集中供热系统热网流量控制及优化研究

集中供热系统热网流量控制及优化研究

韩影

天津市武清区通利房地产服务站天津市武清区301700

摘要：室外温度的高低决定着何时需要进行热网流量控制，当外界温度发生变化时，由高温度向低温转变时，由于用户对热的需求有所增加，则需要控制人员合理调节增加供热量，保证此时用户对热的需求平衡；当温度变化由低温向高温转变时，则需要控制人员合理调节减少供热量，避免能源的不必要浪费。本文对供热系统的整体结构进行了详细分析，集中供热系统热网流量的控制直接决定着各个用户的室内温度，而在实际的供热过程中要进行合理的预测及优化才能使其供热的效率更高。结合实际，本文制定出合理的控制及优化方法。

关键词：集中供热；热网流量；流量控制；优化方法

1引言

近年来，随着能源消耗的日趋紧张及环境污染问题的日益加重，人们对环保的问题也更加重视，而我国在该方面还有很多问题。这些问题不仅影响了集中供热的实际品质，同时还造成了资源的大量浪费。当前，集中供热已然成为了我国一些城市供热的主要方式，但这种方式存在诸多的问题。集中供热具有非线性、大滞后等属性，因此如何能够得到一种方法避免上述属性的出现成为的该领域工作者需要解决的首要问题。

2国内集中供热发展的历史及现状

供热方式的选择和发展随着一个国家所处的地理位置、环境、技术水平等情

况的差异而有所不同。节能与舒适是很多国家集中供暖的最终目标。如今，节能和开发已经是我国在能源上的方针和政策，并且已经在节能环保上采取了一些措施，使得很多城市在供热产业取得了良好的发展。目前，能源的种类很多，这就导致多样化的供热方式出现，以此来迎合各种地区和建筑的需要，给人们选择最优的供热方式提供了很多参考。我国供热用的能源多样，虽然一些发达城市率先使用天然气、轻油或电来进行集中供热，但有一部分地区仍是以煤炭供热为主要能源，关键问题在于集中供热也在具体实施的过程中存在很多的不足，同时也受到多方面因素的影响，据统计主要包括以下几方面：（1）供热的品质较差；（2）集中供热效率低；（3）管理手段落后；（4）缺乏控制手段；（5）设备老化；（6）监控条件差。

3热网流量控制模型的建立

3.1热网阀门的相关理论概述

热网管路中，流量调节阀门是通过改变阀门的开度来改变管路内部的局部阻力系数来实现的。根据流体力学知识推断，当有不可进行压缩的流体通过流量调节阀门的时候，管径一定会突然变大或变小，以下通过相关流体力学的知识对上述两种情况进行分析：（1）管路直径变大当不可压缩流体正常流动过程中突然通过一段管路直径增大的路段时，因为直径的增加，使得流体的流速变得缓慢，从而使得管内的压力增加。而在这种逆压的现象之下，流体可能会产生边界层的分离，甚至会出现旋涡。（2）管路直径变小当不可压缩流体正常流动过程中突然通过一段管路直径减小的路段时，因为直径的减小，使得水流突然变小，而后，由于流体具有惯性，流速持续减小，当到达0时，其值为最小值，通过0位置之后，流速便慢慢增加，当到达1位置时停止。

3.2一次侧水流量与二次供水温度的动态模型

当外界温度发生变化时，管网一次侧的水流量将会发生改变，这将会导致二次侧的水流量也发生相应的变化，所以建立供热管网的一次侧水流量与二次侧的供水温度动态模型显得尤为重要。通过对整个供热管网的情况分析，适当地对供热管网阀门进行合理地调节控制，不仅可以能够最大限度的提高对管网的调节速度，同时也能够尽量的避免由于系统所存在的滞后和调控的不及时所造成的资源浪费。并通过理论数据的公式推导，进而得出传递函数模型。

