熱力公司集中供熱智能監(jiān)控系統(tǒng)的搭建與數(shù)據(jù)分析
作者：陜西魯明熱力設備 發(fā)布日期：2019-05-27 10:32:06
1 華陰市某熱力公司集中供熱概況
經(jīng)查華陰市地處寒冷地區(qū)，根據(jù)我國《民用建筑熱工設計規(guī)范》（GB50176-93），及我國《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ26-2010），華陰市屬于寒冷B區(qū)，采暖室外計算溫度為-5
，由于華陰地區(qū)在供熱紅線以北，因此居民冬季需要靠集中供熱來維持日常生產生活?！度A陰市城市集中供熱管理條例》規(guī)定，每年的11月15日開始采暖季，持續(xù)到次年3月15日結束，可根據(jù)實際天氣情況進行提早或延長。
圖3.1 中國建筑熱工設計分布圖
本文所涉及的集中供熱系統(tǒng)為華陰市某熱力公司，地處華陰市區(qū)東部，承擔華陰市全市區(qū)范圍內的集中供熱工作。截止2018年11月5日，該熱力公司已完成主管網(wǎng)建設13.9公里，供熱面積達到140萬平方米，建成熱交換站86座，供熱輻射華陰市城區(qū)面積80%以上[41]。該集中供熱系統(tǒng)熱源為燃煤鍋爐加熱的首站高溫熱水，通過熱力公司敷設的一次熱力管網(wǎng)系統(tǒng)到達各個小區(qū)的換熱站，經(jīng)過各小區(qū)換熱站換熱后變成適合暖氣片、地幅熱等散熱器的低溫熱水，通過各小區(qū)承建二次熱網(wǎng)管道送至用戶進行散熱供暖。整個集中供熱系統(tǒng)分為兩部分，從熱源首站到各個小區(qū)換熱站之間的管網(wǎng)稱為一次熱力管網(wǎng)；從換熱站到用戶的管網(wǎng)稱為二次熱力管網(wǎng)。集中供熱系統(tǒng)的流程圖如3.2所示：
圖3.2 集中供熱系統(tǒng)流程圖
該市集中供熱系統(tǒng)基本情況如下：（1）該集中供熱系統(tǒng)的熱源是熱水。
（2）用戶的散熱器種類包括地幅熱及暖氣片兩種。
（3）供熱面積為140萬平方米，包括86座換熱站。
（4）一次熱網(wǎng)管道的供回水壓力比較穩(wěn)定，一般在0.8MPa,一次熱網(wǎng)管道的供水溫度受天氣及首站熱效率的影響一般在75~90℃之間波動；一次熱網(wǎng)管道的回水溫度受各換熱站換熱效率及用戶熱負荷的影響一般在35~45℃之間波動。
（5）二次熱網(wǎng)管道通過一次網(wǎng)電動調節(jié)閥的控制作用，根據(jù)末端散熱器種類的不同，地幅熱基本穩(wěn)定在45℃；暖氣片穩(wěn)定在55℃。
1.1 某小區(qū)換熱站本地控制系統(tǒng)
在該集中供熱系統(tǒng)的86座換熱站中，我們著重研究測試某一小區(qū)的換熱站系統(tǒng)。上文已經(jīng)指出，換熱站系統(tǒng)的運行工況及效率直接關系到對用戶供熱的品質好壞，該小區(qū)總采暖面積為8.4萬平方米，總熱負荷為5265KW，換熱站主要設備包括2臺2633KW的板式換熱器；3臺37KW循環(huán)水泵，循環(huán)泵的流量為Q=300m³，揚程為H=31m；2臺1.5KW補水泵，補水泵流量為Q=6m³，揚程為H=55m；1臺變頻控制柜，該控制柜主要為換熱站各用電設備供電，并設計有循環(huán)泵變頻2控3定壓差自控系統(tǒng)及定壓補水變頻系統(tǒng)，本控制柜具有本地/遠程切換功能，當旋鈕投切到本地功能時，循環(huán)泵變頻器、補水泵變頻器及一次網(wǎng)電動調節(jié)閥執(zhí)行本地PLC的控制邏輯，當旋鈕投切到遠程功能時就地PLC系統(tǒng)接收外部命令，并下發(fā)到相關變頻器及電動閥等執(zhí)行設備，圖3.4、圖3.5、圖3.6分別為該小區(qū)就地PLC變頻控制的相關原理圖。本換熱站就地輔機設備還包括一臺不銹鋼水箱，體積為2000*2000*2000(mm)；一臺全自動水處理器，處理量為6T/h。
