基于供回水温度变化的供热控制方法及案例.pdf

基于供回水温度变化的供热控制方法及案例范韬1,李延波1,郑本强2,朱晓健2(1.北京热力智能控制技术有限责任公司,北京 100089;2.北京圣法瑞特热工科技有限公司,北京 100102)摘要:为高效地实现换热站控制,借鉴了一种只采用供回水温度变化参与控制的控制方案,来参与供热机组的智慧化改造。新控制方法只使用供回水温度对供热进行控制。通过在多台、多类型机组上测试新实验控制方案,验证了新控制方案的技术可行性和推广价值。在面对环境的剧烈变化时,新方法有着更快的调节速度和更好的控制效果。采用新方案来评价系统和建筑物节能特性的方法,为后续供热智能化改造提供了新思路。关键词:集中供热;控制策略;热转移效率;实践案例;节能评价DOI 编码:10.16641/11-3241/tk.2023.04.015H e a t i n g c o n t r o l m e t h o d a n d c a s e b a s e d o n s u p p l y a n d r e t u r n t e m p e r a t u r e c h a n g eFAN Tao1,LI YanBo1,ZHENG BenQiang2,ZHU XiaoJian2(1.Beijing Teheng Control Engineering Co.,Ltd.,Beijing,100089,China;2.AutoHeat Tech Co.,Ltd.,Beijing,100102,China)A b s t r a c t:To achieve efficient control of heat exchange stations,this article draws inspiration from a control scheme that only uses changes in supply and return water temperature to participate in the intelligent transformation of heating units.The new control method only uses the temperature of supply and return water for heating control.The technical feasibility and promotion value of the new experimental control scheme are verified by testing it on multiple and multi type units.When facing drastic changes in the environment,the new method has faster adjustment speed and better control effect.The evaluation system of the new scheme and the method of building energy-saving characteristics also provide new ideas for the subsequent intelligent transformation of heating.K e y w o r d s:central heating;control strategy;heat transfer efficiency;practice cases;energy saving evaluation1 引言从 20 世纪 50 年代开始,城镇集中供热经历了从无到有、从小到大、从粗犷到精细的发展历程 1。近年来,国家对节能减排的要求逐步提高,在集中供热行业,智慧供热等供热调节方式发展迅速。但城镇集中供热在供501区域供热 2023.4 期热思路、控制调节等方面的发展尚有些落后。通过自控系统的深入实施和热网的集中管理,使得热网资源的利用率得到持续提高 2。较大型的城市集中供热系统普遍采用了自动控制,实现了热网运行的自动监测与控制,管理运行水平较高 3。实践结果表明,通过对供热系统的控制和运行进行优化调节,能够提高室内舒适度和降低系统能耗 4。在自动控制的基础上,集中供热系统将会进一步走入智能控制时代。科学有效地运用智能网络对传统工艺进行优化控制,既节省了人工,又保证了系统的运行效率和供热质量 5。总的来看,如何高效地进行供热系统的控制、深入地挖掘自动控制的潜力是集中供热控制领域的主要工作方向。这些工作对提高供管网运行效率具有重要意义 6,可以有效地提高供热效率,减少不必要的能源消耗 7。为了实现上述目标,本文基于供回水温度的采集、特殊变量的计算和自动化控制,提出了基于供回水温度的集中供热控制方案。