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【原创论文十】| 供热全网平衡理论探索与实践

日期: 2020-03-16
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牡丹江热电有限公司 王建军 刘甲锟 藏凯


北明天时能源科技(北京)有限公司  韩向广 赵铁宝

【摘要】用二级网供回水平均温度相同作为供热全网平衡的控制策略存在偏差,这种偏差如果通过固定补偿温度的补偿方法,在室外温度变化时有一定误差。本文通过用热平衡方程推导出了解决全网平衡温度补偿的新方法,在实践中得到了验证;同时,定义了建筑物的供暖特性系数。对供热调节及建筑的节能效果具有一定指导作用。
【关键词】全网平衡;补偿;热平衡方程;供暖特性系数

前言
目前我国城镇以热水为介质的供热系统中,大多数建设了“自动化”控制系统。不过,这些“自动化”系统中,仅有少部分实现了换热站(又称热力站)的自动控制,大多数仍然是通过人员根据天气、热量、流量情况进行远方操控,这样的系统仅仅是减少了人力去换热站调整的强度,未能达到更好的节能目的。由于热网、换热站供热系统是不断变化、互相耦合、大滞后的复杂的系统。数百个换热站之间的调控耗费人力不说,还必然存在调整精度、调整时效上的偏差,进而导致不平衡及热损失。供热循环的不平衡是供热节能和安全的天敌,因热网的不平衡,势必要增大流量、提高供给热量,从而增加输送电耗、造成热源近端过热远端过冷、浪费能源。另有一少部分实现了智能自动化控制,其中利用气候补偿器实现单个换热站自动控制的,这里不作讨论。这里主要研究近年比较流行的全网平衡控制方式。
全网平衡控制是一种以换热站为单位的均匀性控制方式,即热网内符合条件的换热站以某一控制参数目标为基准,通过调节泵或调节阀达到目标值,使各个换热站的供热状态趋于一致。

全网平衡的理论基础及存在的补偿问题
目前全网平衡控制系统主要是通过控制使换热站二级网供回水平均温度相同,这一理论原理可以从热平衡方程推出。系统在稳定工况下运行时,热平衡方程可以简化如下:

【原创论文十】| 供热全网平衡理论探索与实践

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可以看出参数R是无量纲值,是建筑物向外散热能力与散热器散热能力的比值,仅与建筑物的供暖体积热指标 qv、建筑外围体积V、散热器传热系数K、散热器散热面积F有关,当供暖建筑建设完成供暖后,则上述值均为固定值,因此该值也为定值,这里将其命名为供暖特性系数。
把R代入式4,则方程可转化为:
【原创论文十】| 供热全网平衡理论探索与实践
由方程6可以看出,稳定工况下,室内温度为散热器平均温度与室外温度的函数,相当于室内温度是二网均温与室外温度的加权平均。对于既有建筑,式中R均为固定值,那么在某室外温度下,室内温度为散热器平均温度的单值函数。
由前面推导可以看出,以室内温度相同为调节目标的情况下,散热器平均温度可以做为供暖的调节指标。如果供暖特性系数R值相差不大,则各热力站间二网均温相同,即代表了各换热站用户室内温度大致相同。这是目前多数全网平衡软件的理论依据。但是,由于各换热站的建筑年代不同,节能方式、措施不同,R值必然存在一定差别,因此相同室外温度,稳定工况下,相同的散热器平均温度下,室内温度并不一定相同。为了弥补这个差别,多数全网平衡控制软件在其中设置了一个二网均温补偿值,即在二网均温控制基础上对每个站进行一定的温度补偿,以解决不同换热站室内温度的偏差。
在某热电公司的全网平衡改造中应用了这种控制方式。该公司承担北方某市20万余户居民供热、6家工业蒸汽用户及49家生活热水用户。拥有热电联产热源厂1个(锅炉容量1300t/h,装机容量138MW)、调峰锅炉1个(锅炉容量1020t/h)、热力站447座,蒸汽管网9.13公里、热水一次管网126.3公里、二次管网360.3公里。在网供热面积2300余万平方米,占市区集中供热面积的65%,并以每年约100万平方米的速度递增。已经实现了热电联产(CHP)、调峰锅炉(PB)及趸购热(向华电某百万机组发电厂趸购)等多源互补的热源结构,打造了供热、发电、工业蒸汽及生活热水为一体的产业链。
该公司本身是网源一体化公司,同时又从华电某电厂趸购热量,热源情况比较复杂,尤其在调峰锅炉参与调峰时,热网状态随着每一台锅炉的运行工况变化而变化,热网运行模式是无规律的质调节与量调节交互方式。这种供热方式,如果采用气候补偿装置自动控制换热站的模式,由于当地昼夜温差较大,对应昼夜热负荷差别巨大,对于热电联产机组的负荷调整是非常难以实现的。因此,该公司一直采取的是由热源根据全天预测平均值,输出热量,让换热站根据此热量进行匹配。如何匹配热源的热量输出是平衡、节能的关键。
该公司换热站的监控,从有人巡检(1997年前),到无线遥测无人值守(1997-2007),到自动监控无人值守(2007-2015),经过了多次升级。但是到2015年,自动监控系统还是需要人员在远方对换热站进行监控和操作(目前国内大多数供热系统现状)。
为了改善这种状况,2016年该公司提出建设智能热网的目标,决定在原有Xlink自动控制系统基础上,由开发单位北京天时前程公司引进西门子高端SCADA系统(PVSS),建设全网自动智能平衡系统,以实现一级网全网平衡控制模式,达到全网换热站与热源输出热量之间实现自动平衡和自动调整,基本免于人为的干预。
在2016-2017年供暖季投入13个换热站,小范围试验全网平衡(PVSS)的控制模式。为了保证各换热站用户合理的室内温度,综合各换热站建筑年代,建筑物平均的围护结构,工程质量,上一采暖期实耗热指标等因素,对每个站的供热状况进行了评定,并作为根据设定了二网平均温度的初设补偿值。初设补偿值分了5个档次,在实际运行中,不断跟踪用户室内温度情况,对补偿值进行修正。经过观察,发现初设的补偿值普遍存在较大偏差,见表1。
表1 二网平均温度补偿表