3.3控制器设计及仿真

PID控制器由于计算简便在实际工程中得到了广泛的应用。系统响应的实际值y(t)与设定值s(t)之间的偏差e(t)输入到PID控制器中，在比例P、积分I、微分D的作用下计算得到控制量u(t)，控制量u(t)作用于被控对象，输出系统响应的实际值y(t)反馈到PID控制器以此形成闭环的反馈控制结构。由于供热网络控制过程中，扰动较多，且大多扰动不可检测，同时在供热过程中可变的参数较多，因此使用常规的控制策略，即固定的参数的PID反馈调节可能起不到很好的控制效果，因此本节的研究中将单神经元与PID控制相结合，在模糊控制器的设计过程中，首先针对控制系统的特性以及控制要求等因素进行分析，确定控制器的输入输出确定控制器的结构，在实际工程应用过程中通常选择双输入单数出的模糊控制器，即将偏差与偏差变化率作为控制器的输入，将PID控制器的参数或控制量u作为控制器的输出。结合模糊控制器算法的流程，在模糊控制器结构确定后需要建立根据控制精度的要求建立输入及输出的模糊子集，并在模糊子集内建立其隶属度函数，在模糊控制器输出运算时首先根据实际输入计算其属于各模糊子集的隶属度值。模糊控制器的输入为误差及误差的变化率，输出为控制量u。在该种控制策略下PID控制器采用固定的参数，当产生误差时，模糊控制器与PID控制器同时进行输出的计算，然后根据误差的大小确定选择模糊控制器的输出或是PID控制器的输出作用于被控对象，当误差大于某值时，选择模糊控制器的输出作用于被控对象，使系统快速响应；当误差小于某值时，选择PID控制器的输出作用于被控对象，用以消除稳态误差。用于划分误差大小的值需要通过实验确定。

4集中供热系统优化运行研究

4.1影响集中供热质量的一些因素

（1）热力站的影响。热力站是用户供热二次管网系统的源头，当一些主要的装置出现故障时，将会影响正常供热。此外，决定热力站能否能够正常运行的重要考量指标还有水源和电源。（2）供热二次管网及室内采暖系统的影响。第一，二次管网系统的设计不合理，施工不规范会造成换热器、管网阻力较大；未安装调节性能好的调节阀或平衡阀也会造成管网水力的失调；二次管网保温差或是不保温。第二，有些用户私自改动房间内部的供热管线，安装放水阀等，这都会影响周围用户的实际供热质量。甚至个别用户私自加装供热管道，造成了供热系统的水力失调，从而导致了整个小区的供热质量不达标的结果。（3）其他因素的影响房屋的装修或是其他物品遮挡暖气；房屋的保温性能较差，向室外散失较多的热量；而地热用户使用的地板或是地砖的导热性能较差；有的用户在自家供热设施上安装使用管道泵，影响了其他用户采暖。

4.2通过预测室外温度对集中供热进行合理调控

由于受到现场等各种条件的限制，有些无法将预测的室外温度及时录入到系统中，在对模糊PID控制算法的充分学习分析后，选择采用智能算法，根据上一时段的室外温度来预测下一时段的温度。该方法通过对室外的温度进行预测，选取当地历史数据各整点的室外温度作为训练和测试的样本数据，并通过MATLAB编程来实现模糊PID控制在集中供热中的应用。

5结束语

通过对室外温度的合理预测，从而达到能够更好的对进行集中供热系统进行调控。并根据以往的历史户外温度数据，将全天划分成4个时段进行调节，基于模糊PID控制算法，并通过对本时段的各个整点的室外环境温度进行预测，进而可以预测出下一时段的平均室外温度。经过合理计算，得到这个时段单位时间的热流量，从而可以更好的对其系统进行快速、合理、有效的调节，从而达到了节约能源，合理供热的目标。

参考文献：

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[2]王东亚.基于自适应遗传人工神经网络的集中供热负荷预测与控制研究[D].辽宁工程技术大学,2005.

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