经实验验证,新方案可以高效地完成供热控制,并能发挥自动控制的工作潜力。2 传统供热控制方案从目前的技术发展和应用来看,我国集中供热技术的改进主要集中在两个方面:一是改良供热设备,这可以进一步减少生产和运输过程中的热损失,并提高供热效率和能源利用效率。二是改造供热策略和运行方法,主要集中于换热站的运行策略。此项改进的研究重点是如何设计稳定可行的换热站智能控制方案,来取代目前依靠人工经验和天气数据的传统控制方案,实现真正意义上的换热站智能控制 7。在供热调节控制方面,目前很多换热站还在实行人工调节供水温度的控制方法,部分管网调节仍然依靠人工,由运维人员依据当天的供热指标,根据已有经验调节供水温度。这种调节方式高度依赖人员的工作经验,是一种开环且粗放的控制方式。考虑到供热系统所具有的热惯性和热滞后效应,很容易造成供热不足或者过度供热 7。在人工调节的基础上,研究人员提出了分时分区调节的控制思路,通过在不同供暖时间段采用不同的控制方案,可以显著减少人工控制的工作量 3,8。除了人工调节外,另一种广泛应用的控制方法为气候补偿。其原理是根据当前检测的室外温度对供水温度进行调节。动态气候补偿的控制方案在面对室外温度变化剧烈的情况下,特别是在高寒地区,无法合理地响应热用户的热需求变化。随着时间及气候的变化而改变供热量,灵活调整的空间有限 9。再加上供热系统具有热惯性和热滞后效应,当热量传递到室内时,供热量可能已经和需热量不匹配,造成室内过热或过冷的现象 4。随着人工智能算法的推广应用,越来越多的换热站开始采用基于人工智能算法预测的热负荷调节方案。一般而言,此类控制方法的最终目标为室内温度的均衡,并基于室内温度变化对供热系统进行调节 10。该方案的关键是获取室外环境变化与热负荷变化的对应关系。通过提前对建筑热负荷进行预测,使供热系统向用户侧提供的热量和需热量相匹配,最终达到按需供热、降低能耗的目标 4。在比较合理的范围内,通过预测的二次供水温度可以得出二次网回水温度和一次网流量,进而得到供热负荷。供热系统负荷预测的最终目的就是为了更好地指导系统控制,在满足用户需求的同时,又可以尽可能地节约能源 6。无论哪种调节方案,其核心控制方式均是基于 PLC 控制器开发的控制方式。PLC 控制器是一种适合工业自动控制的微型计算机,具有简单的结构、强大的屏障、广泛的环境适应能力和较高的控制能力 11。无论是常见的锅炉控制系统,还是大型集中换热管网的换热站控制,PLC 控制器均有较好的应用效果 12。通过 PLC 控制器,可以监测换热站601区域供热 2023.4 期内的多种数据,并依托控制器网络将数据传输给 监 控 平 台,接 受 监 控 平 台 的 控 制 与调整 3。业内开发了多种基于 PLC 控制器的控制方案。前文提到的控制方案多是基于 PID 思想展开的。PID 控制即比例、积分和微分控制,是工业控制中的常见控制方式之一,具有结构简单、可靠性高、调整方便、鲁棒性强等优点 13。一些研究表明,在 PID 上增加人工智能算法进行控制已取得了较好的效果。其中人工神经网络控制、模糊控制和遗传算法控制等在新的控制方法中应用普遍 14。随着控制技术的不断进步,物联网和大数据、云计算等新技术在集中供热控制系统中也得到了推广和应用 15。大数据智能控制系统在实现热源、热网按需输出、均衡分配的同时,还能通过用户端自控装置的合理配置和运行调控,满足热用户个性化的室温需求 16。3 基于供回水温度变化的控制方法为了简化控制流程,优化控制方式,需要进一步改进现有的控制思路。为此,本文借鉴了一种只采用供回水温度变化参与控制的控制方案 17。通过在多台、多类型机组上布置该控制方法,进一步验证了新控制思路对供热控制的关键性作用。3.1 基于供回水温度变化的控制方式该方法只使用供回水温度进行供热控制。通过观测一段时间内供回水温度的变化,对供水温度进行调节,控制逻辑简单,仅需设置热用户的等效室内温度,便可对整体热负荷直接调节。在对该方法进行试验时,供热机组展现了非常灵活的调控思路。面对剧烈降温时,可以提前对目标换热系统进行热量补偿。利用供热系统的热惯性和热惰性,可保证建筑物在天气剧烈变化时的热量供应。该控制方法的核心是评价供热系统的供热状况。与传统控制思路不同,新方法通过监测回水温度的变化对供热系统的热负荷进行评价。当回水温度降低时,认为应该提高热量供应,反之则认为应该降低热量供应。通过应用该算法,还发现温度数据中蕴含了很多供热信息。通过深入分析供回水温度,可以解读蕴含在回水温度中的热负荷变化。这种分析思路可以更快地对供热系统热用户负荷变化做出响应。新方法评价的核心参数是热转移效率和拓扑等效 K 值 18。通过分析这两个参数,可以对供热机组的运行工况和热用户状况进行独立评价。且从试验结果来看,这种评价的结果准确,效率较高,对建筑物热负荷变化响应很块。通过综合两个参数进行供热控制,机组很好地平衡了供热舒适性和供热效益,为后续的智能化改造提供了新思路。