圖3.3 該小區(qū)設備布置圖
換熱器根據(jù)介質的不同可以分為汽-水式換熱器，水-水式換熱器，根據(jù)換熱器傳熱的方式分為混合式換熱器及表面式換熱器，目前集中供熱系統(tǒng)的主流熱介質是高溫熱水，這也導致了水-水式換熱器的大量應用。常見的水-水式換熱器包括板式、管殼式、容積式、螺旋板式。不同的換熱器有著不盡相同的優(yōu)缺點，例如板式換熱器的優(yōu)點包括：傳熱系數(shù)較高、結構緊湊體積小、拆洗方便、材料利用率高；其缺點包括：因板片間距小而導致水質較差時容易結垢或沉積物造成堵塞，所以要配合軟水裝置配套使用，使用壽命容易受到密封墊片材質的影響。管殼式換熱器的優(yōu)點包括：結構簡單、生產成本低、換熱流通面積較大，不易結垢且易于清洗；其缺點包括：傳熱系數(shù)較低，體積大，安裝較為復雜。容積式換熱器的優(yōu)點包括：供水平穩(wěn)、安全，易于清洗；其缺點是應用范圍較窄，一般應用于生活熱水系統(tǒng)。本文中所研究的換熱站所選用的換熱器為板式換熱器，圖3.3為該小區(qū)的設備布置圖。
圖3.4 該小區(qū)就地變頻柜循環(huán)泵控制回路圖
圖3.5 該小區(qū)就地變頻柜補水泵控制回路圖
圖3.5 該小區(qū)就地變頻柜PLC主機系統(tǒng)圖
圖3.6 該小區(qū)就地變頻柜PLC擴展模塊圖
1.2 某小區(qū)集中供熱換熱站智能監(jiān)控系統(tǒng)
該小區(qū)換熱站的核心遠程監(jiān)控設備為一臺遠程監(jiān)控箱，該遠程監(jiān)控箱由一套西門子smart200 PLC及其相應I/O擴展模塊組成。該遠程監(jiān)控箱負責采集一次熱網(wǎng)管道的供回水溫度、供回水壓力，采集二次熱網(wǎng)管道的供回水溫度、供回水壓力，采集室外溫度傳感器的實時數(shù)值；采集循環(huán)泵、補水泵的工作狀態(tài)、報警信息、故障信息等。該小區(qū)集中供熱系統(tǒng)建于2010年并沿用至今，該小區(qū)換熱站的管理模式一直是人為操作二并非使用計算機自動控制系統(tǒng)，導致該小區(qū)二次熱網(wǎng)的水力失調現(xiàn)象嚴重，而且不能根據(jù)室外溫度的變化按需供暖，系統(tǒng)能耗數(shù)年維持在高位水平。2017年供暖季結束之后，我們開始對該小區(qū)的集中供熱系統(tǒng)進行自控升級，將計算機監(jiān)控系統(tǒng)引入該換熱站，時刻監(jiān)測熱網(wǎng)數(shù)據(jù)、結合室外溫度的變化及用戶的熱負荷變化進行有據(jù)調節(jié)，使供熱系統(tǒng)的運行與管理有法可依，減少人工操作的不合理性與能源的浪費，正真做到大負荷多供、小符合少供、無負荷不供。根據(jù)我們持續(xù)性的統(tǒng)計與計算，發(fā)現(xiàn)該小區(qū)單位面積用熱量平均值由2012年至2016年的0.388吉焦/㎡減低到0.321吉焦/㎡，以上數(shù)據(jù)說明該系統(tǒng)有很高的合理性，同時也說明了將計算機監(jiān)控系統(tǒng)引入到集中供熱系統(tǒng)的必要性和迫切性。圖3.7為該小區(qū)遠程監(jiān)控箱的控制界面。
