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山 西 省 煤 炭 

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論文題目      淺談供熱系統智能控制節能改造技術     

     申報學科組                 學科組代碼            

     作者姓名  李利新    職稱  工程師    年齡   39    

     工作單位 （詳細） 同煤集團鵬程物業公司 職務  正科 

     通訊地址  大同煤礦集團鵬程物業管理公司   郵編 037057

      聯系電話  （0352）7846076     13994379986   

      推薦單位   同煤集團科學技術協會     

                                     2011年 12月 30日

淺談供熱系統智能控制節能改造技術

李利新  鵬程物業管理公司

摘  要：熱電聯產集中供熱在我國的北方地區已得到了推廣應用，隨著近幾年煤炭、水等價格的大幅上漲，供熱成本大大增加，供熱系統的運行調節與管理變得更加復雜，對集中供熱系統的安全、可靠和節能運行提出更高的要求。使用先進的供熱系統控制節能技術，可實現供熱系統實時參數和狀態監測，跟蹤外溫的變化自動調節溫度和流量，改善供暖質量和實現高效的節能。

關鍵詞：熱電聯產 供熱系統 智能控制

據統計，目前我國北方地區總采暖供熱建筑面積達80億㎡，每年能耗約1.8 億tce，占全國總能耗的7％，占全國城市建筑能耗的40％。其中，熱電聯產集中供熱面積超過45億㎡，熱電聯產供熱量約占北方集中供熱量的一半以上。隨著人們生活水平的提高，每年新增供暖面積超過1億㎡。目前，我國供熱能耗普遍較高，技術比較落后。供熱系統中普遍采用靜態平衡閥來實現供熱管網的水力平衡，但實際運行狀況和設計狀況出入很大，造成部分區域水力調節失調。為了保證供熱末端用戶的供熱要求，普遍采取“大流量、小溫差”的辦法，增大熱網管徑，增大循環泵流量，在系統末端加裝增壓泵，從而導致熱能和電能的大量浪費。

本文提出采用供熱系統智能控制節能改造技術，可針對供熱系統存在的水力失衡、能耗高等問題， 進行動態平衡調節，消除冷熱不均，實現熱力平衡，從而滿足各熱用戶對溫度的需求，達到節能降耗的目的。本技術已通過工程示范應用，達到了一定程度的節能降耗、安全穩定和經濟運行的良好效果。

1 供熱系統智能控制節能技術

1.1 技術原理

熱力管網在供熱系統中完成熱的傳遞，熱水經過熱力管網將熱量傳送到熱用戶，熱用戶的性質不同，需要的熱量也會不同，另外，由于距離熱源的遠近不同，輸送熱能的管徑大小不同等因素，會造成系統中個別用戶的實際流量與設計要求流量之間的不一致現象，被稱之為水力失調。該技術主要針對目前供熱領域中普通存在的水力失調問題，設計一套智能閥門，以有效解決復雜的供熱網管系統，某個閥門的調節不會影響其它閥門，使得每個閥門控制的支路按用戶需求輸送合適的熱量，通過確保管路的熱量平衡達到節能目的。在確保各管路的流量按需分配之后，為進一步節能，還集成了列入智能變頻技術，保證水泵的頻率跟隨管路阻力的變化而變化，徹底擺脫傳統的頂壓供水變頻技術。在此基礎上，該技術還整合了物聯網和EAOC（能效分析與運行優化控制）技術，把智能閥門打造成一個通用的物聯網結點，把閥門控制的建筑所消耗的能量數據以及管道內的流動數據發送到控制中心，幫助管理人員分析系統的節能量。

1.2、關鍵技術

1.2.1 智能溫控平衡技術

在集中供熱系統中，由于供熱規模較大，管網的水力工況變得十分復雜，其水力失調問題變得十分突出，從而使其供熱質量下降，出現不能滿足用戶要求的情況。對于一個設計合理的系統，一般可以通過初調節，使各用戶的流量達到設計值。但對于一個規模大管網復雜的系統，使用目前常用的方法（如阻力系數法、正常流量法、回水溫度法和經驗試湊法），由于受到各種條件的制約，存在準確度不高，需反復調試，工作量過大等問題。其效果不是很理想。智能溫控平衡技術可利用現代控制理論和計算機模擬分析相集合，利用水力管網系統實際運行工況動態檢測數據對系統的水力工況進行模擬分析，進而使用分析的數據對系統運行工況進行遠程自動控制，這不僅可以提高調節的精度，避免人工調節的工作量，而且可以實現系統水力工況的動態控制。

