李 志， 徐海鵬， 王啟業(yè)， 夏 明

（杭州華電能源工程有限公司， 浙江 杭州 310030）

0 引言

我國秦嶺淮河一線以北地區(qū)普遍實(shí)行冬季集中供暖政策，隨著城鎮(zhèn)化的逐步推進(jìn)，分散式供暖規(guī)模逐漸減小，取而代之的是大型集中式供暖。 加之社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，熱源的環(huán)保改造也越發(fā)顯得重要起來。 這些因素推動(dòng)大型供熱管網(wǎng)的建設(shè)成為主流，隨著管網(wǎng)規(guī)模逐漸增大，熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)工作也越發(fā)變的困難，要保證居民供熱質(zhì)量、要智能化調(diào)節(jié)供熱參數(shù)、要信息化處理運(yùn)行數(shù)據(jù)、要時(shí)刻保持熱力處于平衡可控狀態(tài)，傳統(tǒng)的集中供熱管理模式與運(yùn)行控制策略已經(jīng)很難適應(yīng)這種要求，急需進(jìn)行技術(shù)改造，提升熱網(wǎng)系統(tǒng)的智能化水平。

行業(yè)內(nèi)的研究人員對(duì)智能化熱網(wǎng)開展了一系列研究，從多個(gè)角度提出了自己的思路。國海龍?zhí)岢鲆环N整合集控系統(tǒng)、模擬仿真軟件、調(diào)節(jié)軟件與一體的集成創(chuàng)新方案， 在一套系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市熱網(wǎng)的智能化管理與運(yùn)行控制，提高了工作效率[1]。 王建軍等[2]通過研究提出了以供暖特性系數(shù)R 作為熱網(wǎng)調(diào)節(jié)依據(jù)， 充分考慮了建筑物和光照、風(fēng)速的影響，比傳統(tǒng)的固定溫度補(bǔ)償方法更精確。馬曉曉等[3]則對(duì)二級(jí)熱力站進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從熱力站的合理規(guī)模、熱力站的生產(chǎn)安裝方式、設(shè)備與管道及附件的優(yōu)化選型三個(gè)方面進(jìn)行了論證，提出了自己的見解。

由于智能供熱的推廣與普及， 使得傳統(tǒng)的熱網(wǎng)調(diào)控方式不能很好的適應(yīng)新形勢下的供熱需求， 因此對(duì)集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造是很有必要的。 目前比較突出的一個(gè)問題是傳統(tǒng)的調(diào)控策略是在熱網(wǎng)首站和二級(jí)熱力站統(tǒng)一調(diào)整供回水溫度，而用戶只能被動(dòng)的接受；而集中供熱管網(wǎng)智能化、智慧化改造后，用戶可根據(jù)自身需求自主調(diào)整供暖效果， 比如城市郊區(qū)居民與城市中心居民對(duì)供熱的需求不一致， 屋內(nèi)常年有人居住的供暖用戶與夜晚才有供暖需求的打工族用戶對(duì)供熱的需求不一致， 房間朝向、生活習(xí)慣、體感溫度等各類因素也會(huì)造成供暖用戶的需求不一致， 種種原因造成智能化集中供熱管網(wǎng)熱負(fù)荷需求波動(dòng)頻繁、管網(wǎng)各處熱負(fù)荷需求呈現(xiàn)較大差異。 本文將通過對(duì)集中供熱所涉及的各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)、優(yōu)化熱網(wǎng)調(diào)度、實(shí)時(shí)平衡管網(wǎng)熱力工況、迅速有效精確地滿足用戶的用熱需求，為集中供熱智能化、智慧化發(fā)展提供一種可行的技術(shù)改造路線。

1 熱源側(cè)改造技術(shù)分析

集中供熱的熱源主要有熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組， 分散式鍋爐等。 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱能力提升改造成熟的技術(shù)路線有高背壓改造、吸收式熱泵改造、新型凝抽背改造等[4]，燃煤燃?xì)忮仩t用于集中供熱的方式已逐步邊緣化， 一般僅作為高峰期熱源補(bǔ)充使用，且多采用燃?xì)忮仩t。

1.1 高背壓改造

汽輪機(jī)側(cè)低壓缸采用雙轉(zhuǎn)子互換奇數(shù)， 即采暖供熱期使用動(dòng)靜葉片級(jí)數(shù)相對(duì)減少的低壓轉(zhuǎn)子， 非采暖期換回純凝工況下配備低壓轉(zhuǎn)子， 采暖期凝汽器和非采暖期凝汽器背壓不同。 主要優(yōu)點(diǎn)：余熱能全部利用，經(jīng)濟(jì)效益較好，國內(nèi)應(yīng)用相對(duì)較成熟。 缺點(diǎn)是投資較大，機(jī)組靈活性較差，以熱定電運(yùn)行方式導(dǎo)致機(jī)組調(diào)峰能力差，此外每年需要停機(jī)兩次更換轉(zhuǎn)子，檢修維護(hù)工作量較大。

