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基于室外温度修正的大型热网平衡群控策略赵睿(天津市热电有限公司,天津 300072)摘要:现有热电联产集中供热系统的运行调节模式存在热网供热量无法实时满足热负荷变化的缺陷,末端换热站供热质量无法保证,常规的人工调节虽然能对单个换热站做到精细化调控,但调节周期长、精度低,无法应对由于热源的频繁波动导致全网水力失调的问题。开发了换热站自动运行调控系统,通过理论计算得出保证全网热量平衡的温度修正量,实现了全网换热站随室外温度变化和热源波动而自动平衡调控的目标。关键词:供热调节;热网平衡;自动修正DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.0160 引言随着信息技术与计算机技术的发展,供热行业“自动化”“智能化”水平日益提高。目前,城镇供热系统中绝大部分热力站均已实现自动化控制,具备远程控制调节热力站流量、温度等供热参数的能力。学界已经形成了许多较完善的用户热负荷预测方法,其中纯数据驱动的方法(BP 神经网络、循环神经网络、时间序列分析等等)、机理模型+参数修正的方法(集总热容的房间热过程模型+最小二乘参数辨识)等都可以实现精准的负荷预测与控制。由于该类方法对控制设备的数据传输、分析等能力要求较高,尚处于试点推广阶段,所以大部分热力站设备仍然采用定温度、定流量、定开度等“半”自动调节方式。大多数热力站仍然是通过人员根据天气、热量、流量情况进行远方控制,但由于人工调度不够精确、调节次数有限,无法有效实时跟踪,所以末端用户的用热质量往往无法得到有效保障。1 供热管网调控问题分析1.1 热网热量无法实时满足供热负荷变化需求由于热负荷是随气温、光照、风力等因素实时变化的,而热网供热量无法随热负荷的实时需求而及时调整,其主要体现为:(1)在热电联产供热系统中,热源电厂受电力负荷变化影响,造成供热温度波动频繁;(2)供热管网输配存在滞后性,在调控过程中近端换热站优先调节,极易造成末端热力站热量不足;(3)基于管网安全考虑,为防止供热管网因应力变化幅度过大造成管网泄漏,需要尽可能降低热网温度变化幅度。1.2 缺乏管网自动化平衡运行调控手段近年来,随着室内外温度数据采集能力的提升,通过理论计算、经验总结、数据拟合、负荷预测、人工智能分析等手段,实现了单个热力站的“精细化”“智能化”自动运行调节 1,2。但由于上述手段一般以热力站二次侧参数为调控目标,未能在一次管网与各热411区域供热 2023.4 期力站之间建立联系,若调控幅度超过一次管网冗余承受范围,容易造成管网水力波动进而影响供热安全。3同时,目前虽然已经实现了单个热力站的温度自动调控,但各热力站之间并不能真正做到互相平衡,末端热力站失调问题没有得到有效解决,无法大规模应用于实际供热运行,仍需要大量人工干预。1.3 人工调节无法满足精细化管理需求人工调节存在周期长、精度低、劳动强度大等缺点,无法满足精细管理需求,主要体现在以下几方面:(1)人工经验判断不够精细,同样的室外气温下,不同人员下达的曲线不同,或者同一人在不同时期的经验温度有所差异;(2)供热调控标准受主观影响较大,由于不同层级运行调度人员管理范围不同,不同人员调控目标存在差异,热力不平衡现象较为普遍,且无法实现统一、规范、标准化自动运行;(3)人工调节每日调节次数较少,不能实时跟踪室外气温变化,造成白天能源浪费,夜间热量不足,室温波动明显;(4)人工调节无法实时有效跟踪热源温度波动,运行期间易出现明显的末端失调问题。2 热网智能平衡调控目标基于管网调控存在的问题,热网平衡调控的目标就是要在热源波动、气温骤变等实际供需热量不等于理论热量的工况下,快速实现全网热力站按同比例进行热量分配,消除冷热不均现象。本文将以此为研究对象,就如何通过自动化手段实现热网智能平衡开展策略研究。