創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的供熱系統(tǒng)

1、1創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的供熱運行計算機動態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)供熱運行計算機動態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)河北理工大學李志2006 年 6 月 28 日前言前言經(jīng)過近30年的大規(guī)模建設， 我國城市集中供熱面積已經(jīng)建成約30億平方米。這項徹底改觀了我國城市形象的巨大成就在顯著提高了人民生活質量水平、 改善人民生活方式的同時， 也為我國能源的合理利用、 環(huán)境保護實現(xiàn)新的跨越奠定了堅實的基礎。因此，盡快探索和建立適合我國國情的、以節(jié)能降耗為基本目標的城市集中供熱集約化運行模式的任務就成為我們當前最緊迫的任務之一。以完成城市集中供熱基礎建設為特征的過去 30 年集中供熱發(fā)展，我國供熱運行管理從理論和技

2、術這兩個層面都基本套用了供熱系統(tǒng)的靜態(tài)設計理論體系和相應的技術方法。 實踐證明， 應用這套靜態(tài)設計理論體系和技術方法是不能適用于真實動態(tài)運行供熱過程的。 根據(jù)我們親身參加的數(shù)千萬平米供熱網(wǎng)調節(jié)運行的體會以及對部分熱網(wǎng)運行的調查了解， 困擾熱網(wǎng)科學化運行管理的 “熱網(wǎng)平衡問題”普遍存在。而引發(fā)“熱網(wǎng)平衡問題”的根源正是出自熱網(wǎng)靜態(tài)設計理論派生的所謂“在流量平衡基礎上的溫度管理方法” 。在這種不斷改頭換面的理論方法指導下，幾乎所有探索節(jié)能供熱的部門都投入了極大的人力、物力，從每年供暖的第一天起就對熱網(wǎng)展開不停的調整，直至供暖的結束，結果仍不盡如人意。最終只能無奈的實施在熱網(wǎng)不平衡情況下通過增加供熱

3、量緩解與不熱戶的供需矛盾。這種在“三個被迫”壓力下的供熱（不熱戶被迫投訴、供熱部門被迫增大熱源、過熱戶被迫開窗）最終導致了能源的大量浪費，增大了供熱成本，把供熱部門推入了進退兩難的被動。 因此， 建立熱網(wǎng)運行管理的動態(tài)平衡運行理論方法實際上就成為熱網(wǎng)實現(xiàn)節(jié)能降耗科學化運行的關鍵問題。我們在 2005 年提出了“基于線性系統(tǒng)理論的熱網(wǎng)平衡方法研究” ， 經(jīng)過 05、 06 取暖季在烏魯木齊房產局供暖所 120 萬平米供熱系統(tǒng)運行的跟蹤實驗表明， 應用周期供熱量調節(jié)熱網(wǎng)平衡的方法不僅是一個理論上可行的方法， 而且也是一個便于操作使用的方法， 它很好的解決了這個困擾供熱界多年的難題。我們先后參與的

4、20 多個供熱網(wǎng)的計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)的建設和運行實踐表2明：在正確的運行管理理論指導下，在可靠和完善的全網(wǎng)熱量計量的基礎上，充分發(fā)揮計算機可以實時完成對大量數(shù)據(jù)的采集和存儲功能； 可以快速完成對大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和決策功能以及對多個設備進行實時控制的計算機綜合能力， 熱網(wǎng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)完全能夠勝任熱網(wǎng)科學化管理的工作， 甚至起到單憑人力難以完成的細致和準確作用。 特別當把熱源和熱網(wǎng)作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)交給計算機管理后，它的可靠分析決策與控制能力會強有力的支撐起節(jié)能降耗的科學化管理。2005-2006 年取暖季我們在烏魯木齊房產局供暖所熱網(wǎng)運行的“鍋爐熱網(wǎng)統(tǒng)一計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)”以節(jié)煤 24、節(jié)電