3.2 基于供回水温度变化的控制优势传统的基于室外温度监测、室内温度预测的方案原理复杂,控制系统内部的参数对应关系往往不可知(黑箱),一线人员的可操作空间小,调节能力有限。基于供回水温度的控制方案采用热转移效率与拓扑等效 K 值进行计算,可以很好地解决上述问题。依托两个客观参数的计算,运行人员可以轻松了解当前机组的运行情况。在分析机组运行情况的过程中,不需要工作人员预先了解建筑物的情况。这种全新的控制思路将进一步简化供热控制流程,优化供热节能分析方法。这种供热思路借鉴了“4030”控制思想:假设某一供热系统的供水温度为 40,回水温度为 30。当由于某种原因需要进一步升温时,将供水温度提高 2。经过了很长一段时间后,测得供水温度为 42。回水温度为 30+X。若 X 为 0,代表供水提高了2 所输运的热量被全部使用,认为此时的效益值为 100%;若 X 值为 2,代表供水温度升高 2 所输运的热量未被使用,认为此时的效益值为 0%。在两者之间存在一个合适的效益值,符合舒适供热、节能供热的目标。此外,该系统的布置依托无线传感器系701区域供热 2023.4 期统。在试点换热站现场,应用大量的无线传感器检测流量、温度及压力情况。在实际应用中,无线传感器体现出极大的优势。对现场人员而言,无线传感器不影响就地观察和显示屏监控。这种分布式控制、集中分析的思路 19,也给未来的智能化改造提供了新的思路。4 实际控制案例分析本次新控制方法的试点应用涉及多个换热站,每个换热站供热用户和规模不尽相同。新控制策略的应用测试分为三步:首先,对算法的稳定性进行验证,确保算法可以实现基本的供热控制功能。然后,设置对比机组,对新方法的控制效果进行对比分析;最后,对不同建筑的供热效果进行对比分析,验证算法进一步推广的价值。4.1 新方法稳定性验证在机组上部署新控制算法前,需要对算法的稳定性和可行性进行验证。为此,在石景山五里坨西街某换热站布置了新控制方法。在新算法投入前,该机组一直采用室外温度补偿的控制方案,在之前的运行中,机组运行状况良好。机组的 运 行 曲 线 如 图 1所示。从图 1 中可以清晰地看出,在应用新控制方法前,机组的供回水温度随着室外温度的升高而降低,随着室外温度的降低而升高。在投入新控制方法后,机组的运行曲线如图 2 所示。从图 2 可以看,在投入新控制方法后,机组的运行情况良好。随着室外温度的变化,机组运行温度逐渐发生改变。为了进一步验证新控制方法的稳定性,实验机组在夜间对机组进行了人为干预。图 3 为机组的供水温度曲线。可以看出,在对自动控制算法进行人工干预后,算法可以很快对机组的供水温度进行调节,但随着算法的自动计算和监测,机组的供回水温度被自行调解回合适的温度区间。4.2 新方法供热效果分析石景山的这处换热站有高区和低区两台供热机组。为了验证新方法的供热效果,高区图1 石景山机组运行曲线(传统方案)801区域供热 2023.4 期图2 石景山机组运行曲线(新方案)图3 石景山机组运行曲线(稳定性)图4 两台机组运行曲线901区域供热 2023.4 期图5 两台机组回水温度对比曲线采用传统稳定补偿算法控制,低区采用新控制方法进行控制。两套系统机组控制设备一致,热用户情况接近。两台机组同一段时间内的供回水温度对比曲线如图 4 所示。从图 4 中可以看出,传统控制方案依据室外温度补偿的控制思路进行控制,很好地满足了对热负荷的调节需要。新方案在进行调节时,虽未用到室外温度传感器的数据,却也调整出了类似于室外温度补偿的供热效果。单独绘制两台机组的回水温度曲线,如图 5 所示。从图 5 中可以看出,新方案的调节策略非常灵活。相比传统控制方案,新方案的回水温度更低。1 月 15 日前后,室外环境剧烈降温,将室外温度与低区回水温度数据绘制为随时间变化的曲线,如图 6 所示。从图 6 中可以看出,当室外温度陡然降低时,机组及时调整供热负荷,保证回水温度逐步升高。当室外环境发生变化后,新算法可以很快地对建筑物热负荷的供应做出响应,极大地减少了不必要的能源投入。对于热负荷的分析,可以参考机组的二次温差曲线与室外温度的变化。绘制两组数据随时间变化的温度曲线,如图 7 所示。从图 7 中可以看出,随着室外温度的降低,机组整体热负荷及时提高。需要强调的是,供热机组并未使用室外温度数据参与控制过程。这里与室外温度曲线进行对比,只是为了方便理解室外环境的变化情况。从本节的分析中可以看出,供热负荷常规变化时,新方法的控制效果与室外温度补偿的算法接近。对供热机组热负荷的响应,两台机组都做到了高效调节。但面对急剧的环境变化时,新控制方法的机组能够更高效地调节,且能源利用效率较高。4.3 新方案推广讨论为了进一步评估新方法的推广应用价值,在不同供热规模的两台机组上进行新算法的布置。两台机组分别为前文提到的石景山换热机组和西城建筑段换热机组。两个换热机组所覆盖小区的热用户状况有显著差异。