該遠程監(jiān)控箱的特點是：（1）通過TCP/IP協(xié)議與遠方控制平臺通信，上傳就地溫度、壓力變送器所采集的實時溫度、壓力值；
（1）上傳通過MODBUS協(xié)議通信獲得的就地熱量表、流量表的實時流量（熱量）、累積流量（熱量）；
（2）上傳通過RS485接口采集到的變頻器頻率反饋；上傳循環(huán)泵、補水泵的接觸器障信號；
（3）上傳就地PLC系統(tǒng)的報警信號；
（4）采用就地/遠方模式，處于就地模式式，電動調節(jié)閥、繼電器、變頻器接受就地控制設備的控制邏輯；處于遠方模式下，下發(fā)上位監(jiān)控平臺對于本地設備的操作指令。
圖3.7 該小區(qū)遠程監(jiān)控箱的控制界面
1.3 該小區(qū)集中供熱系統(tǒng)熱力管網(wǎng)水力工況與熱力工況分析
對于集中供熱系統(tǒng)所供熱之品質的好壞，我們用整個供熱系統(tǒng)的流量及熱量的分布及其穩(wěn)定性來作為評判標準。熱量以及流量的分布情況反映到實際工況中，其實指的就是管道內的熱力工況及水力工況。更詳細一步的解釋就是：整個集中供熱系統(tǒng)中熱量的分布情況反應的便是熱力工況；集中供熱系統(tǒng)中水流量的分布及管道壓力的情況反應的便是水力工況。在集中供熱系統(tǒng)中，熱力工況和水力工況是密不可分的，兩者互相影響。特別需要注意的是，水力工況的變化勢必會引起熱力工況的變化，因為熱水流量的改變，勢必會引起熱量的變化。因此，水力穩(wěn)定是整個集中供熱系統(tǒng)運行穩(wěn)定的基石，他關乎著整個系統(tǒng)的質量，也決定了用戶的最終體驗。1.3.1該小區(qū)集中供熱系統(tǒng)運行現(xiàn)狀
（1）隨機用戶室內溫度分布：根據(jù)《民用建筑供暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB50736-2012),華陰市所在的嚴寒及寒冷地區(qū)主要房間應采用18℃-24℃的溫度進行采暖；夏熱冬冷地區(qū)主要房間應采用16℃~22℃；華陰供熱辦規(guī)定室內主要房間最低采暖溫度不得低于18℃±2℃。所以該小區(qū)對用戶供暖的設計溫度為20℃。我們在選取隨機用戶室內溫度的測量對象時，選取了位于二次熱網(wǎng)管道環(huán)路最末端的用戶群，并結合小區(qū)物業(yè)公司聽取的用戶反應，確定5幢1單元1908,1408為本次樣本采集點。圖3.8為2017年1月7日室外溫度、室內溫度的變化曲線。
圖3.8 2017年1月7日室外溫度、室內溫度的變化曲線。
從圖3.8中可以看出，1908室內的溫度基本穩(wěn)定在20℃左右，符合本小區(qū)的供暖設計要求，也符合相關規(guī)定；同樣的可以看出，1408室的溫度僅僅在15℃~17℃附近徘徊，且測試時間為當天中午，室外氣溫最高的時間。這兩個測試對象位于同一單元內同一戶型不同樓層內，但是室內溫度的差別可以達到5℃以上，這說明本集中供暖系統(tǒng)很可能存在比較嚴重的冷熱不均現(xiàn)象，作為用戶，在繳納相同暖氣費的情況下，卻不能得到相同品質的供熱服務，某些用戶意見較大。根據(jù)物業(yè)反應的投訴及摸排情況，也能證實以上現(xiàn)象絕非孤例，這里由于篇幅的關系和入戶調查的困難性，就不一一列舉了。（2）系統(tǒng)水力穩(wěn)定性分析