1.2.2 智能變頻技術

智能變頻節電技術。指在供熱系統中加裝一套智能變頻節電裝置，利用水泵的原有電機系統控制，將閥門的開度控制變為水泵的轉速控制，兩者相結合實現調節熱平衡目的。其中，智能變頻節電裝置具備以下兩項功能：

（1）通過合理改變水泵的轉速（頻率）節約電能，如設備需對流量進行控制，適當降低轉速、調整流量即可達到節能的目的；

（2）在不改變水泵轉速（頻率）的情況下，通過檢測、跟蹤負載變化，根據其功率因數和負載率的變化，優化功率輸出，使電機的輸出功率接近軸功率，從而實現節能目的。

1.2.3 無線傳感技術

該技術為智能變頻和能效分析提供了基礎，保障各項數據的傳輸與共享。遠傳式智能控制器，具有各種輸入型式選擇，實現各種不同的調節功能。也可配室外溫度傳感器，起到隨室外溫度的變化而自動調整供水溫度，也就是通常所說的室外溫度補償的作用。根據控制需要，可組成智能化網絡控制系統，優化控制，實現遠程監控。

1.2.4 EAOC技術

EAOC即能效分析與運行優化控制技術，該技術用于分析供熱系統的各項運行參數，合理配置優化運行策略，降低能耗，確保系統實現管理上的節能。

1.3 工藝流程

供熱系統智能控制的工藝流程見圖1。系統中，在熱網的每個供熱管線分支處安裝一個智能型動態平衡控制閥，控制閥傳感控制裝置與主控室的服務器進行遠程無線連接，將本支路的供水溫度、壓力、流量等數據傳輸給服務器，主控室的計算機服務器通過監控系統軟件，對各回路數據參數分析比較后，根據各支路熱用戶的需要，再向智能型動態平衡控制閥發出執行指令，對閥門的開閉度進行合理控制，從而實現調節供熱系統的水力平衡。

1.4 智能型動態平衡控制閥

智能型動態平衡控制閥結構示意見圖2。它是由智能控制器和電動調節閥兩部分組成，是動態平衡與電動調節一體化的產品。通過配置智能模塊控制裝置，可方便的對各環路的流量、溫度進行自動控制，實現合理利用能量，節能降耗，智能化管理。調節閥用于調節熱水的流量和壓力，根據調節部位信號，自動控制閥門的開度，從而實現調節作用?，F在我國生產此種調節閥的廠商比較多，產品質量也能符合標準，可以根據供熱系統工況需要進行選購。

智能型動態平衡控制閥具備以下兩個特點：

（1）動態平衡功能

動態平衡功能是指根據末端設備負荷變化要求，電動調節閥膽調至某一開度時，不論系統壓力如何變化，閥門都能夠動態地平衡系統的阻力，使其流量不受系統壓力波動的影響而保持恒定。

（2）電動調節功能

電動調節功能是指閥門能根據目標區域溫度控制信號的變化自動的調節閥門的開度，從而改變水流量，最終使目標區域的實際溫度與設定溫度一致。

1.5 調節參數

由于供熱系統設備和建筑物有很大的熱惰性，室外氣溫、日照和供水溫度、流量等參數的變化對用戶室溫的影響并不是立刻發生，而是滯后一段時間。因此，為保證用戶室溫的設計要求，熱源當天的供熱量，不但與當天的室外氣溫、供回水溫度、流量、日照、風速有關，而且和幾天前的上述參數都有關。比如以某天為例，若前幾天一直陰天，熱源供熱情況又不好，與幾天前陽光明媚，熱源供熱良好相比較，為滿足同一用戶室溫要求，則當天熱源供熱量將是不同的，相應的系統供水溫度、循環流量也應不同。為了更好地實現按需供熱，必須用動態方法分析熱力工況，并用預測參數的方法對供熱系統進行動態調節。

