探究城市供热网的智能化控制与管理

2021-04-10刘臻杰

新型工业化 2021年8期

刘臻杰

（国电内蒙古东胜热电有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

城市供热网络具有复杂性和封闭性的特点，其管理一直是一个挑战，特别是在用户数量快速增长的情况下，供热设备也随之改进和更新，为城市供热管理、建立供热网络带来了许多困难。为保证最佳管理效果，必须积极采用智能控制方式。这是新时期城市热网稳定运行的必然选择，可以减少投资，提高人力资源管理的效率，使城市热网的服务水平也大大提高，对城市经济的发展有很大的帮助。因此，智能控制城市热网的研究、推广和应用至关重要。

1 城市热网管控现状

目前，城市供热网在结构上主要分为一次水直接供热和二次水间接供热。从热源上可分为电厂蒸汽和热水锅炉两种。最初，城市供热也使用一次蒸汽进行直接供暖，但由于安全性差和能源浪费严重，新型供热网络已不再采用。一次水直接加热具有投资小、热网结构简单等优点，但也存在安全性、稳定性差、维修率高、长期使用热效率低等缺点。目前，除部分特殊情况外，新建供热管网一般不使用，现有供热管网大部分已改造或正在规划改造[1]。热交换站是间接二次热水加热方法的核心，用于通过热交换器将一次蒸汽或锅炉一次热水的热能直接传递给用户的二次中/低温水。目前，换热站的控制和管理已由原始的工作人员现场手动操作方式转变为自动控制方式，换热站没有工作人员，热交换器被集成、集中和远程监控。

2 城市集中供热智能系统背景分析

2.1 热负荷预测

一个城市的集中供热系统能否安全可靠运行，往往与多个因素有关，例如建筑物的类型、结构、供热二次管网设计、室内采暖型式等[2]。如果这些因素没有得到适当的控制，就会影响供热系统的实际负载能力，因此必须采取适当措施来控制这些因素。首先，利用热负荷预测可以保证集中供热管理的顺利进行，并且该方法获得的效果大于常规方法。到目前为止，已经使用了以下方法来估计热负荷，例如指数平滑、时间序列分析等，不同的方法扮演不同的角色。其次，城市集中供热系统本身就是一个内容较多的系统，不确定性和非线性并存，应该采取行动以确保预测模型的准确性并加强治理。

2.2 供暖系统问题

目前，城市集中供热智能系统还存在一些问题。主要体现在内部操作人员技术不到位，没有接受过专业的技术培训，没有丰富的技术技能和扎实的理论知识和经验，无法及时处理系统中存在的问题，直接影响系统的安全性和稳定性。如果换热站出现严重问题，将会给人们的生活和工作带来极大的不便。此外，由于运营商没有及时采取措施有效解决问题，导致相关设备错过最佳维护时间，城市供热系统的管控水平难以提高。为解决城市供热系统控制和管理问题，应制定科学和可操作的措施。

3 直供热管网供热站设计

3.1 基本情况

近些年，我国对城区进行了供热改造。转换的主要目标是热源，通过使用热电厂的冷凝器作为热源来节省资金。城区的传统热源主要是地热井和锅炉，老小区的散热端主要是铸铁暖气片。在市区，地势比较平坦，所以在转换过程中采用了直接埋地直接加热，通过使用这种方式来防止热用户在使用时出现倒空或者超压现象，压力损失由城市的分区和面积决定。对于典型的庭院管网，压力一般维持在10～15m左右[3]。

3.2 各种工况下的配热站设计

3.2.1 无高层建筑的热用户

对于没有高层建筑的热力用户，应保持30m以上的恒压，以保证热力用户的最低要求，满足整栋建筑的供热需求。当城市地区有许多老社区时，终端散热器通常是传统的铸铁散热器。另外，计算铸铁暖气片的耐压能力时，要考虑到老小区内部供暖管网的老化。为了确保管网的安全，用户建筑物后墙上的管道压力应保持在30～38m，以防止排空。根据高温用户压降假设，配水站二次管网热水管压力设定为45m，回水管压力设定为33m。此设置旨在能够满足所有热用户的需求。通常，热力站是由一次管网和二次管网通过换热器进行热交换，以达到用户所需的温度。其中，一次供水管网通过调节阀流入换热器，在换热器内发生热交换后流入一次管网。二次循环水管网经过滤器流入循环系统，经循环泵输送至换热器，提高水温，以满足用户需求。在设计过程中还需要考虑管道的管径，管道直径是根据每个用户计算出的流量的总和来确定的。在热水管网的主干线及其沿程的比摩阻中，主干线是管网中平均比摩阻最小。根据热水管网干线各管段的计算流量和从相关表中选取比摩阻数值，可以得出干线各管段管径及对应的实际比摩阻数值[4]。

