主持單位：陜西魯明熱力設(shè)備工程有限公司
     開始時(shí)間：2017年3月22日
     結(jié)束時(shí)間：2019年4月15日
     調(diào)研對(duì)象：西安市熱力總公司、瑞行集團(tuán)長安新區(qū)熱力公司、漢城熱力公司、涇河熱力公司、韓城熱力公司、商洛熱力公司、漢中熱力公司、安康熱力公司、乾縣熱力公司、高新區(qū)熱力公司、咸陽灃河熱力公司、灃西燃?xì)饧泄嵊邢薰尽⑷A陰遠(yuǎn)大熱力公司
     主要調(diào)研人員：張伯星、梁軍紅、趙鵬、梁文杰
 

1.換熱站集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究背景

      供熱工程是一項(xiàng)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(chǔ)建設(shè)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(yán)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(shè)工程之一，也是代表城市現(xiàn)代化建設(shè)程度的指標(biāo)之一^[1]。由于供熱行業(yè)與國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展及能源的多樣性有效利用關(guān)系密切，所以對(duì)供熱行業(yè)的要求已從最初的擴(kuò)大規(guī)模、加大建設(shè)力度的建設(shè)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(guān)法律法規(guī)，如：《中華人民共和國節(jié)約能源法》等相關(guān)法律、《關(guān)于發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)的若干意見》、《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)城鎮(zhèn)供熱體制改革意見》等相關(guān)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(zhì)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(yùn)行直接關(guān)系到用戶的使用體驗(yàn)，所以合理設(shè)計(jì)換熱站系統(tǒng)，提高其運(yùn)行的可靠性、安全性、合理性具有較大的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值^[4]。
目前我國換熱站管理和運(yùn)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(shù)方面，主流思路為僅監(jiān)測一次網(wǎng)熱源狀態(tài)，對(duì)二次網(wǎng)熱源的使用、運(yùn)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(jì)。數(shù)據(jù)反饋僅靠人工執(zhí)行，反饋內(nèi)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(yùn)維方面，傳統(tǒng)換熱站自動(dòng)化程度較低，需要過多的人為干預(yù)與監(jiān)視；普通物業(yè)工程人員對(duì)換熱站知識(shí)一知半解，很難具有發(fā)現(xiàn)問題的理論基礎(chǔ)，及解決問題的實(shí)操經(jīng)驗(yàn)。普通換熱站對(duì)人工成本的消耗過大，每個(gè)站幾乎都需要三班倒24小時(shí)值班。在服務(wù)方面，目前的物業(yè)服務(wù)流程為：用戶反應(yīng)問題——排查故障——求助廠家——解決問題，這種服務(wù)流程非常被動(dòng)，響應(yīng)周期過長，用戶體驗(yàn)很差。當(dāng)遇到復(fù)雜嚴(yán)重故障時(shí)幾乎無力解決，造成供暖中斷或供暖不達(dá)標(biāo)。在收取熱費(fèi)時(shí)非常吃力，對(duì)惡意欠費(fèi)用戶沒有有效的制約辦法，對(duì)虛報(bào)采暖面積的物業(yè)沒有核實(shí)手段，對(duì)正常繳費(fèi)的用戶沒有提升服務(wù)品質(zhì)，對(duì)用戶的整體使用情況不清楚，在同樣繳費(fèi)的情況下，有些用戶家中過熱，有些不達(dá)標(biāo)，冷熱不均。在遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)方面，目前對(duì)集中供熱系統(tǒng)二次熱網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控幾乎為空白。二次網(wǎng)運(yùn)行的各種數(shù)據(jù)參數(shù)完全沒有采集，對(duì)二次網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)完全沒有檢測，對(duì)二次網(wǎng)的設(shè)備起停運(yùn)行沒有遠(yuǎn)程控制手段。二次網(wǎng)的各種設(shè)備沒有運(yùn)行指導(dǎo)手段，不能按需供熱，分情況供熱，二次網(wǎng)各分站的實(shí)際特點(diǎn)沒有統(tǒng)一有效的數(shù)據(jù)，無法統(tǒng)計(jì)二次網(wǎng)水、電、暖的消耗情況，各子站的故障信息，報(bào)警信息也是各掃門前雪，無法追責(zé)二次熱網(wǎng)運(yùn)行不合理時(shí)對(duì)集中供熱系統(tǒng)一次熱網(wǎng)的影響。
研究和建立具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的集中供熱監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)換熱站之間的數(shù)據(jù)采集與狀態(tài)對(duì)接從而從全局出發(fā)，用科學(xué)高效的指導(dǎo)思路來的確定各個(gè)換熱站的運(yùn)行方式及管理模式，是當(dāng)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(luò)通信技術(shù)及傳感器技術(shù)是自動(dòng)化行業(yè)生機(jī)勃發(fā)的必備條件，也為實(shí)現(xiàn)換熱站的數(shù)據(jù)采集與傳輸、遠(yuǎn)程控制及無人值守提供了更為強(qiáng)大的必備條件與可能性^[6]。現(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(yàn)通過調(diào)節(jié)安裝在一次熱網(wǎng)供水管道上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度來控制二次網(wǎng)供水溫度，這種憑借經(jīng)驗(yàn)的調(diào)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(yùn)行效率與合理性當(dāng)務(wù)之急，集中供熱方式是多個(gè)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(gè)換熱站的運(yùn)行狀況會(huì)影響整個(gè)集中供熱系統(tǒng)內(nèi)臨近換熱站的運(yùn)行，雖然有些換熱站采用了遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)異常的自動(dòng)報(bào)警，無法實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，更遑論無人值守。
無人值守?fù)Q熱站以自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)^[8]，從全局角度出發(fā)，對(duì)集中供熱區(qū)域內(nèi)的所有子換熱站進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度，通過集中控制與分析的優(yōu)點(diǎn)，從總控角度分析各子站的運(yùn)行特點(diǎn)，解決各子站的供熱不平衡，解決子站內(nèi)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(dòng)化運(yùn)行水平和先進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)及智能控制技術(shù)為主導(dǎo)的無人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)，具有非常重要的意義。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