1.2 吸收式熱泵改造

吸收式熱泵運(yùn)用低壓蒸汽可以把低溫?zé)嵩吹臒崃刻岣叩街袦?，熱泵主要?yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方式簡單靈活，不需以熱定電運(yùn)行，對(duì)機(jī)組出力影響小，增加了一個(gè)熱源點(diǎn)，對(duì)供熱安全性有提升。 缺點(diǎn)是需新建廠房，占地面積較大，投資較大。

1.3 新型凝抽背供熱改造術(shù)

新型凝抽背技術(shù)將中低壓缸連通管上的液壓蝶閥更換為全密封、零泄漏的，同時(shí)加裝了一個(gè)冷卻蒸汽旁路控制系統(tǒng)，整體軸系始終同頻運(yùn)轉(zhuǎn)，還可保證低壓缸長期安全運(yùn)行。 主要優(yōu)點(diǎn)是投資少，機(jī)組靈活性較好、調(diào)峰能力強(qiáng)；缺點(diǎn)是背壓工況排汽壓力高，對(duì)機(jī)組出力影響大。

1.4 供熱鍋爐改造

用于供熱的燃煤鍋爐一般型式有鏈條爐、爐排爐、煤粉爐、流化床爐等，燃燒熱效率在60%～90%之間，環(huán)保問題比較突出，已逐步淘汰并限制使用。燃?xì)忮仩t采用天然氣作為燃料，自動(dòng)化程度高，燃燒產(chǎn)物污染性少，不需要處理煤灰，熱效率普遍高于90%，啟動(dòng)快、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，目前是供熱鍋爐的主要型式。燃油鍋爐采用燃油作為能源，優(yōu)點(diǎn)與燃?xì)忮仩t類似，但受制于我國的能源結(jié)構(gòu)，燃油鍋爐運(yùn)用于供熱的場景不多。 電熱鍋爐沒有爐膛、煙道，無需處理燃燒產(chǎn)物，噪聲小、自動(dòng)化程度高，制熱效率可高達(dá)98%以上，但受制于能源使用政策，一般使用在棄風(fēng)棄光較多的地區(qū)。

集中供熱的熱源主要采用熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組， 采用何種技術(shù)路線對(duì)熱源進(jìn)行改造， 要視熱負(fù)荷和電負(fù)荷的情況而定，目前城市供熱管網(wǎng)多采用環(huán)狀管網(wǎng)型式，可以實(shí)現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)，可視熱源點(diǎn)所處位置選擇技術(shù)改造方式。目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主流型式是高背壓機(jī)組+新型凝抽背機(jī)組，由高背壓機(jī)組提供基本熱負(fù)荷，高峰熱負(fù)荷由新型凝抽背機(jī)組提供，調(diào)節(jié)方式靈活，可較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臒峋W(wǎng)和電網(wǎng)的調(diào)度需求。部分地區(qū)因供熱管網(wǎng)范圍較大，機(jī)組供熱能力不足，可增設(shè)分散式供熱鍋爐作為補(bǔ)充，一般設(shè)置燃?xì)忮仩t，可很好的解決深寒時(shí)期熱負(fù)荷不足的問題，相對(duì)于新建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組， 此種方式投資少、 建設(shè)周期快、運(yùn)營成本可控。

2 智能供熱云平臺(tái)改造技術(shù)分析

智能供熱云平臺(tái)到底如何建設(shè)， 相關(guān)的文獻(xiàn)研究并不充分， 華志剛等人對(duì)智慧電廠的建設(shè)提出了數(shù)據(jù)、安全、生產(chǎn)、經(jīng)營、綜合五個(gè)方面的內(nèi)容[5]，對(duì)智能熱網(wǎng)智慧化發(fā)展提供了有益的參考。 傳統(tǒng)的智能供熱平臺(tái)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)共享；管網(wǎng)建設(shè)的各類工程資料和運(yùn)營期產(chǎn)生的文檔信息不能實(shí)現(xiàn)有效管理與實(shí)時(shí)更新；各類軟件工程老舊，已不能滿足熱力企業(yè)的精細(xì)化管理要求；平臺(tái)只能監(jiān)控?zé)崃φ镜倪\(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)，尚未對(duì)熱力站實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，無法做到無人值守、遠(yuǎn)程巡檢的工程；系統(tǒng)數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)有效備份，數(shù)據(jù)安全性與平臺(tái)安全性都不高。