5、 27、單耗供熱下降為 0.56GJm2（183 天供暖） 的初步運行成果充分說明了只要把科學正確的運行和管理理念與具有時代特征的計算機技術有效地結合起來， 供熱計算機系統(tǒng)就會對動態(tài)運行的供熱實行動態(tài)的規(guī)劃和決策管理， 從而把我們以節(jié)能降耗為目標的科學供熱推向前進，引向深入。1 1、 節(jié)能供熱的基本規(guī)律節(jié)能供熱的基本規(guī)律在 2002 年頒布的國家標準室內空氣質量標準GB/T18883-2002 中明確規(guī)定了具有冬季供暖條件的居民室內溫度為 16-24。 （供熱界普遍執(zhí)行 16-20） 。顯然，這個標準的頒布實質上已經(jīng)原則確定了冬季城市供暖一定要看天氣論供暖的基本供暖方式。 也只有看天氣論供暖才

6、有可能實現(xiàn)居民室溫經(jīng)常保持在一個穩(wěn)定而舒適的范圍。 同時， 這個標準也明確了節(jié)能供熱的相關方向性內容，大力推行節(jié)能建筑，大力推廣節(jié)能保溫材料，減少供熱管網(wǎng)損失，提高熱源熱效率等等都是節(jié)能供熱應當考慮的重要內容。 因此， 在我們執(zhí)行看天氣供暖這個基本供暖方式時密切關注相關節(jié)能成果的發(fā)展， 并且作出相應的調整， 將會對節(jié)能供熱產生良好的效果。我們認為， 看天氣供熱實質上可以進一步明確為看每一天的天氣供熱。 我國北方室外氣溫的變化實際是受兩個天氣變化規(guī)律的支配。 一是以年為周期的四季氣候變化， 這個規(guī)律會造成室外氣溫的變化范圍在冬季嚴寒地區(qū)最冷時下降到零下 30-40。京、津、唐地區(qū)下降到零下 15

7、左右。因此，這個規(guī)律對室外氣溫變化的影響是一個溫度變化范圍大、但變化緩慢的長周期過程，平均到每 1天的影響，氣溫變化都不大于 1。但是應該重視的是，影響室外氣溫變化的另一個規(guī)律是日復一日的晝夜溫差變化規(guī)律， 這是一個以天為周期、 溫差變化約為10左右的高強度短周期影響過程（不計短時寒、暖流襲擾） 。3圖一、唐山供暖季一周環(huán)境溫度實測曲線計算分析表明，晝夜 10溫差變化在初、末寒期要求晝夜供熱量有 40左右的差別，在嚴寒期也有 20左右， （因各地計算溫度不同而不同） 。因此，執(zhí)行看天氣節(jié)能供熱方式就必須要立足看當天氣溫變化進而區(qū)分晝夜溫差的對應供熱方式。而初寒、嚴寒、末寒的大規(guī)律環(huán)境溫度變化對

8、于供熱的影響則反映為對晝夜供熱量平均值的緩慢微量調整。因此， 對于經(jīng)常的環(huán)境平均氣溫變化不大的天氣情況， 其供熱過程可以用以下周期函數(shù)表示 （一個取暖季可看作由多個相鄰穩(wěn)定的天氣區(qū)間和突發(fā)的寒、 暖流區(qū)間組成）（1）式中)(tQ氣溫變化不大的相鄰幾日供熱周期函數(shù)t時間變量T周期T=1 天N周期數(shù)N=0、1、2、3根據(jù)環(huán)境氣溫變化確定的供熱量函數(shù))(tQ的計算式可由下式（2）確定（2）式中ot在一天中的實測環(huán)境溫度或預測環(huán)境溫度 nt設計室內供熱溫度 wt設計計算溫度q熱指標s供熱面積進一步明確和強調這種供熱思路正是針對目前大多數(shù)供熱部門正在執(zhí)行著sqttttQQwnontto)()(,)()(

