智慧供热系统低碳运行的设计与研究

智慧供热系统低碳运行的设计与研究

石磊

抚顺矿业中机热力有限责任公司  辽宁省抚顺市  113008

摘要：随着城市化进程的不断推进和人们对生活质量的不断追求，智慧供热系统作为一种高效、节能的供热方式得到了广泛应用。但智慧供热系统的运行监测和数据分析仍存在挑战。先进的控制系统是保证区域供暖系统精准管控和节能运行的关键。因此针对能源管控中心和各换热站及其二次侧输配管网建立智慧供热系统,实现区域供暖系统的智慧和低碳运行。该系统首先在软件层基于人工智能技术对各换热站及其二次侧输配管网的主要调节设备进行基于负荷预测的分布式优化提前联动控制策略设计研究;然后在硬件层对现场设备的监控和分布式控制架构进行设计;最后在网络层基于无源光网络技术完成数据传输方案的设计,将软件层控制策略与硬件层监控设备进行有机结合。通过在实际工程中对该智慧供热系统的运行进行调试,能够满足运维人员对系统运行的智慧化需求和末端用户的热舒适需求,实现区域供暖系统的节能低碳运行。

关键词：智慧供热；低碳；设计

引言

集中供热是节能和改善环境的重要民生工程，其施工建设过程中需秉持绿色发展理念，科学分析工程建设的环境保护要求；在集中供热工程施工建设过程中，需要加强绿色低碳科技创新，提升绿色低碳管理能力，发展绿色低碳建造技术，推动“四节一环保”技术应用，巩固能源绿色低碳转型，促进绿色低碳循环化改造，把绿色发展理念融入项目建设的各方面和全过程，提升绿色建造水平。

1智慧供热系统的具体功能

1.1热网切换

热网切换模块主要为实现多热网负荷切换时，换热站划入新热网后的数据迁移及控制权限转移提供操作平台。该功能模块涵盖智慧供热系统总平台下10处热网、所有换热站的运行数据、控制权限的接入点，能够在负荷切换完成后，尽快实现各热网的全网平衡。

1.2热网调控

在热网调控模块中，每个热网对应1个控制账号，仅能对该账号权限范围内的换热站、管网设备进行调控。具体调控过程如下：系统通过获取的换热站内的二次网供回水温度、一次网电动阀门的反馈值和设定值（一次网分布式变频泵频率的反馈值和设定值）及热源的温度、压力、流量等参数，经软件计算分析后，控制一次网电动阀门的动作，减小热网的水平失调度，以达到均匀供热的目的。

1.3换热站调控

换热站调控模块主要是在热网调节平衡后，对二次网用户端的精确调整，通过获取的换热站内二次网供回水温度、二次网变频循环泵频率的反馈值和设定值等参数。经计算分析，控制二次网变频循环泵的动作，使二次网的供回水温差基本达到控制目标。

1.4数据统计分析

数据统计分析模块主要包括基础数据统计、横向数据分析、能耗分析全网数据差等子模块，主要通过数据列表图文方式直观展示热源、热网或换热站在不同时间点的运行参数，方便调度值班人员对热源、热网或单个换热站的运行情况进行纵向分析，判断运行工况，为调节热网提供数据支持。

2供热企业的现状和需求

2.1热源多元化

热电联产、工业余热、长输供热、各类热泵和燃气锅炉等热源共同对城市进行供热，这些热源在清洁性、经济性等方面存在着迥异的特点，这也成为供热公司现有供热系统的问题和痛点之一。

2.2热网集成化

大型复杂热网通过建设集中供热、储能、输配电等多个功能于一体的能源互联网，可以实现能源的高效利用。与此同时，百万平方米的小规模区域热网也在不断发展，它们可以填补大型热网无法覆盖的细节。“一城一网、多源互补”的大型复杂热网与百万平方米的小规模区域热网相结合，构成了城市能源供应的新格局。