序号
换热站名称
实供面积
/㎡
综合评价
热指标/(GJ•m-2)
初设
补偿值
/℃
修正后
补偿值
/℃
备注
4
江南华府低区
222771
0.35
-2
-4.5

江南华府中区
-2
-5.5

江南华府高区
-2
-6

16
万达公寓(低区)
52848
0.300
0
-7.5

万达公寓(中区)
-1
-8.0

万达公寓(高区)
-1
-4.5

61
东盛园低区
93060
0.38
-1
1

东盛园中区
-2
0

东盛园高区
-2
0

76
宏大花园西(低区)
86710
0.365
-1
-5.5

宏大花园西(高区)
-2
-6.5

107
数据大楼低区
31089
0.45
-1
0.5
公企
数据大楼高区
-2
0
公企
182
宏大花园东
46710
0.377
0
-7

346
输变电低区
91748
0.54
1
1

输变电中区
2
0

输变电高区
2
0

384
帅千
40946
0.509
+1
-4.5


注:此表仅取了有代表性的换热站进行示意。
经过一个采暖期的测试,这13个换热站的一次网的平衡效果比较理想。但是在室外温度变化时,仍需要频繁修正补偿值,否则用户室内温度变化较大。这对于将要改造建设的400多个站,600多套系统的大规模应用来说是巨大的负担。经过研究发现,温度补偿值随着室外温度的变化而变化,需要进一步完善策略算法。

