換熱站集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景及國內外現(xiàn)狀
作者：admin 發(fā)布日期：2019-04-16 14:18:04
1.換熱站集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景
供熱工程是一項造福于民的民生工程，是保證北方大部分地區(qū)人民群眾正常生活的基礎建設工程。我國國土面積廣闊，北方大部分地區(qū)按照氣候特性可以分為嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)及夏熱冬冷地區(qū)，由于我國如此的氣候特性，集中供熱系統(tǒng)已成為我國的重要民生建設工程之一，也是代表城市現(xiàn)代化建設程度的指標之一[1]。由于供熱行業(yè)與國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展及能源的多樣性有效利用關系密切，所以對供熱行業(yè)的要求已從最初的擴大規(guī)模、加大建設力度的建設思路變化為按需供熱、多樣性供熱、提高能源效率。目前，我國傳統(tǒng)的分散式、隨意性供熱早已被集中供熱的方式所替代，我國為了保證供熱產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展也制定了多條相關法律法規(guī)，如：《中華人民共和國節(jié)約能源法》等相關法律、《關于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的若干意見》、《關于進一步推進城鎮(zhèn)供熱體制改革意見》等相關意見。集中供熱的供熱方式在減少我國環(huán)境污染、節(jié)約能源、提高人民居住環(huán)境質量方面起到了重要作用[2-3]。換熱站系統(tǒng)是集中供熱方式中的重要組成部分，換熱站系統(tǒng)的節(jié)能、可全、可靠的運行直接關系到用戶的使用體驗，所以合理設計換熱站系統(tǒng)，提高其運行的可靠性、安全性、合理性具有較大的使用價值和經(jīng)濟價值[4]。目前我國換熱站管理和運行的方式均比較原始及粗放，供熱工程的現(xiàn)狀存在很多弊病與不合理；在技術方面，主流思路為僅監(jiān)測一次網(wǎng)熱源狀態(tài)，對二次網(wǎng)熱源的使用、運行狀態(tài)、能源消耗狀態(tài)、各子站能耗的分配情況這些重要數(shù)據(jù)幾乎沒有任何統(tǒng)計。數(shù)據(jù)反饋僅靠人工執(zhí)行，反饋內容僅僅停留在是否有故障、用戶覺得熱還是不熱這種低端數(shù)據(jù)。在運維方面，傳統(tǒng)換熱站自動化程度較低，需要過多的人為干預與監(jiān)視；普通物業(yè)工程人員對換熱站知識一知半解，很難具有發(fā)現(xiàn)問題的理論基礎，及解決問題的實操經(jīng)驗。普通換熱站對人工成本的消耗過大，每個站幾乎都需要三班倒24小時值班。在服務方面，目前的物業(yè)服務流程為：用戶反應問題——排查故障——求助廠家——解決問題，這種服務流程非常被動，響應周期過長，用戶體驗很差。當遇到復雜嚴重故障時幾乎無力解決，造成供暖中斷或供暖不達標。在收取熱費時非常吃力，對惡意欠費用戶沒有有效的制約辦法，對虛報采暖面積的物業(yè)沒有核實手段，對正常繳費的用戶沒有提升服務品質，對用戶的整體使用情況不清楚，在同樣繳費的情況下，有些用戶家中過熱，有些不達標，冷熱不均。在遠程監(jiān)控平臺方面，目前對集中供熱系統(tǒng)二次熱網(wǎng)的遠程監(jiān)控幾乎為空白。二次網(wǎng)運行的各種數(shù)據(jù)參數(shù)完全沒有采集，對二次網(wǎng)的設備運行狀態(tài)完全沒有檢測，對二次網(wǎng)的設備起停運行沒有遠程控制手段。二次網(wǎng)的各種設備沒有運行指導手段，不能按需供熱，分情況供熱，二次網(wǎng)各分站的實際特點沒有統(tǒng)一有效的數(shù)據(jù)，無法統(tǒng)計二次網(wǎng)水、電、暖的消耗情況，各子站的故障信息，報警信息也是各掃門前雪，無法追責二次熱網(wǎng)運行不合理時對集中供熱系統(tǒng)一次熱網(wǎng)的影響。