假设某热网共有n个热力站,当某一工况下全网理论散热量为Q,实际散热量为Q,若热源热量不能满足要求或热网存在滞后,则QQ。而全网平衡的目标是全网热力站按同比例进行热量分配,则各热力站热负荷关系满足式(1)时,即可认为实现了全网平衡。QQ=QAQA=QBQB=QNQN(1)式中:QA热力站 A 的理论热负荷;QN热力站 N 的理论热负荷;QA热力站 A 的目标热负荷;QN热力站 N 的目标热负荷。3 调控策略3.1 热平衡方程根据 供热工程 4所述,热负荷供热调节的基本公式为热平衡方程,即:Q1=Q2(2)Q1=q V(tn-tw)(3)Q2=K F(tpj-tn)=a F(tpj-tn)1+b(4)式中:Q1建筑物的供暖热负荷;Q2散热器散出的热量;q建筑物的供暖体积热指标;V建筑外围体积;tn室内温度;tw室外温度;K散热器的传热系数;F散热器散热面积;tpj散热器内热媒平均温度,tpj=(tg+th)/2。3.2 平衡工况的确定在实际热量不等于理论热量的工况下,若要实现全网平衡的目标,需要确定满足式(1)的工况,并确定该工况下各调节参数的关系。下面将以室外计算温度下的理论工况为基础,对假设工况 1 与工况 2 进行研究。理论工况:即在室外计算温度tw下,室内温度为tn、热负荷为理论负荷Q的工况,以不带上标符号表示该工况下的各项参数。假设工况 1:在室外计算温度tw下,实际热负荷为Q 且Q Q,各热力站热量满足全网平衡条件式(1)的工况,以带“”上标符号表示该工况下的各项参数。假设工况 2:在室外温度tw下,室内温度为tn、热负荷为理论负荷Q的工况,以带“”上标符号表示该工况下的各项参数。在工况 1 下,将热平衡公式(3)带入式(1)可得:511区域供热 2023.4 期 Q Q=tn,A-twtn,A-tw=tn,B-twtn,B-tw=tn,N-twtn,N-tw=tn-twtn-tw(5)在实际运行时,常见热用户大部分为住宅、办公、商场等,不同热力站用户室内温度tn均在 20 左右,可近似认为各热力站用户室内计算温度均为tn,那么tn,A=tn,B=tn,N=tn,由式(5)可得tn,A=tn,B=tn,N=tn,可以理解为将各热力站室内温度统一调整至tn,以实现全网热力平衡。令tn=tn+tn,tn,A=tn,A+tn,Atn,N=tn,N+tn,N,带入式(5)得:tn,Atn,A-tw=tn,Btn,B-tw=tn,Ntn,N-tw=tntn-twtn=(tn-tw)tn,Atn,A-tw=(tn-tw)tn,Btn,B-tw=(tn-tw)tn,Ntn,N-twtn,A=tn,B=tn,N=tntn可以理解为在满足全网平衡的工况下,所需要对室内温度tn进行的温度修正值。3.3 修正参数的选定在运行调节计算过程中,一般认为室内温度tn为一个常数,若要通过修正室内温度来实现全网热力平衡控制,需要在热平衡方程中将室内温度tn作为一个变量,大幅增加平衡调节计算难度,不利于自动化的推广应用。因此笔者认为,需要以室温修正值tn基础,对热平衡方程中的室外温度参数进行修正,以满足实际应用的需求。对于某一热力站,根据式(3)可知假设工况 1 时,Q1=q V(tn-tw)=q V(tn+tn-tw);假设工况 2 时,Q1=q V(tn-tw)。令假设工况 2 时该热力站的热指标与假设工况 1 时相等Q1=Q1,可得q V(tn+tn-tw)=q V(tn-tw),即tw=tw-tn。亦即在室外温度tw下,该热力站的理论负荷Q与假设工况 1 达到全网平衡状态时的热负荷相等。根据热平衡方程Q1=Q2、Q1=Q2,则Q2=Q2。将式(4)代入后得,a F(tpj-tn)1+b=a F(tpj-tn)1+b,即可得tpj=tpj-tn。此时存在室外温度tw,是该热力站由热平衡方程计算出的温度调节曲线上与tpj对应的室外温度。