綜合以上種種因素， 本文提出智能供熱云平臺(tái)應(yīng)包括監(jiān)控與調(diào)度子系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理子系統(tǒng)、收費(fèi)及客戶服務(wù)子系統(tǒng)、GIS 地理信息子系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)控與調(diào)度子系統(tǒng)

此子系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)各熱力站的溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)傳輸， 還能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱站的現(xiàn)場情況，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控圖像的矩陣切換、輪巡、多畫面處理、人員入侵報(bào)警、畫面檢索回放、現(xiàn)場設(shè)備控制和視頻網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能。可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各類閥門和水泵，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)換熱站自控和無人值守。

2.2 全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)

根據(jù)管網(wǎng)的實(shí)際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立熱網(wǎng)模型，通過模型計(jì)算的軟測量結(jié)果與熱網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的比較，指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)度，優(yōu)化控制策略。主主要功能有全網(wǎng)仿真模型、離線模擬計(jì)算、在線模擬計(jì)算等功能。 可以很好的解決熱網(wǎng)普遍存在的水平水力失調(diào)的問題，大大的提高了供熱質(zhì)量。

2.3 熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)

建立供熱能耗不同指標(biāo)的計(jì)算模型， 利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行水、電、熱等能耗指標(biāo)的計(jì)算分析，多維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比并進(jìn)行可視化輸出，可實(shí)現(xiàn)定比、同比、環(huán)比等綜合對(duì)比。 此外能耗分析時(shí)能夠綜合考慮建筑特性、 室內(nèi)溫度、氣象環(huán)境、設(shè)備及管網(wǎng)特性等影響因素，評(píng)價(jià)分析更為全面客觀。 能夠?qū)Ψ治龀龅母黝惍惓Ｖ笜?biāo)信息進(jìn)行報(bào)警提醒， 便于運(yùn)行管理人員及時(shí)掌握情況并進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。 使用移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，支持PC、手機(jī)等常用終端設(shè)備接受權(quán)限范圍內(nèi)的各類運(yùn)行數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。

2.4 設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理子系統(tǒng)

提供熱源、熱網(wǎng)、各級(jí)熱力站所屬設(shè)備、管道及附件的基本信息統(tǒng)計(jì)，記錄檢修及保養(yǎng)記錄并可分析，對(duì)設(shè)備維修保養(yǎng)的工作計(jì)劃提出指導(dǎo)性預(yù)見性的意見， 通過建立專家診斷庫， 運(yùn)用數(shù)據(jù)分析模型對(duì)可能發(fā)生故障的設(shè)備提前進(jìn)行預(yù)警。

2.5 收費(fèi)及客戶服務(wù)子系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)經(jīng)營數(shù)據(jù)信息數(shù)字化和集中化管理，包括入網(wǎng)管理、用戶檔案、收費(fèi)管理、發(fā)票管理等一系列功能。 實(shí)現(xiàn)報(bào)修、投訴、咨詢等工單閉環(huán)管理，通過對(duì)工單的統(tǒng)計(jì)分析，可針對(duì)性的改進(jìn)客服弊端，不斷優(yōu)化服務(wù)，提高客戶滿意度。

2.6 GIS 地理信息子系統(tǒng)

直觀顯示供熱系統(tǒng)中設(shè)備設(shè)施狀態(tài)、管網(wǎng)走向、各類熱用戶地理分布等信息，可存儲(chǔ)、管理、檢索、維護(hù)和更新熱網(wǎng)管理中各類對(duì)象的圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)可以與監(jiān)控調(diào)度子系統(tǒng)、全網(wǎng)平衡控制子系統(tǒng)、熱網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析子系統(tǒng)建立實(shí)時(shí)連接， 直觀化顯示熱網(wǎng)關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)進(jìn)行分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，輔助使用者高效管理熱力設(shè)施及組織生產(chǎn)。

智能供熱云平臺(tái)的建立將極大提升實(shí)現(xiàn)熱力企業(yè)管理的精細(xì)化、科學(xué)化、高效化水平?？梢詫?shí)現(xiàn)高效巡檢和工單閉環(huán)，對(duì)突發(fā)情況能夠做到迅速反應(yīng)、有效應(yīng)對(duì)；可以模型管網(wǎng)運(yùn)行工況，為運(yùn)行調(diào)度提供決策依據(jù)；可以為運(yùn)營人員降低能耗指標(biāo)指明方向；可以實(shí)現(xiàn)各類供熱設(shè)施的信息化管理，做到有賬可查、有跡可循；經(jīng)營數(shù)據(jù)信息化管理，客戶服務(wù)工單閉環(huán)管理，都將提升客戶服務(wù)滿意度；將熱力參數(shù)可視化展示，提高運(yùn)維人員界面交互友好度。