9、NTtQQt,唐山市一周環(huán)境溫度實測曲線唐山市一周環(huán)境溫度實測曲線（2005.1.132005.1.19）4與此相反的思路，即用一個照顧每天夜間低氣溫的穩(wěn)定供熱量完成每天的供熱，而忽略了每天都有 10溫差的變化。特別當連續(xù)多天氣溫變化不大的情況，相應的供熱量也不分晝夜，保持不變。顯然，這種貌似合理的平穩(wěn)供熱方式是不把太陽當回事的粗放供熱方式。尤其在熱網(wǎng)不平衡情況下，熱源被迫升溫，再疊合這種不分晝夜穩(wěn)定供熱的方式， 引發(fā)大量能源浪費是必然結果。 這種供熱方式在熱電聯(lián)產供熱系統(tǒng)中尤為突出。2 2、關于熱網(wǎng)平衡調節(jié)的理論和技術問題關于熱網(wǎng)平衡調節(jié)的理論和技術問題我國城市集中供熱普遍采用熱源質調節(jié)供熱

10、方式。 顯然， 當熱源管理立足于根據(jù)晝夜氣溫變化調節(jié)供熱量時， 熱源供熱過程將實施如式 1 給出的周期供熱過程。熱源的供水溫度、回水溫度也將相應的呈現(xiàn)為經(jīng)常變化的狀態(tài)。由于熱源的供熱是依賴于循環(huán)水的流動把熱量輸送到各個熱力站和熱用戶的， 因此， 熱源供熱量的變化過程在各個熱力站和熱用戶端觀察，就會在時間上產生滯后的差異。在離熱源較近的用戶能夠較早的感受到熱源供熱量的變化， 而在遠離熱源的用戶則要延遲一段時間才會開始這個過程。 因此， 通過比較各熱力站的供熱溫度進行平衡調節(jié)的方法就失去了比較的基礎各熱力站的溫度在每一個瞬時都可能是不同的。根據(jù) “基于線性系統(tǒng)理論的熱網(wǎng)平衡方法研究” 推導建立的熱

11、源與熱用戶基本供熱關系式可以給出描述熱源與各熱力站的供熱方程組 （3） ， 即供熱網(wǎng)的動態(tài)運行數(shù)學模型。（3）式中)(tqi第 i 個熱力站收到熱源的熱量函數(shù))(tQ熱源的供熱量函數(shù)it從熱源傳輸供熱量到第 i 號熱力站的時延時間ik第 i 號熱力站得到的熱量與前推it時間熱源供出總熱量的比例系數(shù)t時間變量i熱力站編號變量n熱力站總數(shù))()(111ttQktq)()(222ttQktq)()(iiittQktq)()(nnnttQktq5由該供熱方程組可以看出，各熱力站在任何一個時刻t得到的熱量)(1tq、)(2tq、)(tqi、)(tqn分別對應了由當前時刻向前推不同時間1t、2t、it、n

12、t的熱源供熱量)(1ttQ、)(2ttQ、)(ittQ、)(nttQ。并且熱力站從熱源得到熱量的份額大小由比例系數(shù)1k、2k、ik、nk確定。顯然，熱網(wǎng)的熱力平衡問題就是要通過選擇合理的熱力站設備和選擇調整一、 二次網(wǎng)的運行參數(shù)最終確定一組合理的比例系數(shù)1k、2k、ik、nk，使得各熱力站能夠根據(jù)自己所轄供熱面積的大小得到相應熱源供熱量的合理份額。因此，由方程組（3）可以得出熱網(wǎng)平衡判別式： 在確定了從熱源傳輸供熱量到各熱力站的延時時間it基礎上， 通過實測熱力站當前時刻供熱量與前推it時刻的熱源供熱量就可以計算確定各熱力站供熱比例系數(shù)1k、2k、ik、nk。（4）由于按供熱面積收費供熱方式?jīng)Q

