馮關(guān)儒

（太原市熱力集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

1 太原市集中供熱二網(wǎng)運(yùn)行分析

1．1 太原市集中供熱二網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀

太原市熱力集團(tuán)有限責(zé)任公司總供熱面積達(dá)1．7 億m2以上，占全市城區(qū)供熱面積的72%，覆蓋全市333 余萬(wàn)人，主要依靠13 個(gè)熱源實(shí)施供熱。

太原熱網(wǎng)從2016 年建成37．8 km 的太古長(zhǎng)輸管網(wǎng)開始，逐步形成多熱源、大落差、長(zhǎng)距離的大型環(huán)狀管網(wǎng)，調(diào)節(jié)難度增加，熱網(wǎng)平衡成為公司生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵難題，經(jīng)過4 a 的運(yùn)行，一次管網(wǎng)以分公司為區(qū)域，設(shè)立關(guān)口閥門，1 400 余座換熱站，均通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)平衡，熱力失調(diào)度顯著下降，熱網(wǎng)輸送能力及平衡能力也取得了突破性進(jìn)展。

2018 年開始，太原熱力公司對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行挖潛，逐步探索解決二次管網(wǎng)水力失衡問題的技術(shù)路線，即建立從換熱站到庭院管網(wǎng)，再到樓棟單元入口，最后到入戶閥門的熱網(wǎng)平衡系統(tǒng)。

截至目前，通過在單元回水管及入戶回水管加裝帶回水溫度測(cè)點(diǎn)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，利用數(shù)據(jù)采集箱實(shí)現(xiàn)閥門的供電及信號(hào)傳輸。逐漸在部分小區(qū)實(shí)現(xiàn)了控制到單元或者到戶的二網(wǎng)控制模式，有效提高了二次管網(wǎng)的水力平衡度，降低了供熱單耗，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。

本文就集中供熱二次管網(wǎng)的單元閥及戶閥系統(tǒng)建設(shè)方案，以及二網(wǎng)戶閥通訊及實(shí)現(xiàn)方式展開詳細(xì)論述。

同時(shí)，在二次網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)，基于java 語(yǔ)言，B/S 架構(gòu)，開發(fā)了二次網(wǎng)的平衡控制平臺(tái)，并充分考慮二次網(wǎng)調(diào)節(jié)的可靠性、安全性。

通過該二網(wǎng)節(jié)能系統(tǒng)控制平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)降低水力失調(diào)，降低能耗，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能、綠色、安全的模式，對(duì)未來(lái)在更多小區(qū)推廣，提供了理論及經(jīng)驗(yàn)。

1．2 二次網(wǎng)水力失調(diào)及原因

1．2．1二網(wǎng)水力失調(diào)

當(dāng)前許多供熱系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中流量比設(shè)計(jì)流量大1 倍～2 倍，設(shè)計(jì)溫差25 ℃［1］，實(shí)際供回水溫差為8 ℃～15 ℃，約為設(shè)計(jì)溫差的50%。經(jīng)常出現(xiàn)供熱系統(tǒng)熱源近端用戶熱，遠(yuǎn)端用戶冷的現(xiàn)象。

二次網(wǎng)平米流量：設(shè)計(jì)外溫下平方米流量2 kg，實(shí)際運(yùn)行平方米流量5 kg 。

1．2．2失調(diào)原因

1） 設(shè)計(jì)時(shí)期。工程設(shè)計(jì)是根據(jù)水力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算而選取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，而實(shí)際管材的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)是有差別的。

2） 建設(shè)時(shí)期。由于施工條件的限制，使管路的實(shí)際情況與設(shè)計(jì)情況有很大的不同，建設(shè)期未進(jìn)行調(diào)試或調(diào)試效果差。

3） 運(yùn)營(yíng)時(shí)期。供熱管網(wǎng)新接入熱用戶或停運(yùn)部分熱用戶，全網(wǎng)阻力特性改變，導(dǎo)致水力失調(diào)［2］； 隨意調(diào)整網(wǎng)路分支閥門或用戶入口閥門，導(dǎo)致水力失調(diào)；熱用戶室內(nèi)水力工況改變，比如隨意增減散熱器或開關(guān)閥門等，同樣會(huì)導(dǎo)致水力失調(diào)。

1．3 二網(wǎng)節(jié)能系統(tǒng)建設(shè)實(shí)踐

本文為太原市熱力公司市晉東國(guó)有資產(chǎn)管理處熱力站至用戶樓棟內(nèi)分戶裝置及用戶室內(nèi)采暖系統(tǒng)的節(jié)能改造，共計(jì)32 棟住宅樓，采暖面積11． 4 萬(wàn)m2，涉及用戶1 525 戶。