     集中供熱這項(xiàng)基礎(chǔ)建設(shè)在任何國家都顯得十分重要，早在一百多年前的19世紀(jì)初期，歐美地區(qū)的國家就已經(jīng)開始探索這項(xiàng)技術(shù)。第一個(gè)集中供熱系統(tǒng)始建于1877年的美國紐約，因?yàn)闅W美國家獨(dú)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Ｄ壳皣獗容^先進(jìn)的集中供熱系統(tǒng)的模式一般為動(dòng)態(tài)變流量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由變頻調(diào)速水泵、壓差控制系統(tǒng)、氣候補(bǔ)償系統(tǒng)、恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)等構(gòu)成，并且國外管理集中供熱系統(tǒng)已有一套相當(dāng)成熟的管理運(yùn)行模式，這些先進(jìn)的控制技術(shù)和成熟的管理模式值得我們的學(xué)習(xí)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(jì)50年代^[11]。但隨著綜合國力的提升及國民經(jīng)濟(jì)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(hù)環(huán)境及提高能源利用率做出了突出貢獻(xiàn)，但我國對(duì)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(gè)方面^[13-14]。

2.1 國外的研究現(xiàn)狀

     在經(jīng)歷過20世紀(jì)70年代的全球能源危機(jī)之后，全世界范圍內(nèi)的能源改革便大范圍開展起來，作為能源領(lǐng)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(guān)一系列的政策和法規(guī)，尤其對(duì)集中供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化裝置的運(yùn)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(wù)的同時(shí)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(xué)習(xí)，促使北歐諸國的集中供熱系統(tǒng)在對(duì)熱源的的利用率和分配及用戶側(cè)室內(nèi)溫度恒定的控制水平上一直處于世界領(lǐng)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(diǎn)監(jiān)測、換熱站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、二次網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控等自控系統(tǒng)，以提高其供熱效率及用戶體驗(yàn)^[16-17]。國際上技術(shù)領(lǐng)先的集中供熱系統(tǒng)多采用可控動(dòng)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(diào)節(jié)一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使二次網(wǎng)出水溫度達(dá)到一個(gè)恒定值，用戶可以通過調(diào)節(jié)室內(nèi)溫控閥的開度來自主調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。而整個(gè)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(nèi)溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)變流量節(jié)能運(yùn)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(dòng)調(diào)節(jié)閥控制得；而用戶側(cè)使用時(shí)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(qiáng)的用戶體驗(yàn)在集中供熱系統(tǒng)中得到十分廣泛的運(yùn)用^[20]。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

     與國外先進(jìn)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(nèi)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(diǎn)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(yùn)行方式因?yàn)闊崃總鬏敼艿酪仔孤逗屯禑岈F(xiàn)象嚴(yán)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(dòng)操作為主的方式，難以保證用戶體驗(yàn)與供熱品質(zhì)。由于缺乏從全局角度的管理與調(diào)度，我國的集中供熱無法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做到清晰準(zhǔn)確的認(rèn)知，更無法做到合理的分配熱能。更重要的一點(diǎn)，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(lì)手段，雖然目前我國很難在范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制到戶、計(jì)量到戶，但是可以由采用智能控制策略和引進(jìn)先進(jìn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)分戶、分時(shí)段供熱，達(dá)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(shè)部在十一五規(guī)劃中提出：對(duì)于運(yùn)行超過十五年的供熱管網(wǎng)以及存在嚴(yán)重事故隱患或跑、冒、漏現(xiàn)象嚴(yán)重的熱力管網(wǎng)，必須對(duì)熱力站進(jìn)行節(jié)能技術(shù)提標(biāo)改造和對(duì)二次管網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)節(jié)能改造。
近幾年將變頻調(diào)節(jié)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)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(shí)，保障了供熱質(zhì)量品質(zhì)的穩(wěn)定。在江億院士《用變頻泵和變速風(fēng)機(jī)代替調(diào)節(jié)用風(fēng)閥水閥》一文中，首次提出將變頻調(diào)節(jié)技術(shù)引用到暖通空調(diào)系統(tǒng)中，江億院士詳細(xì)的列舉了變速風(fēng)機(jī)或水泵和調(diào)節(jié)閥兩種系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，并且計(jì)算了兩種系統(tǒng)的初投資，在研究中得出以下結(jié)論：以變頻泵和變速風(fēng)機(jī)代替調(diào)節(jié)閥的技術(shù)方案是十分可行的，二者的初投資變化不大；但變頻調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能效果顯著，且運(yùn)行穩(wěn)定性相比常規(guī)系統(tǒng)非常之高。徐明才等學(xué)者通過分析諸多供熱系統(tǒng)的運(yùn)行方式，發(fā)現(xiàn)運(yùn)用變頻調(diào)速控制變流量調(diào)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(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其具有安全可靠、易于實(shí)現(xiàn)、節(jié)能高效等特點(diǎn)，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(yīng)用，我國集中供熱系統(tǒng)的研究也轉(zhuǎn)向智能化，網(wǎng)絡(luò)化。劉國強(qiáng)^[26]就提出一種新思路，將太陽能熱源與熱氣鍋爐聯(lián)合運(yùn)行，為整個(gè)暖通系統(tǒng)同時(shí)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(yùn)行相互獨(dú)立。隨著網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)的發(fā)展，集中供熱為了實(shí)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(shù)獲取可靠的天氣信息，例如室外氣溫、日照、風(fēng)速等，而且必須對(duì)熱力工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，加上合理的數(shù)據(jù)分析與預(yù)測，對(duì)整套供熱系統(tǒng)進(jìn)行智能化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)