2.3热用户定制化

随着环保意识的提高，越来越多的用户要求按需供热，即在不使用的房间不进行供热，这就需要建筑的供热系统具有更高的智能化和可调控性，以满足用户个性化的需求。

3智慧供热系统低碳运行的设计与研究

3.1智慧供热系统硬件层设计

在智慧供热控制系统架构中,硬件层主要由换热站及其二次侧网的监控设备组成,主要有级联服务器、多路硬盘录像机、安防摄像头、负荷预测主机、PLC、人机界面、分布式控制器、调节阀门、变频器、传感器和计量器件等。负荷预测主机的输入量有气象数据和历史热负荷数据2类,作为后续负荷预测模型的输入变量;同时,负荷预测主机将每栋楼的热负荷预测结果传输至各楼栋阀门的分布式控制器,作为后续各楼栋阀门分布式优化控制的约束。其目的主要是为了在热源厂对应的多个换热站同时运行时,减少能管中心在负荷预测和优化控制运算方面的计算负担;同时由于分布式架构天然的优势,能够缩短系统的计算时长,有利于基于负荷预测的优化控制策略在线快速运行。分布式控制器含有数据交互接口、存储单元、处理单元和驱动控制交互接口4个部分。该控制器通过数据交互接口与其连接的分布式控制器进行数据通信,每个控制器最多可连接6个相邻的分布式控制器;存储单元中内置标准数据集,用于存储设备的性能参数和运行信息;处理单元主要完成各种复杂模型和算法的计算,并得到相应的结果;驱动控制交互接口用于连接各机电设备的执行器模块,将处理单元得到的优化控制结果传输至执行器并完成相应动作。除此之外,同种类型机电设备所配备的分布式控制器的程序完全相同,仅通过输入该控制器对应设备的相关参数即可进行程序运行。

3.2智慧供热系统软件层研究

能源管控中心作为智慧供热控制系统架构的软件层,通信服务软件、服务器硬件设备和数据库软件是其所需的主要配套设施。通信服务软件负责与硬件层通讯完成数据交互;服务器硬件设备应含有双核以上的CPU、4GB以上的内存储器、500GB以上的外存储器、与光纤连接的接口和操作系统,其中内存储器用于正在运行的程序,外存储器可存储工程师开发的程序和系统运行的相关数据等;数据库软件对从硬件层收集来的数据和系统运行中的数据进行组织、存储与管理,能随时被人工调取或被运行中的程序调用。因此,对换热站及其二次侧输配管网运行控制策略进行设计研究,是供热系统实现智慧和低碳运行的关键。针对某换热站及其二次侧输配管网,首先对热用户进行以楼栋为单位的热负荷预测;进而基于负荷预测结果,在分布式架构下先完成各楼栋阀门的优化控制,再基于负荷预测结果和阀门优化控制结果对并联循环水泵进行控制策略优化;然后依次完成一次侧电动调节阀和补水泵的控制;最后根据系统运行得到的结果,对系统在该优化控制策略指导下运行的效果进行节能减排分析;即可完成一次系统的优化控制过程,以此周而复始,用于供热系统的智慧化运行。

3.3智慧供热系统网络层设计

PON技术应用于智慧供热系统时,在相距较远的能源管理中心和各换热站之间,全部采用光缆,使用普通的PVC(聚氯乙烯)线管即可,这给空间狭小的老旧小区改造和施工穿线带来了极大的便利;同时,ODN中无源器件的使用大大降低了网路的故障率。除此之外,该技术所特有的手拉手组网方式和高宽带的特点,非常适用于涉及地域较广和数据种类丰富的区域供暖系统,对于相距较远的换热站,可各自通过分光器直接与OLT走线,而对于相距较近的多个换热站而言,这些换热站可通过1∶2非均分的方式进行手拉手通信,从而实现各换热站中ONU与能源管理中心的OLT进行数据交互,有利于降低建设成本和系统的维护费用。

结束语

在区域供暖系统的控制中,针对能源管理中心、数据传输链路和各换热站及其二次侧输配管网,建立了基于软件层、网络层和硬件层的智慧供热系统,提高了区域供暖系统智慧和低碳运行的水平,能够实现区域供暖系统稳定、节能和低碳运行,及时合理地满足用户的热舒适需求。

参考文献

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[3]常晟,秦冰,李石磊,等.智慧供热管理平台的设计与思考[J].暖通空调,2021(S2):6-9.

作者简介：石 磊（1983年1），男，汉族，籍贯：黑龙江省齐齐哈尔市，大学本科，计算机工程师，研究方向：自动化控制及计算机应用技术，现在大型供热企业从事生产运行管理、自动化控制系统应用等相关工作。