季 涛

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

基于模糊控制的集中供暖系统节能运行新技术＊

季 涛

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

本文采用现场总线监控技术将整个供暖系统中燃煤锅炉、泵房循环泵和公共建筑供热负荷分时段控制集成为一个监控系统。采用模糊PID控制技术优化锅炉运行风煤比，提高锅炉运行效率，采用智能分时分区流量控制技术实现大型公共建筑节能，采用气候补偿技术精确调节锅炉热功率输出。在保证供暖质量的前提下，采用系统节能的方式实现供暖系统最优节能。针对供暖系统电机节能改造带来的谐波污染问题，采用先进的电能质量控制节电技术消除了锅炉房配电系统的谐波污染，达到了节约热能、电能，并且提高电能质量的目的。现场实际运行表明，该技术可行有效，节能效果明显。

供热节能；分时分区流量控制；模糊PID技术；气候补偿

1 引言

在我国能源消耗结构中，北方地区供热采暖耗能约占全社会总能耗的12%，占民用建筑总能耗的56%－58%［1］。供热系统的能源综合利用率仅为35%－55%，远低于供热发达国家80%左右的水平［2］。因此，集中供暖系统的节能对于节约能源，减少环境污染，提高人们居住质量等方面意义重大。

我国供热系统普遍存在锅炉热效率低、热源、热网输配不能随时根据用户的热用量改变做出相应的调整、锅炉房配电系统谐波污染严重等问题。城镇热水集中供热大部分采用的燃煤锅炉平均运行效率仅为60%－65%，比国外先进水平低15－20个百分点［3］。过去推行的供暖管理一直提倡“看天烧火”，但真正做到根据室外温度的变化动态调节锅炉功率输出还有着相当大的距离。过去供热运行指标一直居高不下是个很好的说明：耗煤量达到27－28kg／m2，耗气量达到10－11Nm3／m2，电耗达到3.8－4.2k Wh／m2。与此同时由于锅炉房内大量变频设备的应用，导致谐波的大量产生，大量的谐波对电气设备的使用寿命、继电保护的快速动作、仪器仪表的精确测量、数据通讯的可靠性都有非常严重的影响。如今实现了用热计量收费，所需热量和流量由用户自行决定。流量的变化使得对供热系统水力工况和热力工况的控制变得更加复杂。

2 集中供暖系统节能运行新技术

针对供热系统存在的以上问题，研究开发了热源及供热负荷节能运行优化控制技术。

在供暖调节过程中引入带有气候补偿的质量－流量调节方法。采用此种调节方法的供热系统不仅供水温度随热负荷的减小而降低，同时热网的流量也随热负荷的减小而减小，这样可以大大节省热网循环水泵的电能消耗；但是为了防止水力失调，对直接连接的供暖用户，进入系统的流量不能太少，通常应不小于设计流量的60%［4］。

为了实现供热系统根据室外温度变化和用户的供暖需求按需供热，精确实现质量－流量调节，本文采用模糊PID算法实现锅炉出水温度的控制，从而实现锅炉输出热功率调节。控制系统以出水温度信号为被调量，通过热水锅炉的燃烧控制系统的炉排给煤控制、送风控制和负压控制，达到出水温度的控制。

在节省热能的同时通过电能质量控制节电技术精确滤除5次到50次的谐波电流，实现动态补偿，可对频率和大小均变化的无功功率进行补偿，实现节约电能和提高电能质量的目的。

通过以上方案，热源及热网输配能随时根据室外温度和用户的用量改变做出相应的调整；供热系统的供热质量、电能质量、燃煤锅炉的热效率都得到了一定程度的提高。总体上提高了供热系统的能源利用率。