全网平衡平均温度补偿的算法策略
本项目全网平衡热网智能控制的目标是:不论天气如何变化,均要保证用户室内温度的恒定。为了进一步精确全网平衡的控制,提高控制的稳定性,对稳定工况下热平衡理论进行了研究探索。我们把公式(3)转换成下式:
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从式(7)可以看出,由于室外温度是变量,在室外温度变化时,保证室内温度不变,因供暖特性参数R的不同,二网均温的变化也是不同的。因此,仅仅用二级网平均温度加上固定的补偿值来做全网平衡控制参数是不精确的。也就是说,在室外温度变化时,这一补偿值是变化的。如果把补偿值变化的规律输入到控制系统,那么全网平衡的准确性就会有一个大的提高。为此,我们设计了一个算法,并引入当量室外温度的概念。
(1)在实际运行当中,R值不论是计算还是实测都难以精确得到,事实上工程应用领域也没有必要去精确得到。由式(7)继续推导出,在稳定工况下:
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如果在当地供暖设计的平均室外温度下,系统稳定工况下达到设计标准的室内温度(一般为18℃),根据经验估算该换热站的平均温度值作为补偿值为零的基准参考,同时计算出R值作为参考,该值标记为R',称为平均供暖特性系数,把这样的站称为为标准站,它们在全网平衡系统中的补偿值为0℃。在全网平衡系统中,我们假设全部换热站的集合是这个标准站。
(2)其它换热站根据综合因素(建筑年代、节能等级、使用性质)人为设定补偿值。然后系统按补偿后的平均温度值用方程式(8)计算出该换热站的R值,标记为R″。
(3)此后的运行中,系统根据实际的全网二级网平均温度t'pj,室内标准温度及平均的供暖特性系数R',计算出一个对应的室外温度,称为此时的当量室外温度t'w,作为当前换热站补偿值计算的参考室外温度。
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(4)其他换热站用这个当量室外温度、室内标准温度、该站的R″值,可以计算出该站的理论二级网平均温度tpj,作为全网平衡系统对该站的调整目标值。该值与当前全网二级网均温t'pj的差值作为计算补偿值。
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式中:
t″pj—计算补偿值。
例如,某地度室外平均计算温度是-9℃,室内标准温度20℃,稳定工况下,全部换热站的供回水平均温度平均为39℃,此时的R’值为0.655。此时,这里有一个换热站在同样的室外温度、室内标准温度时,二网供回水平均温为40℃,则该站的补偿值为+2℃,计算其R”值为0.724。
假设某日室外气温降至-15℃,此时全网平衡系统中全部二级网平均温度平均为43.5℃,则目前工况下的当量外温为:
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代入式(10)后,计算该换热站的目标平均温度为:
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即实际的补偿值为:45.9-43.5=2.4(℃)。

实际应用效果
该项目在2017-2018采暖期由于工程原因,210个站仅投入2个月,但是获得了运行人员的广泛好评。因此决定在2018-2019采暖期前把全部换热站投入全网平衡,并把这种补偿方式应用在了全网平衡系统中。
2018年11月,全部系统升级改造实施完成,新的采暖达到了真正意义的一级网全网平衡控制。实现649套采暖机组全部投入全网平衡控制模式,投入可靠率达到95%以上。
该采暖期全网平衡系统投入后,热网平衡效果显著,一级网供热温差在供热初末期都基本保持在50℃以上,严寒期最大温差在65℃。在供热末期,2300万平方米供热面积一级网循环流量仅不到6000吨,单位循环流量仅0.26L/(m2•h)左右,而热网及换热站平衡效果很理想,对换热站补偿值的调整频率大大降低。表2为某典型站的运行记录。
表2 某站二网均温记录表


时间
气温/℃
阀门给定
/%
阀门反馈
/%
二网供温/℃
二网回温/℃
二网均温/℃
补偿值
/℃
计算补偿值/℃
目标均温/℃
室内温度/℃
2018-12-05
-11.3
15.6
16.6
36.8
30.8
33.8
-4.5
-5.1
34.2

2018-12-10
-15.4
15.6
16.6
40.2
33.4
36.8
-4.5
-6.0
36.7
23.5
2018-12-14
-13.7
15.6
16.6
38.8
32.5
35.7
-4.5
-5.7
35.7

2018-12-20
-9.8
15.6
16.6
35.8
30.5
33.2
-5.0
-5.8
33.8

2018-12-25
-13.3
15.6
16.6
38.2
32.0
35.1
-5.5
-7.1
34.9
23.3
2018-12-29
-17.2
15.6
16.8
40.7
32.8
36.7
-6.0
-9.2
36.8
23.1
2019-01-04
-13.6
14.2
15.0
38.0
31.1
34.5
-6.0
-8.3
35.3