3.2.2 有高层建筑的热用户

对于有高层建筑的热力用户，如果维持30m以上的恒定压力，来满足整个建筑居住者的采暖需求，则无法保证热力用户的最低要求。因此，遇到此类建筑时，必须采取对策，划分高层建筑的区域，防止供暖管道排空。当面对建筑物内部的防空措施时，供热站不需要考虑这个问题，但是当面对没有设置防倒空措施时，供热站通常需要考虑这个问题。为解决这一问题，供热站通常采用阀门前压力调节，防止放空。假设建筑物高度为54m，为达到阀前调压阀的最小值，保证阀前调压阀正常工作，调节弹簧的显影压力应调至57m。另一方面，还必须考虑阀前压力调节的意外情况并关闭阀。为保证高层建筑的回流压力在60m以上，根据要求，二次热配站回流必须关闭，水管压力设置为67m。对于靠近或靠近一次管网的热用户，应在供水管线上加装减压阀，以防止供水管线因压力过大而破裂。高位热用户，需在后管区加装前置阀调压阀[5]。

4 城市供热系统智能控制措施

4.1 智能化供热原理

智能供热的原理体现在两个方面。首先，随着人们生活水平的不断提高，对供暖行业的要求越来越高，必须采取相应的措施来实现智能化控制和管理。“智能化”“管控”的关键是平衡系统运行过程中的热平衡，进一步减少资源浪费问题，保证系统安全稳定运行。当然，要使供暖系统的智能化管理顺利进行，还必须对热平衡进行调整控制。系统与环境之间的热交换总和等于热量总和，等于换热站提供给用户的热量总量减去热源提供给换热站的热量，也是物理学中的热平衡方程。其次，在实际工作过程中，公式可能存在一定的差异。简单的说，供热站提供的热量和建筑物实际使用的热量是不一样的，尤其是无人值守的，需要检查两者的相对平衡，保证城市集中供热系统的正常运行。

4.2 气候补偿

所谓“气候补偿”是城市集中供热智能系统管理控制中常用的一种方法，时至今日也取得了可喜的成果和效果，这种方法主要是指二次间接水温的控制。在实际的智能控制管理过程中，工作人员必须根据实际情况设置二次采暖温度与室外温度的对应曲线，而不是直接采用热平衡的方式向用户供热。这种方法不能满足用户的实际需求，并且在一定程度上可能会引起其他问题，因此在建立相应的曲线后，应根据供热系统的实际情况进行优化和调整。当然，根据季节差异，也必须设置相应的曲线，才能达到提高供暖质量的目的[6]。

4.3 无人值守操作

无人操作是城市集中智能供热系统管理的重要手段，主要是指在换热站内安装相应的自动控制设备，使用户在使用过程中自动控制水温或补水。这种方法还可以起到解决问题的作用，进一步保证供热系统的安全可靠运行，达到降低人工成本的目的。无人值守本身就是一种比较常见的技术手段，可以减轻员工的劳动强度，让其有足够的时间处理其他问题，也可以防止系统因操作不当而出现安全隐患。此外，无人化运营管理模式的应用，不仅可以实现对供暖系统智能化管控的愿望，还可以提高供暖系统的可靠性，为用户的生活提供更优质的供暖服务。

4.4 换热站控制

换热站控制也是城市集中供热智能系统管控的重要组成部分。工作人员也应高度重视，采取科学措施，加强换热站控制管理。一般来说，加热站的控制主要包括以下几个方面，如二次供水温度控制、蒸汽压力控制、保持热稳定性。只有做好这方面的工作，才能保证供暖系统的稳定性，并提供给用户安全稳定的供热服务。在城市集中供热智能化管控过程中，通常采用一个或多个热交换站供热，充分满足用户供热需求。当然，换热站控制过程中出现的问题也必须及时处理，要想解决问题，首先要制定可行的方案，降低安全事故和其他问题，促进智能供暖将实用化，使系统得到提升和进步[6]。

4.5 量调节技术应用

量调节技术应用是城市集中供热管网控制协调的重要技术，主要涵盖集中供热系统运行的各个阶段。因为在城市正式集中供热时，集中供暖的质量和效果也随着外界温度的变化而变化，所以需要通过量调节技术应用来控制各个供暖阶段的供暖温度，使供暖效果最大化。集中供热系统在建设和运行过程中，成本投入和消耗都比较大，所以为了最大限度地发挥工作效果，降低成本，集中供热企业不可避免地需要调整供暖温度。主要分为两个阶段。第一阶段为初冷期，此时外界温度相对适宜，居住者的取暖要求不高，因此公司必须在此阶段进行温度调节。另一个阶段是冬末春初，气温开始回升，但人们的取暖需求还是比较高的，天气变化也比较频繁。此时，相关人员必须调整加热温度和时间，注意外部温度的变化。