故依照tw对应的该热力站温度调节曲线工况点对热力站进行调节,即可满足全网平衡要求。因此引入tw=tw-tw,将tw作为室外温度平衡修正值。为简化计算,本文以室外计算温度tw下,实际热负荷不满足计算热负荷的假设工况进行了分析讨论,同理可得在任意室外温度与管网热量条件下,均可得到tw作为室外温度平衡修正值。3.4 选用室外温度参数修正的优势有坚实的理论支撑。目前热负荷供热调节的基本原理是基于热平衡方程计算出的温度调节曲线,该曲线表示供热调控参数(二次供水温度、回水温度或供回平均温度)与室外温度的对应关系,通过调整室外温度能够对应控制热力站供热出力。同时,供热量与室内外温差为等比例关系,通过调整室外温度参数,能使全部热力站按供热量进行等比例调节,有利于实现全网平衡调控。有良好的管理基础。供热温度曲线是供热公司的技术核心之一,是供热公司运行管理的重要参数资料,曲线精度能够反映出供热公司的运行管理水平。尤其是近年来随着供热技术的发展以及运行数据的积累,通过理论计算、经验总结、数据拟合、负荷预测、人工智能分析等手段,热力站参照室外温度参数进行自主调节运行的技术已经比较成熟,通过对上述自控手段施加室外温度修正,即可进一步实现全网平衡自控调节。能够满足个性化需求。由于建筑热负荷不仅与室外温度有关,还与日照、风速、风向等其他气象因素有关,但建筑围护结构、朝向、周边气候、阶段性用热需求等情况不尽相611区域供热 2023.4 期同,所以可通过调整室外温度补偿的方式进行供热量等比例调整,以满足其个性化需求。3.5 控制系统功能天津市热电有限公司传统热力站调节方式为基于现场控制器的 PID 二次供温控制,由调度人员根据室外温度变化定期向现场下发二次供水目标温度的方式进行供热调节。2021 年对调度系统控制模块进行开发升级,结合现状控制系统实现了以下功能:(1)建立各热力站经验曲线库,通过人工录入或者定时获取已知的室外温度、二次供回温度等参数,自动拟合各换热系统的二次供水温度曲线。(2)预测供热调节所需室外温度参数,对接当地气象部门室外温度预测数据,结合未来温度变化趋势、气象情况、供热系统特性及运行管理要求等因素,每小时计算室外温度参数tw。(3)计算室外温度平衡修正值,以热源实时热量、趸售情况、温度变化趋势、管网上各热力站温度、流量等参数综合计算出达到全网平衡所需的室外温度平衡修正值tw1。(4)建立各热力站自定义修正,根据热力站围护结构类型、用户性质、采暖形式等特性,人工设置各热力站分时段修正,满足部分用户夜间、节假日分时段调整负荷的需求,通过给室外温度参数增加一个自定义附加值(tw2)的方式,达到自定义等比例调整供热负荷的目的。(5)计算调控目标温度并下发。将室外温度参数tw、室外温度平衡修正值tw1、室外温度自定义修正值tw2相加得到修正后的室外温度参数tw,并以之为条件根据经验曲线计算热力站调控目标温度,将目标温度由上位机群发至各热力站现场控制器。3.6 调控策略换热站自动运行调节系统充分考虑了不同机组的热负荷差异,根据室外温度对每台机组设定不同的供热温度曲线,在此基础上对不同性质的机组设定差异化的策略方案,每个换热站均可以根据室外温度变化进行分时段按需自动调节。综合考虑建筑热惰性以及管网热惰性的影响,对室外温度根据气象预报数据进行拟合计算,提前应对天气变化对热负荷的影响,降低室温波动,提高供热舒适性。由于天津市昼夜温差较大、供热主干线较长,对于热电联产管网的热负荷调整很难做到实时满足全网所有换热站的差异化需求,为了保证全网的水力平衡,需要根据实时工况对各个换热站做适当的调整。换热站自动运行调节系统可以根据实时供热量与热负荷之间的差异,对各个换热站的供热温度实时修正,从而实现热网的平衡,如图 1 所示。