3 控制技术原理

3.1 不同室外温度下供回水温度、流量计算

3.1.1 流量的计算

在供暖调节过程中相对流量G和相对热负荷Q符合如下关系［3］：

其中，m∈［0，1］。

则简单直接连接的热网供回水温度为［2］：

即：

其中，tn：室内设计温度，℃；t′g：室内供水设计温度，℃；t′h：室内回水设计温度，℃；b：散热器传热特性系数；tw：室外温度，℃；t′w：室外设计温度，℃。

3.1.2 流量优化系数m的取值

为了防止水力失调，对直接连接的供暖用户，进入系统的流量不能太少，通常应不小于设计流量的60%［4］。

由¯Q≤1以及¯G必须大于0.6可知m必须小于log¯Qmin ¯Gmin即：

只有这样，才能保证在供暖期间内¯G＞0.6的稳定性要求，以潍坊地区为例：t′w＝－6℃［3］，tn＝20℃，供暖期内室外最高温度tw（max）＝10℃，则

此外，m也不能太小，否则¯G始终接近1，水泵节能不明显。

3.1.3 双管热水供热系统中供回水温度、流量计算

则对应的供回水温度；

以潍坊地区为例：

也仅是室外温度tw的函数，如当室外温度tw＝5℃时，tg＝71.8℃、th＝71.8℃，此时，

3.2 锅炉的模糊PID自动调节

采用模糊PID算法，以控制锅炉出水温度实现锅炉热功率输出调节，最终在热网中精确实现质量－流量调节。

模糊PID算法中以出水温度信号为被调量，通过热水锅炉的燃烧控制系统的炉排给煤控制、送风控制和负压控制，达到出水温度的控制。

3.2.1 模糊PID控制器的设计

根据锅炉运行的控制要求，对锅炉辅机采用模糊PID复合控制，采用模糊PID切换控制策略，在误差大于最大误差量程的7%时，采用模糊控制算法，误差小于7%时，采用PID控制算法。这样既克服了传统PID控制响应慢的缺点，又克服了模糊控制不精确的缺点，使系统稳定可靠，提高了系统的整体性能。

3.2.2 锅炉出水温度控制的方法和要求

根据公式（8）得出供水温度TG与室外温度，为了在不同的室外温度TW下，供水温度TG满足式（8），通过调节炉排转速、鼓引风配比等因素控制锅炉燃烧来实现。

3.2.3 模糊控制算法及其实现

（1）确定模糊控制结构

在每个燃烧周期，根据出水口温度测量值和由式（8）计算出的设定温度TG对比，求出温度偏差e以及每个周期的温度偏差的变化ec作为模糊控制的2个输入量，炉排转速的百分比（△MV）作为输出量，形成双输入单输出模糊控制结构。

（2）确定各变量的模糊集

误差E的模糊量取7个，即PB、PM、PS、Z0、NS、NM、NB，分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为E＝｛－3，－2，－1，0，1，2，3｝。

由于温度变化缓慢，由观察所得，确定温度变化率△E取0.2℃，△E的模糊量取7个，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为EC＝｛－3，－2，－1，－0，＋0，1，2，3｝。

输出炉排速度U的模糊量取7个，即PB、PM、PS、0、NS、NM、NB，分别表示正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。量化到整数论域为U＝｛－7，－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6，7｝。

在设定温度上下分别取6个偏离值将温度模糊分割为7个区域，形成出水口温度的模糊集（T－LL，T－LM，T－LH，T－NM，T－HL，T－HM，T－H H），然后再依据燃烧周期把每个周期温度变化在0值左右分别取6个偏离值，以便将温度变化率模糊分割为温度变化模糊集（BT－LL，BT－LM，BT－LH，BT－NM，BT－HL，BT－HM，BT－H H）。

（3）确定各变量的论域

根据该锅炉具体情况，温度的论域换算百分数，差值设置为（－3，－2，－1，0，1，2，3）。温度变化的论域设置为（－0.06，－0.01，－0.005，－0，0.005，0.01，0.06），炉排转速调节炉排转速增量的论域（%）设置为（－2，－1，－0.5，0，0.5，1，2）。

（4）建立模糊控制规则

模糊推理依据模糊语言规则进行，根据当前出水口温度和温度变化通过模糊条件语句确定模糊控制规则。

（5）模糊变量赋值

根据隶属度函数确定出水口温度、温度变化与炉排转速变化的隶属度赋值表。

（6）建立控制规则表

根据模糊控制规则以及最大隶属度方法，将控制量由模糊量变为精确量。即炉排转速变化的百分值。锅炉控制规则见表1。

表1 锅炉控制规则表

（7）在每个燃烧周期，根据当前出水温度设定值，通过查表的方法确定炉排转速的增量。

3.3 电能质量优化控制

在锅炉房内，炉排、鼓风机、引风机和循环泵等电机设备的调节一般是通过控制变频设备来实现的，而变频设备的应用会产生大量的谐波电流和无功电流，引起电网电压、电流波形畸变，三相不平衡和功率因数低等电能质量问题。为了此类问题，可在系统中并联电能质量控制节电装置。