3 熱網(wǎng)側(cè)改造技術(shù)分析

本文認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡和熱力平衡， 那么就要求系統(tǒng)響應(yīng)迅速，熱網(wǎng)首站需要與熱源實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量溫度等參數(shù)； 一級(jí)管網(wǎng)則應(yīng)盡可能的增大供回水溫差，給調(diào)節(jié)留下較大的空間；二級(jí)熱力站既要進(jìn)行信息化改造，做到實(shí)時(shí)調(diào)控，還需要嚴(yán)格選擇測點(diǎn)位置，保證上傳數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為運(yùn)行策略的制定提供準(zhǔn)確依據(jù)；二級(jí)管網(wǎng)連接的入戶閥門數(shù)量眾多， 用戶調(diào)節(jié)之后會(huì)帶來水力工況的改變，需采取可靠的水力平衡措施，做好各支路的水力平衡工作?？梢姙楸ＷC供熱質(zhì)量，智能熱網(wǎng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都需采取針對(duì)性的改造升級(jí)措施， 現(xiàn)將有關(guān)技術(shù)方案簡單介紹如下。

3.1 大溫差熱泵技術(shù)

大溫差熱泵所使用的是傳統(tǒng)的單效溴化鋰吸收式熱泵， 通過與熱交換器結(jié)合來分梯次降低高溫?zé)峋W(wǎng)水的溫度。 一次側(cè)高溫?zé)峋W(wǎng)水在溴化鋰吸收式熱泵發(fā)生器里作為驅(qū)動(dòng)熱源工作后，送入熱交換器降溫，再送入吸收式熱泵蒸發(fā)器降溫，經(jīng)此循環(huán)后高溫?zé)峋W(wǎng)水可降低至25℃。

一級(jí)管網(wǎng)如果供回水溫差較小， 不僅影響管網(wǎng)本身輸送熱量的能力，還會(huì)使得水泵的能耗增加，在遇到局部地區(qū)供熱需求旺盛時(shí)， 供回水溫差過小還會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)供熱能力不足，因此對(duì)于大型集中供熱管網(wǎng)，大溫差供熱很有必要。

3.2 水力平衡閥

水力平衡閥一種能夠自動(dòng)調(diào)整管網(wǎng)內(nèi)壓力波動(dòng)進(jìn)而消除流量偏差的閥門， 可以將二次管網(wǎng)復(fù)雜的調(diào)網(wǎng)工作簡化，有效的解決水力失調(diào)問題。 水力平衡閥有靜態(tài)式、自力式、電動(dòng)式，從自動(dòng)化調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，選用自力式壓差平衡閥較為合理， 自力式壓差平衡閥為雙瓣結(jié)構(gòu)， 能穩(wěn)定被控制系統(tǒng)壓差， 控制壓差可調(diào)比能到25∶1，不需外力驅(qū)動(dòng)。 如果居民室內(nèi)廣泛采用智能溫度調(diào)節(jié)裝置， 則在二次管網(wǎng)支路裝設(shè)自力式壓差平衡閥很有必要。

4 結(jié)論

本文對(duì)集中供熱進(jìn)行智能化升級(jí)改造所遇到的問題進(jìn)行了分析，針對(duì)熱源、供熱云平臺(tái)、熱網(wǎng)三個(gè)環(huán)節(jié)提出了相應(yīng)的改造技術(shù)路線。通過上述分析可知，應(yīng)盡可能采用多熱源聯(lián)網(wǎng)的型式，各熱源可根據(jù)所處管網(wǎng)位置、機(jī)組型式、當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)情況選擇合適的改造技術(shù)路線，多熱源組合的情況下，供熱穩(wěn)定性、供熱質(zhì)量均會(huì)明顯提高；供熱云平臺(tái)則要打通傳統(tǒng)的各數(shù)據(jù)服務(wù)器相互獨(dú)立的情況，能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控、無人巡檢，數(shù)據(jù)智能化、智慧化處理分析，各類工單動(dòng)態(tài)跟蹤、閉環(huán)處理，業(yè)務(wù)臺(tái)賬規(guī)范化管理，客戶服務(wù)質(zhì)量有效提升等多方面內(nèi)容；熱網(wǎng)則需提升管網(wǎng)調(diào)節(jié)能力， 增大一次管網(wǎng)供回水溫差是很有必要的，二級(jí)管網(wǎng)則需要做好各支路的水力平衡工作。