集中供熱系統(tǒng)的水力失調指的是在實際運行過程中，熱網(wǎng)管道的實際流量與設計流量有偏差，且偏差呈現(xiàn)不規(guī)律性，造成熱網(wǎng)管道內的流量及熱量分配不均，導致用戶末端的供熱情況出現(xiàn)偏差，且無法滿足用戶的正常采暖需求，一般會以近熱遠冷的情況出現(xiàn)。管網(wǎng)內的水力失調度我們一般用f表示，水力失調度f是管道內實際流量
與管道內的設計流量
的比值，即
（3-1）分析集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)工況的另外一個重要依據(jù)是水力穩(wěn)定性，水力穩(wěn)定性是指在同一集中供熱管網(wǎng)內不同管段使自身流量基本保持不變的狀態(tài)，水力穩(wěn)定性我們一般用d表示，水力穩(wěn)定性d是管道內設計流量
與管道內實際波動最大流量
的比值，即
（3-2）
出現(xiàn)在集中供熱管網(wǎng)二次網(wǎng)同一管段內的其他用戶全部關閉閥門時，提高水力穩(wěn)定性的解決辦法是：減少二次熱網(wǎng)管道內主管道的壓降，或增大用戶側散熱器末端連接管道的壓降，以上兩種辦法均可適當?shù)脑黾蛹泄嵯到y(tǒng)二次熱網(wǎng)管道內的水力穩(wěn)定性。(3) 實驗數(shù)據(jù)分析：
為了測試本小區(qū)內的水力失調度和水力穩(wěn)定性，我們根據(jù)管道特性及排布方法，結合物業(yè)摸排的反饋情況，調查取樣了1號樓1單元、3號樓1單元、9號樓2單元位于頂層的用戶，根據(jù)經(jīng)驗預測，頂層用戶因為管道環(huán)路的特性，一般水力失調情況最為嚴重。我們連續(xù)7天，每天13:00同一時間記錄用戶管道內的流量，根據(jù)此記錄來分析本小區(qū)二次熱網(wǎng)管道的水力平衡度。表3.1、表3.2、表3.3即為本次的記錄數(shù)據(jù)。
表3.1 1號樓1單元頂層用戶的水力平衡度
| 測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
| 2017.1.7 | 1.03 | 1.07 | 0.95 |
| 2017.1.8 | 1.04 | 0.95 | 0.96 |
| 2017.1.9 | 0.98 | 0.75 | 0.96 |
| 2017.1.10 | 0.78 | 0.75 | 1.01 |
| 2017.1.11 | 0.90 | 0.92 | 0.90 |
| 2017.1.12 | 0.86 | 0.96 | 0.85 |
| 2017.1.13 | 1.12 | 0.89 | 0.84 |
表3.2 3號樓1單元頂層用戶的水力平衡度
| 測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
| 2017.1.7 | 1.06 | 0.76 | 0.95 |
| 2017.1.8 | 1.08 | 0.77 | 1.05 |
| 2017.1.9 | 0.85 | 0.99 | 2.08 |
| 2017.1.10 | 1.13 | 0.87 | 0.99 |
| 2017.1.11 | 1.08 | 0.78 | 0.99 |
| 2017.1.12 | 0.88 | 1.01 | 1.29 |
| 2017.1.13 | 1.42 | 0.92 | 1.44 |
表3.3 9號樓2單元頂層用戶的水力平衡度
| 測試時間/用戶 | 1104 | 1105 | 1106 |
| 2017.1.7 | 1.06 | 1.09 | 0.99 |
| 2017.1.8 | 0.78 | 0.98 | 1.02 |
| 2017.1.9 | 1.02 | 0.99 | 1.01 |