电能质量控制节电装置利用高性能数字处理控制芯片TMS320F2812和全控型电力电子器件，采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术、电流环无静差数字控制算法、双闭环控制和空间矢量脉冲宽度调制技术，实时检测电网中负载电流，快速分离出谐波成分、基波负序分量和无功分量，并根据各电流分量的大小产生控制指令，实时将大小相等、方向相反的补偿电流注入到电网中，实现瞬时滤除谐波，同时还可以提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网的功率因数。电能质量控制节电装置的工作原理图如图1所示，通过安装电能质量控制节电装置可以达到以下功能：

图1 电能质量控制节电装置的工作原理图

（1）动态无功快速跟踪补偿，将锅炉房内所有电机设备的功率因数提高到98%以上；

（2）采用有源补偿的方式消除了由于不控整流带来的谐波污染，提高了电能质量；

（3）保证了温度、压力、流量等仪表的正常工作和各参数数据的可靠通讯。

4 现场验证

2010年7月，潍坊学院集中供暖系统采用本文所述方法进行了供暖系统整体节能改造，在保证供暖质量的前提下，采用公共建筑智能分时控制技术实现公共建筑节能，采用气候补偿技术，根据气候温度的变化实时调节热源热功率输出，采用模糊PID控制技术调整锅炉风煤比，保证煤的充分燃烧，提高锅炉热效率，实际运行结果表明，采用该技术实现集中供暖系统节能改造，节煤率可以达到15%－35%，节电率可以达到20%－45%。

图2 连续24小时房间室内温度与室外温度变化对应图

图3 连续24小时室外气温、供水温度设定值与一次供水温度的对应图

图2为连续24小时房间室内温度与室外温度变化对应图，室内测温平均值为18.38℃，室外温度平均为0.6625℃，室外温度最大差值为8.4℃，室内温度最大差值仅为1.2℃，表明室内温度昼夜波动较小，满足供热要求。

图3为连续24小时室外气温、供水温度设定值与一次供水温度的对应图，实测表明，供水温度与温度设定值跟踪情况良好，静差平均值为0.7125，最大静差为1.9，最小静差为0.2，完全满足供暖要求。

5 结论

（1）公共建筑智能分时分区控制技术对于大型公共建筑供暖节能效果非常明显。

（2）气候补偿技术既可以提高供暖质量，又能够节约热能，适用于所有集中供暖系统节能改造。

（3）采用模糊PID控制技术优化锅炉运行风煤比，可以实现煤的充分燃烧，提高锅炉热效率。

（4）质量－流量调节方法与传统的质量调节方法相比，相对流量G小于1，有利于降低循环水泵能耗，减少管网供热损失。

（5）采用变频调速技术精确控制风机和循环泵的电功率输出，可以起到很好的电力节能目的，同时，采用电能质量控制技术可以消除由于不控整流带来的谐波污染和无功电流的影响。

［1］江亿.我国建筑能耗状况及有效的节能途径［J］.暖通空调，2005，35（5）：30－40.

［2］涂逢祥.建筑节能形势与政策［J］.中国建设信息供热制冷，2006，（1）：34－37.

［3］李德英.供热工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.

［4］贺平，孙刚.供热工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1993.

［5］陆耀庆.实用供热空调设计手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

（责任编辑：肖恩忠）

New Energy－efficient Technology in the Central Heating System Based on Fuzzy Control Technique

JI Tao
（Weifang University，Weifang 261061，China）

The paper integrates the coal－fired boiler，circulating pump in the pump room and controlling heating load of public building in different time periods into an optimizing control system adopting field bus control technology.In the paper，air－coal ratio of boiler is optimally controlled adopting fuzzy PID control technology，the operation efficiency of boiler is improved，the large public buildings'energy consumption reduces adopting the intelligent flow control technology in different time periods and different type of region，the heating power output is regulated accurately adopting the climate compensation technology.On condition that the heating quality is guaranteed，the optimal energy saving target in the heating system can be achieved though adopting the system energy saving mode.Aiming at the harmonic pollution because of energy saving improvement of motor in the heating system，electric power quality control techniques are adopted to eliminate the harmonic pollution，which can reach the goal of heating saving，power saving and power quality improving.Practical operation shows that the technology is feasible and efficient，and the energy saving effect is remarkable.

heating energy saving，flow control technology in different time periods and different type of region，fuzzy PID control technology，climate compensation

2011－08－18

国家住房和城乡建设部2011年科学技术项目：潍坊学院供暖系统节能改造示范工程（2011－S3－04）

季涛（1975－），男，山东潍坊人，潍坊学院信息与控制工程学院副教授，博士。研究方向：电力节能、供热节能新技术及应用。

TK323；TP272 文献标识码：A 文章编号：1671－4288（2011）06－0116－05