4 实际应用效果分析4.1 效果评价指标由于天津市热电有限公司以往采用二次供水温度控制,热量失衡时末端热力站二次供水温度无法达到设定值,二次供水实际温度偏离设定值的偏差量越大、偏差热力站越多,证明管网热力工况越差。故如式(6)所示,设tg表示管网不平衡的程度,其意义为所有热力站的二次供水实际温度与设定温度差值的算数平均值,tg越小证明平衡度越高,tg值变化程度越小证明管网稳定性越强。tg=tg-tg,target)(6)式中:tg某热力站二次供水实际温度,;tg,target某热力站二次供水设定温度,。4.2 应用效果2022 年初,天津市热电有限公司完成调度系统控制模块的开发升级与二次经验曲线的总结整理工作,并于 2022 年 2 月在东北郊第一供热中心所辖区域的全部 473 座热力站开展试运行。选取了 12 月 1 日-12 月 20 日与2 月 24 日-3 月 15 日两个区间的tg曲线进行对比,如图 2 所示。可以看出,策略投运后的tg较投运前有所下降,时段内算数平均值711区域供热 2023.4 期图1 调控策略示意图图2 二次供温偏差曲线对比图811区域供热 2023.4 期由 0.403 下降至 0.318,tg的标准差由0.26 下降至 0.17,证明投运后管网平衡度与稳定性均有所提高,该策略具备一定推广价值。4.3 存在的问题在实施基于室外温度修正的热网智能平衡调控后,基本实现了全网各热力站热力平衡的目标,但实施过程中发现了一些尚需改进的问题:(1)调节阀稳定时间过长由于采用 PID 控制原理,若 PID 参数设定与调节阀选型不匹配或调节阀选型过大,就会存在超调振荡现象,致使调节阀稳定时间过长,在稳定之前就进入下一个调节周期,致使各别热力站始终无法进入稳定状态。(2)室外温度参数计算方法尚需改进实际室外温度 24 h 内的变化量一般高于10,若直接使用实时温度进行调控,容易造成管网压力剧烈变化,影响管网安全。经过测试,一般将每日室外温度变化量控制在 6 以内是比较安全的。若使用未来更长时间的温度平均值作为参照,则无法根据实时温度变化进行热负荷调整。因此尚需要一种计算室外温度参数的方法,既能满足管网安全要求,又能有效反映室外温度变化趋势。(3)经验曲线准确性不足目前经验曲线大部分为人工总结,缺乏理论依据与数据支撑。基于室外温度修正的热网智能平衡,虽解决了人工调节响应速度慢、调节精度差的问题,但仍需要以科学准确的方法进行负荷预测,因此根据建筑年限、节能等级、用热性质等因素确定基础供热指标,下一步将对历史数据进行机器学习,自动拟合合理曲线。(4)不能满足动态调控理论的精细化调控要求由于本文采用基于稳态工况的热平衡公式进行研究,从工程角度进行了平衡策略分析,但稳态模型理论上不适宜应对大型热网温度延迟的补偿,需要结合软硬件的发展进一步摸索基于动态调控理论的调控方法,以实现进一步精细化调节。5 总结本文主要探讨在热源热量与机组设定热量不匹配的情况下,通过何种方法减少不匹配度,提高一次热网的整体平衡水平,并针对问题提出了解决目标以及基于室外温度修正的热网智能平衡调控方法与策略。该方法可结合现有的经验曲线、数据拟合、负荷预测、人工智能等热力站供热调节方式,在一次管网热量不满足负荷需求时通过对室外温度进行修正,在实现各热力站个性化调控需求的同时,初步实现全网热力平衡,并通过计算室外温度修正值,量化调控策略等方式指导热源侧参数调整,初步实现源网站的科学联动。参考文献 1刘兵,王晓航,卢刚,等.基于 PVSS 平台的集中供热全网平衡控制系统研究及应用 J.区域供热,2014(6):31-34.2王建军,刘甲锟,藏凯,等.供热全网平衡理论探索与实践 J.区域供热,2019(6):1-6.3王肖,顾洁,周浩.基于全网平衡理论的热力站个性化质调节 J.煤气与热力,2018,38(6):8-13.4贺平,孙刚,谷德林,等.供热工程.中国建筑工业出版社.2021.911区域供热 2023.4 期