2019-01-10
-8.6
15.0
16.2
36.8
30.8
33.8
-6.0
-7.6
33.9

2019-01-15
-11.1
15.0
16.4
35.9
30.3
33.1
-6.0
-7.5
33.8
22.6
2019-01-22
-12
16.0
17.1
38.6
32.4
35.5
-6.0
-8.4
35.3
22.7
2019-01-25
-12.2
15.0
16.3
37.8
31.8
34.8
-6.0
-8.1
34.9
23.0
2019-01-30
-10
15.0
16.2
36.1
30.5
33.3
-6.0
-7.2
33.1
23.0
2019-02-03
-8.4
15.0
16.4
36.2
30.6
33.4
-6.0
-7.2
33.2
22.8
2019-02-11
-14.5
15.0
16.2
38.8
32.0
35.4
-6.0
-8.3
35.2
22.8
2019-02-15
-11
15.0
16.3
37.7
31.4
34.6
-6.0
-7.9
34.4
23.2
2019-02-20
-2.3
19.0
20.3
33.4
28.4
30.9
-6.0
-5.6
30.3
23.0
2019-02-25
-2.7
15.0
15.8
32.1
27.7
29.9
-6.0
-5.1
29.4
22.6
2019-03-01
-0.3
8.0
8.7
30.1
26.6
28.4
-6.0
-4.9
29.0
22.5
2019-03-05
0
20.0
21.1
29.5
26.1
27.8
-6.0
-4.7
28.6

2019-03-11
0.8
30.0
30.8
30.3
26.5
28.4
-6.0
-5.0
29.1
22.7
2019-03-15
-1.8
80.0
81.2
32.3
27.7
30.0
-6.0
-5.7
30.4

2019-03-20
7.3
80.0
81.1
29.8
26.7
28.3
-6.0
-4.5
28.2

2019-03-25
2.5
25.0
26.6
32.4
28.2
30.3
-6.0
-5.3
29.7

2019-04-01
-3.3
17.0
17.9
33.0
28.1
30.5
-6.0
-5.6
30.3

2019-04-04
2.9
17.0
17.9
30.8
27.0
28.9
-6.5
-5.0
28.1
 22.8
2019-04-10
3.6
17.0
17.9
30.6
26.8
28.7
-6.5
-4.9
27.9
 22.4
2019-04-15
7.2
10.0
11.1
29.6
26.3
28.0
-6.5
-4.6
24.0
 22.4



由表中可以看出,供热前期(12月5日至12月29日)有一个补偿值摸索阶段;在较长的中间期(12月29日-4月4日),该站的补偿值保持不变;而在最后几日,由于该公司为保证生活热水用户的质量,热源输出负荷较高,被迫修改了补偿值。表中还可以看出,从2018年12月29日到2019年4月1日,在设定补偿值均为6℃的情况下,实际补偿值最低4.5℃,最高达到9.2℃,而用户室温变化很小。根据观察,多数换热站的补偿值均有类似的变化过程,说明制定的补偿值策略符合实际运行状况,满足运行调节工况。同时,热网整体运行节能效果非常明显。为了剔除天气气温因素造成的影响,保证供热指标在同一基准上进行比较,采用度日数热指标(度日值)进行比较。表3为该公司近年供热指标变化表。
表3 供热面积指标变化表


采暖季
气温
供热面积
总供热量
均供热量
增减比1
度日数
度日数热指标
增减比2

万m2
GJ
GJ/m2
%
℃d
kJ/(℃d)
%
11-12
-6.2
1287
7094468
0.551

4429
124.4

12-13
-7.7
1423
8413145
0.591
7.3
4705
125.6
1.0
13-14
-5.2
1607
8361834
0.520
-12.0
4251
122.3
-2.6
14-15
-4.3
1669
8145499
0.488
-6.2
4085
119.5
-2.3
15-16
-4.6
1725
8417910
0.488
0.0
4138
117.9
-1.3
16-17
-4.8
1833
8803730
0.480
-1.6
4174
115.0
-2.5
17-18
-6.0
1988
9696069
0.488
1.6
4388
111.1
-3.3
18-19
-5.5
2106
8882782
0.422
-13.5
4291
98.3
-11.6


从表中可以看出,按面积热指标2018-2019采暖期比上一采暖期降低13.5%,而度日数热指标降低11.6%。由于度日数热指标(度日值)弥补了每个采暖期气温不同所带来的影响,因而更能体现实际指标的变化情况。从上几个采暖期情况来看,由于每年节能建筑增加等因素,度日数热指标每年平均降低2%左右,除去该因素,推断出由于全网平衡投入而降低热指标应该在9.6%左右,对该企业来讲,其采暖期降低热量成本3000万元以上。