13、定的供熱比例系數(shù)1k可以由各熱力站所占面積和總供熱面積的比值確定。 （考慮到節(jié)能建筑因素，這些面積也可按當量面積計算）（5）因此，各熱力站的供熱平衡可以通過比較ik與ik是否相等確定。如果ikik，則該熱力站得到的供熱量是希望的供熱量；ikik，則該熱力站供熱量偏大；（6）ikik，則該熱力站供熱量偏小。各熱力站的平衡也可以通過下式（7）由各熱力站單位面積供熱比例份額相等確定：（7）式（6） 、式（7）給出了熱網(wǎng)平衡判別式，根據(jù)該判別式，可以方便的確定分布在熱網(wǎng)各處熱力站的平衡情況。顯然如果當某個熱力站偏離了熱網(wǎng)平衡狀態(tài)，那么就有：)()(111ttQtqk)()(222ttQtqk)()(n

14、nnttQtqkssk11,ssk22,ssknn,nnsksksk2211,6（8）式中第 i 號熱力站偏離平衡的偏離比例由該偏離比例可計算確定出熱量偏離量為：（9）因此，進一步可以根據(jù)該供熱偏離量確定熱力站的供水流量調節(jié)方向和大小。由上述分析可見， 實現(xiàn)由多個熱力站組成的熱網(wǎng)平衡分析和調節(jié)必須要在準確掌握全部供熱網(wǎng)的管道信息和所有熱力站及熱源的流量、 熱量測量值情況下進行。特別麻煩的是在平衡調節(jié)過程中，由于各熱力站流量可能需要反復調節(jié)，各熱力站延時時間1t、2t、it、nt也會跟隨變化，需要反復的在線動態(tài)計算分析和確定。顯然這種繁雜的工作交給熱網(wǎng)計算機監(jiān)控系統(tǒng)完成是合適的。在 “基于線性系

15、統(tǒng)理論熱網(wǎng)平衡方法研究” 中得出的依據(jù)周期供熱量調節(jié)熱網(wǎng)平衡的方法， 是建立在供熱管網(wǎng)情況不能準確掌握的前提條件上。 該方法利用了節(jié)能供熱具有近似以天為周期的特點， 根據(jù)實際測量的熱源供熱量和各熱力站的供熱量確定了熱網(wǎng)平衡的分析方法和調節(jié)方法。 該方法首先認定在一天里熱源供出的總熱量與各熱力站供出的總熱量相等 （在實際使用中應考慮熱損失） ， 即：（10）式中)(tQi第 i 個熱源供熱量)(tqj第 i 個熱力站供熱量ot任意計算時間終點T周期T24 小時m熱源個數(shù)n熱力站個數(shù)該式 （10） 表明， 這個等式成立僅與從任何一個時刻向前追溯一個周期 （24小時）的累積熱量有關，各熱力站的延時特

16、性及時延時間不會影響分析和計算。進一步可以給出熱力站的熱力平衡判別式：iiikkk,ikikiq)(tqkqiii mimjtTtjtTtioooodttqdttQ11)()(ntTtntTttTtsdtqsdtqsdtqoooooo22117（11）式中：is第 i 個熱力站的供熱面積由上可知，由式（11）確定的熱網(wǎng)熱力平衡判別式由于采用了一天的累加熱量表示，因而熱網(wǎng)供熱的延時特性也不影響計算。當然，應用式（10） 、 （11）的前提條件是把供熱過程可以看作周期變化的過程或近似周期變化的過程。 這種平衡分析方法可以用來應對不能準確掌握供熱管網(wǎng)信息， 因而不能準確確定各熱力站時延量的應用情況。

17、應當注意應用式（11）的方法由于采用了一天的累計供熱量，因此比較由式（6） 、 （7）直接使用實時量和計算量具有更好的抗干擾能力和可靠性。3 3、創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的供熱運行計算機動態(tài)監(jiān)控管理創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的供熱運行計算機動態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)系統(tǒng)創(chuàng)建以節(jié)能降耗為目標的供熱運行計算機動態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)是供熱界多年探索建設的技術進步項目。但由于多種原因，例如：供熱理念的科學化問題、熱源的可控性問題、熱網(wǎng)平衡的調節(jié)理論和方法問題等諸多技術問題，以及計量、控制元器件的適用性等設備問題都可能導致供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)無法完成對供熱主體任務的有力支持。 這是我國許多供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)只能用于數(shù)據(jù)采集或其他日