主要工程內(nèi)容為：

1） 每戶安裝遠(yuǎn)程戶用控制閥，在用戶不能繳納采暖費(fèi)時(shí)可以遠(yuǎn)程關(guān)閉閥門，停止供暖。

2） 每棟樓前安裝物聯(lián)網(wǎng)平衡閥，用于解決各樓棟之間水力失調(diào)、管網(wǎng)不平衡的問題。

3） 每棟樓前安裝數(shù)據(jù)采集箱，用于采集各閥門的狀態(tài)、樓棟回水溫度，同時(shí)可以遠(yuǎn)程控制各閥門。

4） 搭建通訊網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)采集箱的數(shù)據(jù)通過有線或無(wú)線的方式傳輸?shù)綗崃φ?，通過熱力站已有光纖傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

5） 新上監(jiān)控中心軟、硬件設(shè)備，具備數(shù)據(jù)采集、全網(wǎng)平衡控制、報(bào)警等功能。

6） 同時(shí)預(yù)留與其他系統(tǒng)的接口。

2 二次網(wǎng)節(jié)能系統(tǒng)建設(shè)方案

通過戶用二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)方案，既可以解決水平失調(diào)，還可以解決垂直失調(diào)；對(duì)應(yīng)每個(gè)用戶的用熱流量由每個(gè)用戶閥門的開度大小決定，直接做到最末端的精細(xì)化流量分配，無(wú)需安裝單元調(diào)節(jié)閥或者管網(wǎng)分支調(diào)節(jié)閥。二網(wǎng)硬件系統(tǒng)及通訊示意圖如圖1 所示。

圖1 二網(wǎng)硬件系統(tǒng)及通訊示意圖

2．1 單元閥調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)方案

單元閥系統(tǒng)方案在每個(gè)單元熱力入口位置安裝單元閥，通過單元閥回水溫度調(diào)節(jié)，解決庭院管網(wǎng)的水平方向失調(diào)。單元閥的投資回報(bào)期一般： 3 a ～5 a，造價(jià)：3 元/m2～4 元/m2。

2．2 戶用二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)方案

戶用二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)方案是在每戶入口位置安裝戶用調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)每個(gè)用戶的回水溫度，解決戶與戶之間的水力失調(diào)，戶用二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥必須集成回水溫度采集功能，采集每一個(gè)用戶入口的回水溫度，然后根據(jù)回水溫度控制每戶的流量，從而達(dá)到熱量的按需分配。

戶用閥門的投資回報(bào)期一般： 2 a ～3 a，造價(jià)：4 元/m2～6 元/m2。

3 二次網(wǎng)調(diào)閥通訊現(xiàn)方式

3．1 系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)控中心層：二次網(wǎng)平衡控制平臺(tái)、全網(wǎng)平衡軟件；網(wǎng)絡(luò)通訊層： 無(wú)線； 就地設(shè)備層： DTU，PT100，電動(dòng)球閥（連續(xù)型，安裝在樓棟立管） ，DTU 箱（含通訊設(shè)備） 。

圖2 為本方案選用的電動(dòng)平衡調(diào)節(jié)閥外觀圖，標(biāo)配回水溫度采集功能，預(yù)留供水溫度采集接口，可接PT100溫度傳感器； 同時(shí)預(yù)留供回水壓力采集接口，可外接4 mA ～20 mA 二線制壓力變送器，通過手機(jī)客戶端可讀取供回水溫度及供回水壓力情況。

圖2 二網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3．2 LORA 和NBIOT 方式對(duì)比NBIOT 和LORA 都是無(wú)線通信方案。

3．2．1LORA

優(yōu)勢(shì)：1） 通信費(fèi)用非常低；2） 通信穩(wěn)定可靠，適合大面積安裝，房間內(nèi)部信號(hào)無(wú)死角；3） 功耗極低，電池供電設(shè)備可以做到實(shí)時(shí)調(diào)控閥門。

劣勢(shì)： 需要基站設(shè)備（市電節(jié)電或者太陽(yáng)能電池方案） 。

3．2．2NBIOT

優(yōu)勢(shì)：不需要基站設(shè)備。

劣勢(shì)：1） 通信資費(fèi)高，每個(gè)閥門里面都有一個(gè)手機(jī)卡；2） 現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)不好把控，管道井內(nèi)部容易存在盲區(qū)；3） 功耗大，每次通信的間隔時(shí)間：12 h/24 h。

將電動(dòng)平衡調(diào)節(jié)閥安裝在單元入口或分戶立管中便于接收手機(jī)信號(hào)及連接電源的最佳位置，閥門執(zhí)行器可通過RS485 或外置GPRS 進(jìn)行有線/無(wú)線通訊。外置DTU 控制器安裝在小區(qū)內(nèi)合適的取電和通訊連接位置處，可方便地與電動(dòng)平衡調(diào)節(jié)閥進(jìn)行有線/無(wú)線通訊。