研究和建立具有遠程監(jiān)控功能的集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)各個換熱站之間的數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)對接從而從全局出發(fā)，用科學高效的指導思路來的確定各個換熱站的運行方式及管理模式，是當今供熱行業(yè)的發(fā)展趨勢[5]。近年來飛速發(fā)展的無線網(wǎng)絡通信技術及傳感器技術是自動化行業(yè)生機勃發(fā)的必備條件，也為實現(xiàn)換熱站的數(shù)據(jù)采集與傳輸、遠程控制及無人值守提供了更為強大的必備條件與可能性[6]?，F(xiàn)有的集中供熱系統(tǒng)中換熱站主流的控制策略以憑借經(jīng)驗通過調節(jié)安裝在一次熱網(wǎng)供水管道上的電動調節(jié)閥開度來控制二次網(wǎng)供水溫度，這種憑借經(jīng)驗的調節(jié)手段合理性極低，也是造成供熱工程投訴率居高不下的主要原因[7]。因此，尋求新型的智能控制方式是提高換熱站運行效率與合理性當務之急，集中供熱方式是多個換熱站相互組建而成，這些換熱站之間并不是以孤島形式存在于系統(tǒng)中的，往往一個換熱站的運行狀況會影響整個集中供熱系統(tǒng)內臨近換熱站的運行，雖然有些換熱站采用了遠程視頻監(jiān)控，單這種簡單視頻監(jiān)控并沒有辦法擺脫人為的監(jiān)管，無法實現(xiàn)運行狀態(tài)異常的自動報警，無法實現(xiàn)自我調節(jié)，更遑論無人值守。
無人值守換熱站以自動化技術、通信技術、計算機網(wǎng)絡技術為基礎[8]，從全局角度出發(fā)，對集中供熱區(qū)域內的所有子換熱站進行統(tǒng)一管理和調度，通過集中控制與分析的優(yōu)點，從總控角度分析各子站的運行特點，解決各子站的供熱不平衡，解決子站內各樓層各單元的供熱不平衡。改變了傳統(tǒng)換熱站原先的物業(yè)代管三班倒的管理模式，提高了換熱站的自動化運行水平和先進的管理模式，非常明顯地節(jié)省了人力資源成本。因此，研究利用遠程監(jiān)控技術及智能控制技術為主導的無人值守換熱站系統(tǒng)，具有非常重要的意義。
2.國內外研究現(xiàn)狀
集中供熱這項基礎建設在任何國家都顯得十分重要，早在一百多年前的19世紀初期，歐美地區(qū)的國家就已經(jīng)開始探索這項技術。第一個集中供熱系統(tǒng)始建于1877年的美國紐約，因為歐美國家獨特的資源優(yōu)勢比如海水、地下水等可以作為供熱源，經(jīng)過簡單的熱泵裝置處理就直接可以變?yōu)榭晒┚用窆崾褂玫臒崴?。目前國外比較先進的集中供熱系統(tǒng)的模式一般為動態(tài)變流量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由變頻調速水泵、壓差控制系統(tǒng)、氣候補償系統(tǒng)、恒溫調節(jié)系統(tǒng)等構成，并且國外管理集中供熱系統(tǒng)已有一套相當成熟的管理運行模式，這些先進的控制技術和成熟的管理模式值得我們的學習與借鑒。[9-10]我國的集中供熱工程著重專業(yè)研究較晚，最早起源于20世紀50年代[11]。但隨著綜合國力的提升及國民經(jīng)濟的發(fā)展，大量熱電廠與熱源廠的逐步建立，我國集中供熱工程的發(fā)展勢頭迅猛。集中供熱面積由2002年的15.56億平方米增加到2015年的67.22億平方米[12]，集中供熱的大力發(fā)展為保護環(huán)境及提高能源利用率做出了突出貢獻，但我國對于集中供熱的研究比較落后，主要體現(xiàn)在傳輸過程中熱量損耗大及熱源利用效率低兩個方面[13-14]。