18、常管理工作，而未能形成對供熱主體任務起到主力軍支持作用的原因。因此， 我們在這里首先明確了我們創(chuàng)建的供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)是以實現(xiàn)節(jié)能降耗科學供熱大目標作為中心任務的監(jiān)控系統(tǒng)。 其突出之處在于它將貫徹立足當天天氣變化實行供熱負荷相應預報、 規(guī)劃和調節(jié)的科學供熱思想； 進一步它將貫徹新的科學平衡理論方法，解決對應熱源變負荷運行情況下熱網(wǎng)平衡調節(jié)的難題，執(zhí)行在熱量平衡理念下的動態(tài)分析和調節(jié)決策及提出指導性建議；當然，在條件允許的情況下它還可以包括對用戶網(wǎng)（二次網(wǎng)）提出調解控制的內容，完善熱力站無人值守的供熱模式。 因而我們進一步定位了這套計算機系統(tǒng)應該成為節(jié)能供熱運行的主力軍性質。由上述對供熱計算機監(jiān)

19、控系統(tǒng)總體功能的要求可以看出我們的建設理念是：突出供熱一盤棋的熱源熱網(wǎng)統(tǒng)一調度管理理念， 決不允許任何一個熱力站游離于這個統(tǒng)一管理的框架之外自行其事。 這是由于任何一個熱力站 （甚至站下一個分支） 的調節(jié)都會對集中供熱整體造成影響， 任何一個熱力站供熱效果的不理想都可能引發(fā)熱源的大幅度升溫而破壞 “看天氣供熱” 這個節(jié)能降耗戰(zhàn)略運行思8想的正常貫徹執(zhí)行。圖二給出了我們建造供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)的總體方框圖圖二、集中供熱整體解決方案方框圖由該圖硬件組成可見， 在大結構上， 監(jiān)控系統(tǒng)將熱源監(jiān)控和熱力站監(jiān)控以及環(huán)境溫度和用戶溫度的檢測與監(jiān)控中心統(tǒng)一成為一個整體， 從而強調了這套監(jiān)控系統(tǒng)跟隨天氣變化的統(tǒng)一

20、調度管理理念。 另外在監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)的配套問題上也突出了圍繞當天運行的事前預報規(guī)劃， 并且在實時數(shù)據(jù)采集功能中突出了動態(tài)運行的平衡分析和控制以及事后對供熱的經(jīng)濟分析。 這就構成了監(jiān)控中心軟件的核心部分。它們的主要目標是：平衡熱網(wǎng)、看天氣供熱。關于其它功能軟件則用于為方便上述主體任務的完成而配置。 而對于熱力站的軟件建設， 則主要任務是確保數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制任務的可靠完成， 這種功能配置也體現(xiàn)了調度中心集權管理的供熱監(jiān)控系統(tǒng)建設理念 （熱力站監(jiān)控系統(tǒng)也有脫機獨立運行能力） 。 另外，考慮到供熱部門的多方需求，該系統(tǒng)還包括了用戶管理等系統(tǒng)。圖三是該計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)的控制策略圖。集中供熱整體解決

21、方案供熱經(jīng)營管理系統(tǒng)用戶收費管理系統(tǒng)用戶入網(wǎng)管理系統(tǒng)用戶服務管理系統(tǒng)硬件系統(tǒng)監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)熱力站軟件系統(tǒng)環(huán)境溫度檢測熱力站監(jiān)控系統(tǒng)熱源監(jiān)控系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡監(jiān)控中心數(shù)據(jù)采集與報表分析與控制網(wǎng)絡發(fā)布與通訊診斷與報警預報與規(guī)劃用戶管理歷史數(shù)據(jù)查詢數(shù)據(jù)采集控制調節(jié)自動報警通訊集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)用戶室溫檢測熱源經(jīng)濟分析9圖三控制策略圖由圖三可見， 該計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制策略進一步明確了我們在熱網(wǎng)動態(tài)運行平衡基礎上的熱源看天氣供熱節(jié)能運行思想的具體方法內容。4 4、關于熱源控制系統(tǒng)關于熱源控制系統(tǒng)根據(jù)當天氣溫變化的動態(tài)供熱節(jié)能供熱理念， 在熱網(wǎng)運行的動態(tài)平衡得到保證之后，能否根據(jù)式（1）和式（2）