為了對這種動態工況進行動態調節，必須首先對供熱系統的熱特性加以識別，了解供熱系統熱惰性的大小，延滯的快慢，進而搞清以往參數影響當天供熱的天數。對一個具體的供熱系統進行上述特性的識別，是經過大量實際參數的測試和數據的統計得到的。然后根據已知條件，對供熱系統的識別模型進行計算，得到要求的預測參數，進而實現系統的自動調節或系統運行指導。由于大量數據的實測，手工操作是難以完成的。因此，供熱系統的動態識別和動態調節，必須配置計算機的自動監控系統。反映供熱系統上述參數之間的動態過程，可由下列方程表示:

（1）

（2）

       （3）

                     （4）

式中  —— 分別表示供熱系統供、回水溫度， ℃；

—— 供熱系統每天的供熱量，W/ d；

—— 供熱系統循環流量，t / h；

 —— 熱用戶每天平均室溫，℃；

 —— 當地每天平均綜合外溫，℃；

c—— 供熱系統熱媒比熱，kJ / ( k g·℃)；

B —— 散熱器系數；

 ，，，—— 分別為與供熱系統熱特性有關的常數系數；下標“τ”、“τ- 1”……“τ- i”分別表示當天、前天??前i天的有關供熱參數。

α,β,γ,ψ常數系數的數值，是通過實測大量的，，，后經過最小二乘法對式(1)、(2)的擬合得出的。其中j 的取值愈大，說明以往供熱參數對當天供熱的影響愈大，亦即供熱系統的熱惰性愈大。經統計計算，一般j 取值以4- 5d為宜。系數擬合的前提，必須以實測數據為依據。實測的天數愈長，求得的系數愈接近供熱系統的實際情況。實測時間以30d為宜。

對于供熱系統的流量均勻調節，在直接連接的條件下，使用計算機監控系統，宜采用回水溫度調節法。被調參數為回水溫度，調節參數為循環水量或電動調節閥的閥位。對于間接連接的供熱系統，宜采用平均溫度調節法，被調參數為二次網的供回水平均溫度，調節參數為一次網的循環流量或電動調節閥的閥位。

2 供熱系統智能控制節能技術的應用

2.1 典型用戶

陜西西安某小區。建設規模：本小區共有42棟建筑，總供熱面積為13.8萬㎡，總設計供熱量為8394kW。主要改造內容：小區采用供熱智能系統。節能技改投資額90萬元。按照供熱季120d，改造后的節能量為10％計算，一個供熱季可節能800tce，取得節能經濟效益65萬元，投資回收期1.5a。

2.2 節能潛力和推廣前景

目前全國北方地區總采暖供熱建筑面積約80億㎡，其中熱電聯產集中供熱面積超過45億㎡，每年新增的供暖面積超過1億㎡。此外，我國目前還有53億㎡的公共建筑，50％以上都安裝了中央空調系統，該技術也可用于中央空調系統的節能，技術推廣應用的前景廣闊。通常，我國北方集中供熱的能耗在60～120kWh/(㎡a)，公共建筑的中央空調能耗在10～50kWh/(㎡a)。按2015年推廣到10％計算（新增供暖面積），節能能力可達6萬tce/a。

3 結束

在我國北方的一些高寒地區，全年采暖期長達180天左右，近幾年，隨著熱電聯產集中供熱技術的推廣應用，取締了原來的煤鍋爐供熱狀況，人們的居住環境得到了徹底改善。但隨著城市的建設，供熱面積不斷增加，熱電廠的能源消耗也在逐漸增大。由于現有供熱系統的調節能力有限，導致熱用戶出現近端過熱、遠端過冷的不平衡現象，并浪費了大量的能源。如果推廣應用此項供熱節能改造技術，可以實現按需供熱，合理降低供熱能耗，節約原煤的消耗。這不但可以為我們帶來直觀的經濟效益，而且，社會效益也很明顯，通過該項技術的改造與運用，避免了熱能的浪費，節省了大量寶貴的能源，并由此對一系列生態、環保等起到積極的作用。

供熱系統智能控制節能改造技術現已正式列為國家重點節能技術推廣項目。此項技術的推廣應用必將對我們的供熱產生深遠的影響。