2.1 國外的研究現(xiàn)狀
在經(jīng)歷過20世紀70年代的全球能源危機之后，全世界范圍內的能源改革便大范圍開展起來，作為能源領域十分重要的供熱行業(yè)，其研究和發(fā)展的方向得到了很高的重視，并且制定了相關一系列的政策和法規(guī)，尤其對集中供熱系統(tǒng)的自動化裝置的運用提出了很高的要求，使集中供熱系統(tǒng)在為用戶提供更好的服務的同時保證能源的有效利用[15]。北歐國家的集中供熱工程的專業(yè)研究工作開始較早，再加上不斷地探索學習，促使北歐諸國的集中供熱系統(tǒng)在對熱源的的利用率和分配及用戶側室內溫度恒定的控制水平上一直處于世界領先地位。北歐諸國在1980年代就已經(jīng)著手研發(fā)包含一次熱網(wǎng)管道故障點監(jiān)測、換熱站運行狀態(tài)監(jiān)測、二次網(wǎng)設備運行遠程監(jiān)控等自控系統(tǒng)，以提高其供熱效率及用戶體驗[16-17]。國際上技術領先的集中供熱系統(tǒng)多采用可控動態(tài)流量系統(tǒng)，這種控制方式基于集中供熱系統(tǒng)二次熱網(wǎng)管道通過換熱器后的出水溫度反饋調節(jié)一次網(wǎng)電動調節(jié)閥，使二次網(wǎng)出水溫度達到一個恒定值，用戶可以通過調節(jié)室內溫控閥的開度來自主調節(jié)室內溫度。而整個系統(tǒng)通過二次網(wǎng)的供回水溫度、流量、熱量、壓差、室外溫度及室內溫度等參數(shù)實現(xiàn)變流量節(jié)能運行[18-19]。在這種控制方式下，用戶室溫是由用戶入口處的電動調節(jié)閥控制得；而用戶側使用時的循環(huán)水的流量是由集中供熱系統(tǒng)中二次熱網(wǎng)管道中的循環(huán)泵來控制的。這種控制方式憑借其良好的節(jié)能效果及多樣化穩(wěn)定性強的用戶體驗在集中供熱系統(tǒng)中得到十分廣泛的運用[20]。
國外發(fā)達國家在供熱系統(tǒng)的理論基礎與實際運行中有自己完整的體系和基礎，可以是集中供熱系統(tǒng)更為高效環(huán)保的運行，這是值得我們學習的地方。但是由于基本國情的不同，建筑特點、氣候特點的差異，使得我們必須研究一套適合我國自身情況的集中供熱運行的方法及策略。
2.2國內研究現(xiàn)狀
與國外先進完善的供熱系統(tǒng)相比較，我國集中供熱系統(tǒng)本身起步較晚，最早起源于建國初期，但真正的發(fā)展是在1980年代之后。國內集中供熱系統(tǒng)的熱源不像國外那樣多樣化，其主要形式為火力發(fā)電廠熱點聯(lián)產(chǎn)及區(qū)域性鍋爐熱源廠。我國熱源的利用方式大多采用“大流量小溫差”的辦法，這種運行方式因為熱量傳輸管道易泄露和偷熱現(xiàn)象嚴重而造成能用利用率低下。在控制和監(jiān)測方面，目前我國的集中供熱系統(tǒng)大多還停留在手動操作為主的方式，難以保證用戶體驗與供熱品質。由于缺乏從全局角度的管理與調度，我國的集中供熱無法對整個系統(tǒng)做到清晰準確的認知，更無法做到合理的分配熱能。更重要的一點，我國目前現(xiàn)行的集中供熱系統(tǒng)缺乏有效的節(jié)能激勵手段，雖然目前我國很難在范圍內實現(xiàn)控制到戶、計量到戶，但是可以由采用智能控制策略和引進先進的自動調節(jié)裝置來實現(xiàn)分戶、分時段供熱，達到按需供熱的目的。[21-22]隨著能源的消耗，以及全球氣候條件的影響，我國開始大力注重節(jié)能工作。建設部在十一五規(guī)劃中提出：對于運行超過十五年的供熱管網(wǎng)以及存在嚴重事故隱患或跑、冒、漏現(xiàn)象嚴重的熱力管網(wǎng)，必須對熱力站進行節(jié)能技術提標改造和對二次管網(wǎng)進行系統(tǒng)節(jié)能改造。
