqh0(τ1?tg)?(τ2?th)lgτ1?tgτ2?th=(τ10?tg0)?(τ20?th0)lgτ10?tg0τ20?th0qhqh0(2)

式中，τ1、τ2分別為城市管網(wǎng)供、回水溫度，下標(biāo)0表示設(shè)計(jì)工況。

城市管網(wǎng)和用戶管網(wǎng)供、回水溫度均通過換熱站內(nèi)的溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時采集，因此，式(2)可以用來判定負(fù)荷預(yù)測的準(zhǔn)確性，并用于預(yù)測模型的修正。

4.運(yùn)行效果分析

4.1.設(shè)計(jì)條件

2016~2017年采暖季共有4家用戶投入運(yùn)行，分別為第一學(xué)校、第六小學(xué)、公安局、消防站。各換熱站設(shè)計(jì)條件見表1(其中，第一學(xué)校換熱站夜間僅維持5℃的值班溫度)。

4.2.運(yùn)行效果

2016~2017年采暖季的實(shí)際運(yùn)行效果表明，基于精細(xì)化控制的供熱系統(tǒng)具有十分可觀的節(jié)能潛力。對于夜間僅維持值班溫度的熱用戶(第一學(xué)校)，節(jié)能潛力尤為可觀(表2)。表中所有用戶的實(shí)際耗熱量均小于理論耗熱量，平均實(shí)際耗熱量指標(biāo)為0.1569GJ/㎡，平均實(shí)際熱負(fù)荷僅15.13W/㎡。

圖1~圖4給出了第一學(xué)校換熱站的實(shí)際運(yùn)行曲線。由曲線可以明顯看出，整個運(yùn)行過程中，城市熱網(wǎng)和用戶熱網(wǎng)的參數(shù)均在不斷變化中。正是這種變化，充分利用了整個系統(tǒng)的供給和消耗的時間差，最大限度地實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。

由圖1可以看出城市熱網(wǎng)的水溫是不斷變化的，說明城市熱網(wǎng)為典型的質(zhì)調(diào)節(jié)過程。圖2說明用戶熱網(wǎng)的水溫也是不斷變化的，用戶熱網(wǎng)也為典型的質(zhì)調(diào)節(jié)。圖3體現(xiàn)了城市熱網(wǎng)的水量是不斷變化的，

Table1.Designconditionsofheatingusersin2016-2017

表1.2016~2017采暖季用戶設(shè)計(jì)條件