22、確定的供熱量實現(xiàn)跟隨供熱就成了奪取節(jié)能成果的關鍵。 對于集中鍋爐房供熱系統(tǒng)可以很方便的對應任何環(huán)境溫度通過調節(jié)鍋爐的給煤量供出所需要的供熱量。（12）式中鍋爐燃煤量鍋爐供出的熱量鍋爐燃燒效率燃煤的熱值對于實際由多臺鍋爐組成的熱源， 只需要注意運行的每臺鍋爐盡可能工作在cgGQhQQ/煤煤QGQghcQ熱力站熱力站現(xiàn)場工作站現(xiàn)場工作站熱源熱源追隨著環(huán)境溫度變化監(jiān)控中心監(jiān)控中心實現(xiàn)各熱力站單位面積周期供熱熱量平衡室外環(huán)境溫度檢測熱力站熱力站現(xiàn)場工作站現(xiàn)場工作站 1熱力站熱力站現(xiàn)場工作站現(xiàn)場工作站 2二次網(wǎng)分支二次網(wǎng)分支實現(xiàn)各分支單位面積周期供熱熱量平衡熱用戶室溫檢測補償計算熱源參數(shù)信息反饋需求建議

23、調節(jié)指令下達現(xiàn)場參數(shù)上傳SqQ0wnnttttSQ00000000nn2211TttTttTttTttdtsdtqsdtqsdtq1100sdtqTttsdtqTtt002200sdtqTtt222n2n2222212100000000sdtqsdtqsdtqsdtqTttTttTttTtt10其高效率工作區(qū)即可。當然，在實際供熱運行中，為了確保鍋爐的高效率穩(wěn)定運行，通?？梢园延墒剑?）確定的供熱量連續(xù)變化過程劃分為若干個穩(wěn)定負荷過程替代。值得提及的是，我們的鍋爐輸出供熱量是以鍋爐供出的熱量來表示的（功率） ，而不是大家習慣上采用的供、回水溫度表示方法，這種用供熱量表示的集中供熱不僅使我們可以

24、直觀的掌握當前的供熱幅度和環(huán)境溫度的對應性， 而且也有利于前推到對應的燃煤量進行效率分析和經(jīng)濟核算。 另外， 我們認為用鍋爐供出的熱量，以及用各熱力站供出的熱量來管理供熱，是還原了供熱的本質表達，它改變了過去由于不具備熱量計量能力而被迫采用的溫度管理方式， 使得供熱管理脫去了溫度管理的神秘化供熱外衣。 （關于鍋爐（鏈條鍋爐）的自控系統(tǒng)的介紹由梁大為總工專門主題介紹，這里不作重復說明。 ）這種看天氣供熱的節(jié)能運行方案對于熱電廠作為熱源的供熱系統(tǒng)由于受到熱電廠穩(wěn)定發(fā)電量的限制還需進一步深化研究。 我們今年將與梅河口熱電廠的同志們對這個問題在其供熱面積 200 萬平米的供熱網(wǎng)上展開聯(lián)合研究。 我們希望通過這項研究能得到一些有利于熱電聯(lián)產實現(xiàn)節(jié)能供熱的新成果， 從而對這種主體供熱方式產生積極的影響（目前熱電聯(lián)產供熱占總供熱面積的 60以上） 。5 5、關于供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎建設關于供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎建設計量計量前面我們對建立的供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)從運行理念、 系統(tǒng)構成、 平衡理論和方法、運行分析、熱源管理等多方面進行了科學的分析和論證，這些內容是重要的，它們構成了我們供熱計算機監(jiān)控系統(tǒng)的靈魂、大腦和身體的主體，我們只要再給它配備可靠的手和眼睛，它就可以成為我們科學供熱的得力助手。18 年前我們對