| 2017.1.10 | 0.68 | 1.01 | 0.92 |
| 2017.1.11 | 0.82 | 1.02 | 0.94 |
| 2017.1.12 | 0.89 | 0.89 | 0.89 |
| 2017.1.13 | 1.01 | 0.88 | 0.80 |
根據(jù)《采暖居住建筑節(jié)能檢驗標準》（JGJ132-2001）之規(guī)定：集中供熱系統(tǒng)二次熱網(wǎng)管道各個熱力入口處的水力平衡度應為0.9至1.2之間，根據(jù)上述數(shù)據(jù)的分析可知，該小區(qū)的熱網(wǎng)管道的水力失調度比例達到了30%以上，說明系統(tǒng)的水力平衡失調嚴重，在目前這種情況下運行，不僅整個系統(tǒng)的能效低，而且用戶的最終體驗較差，供熱品質較差。目前整個系統(tǒng)存在垂直失調和水平失調兩種情況，垂直失調根據(jù)樓層的高度失調度呈上升狀態(tài)；水平失調度呈現(xiàn)隨機狀態(tài)，有的用戶流量過多，有的用戶流量過少。在這種情況下，供熱最終呈現(xiàn)出冷熱不均，供熱不平衡的狀態(tài)，即有的用戶室內溫度不達標，有的用戶室內可能還需要開窗散熱。
1.3.2 該小區(qū)集中供熱系統(tǒng)的運行分析
該小區(qū)集中供熱系統(tǒng)能耗較高具體有以下幾方面原因：（1）熱源不穩(wěn)定，根據(jù)計算機監(jiān)控系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)及換熱站值守人員抄錄的工作日志可以看出，一次熱網(wǎng)熱源的供水溫度在70℃~90℃之間來回波動；一次熱網(wǎng)的回水溫度在30℃~45℃之間波動，由于熱源的不穩(wěn)定，導致二次網(wǎng)供熱的不穩(wěn)定及換熱器效率的不穩(wěn)定。二次網(wǎng)需要的熱量為Q，通過板換被加熱的水的流量為
(kg/s)；水的質量比熱為c(J/kg*℃)；二次網(wǎng)供水溫度為
；二網(wǎng)回水溫度為
。
（3-3）
；通過板換的一次網(wǎng)熱水流量為
(kg/s)；水的質量比熱為c(J/kg*℃)；一次網(wǎng)供熱水溫度為
；二網(wǎng)回水溫度為
。
（3-4）
是：
（3-5）
（3-6）由式（3-6）可知：換熱器的換熱效率與一次熱網(wǎng)管道內的流量、供水溫度、回水溫度；二次熱網(wǎng)管道內的流量、供水溫度、回水溫度有不同的相關性。
（2）二次熱網(wǎng)管道內的水力失調嚴重，管網(wǎng)內的實際流量與設計流量不符。集中供熱系統(tǒng)如果存在嚴重水力失調的情況，會造成熱量分配的不均勻，終端用戶的用熱體驗也不舒適，并且會增大系統(tǒng)的能耗[42]。以一個供熱面積為500萬平方米的集中供熱系統(tǒng)為例，因水力失調造成的熱量損失可達64000KW，占整個集中供熱系統(tǒng)總供熱量的15%左右[43]。
集中供熱系統(tǒng)二次熱網(wǎng)管道內的流量和壓力有著密不可分的聯(lián)系，流量的大小會直接影響到管道內壓力的變化；管網(wǎng)內壓力的分布直接決定管道內水流的流動規(guī)律。當相同管段的管徑一致時，管道內的水流流速與流量是完全相關的，因此管道內的壓力分布就決定了管道內流量的分配。