近幾年將變頻調節(jié)技術、自動控制技術引入供熱系統(tǒng)，使供熱系統(tǒng)在節(jié)能效果十分出色的同時，保障了供熱質量品質的穩(wěn)定。在江億院士《用變頻泵和變速風機代替調節(jié)用風閥水閥》一文中，首次提出將變頻調節(jié)技術引用到暖通空調系統(tǒng)中，江億院士詳細的列舉了變速風機或水泵和調節(jié)閥兩種系統(tǒng)的運行參數(shù)，并且計算了兩種系統(tǒng)的初投資，在研究中得出以下結論：以變頻泵和變速風機代替調節(jié)閥的技術方案是十分可行的，二者的初投資變化不大；但變頻調速系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著，且運行穩(wěn)定性相比常規(guī)系統(tǒng)非常之高。徐明才等學者通過分析諸多供熱系統(tǒng)的運行方式，發(fā)現(xiàn)運用變頻調速控制變流量調節(jié)的供熱方式簡單可行，并具有明顯的能效優(yōu)勢，在理論上闡述和證明了變頻調速技術的優(yōu)點，其具有安全可靠、易于實現(xiàn)、節(jié)能高效等特點，建議在集中供熱系統(tǒng)中加以大力推廣[23-25]。
隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展與應用，我國集中供熱系統(tǒng)的研究也轉向智能化，網(wǎng)絡化。劉國強[26]就提出一種新思路，將太陽能熱源與熱氣鍋爐聯(lián)合運行，為整個暖通系統(tǒng)同時提供生活熱水與采暖用水，系統(tǒng)的節(jié)能方案主要集中在鍋爐群控系統(tǒng)和供熱管網(wǎng)的監(jiān)控。鍋爐與太陽能主要提供合理化的熱源供給，熱管網(wǎng)的控制以有效分配熱能為主，這也是我國集中供熱的典型控制模式，即一次網(wǎng)熱源與二次網(wǎng)運行相互獨立。隨著網(wǎng)絡云技術的發(fā)展，集中供熱為了實現(xiàn)更精確地按需供熱，不但需要監(jiān)測一次網(wǎng)供回水溫度、供回水壓力、流量、熱量這些典型數(shù)據(jù)，更要通過互聯(lián)網(wǎng)技術獲取可靠的天氣信息，例如室外氣溫、日照、風速等，而且必須對熱力工況進行動態(tài)分析，加上合理的數(shù)據(jù)分析與預測，對整套供熱系統(tǒng)進行智能化的動態(tài)調節(jié)[27]。
目前我國集中供熱在監(jiān)控系統(tǒng)方面主要存在的問題是多方面的，因為目前換熱站的管理模式主要以物業(yè)代管為主，值守人員技術水平參差不齊，多數(shù)情況下靠自己的工作習慣與經(jīng)驗去判斷調節(jié)二次網(wǎng)系統(tǒng)。雖然有些換熱站在建設時已經(jīng)達到很高的自控水平，但是往往由于各種原因未能起到真實可靠的作用。我國集中供熱系統(tǒng)存在的最突出的問題可歸納為以下幾點：
（1）水力不平衡。因建筑物的特性及管網(wǎng)運行的不同情況，“近熱遠涼”“頂層缺熱”的現(xiàn)象尤為突出，在同樣繳費的情況下，用戶體驗差異過大。
（2）供熱參數(shù)不能實現(xiàn)按需供熱，未能科學有效的在最佳工況下運行，供熱量和需熱量不平衡。
（3）換熱系統(tǒng)發(fā)生故障時，值守人員無法進行專業(yè)診斷及修復，影響系統(tǒng)可靠性，修復響應時間過長，影響用戶體驗。
（4）缺少全面科學有效的運行指導，很少進行預測供熱與宏觀分析。
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