其中石景山换热机组覆盖的建筑物较新,011区域供热 2023.4 期图6 低区机组运行曲线图7 低区机组二次温差与室外温度对比曲线其保温效果优于西城建筑段建筑物。对于具有不同热用户情况的两个机组,新控制方法提出了基于热转移效率的建筑物节能情况评价方法。通过计算一个实时、客观的参数,便可对两个系统的供热状况进行评估。两个换热机组的热转移效率曲线如图 8 所示。从图 8 中可以看出,两台机组的供热情建况存在显著差异。依据相关理论可以简单判断出,石景山换热机组的节能状况好于建筑段的换热机组。相同的地理环境下,两台机111区域供热 2023.4 期图8 热转移效率对比曲线图9 热转移效率与室外温度对比曲线组的新控制方法均体显出了较好的热负荷控制能力。对两个筑物的热转移效率数值与室外温度数值进行对比分析,曲线图如图 9所示。图 9 中,点线为室外温度曲线,实线划线分别为石景山和建筑段的热转移效率曲线(图中为变量 K 值)。可以看出,随着室外温度的变化,机组的参数曲线也对应变化。由211区域供热 2023.4 期此也可以看出,虽然机组并未使用室外温度的数据,但其基于回水温度计算的热转移效率参数可以很好地反映室外环境的变化。在新控制方法的应用过程中,需要对供热系统的等效室内温度进行设定。一般地,等效室内温度设置为 20。在新方案测试期间,需要根据供热系统的运行情况对该参数进行调整。当热用户整体偏热时,调低等效室内温度;反之则降低此参数。在新方案测试完毕后,不需要再设定该参数。上述对建筑节能与否的评价,主要依托于每个供热系统的热转移效率的数值。不同机组的该数值存在差异。这种差异是由建筑物的保温结构、管网的平衡情况、机组的节能状况等特定供热系统的供热特性导致的。该特性会随着室外环境的变化和机组供热状况的变化而实时变化。监测该参数可以很好地实现对供热机组的节能评价。5 结论与展望本文对基于供回水温度变化的供热控制方案做了简要介绍和实践分析。在测试中,新方案很好地实现了供热系统的控制目标。在面对室外温度剧烈变化时,新方法有更快的调节速度和更好的控制效果。该控制方法可以高效地评价不同供热系统的运行状况,为后续的供热智能化改造提供了新思路。在算法实验中,虽然该算法的控制效果达到甚至在某些方面超过了传统控制方案,但其在运行过程中存在一定的不确定性,比如在部分时间段内,供热系统的供水温度变化幅度很小,不能很好地体现供热系统的人性化供热原则等,特别是对等效室内温度的设定,仍存在一定的主观性问题。后续基于本文的实验结果可以进一步改善该控制方案。参考文献 1袁银生.城镇集中供热系统控制构架分析 J.科技与创新,2021(14):46-48.2冯关儒.太古集中供热控制系统常见问题及解决措 施 J.山 西 建 筑,2022,48(10):101-103,187.3丁瑶.供热管网分时分区运行调节及控制技术研究 J.百科论坛电子杂志,2021(22):128.4李静.基于负荷预测的区域供热控制模型实例研究 J.科技风,2021(35):102-104.5顾伟.城市集中供热控制系统 D.唐山:华北理工大学,2020.6刘智超.基于负荷预测的集中供热控制策略的研究 D.沈阳:沈阳建筑大学,2016.7鞠晨曦.供热过程智能优化控制研究与应用 D.济南:济南大学,2021.8牛凡.校园供热系统优化运行控制策略研究 D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.9赵玲.燃气锅炉动态气候补偿供热控制系统设计 J.黑龙江科学,2018,9(16):76-77.10王云龙.太阳能-空气源热泵耦合供热系统运行优 化 控 制 研 究 D.沈 阳:沈 阳 建 筑 大学,2022.11耿雁南.一种电热锅炉供热控制系统设计 J.南方农机,2020,51(2):132,148.12常世杰,任佳男,田思庆.城市热网供热控制系统设计 J.山西建筑,2021,47(14):94-96.13曹善军.基于天气变量的电热蓄能供热控制系统与方法研究 D.沈阳:东北大学,2015.14董帅帅,高晓红.基于神经网络 PID 算法的供热控制系统仿真研究 J.电子制作,2023,31(2):30-33.15吕旭光.西安某小区集中供热控制系统的应用研究 D.西安:西安工程大学,2019.16杨永峰,孙仲,马雷雷.基于大数据智能控制系统实现热网水力平衡和满足热用户个性化室温需求的智慧供热理念 C/中国市政工程华北设计研究总院有限公司,煤气与热力 杂志社有限公司.2018 供热工程建设与高效运行研讨会论文集.煤气与热力杂志社,2018:4.17郑本强.舒效比之热转移效率控制理论 J.区域供热,2021(5):44-54.18郑本强.舒效比之二网平衡理论 J.区域供热,2023(1):127-136.19郑本强.AutoECO 控制系统在城市集中供热中应用 J.区域供热,2014(4):108-111.311区域供热 2023.4 期