总结
供暖特性系数R对于供暖调节是一个重要参数
根据推导,供暖特性系数R的引用大大简化了稳定工况下热平衡方程。同时对于既有建筑该参数及其散热系统为定值,知道该值后,由于大多数供热系统室内温度要求稳定,则散热器平均温度与室外温度是一一对应关系,对指导供热运行具有非常现实的意义。
根据方程式(8)建筑的供暖特性系数R值相对于V、F、K、qv易于测试,便于在运行中取得,也更使得该系数更易于应用。比如,在新的供暖建筑验收时,由供热单位测试出供暖特性系数(室内18℃条件下),作为节能验收标准之一。
另外,目前供热计量方法,可以在表法、时间通断法、流温法、温度面积法的基础上考虑“散热器平均温度法”,作为一种分配法热量计量方法,相对来讲有较大的优势。
合适的控制策略对供热热网平衡控制至关重要
供热控制系统在合适的控制策略下,达到智能全网平衡,对供热热网的安全节能起到关键作用,可为供热企业产生巨大经济效益。采用二网平均温度的控制策略,对未进行供热计量的热力系统是非常好的控制策略。
为保持室内温度相同,不同建筑的二网平均温度并不完全相同
全网平衡供热系统二网均温应根据建筑特性不同选用不同的补偿值,且该补偿值不是固定值,应随天气温度而有规律的变化,这个变化应体现在控制采用的实际补偿值上,才能保证室内温度在外温变化时基本保持不变。

参考资料:
[1]田玉卓,闫全英,赵秉文等.供热工程.北京:机械工业出版社,2009
[2]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.区域供热,2014,6:31-34.
[3]江亿.集中供热网控制调节策略探讨.区域供热,1997,2:10-14.



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工欲善其事,必先利其器。”如何保证冬季供热的长效运行?那一定离不开对供热设施的检修和保养,做到“未病先防”。检维修工作在日常生产中常常会碰到,检维修看似简单,实则十分危险。有关数据表明,在检维修过程中,作业人员的不安全行为造成的事故约占事故总数的八成以上。下面这6项检维修作业中的安全措施一定要牢记!01 生产装置检修作业作业风险泄漏的腐蚀性液体、气体介质可能会对作业人员的肢体、衣物、工具产生不同程度的损坏,并对环境造成污染。安全措施1.检修作业前,必须联系相关人员把腐蚀性液体、气体介质排净、置换、冲洗,分析合格,办理《作业许可证》。2.作业人员应按要求穿戴劳保用品,熟知工作内容,特别是有关部门签署的意见。3.低洼处检修,场地内不得有积聚的腐蚀性液体,以防作业时滑倒伤人。4.站在作业面上,腐蚀液体应低于腿部,否则应联系相关人员搭设脚手架,以防残留液体淋伤身体、衣物、但不得以铁桶等临时支用。5...
2020 - 07 - 24
国家能源局发布关于下达2020年煤电行业淘汰落后产能目标任务的通知。列入本年度煤电行业淘汰落后产能目标任务的煤电机组,除明确作为煤电应急备用电源的机组外,须在2020年12月底前完成拆除工作,至少拆除锅炉、汽轮机、发电机、输煤栈桥、冷却塔、烟囱中的任两项。未按照淘汰关停标准拆除的机组,不得享受相关支持政策。对于未纳入国家年度淘汰落后产能目标任务,已停运多年、短期内不具备恢复生产条件的“僵尸”煤电机组,各地要结合实际情况,推动企业尽快完成淘汰关停工作。以下为通知原文国家能源局关于下达2020年煤电行业淘汰落后产能目标任务的通知国能发电力〔2020〕37号各省(自治区、直辖市)和新疆生产建设兵团能源局,有关省(直辖市)发展改革委、经信委(工信委、工信厅),北京市城管委:为贯彻落实党中央、国务院决策部署,持续深化供给侧结构性改革,推进煤电行业高质量发展,助力打赢蓝天保卫战,结合各省(区、市)主管...


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