為了方便DTU 控制器與電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的通訊，每棟樓（包含多個(gè)單元樓） 安裝一臺(tái)DTU 控制器。電調(diào)閥將采集到的二次網(wǎng)回水溫度和閥位等參數(shù)傳輸給外置DTU控制器，而外置DTU 控制器將接收到的二次網(wǎng)調(diào)控參數(shù)傳輸給熱控中心上位全網(wǎng)平衡控制軟件（及4 節(jié)內(nèi)容介紹的二次網(wǎng)平衡控制平臺(tái)） 進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算，得到各電動(dòng)平衡調(diào)節(jié)閥的調(diào)控指令，通過外置DTU 控制器下發(fā)給各電調(diào)閥，指導(dǎo)電調(diào)閥進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，直到各樓棟二次網(wǎng)回水溫度趨于一致。同時(shí)采用電調(diào)閥可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)，則可以視實(shí)際情況靈活采用多種控制策略實(shí)現(xiàn)二網(wǎng)動(dòng)態(tài)平衡。

4 二次網(wǎng)平衡控制平臺(tái)搭建

4．1 上下位實(shí)現(xiàn)過程

安裝在每戶的遠(yuǎn)程戶用控制閥和安裝在每棟樓前（具備到戶的安裝戶閥） 的二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥通過RS485 總線的形式將數(shù)據(jù)，如閥門狀態(tài)、回水溫度等參數(shù)傳輸給數(shù)據(jù)采集箱，采集箱通過無(wú)線或有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗崃φ荆缓笸ㄟ^已有光纖將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心［3］。

在監(jiān)控中心部署服務(wù)器和服務(wù)器軟件，用于對(duì)二次網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，部署操作員站用于對(duì)二次網(wǎng)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。同時(shí)部署全網(wǎng)平衡軟件，根據(jù)各二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥采集到的溫度，統(tǒng)一設(shè)定溫度目標(biāo)，根據(jù)回水溫度控制二網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)閥的開度。

4．2 功能頁(yè)面

首頁(yè)顯示實(shí)時(shí)氣象溫度、用戶信息以及平衡控制、控制效果、數(shù)據(jù)查詢、GIS、系統(tǒng)管理等主要功能，如圖3 所示。

圖3 二網(wǎng)平臺(tái)功能頁(yè)面

4．3 閥門管道布局

建立供熱系統(tǒng)二網(wǎng)拓?fù)鋱D，方便運(yùn)行人員對(duì)庭院管網(wǎng)的路由及閥門位置進(jìn)行直觀監(jiān)測(cè)，用戶室溫?cái)?shù)據(jù)也在平臺(tái)進(jìn)行了接口預(yù)留，未來(lái)承接室溫?cái)?shù)據(jù)，直接在拓?fù)鋱D顯示，直觀反映用戶用熱情況，如圖4 所示。

圖4 換熱站所屬二網(wǎng)閥門管道布局圖

4．4 控制效果

通過上位軟件調(diào)節(jié)，下位閥門在進(jìn)行2 d 左右時(shí)間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，較以往調(diào)節(jié)時(shí)間10 d，為運(yùn)行人員二網(wǎng)平衡節(jié)省了時(shí)間、人力和物力，圖5 為其中某小區(qū)的控制效果示例圖。

圖5 換熱站控制效果示例圖

4．5 用戶信息安全考慮

為了方便用戶使用，統(tǒng)一采用阿里云服務(wù)器，系統(tǒng)部署在云端；同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)安全，所有導(dǎo)入的用戶基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括姓名、電話、身份證號(hào)碼等敏感信息建議隱藏處理，在系統(tǒng)里面不是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，不需要做真實(shí)數(shù)據(jù)，如此操作保證了用戶信息安全。

5 結(jié)論

1） 對(duì)太原二網(wǎng)庭院管網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能改造，提升供熱效果。供暖服務(wù)質(zhì)量得到改善，解決水力失調(diào)導(dǎo)致的室溫過低現(xiàn)象。降低投訴率： 通過調(diào)控可大幅度降低不同住戶的室溫差異，實(shí)現(xiàn)均衡供熱，保證90%以上測(cè)溫住戶的室溫差異不超過2 ℃。這樣不但可以消除因室溫不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的投訴情況，還可以大量降低因室溫差異大導(dǎo)致的住戶投訴。減少人工投入： 在沒有戶端數(shù)據(jù)的情況下供熱企業(yè)以人工巡查為主，故障原因不易查明，耗時(shí)耗力。通過本項(xiàng)目改造我們把“用戶找熱力”改成“熱力找用戶”，在住戶供熱系統(tǒng)出問題的時(shí)候

即可主動(dòng)預(yù)警，服務(wù)人員上門。這樣不但減少了投訴率，也便于精準(zhǔn)故障定位和原因查明，極大降低了人工投入。2） 搭建基于java 的Web 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)二網(wǎng)節(jié)能控制。通過控制平臺(tái)，對(duì)庭院管網(wǎng)進(jìn)行高效遠(yuǎn)程操作和調(diào)控；同時(shí)，控制平臺(tái)進(jìn)行了漏掃等工作，防止SQL 注入等網(wǎng)絡(luò)安全問題的發(fā)生，經(jīng)2020 年采暖季運(yùn)行效果可以看出，平臺(tái)穩(wěn)定，控制有效，節(jié)能明顯，對(duì)下一步推廣更多二網(wǎng)庭院管網(wǎng)有很好的借鑒意義。