當管道內的流量根據(jù)壓力的分布從新分配之后，往往與最初的設計的設計流量會產生偏差，這種實際流量與熱網(wǎng)管道設計流量的偏差性被稱為水力失調，造成集中供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)管道水力失調具有多種因素，主要可以歸納為以下三種原因：第一，集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)設計與施工的偏差，所有管網(wǎng)的設計只能靠經(jīng)驗進行，但是往往在實際施工中會產生一定的偏差，造成實際管道狀況與設計不符；第二，集中供熱系統(tǒng)管網(wǎng)中的動力源（水泵、重力自流等）所提供的能量與設計不符，因為作為主要動力源的循環(huán)泵的流量、揚程在生產時所指定的數(shù)值是階梯形的，我們在選取循環(huán)泵的型號時，往往會在滿足設計指標的情況下，根據(jù)型號“取高不取低”，這就造成水泵性能曲線實際與設計的不符，最終導致管網(wǎng)中壓力與流量的偏差；第三，集中供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)管道的流動阻力特性的改變，管道阻力特性：
（3-7） （3）改造前該小區(qū)所有循環(huán)水泵都通過接觸器直接啟動，工頻運行，未能實現(xiàn)變頻調速變流量調節(jié)辦法。
采用變頻技術對水泵實行轉速控制,以適應用戶實際熱負荷對流量輸出的要求,實施節(jié)能是一種行之有效的方法。對集中供熱系統(tǒng)的水泵變頻改造工程表明對集中供熱系統(tǒng)水泵進行變頻節(jié)能改造,可以使系統(tǒng)節(jié)省大量的循環(huán)水泵電耗,并且對換熱機組的功率幾乎沒有影響,不會對換熱器、水泵產生不利影響,。對于集中供熱管道二次網(wǎng)系統(tǒng)水力失調較重、水泵配置過大以及用戶入住率較低的集中供熱系統(tǒng),采用變頻技術還有以下優(yōu)點：降低運行成本；延長設備的使用壽命；降低水泵及電機噪聲。
在傳統(tǒng)的供熱系統(tǒng)設計中, 是根據(jù)最遠、最不利用戶的資用壓差選擇系統(tǒng)的循環(huán)水泵,通常僅在熱源處設置循環(huán)水泵, 以克服熱源、熱網(wǎng)和熱用戶系統(tǒng)的阻力。然而在供熱系統(tǒng)的近戶端,則會形成過多的資用壓頭,近端用戶要通過調節(jié)各種流量閥門來消耗多余的資用壓頭。這樣的節(jié)流調節(jié)則會導致系統(tǒng)循無效電耗和水力失調現(xiàn)象,為了解決這個問題,可采用了變頻泵供熱系統(tǒng)。 隨著變頻技術在供熱系統(tǒng)的應用,出現(xiàn)了分布式變頻泵供熱系統(tǒng)。由于分布式變頻泵供熱系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢被廣泛采用,特別是一些改造工程。分布式供熱則是在熱源處設置揚程較小的循環(huán)泵,然后在外網(wǎng)沿途設置多個加壓循環(huán)泵,采用“接力棒”的辦法,共同實現(xiàn)熱媒的輸送工作。熱源處設置的循環(huán)泵只承擔熱源內部的水循環(huán),換熱站內的循環(huán)泵則承擔熱媒輸送和保證熱用戶必要的資用壓頭的功能,并通過變頻裝置實現(xiàn)變流量調節(jié)。這種方式基本上消除了無效電耗。
但分布式變頻泵供熱系統(tǒng)不一定總是節(jié)能的,系統(tǒng)背壓和壓差控制點的位置是影響其節(jié)能效果的主要因素。過大的系統(tǒng)背壓以及不適宜的壓差控制點均不能使分布式變頻泵供熱系統(tǒng)發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢,甚至會變得不節(jié)能。