CN107726442A - 一种热网平衡调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热网平衡调控方法，解决的是水力失调解决不彻底、室外温度变化干扰的技术问题，通过采用启动热网平衡调控***，现场设备上传一次网参数及二次网参数，一次网参数包括一次网水温、一次网水压，二次网参数包括二次网供水温度、二次网回水温度、二次网供热面积；全网平衡模块计算一次网控制参数及二次网控制参数；通过数据总线、通信网络下传给现场设备，分别完成对设置于一次网的现场设备与设置于二次网现场设备的控制的技术方案，较好的解决了该问题，可用于集中供热的热网平衡调控中。
Description
技术领域
本发明涉及供热***领域，具体涉及一种热网平衡调控方法。
背景技术
城市集中供热是一种较好的供热方式，具有舒适、节能、环保、安全等特点。城市建筑的采暖方式越来越多的采用集中供热的方式解决。由于城市规模的不断扩大，城市集中供热网覆盖的范围越来越大，换热站的数量越来越多，供热面积越来越大。集中供热网络在运行过程中经常出现水力失调现象，不能按照设计要求将流量分配给用户，导致不同位置用户的冷热不均。水力失调主要表现为：各管段流量输配不合理，致使各个用户的室温冷热不均，靠近热源近端的用户过热，用户被迫开窗散热，使大量热能流失；远离热源的末端，达不到设计室温。由于供热管网的水力失调，为了达到供热平衡，***通常在大流量、小温差的工况下运行，无法进行整体调控和节能运行。
现有的集中供热网络调节一次网的方法有换热站独立控制、换热站流量固定和最不利端压差控制，前方法可以部分解决热网的水力失调问题，但是存在以下技术问题：(1)当室外温度出现剧烈变化，会对供热平衡造成干扰；(2)水力失调问题解决不彻底；(3)需要的传感器具有较高测量精度，对热网硬件设施的要求较高。因此，提供一种能够抗室外温度干扰、实现简单、精度高、硬件要求低的热网平衡调控方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的水力失调解决不彻底、室外温度变化干扰的技术问题。提供一种新的热网平衡调控方法，该热网平衡调控方法具有能够抗室外温度干扰、实现简单、精度高、硬件要求低的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种热网平衡调控方法，所述热平衡调控方法基于用于集中供热***的热平衡调控***，集中供热***包括至少一个换热站以及分别设置在换热站两侧的一次网及二次网；
所述热网平衡调控***包括现场设备、第一上位机，与现场设备及第一上位机依次通过通信网络、数据总线连接的全网平衡模块，所述全网平衡模块设置在第二上位机内的服务器；所述现场设备包括设置于一次网的第一传感器、电动阀及分布式变频泵，以及设置于二次网的第二传感器、循环水泵及补水***，以及用于控制电动阀门、分布式变频泵及补水***的现场控制器；第一传感器与第二传感器均包括室外温度传感器；
所述热网平衡调控方法包括：
步骤1：启动热网平衡调控***，现场设备上传一次网参数及二次网参数，一次网参数包括一次网水温、一次网水压，二次网参数包括二次网供水温度、二次网回水温度、二次网供热面积；
步骤2：全网平衡模块计算一次网控制参数及二次网控制参数；
步骤3：通过数据总线、通信网络下传给现场设备，分别完成对设置于一次网的现场设备与设置于二次网现场设备的控制。
本发明的工作原理：本发明结合国内集中供热网的运行特点，采用热网的均匀性控制方法，可以很好地解决热网普遍存在的水平水力失调的问题，解决许多热网长期存在的冷热不均的问题，大大地提高了供热质量，并将室外温度干扰排除。热网的均匀性控制是指通过调节换热站的一次网电动阀门或分布式变频泵，以各个换热站供热效果相同为控制目标的调控方法。由于室内温度相同作为调控目标无法全面、准确地测量所有建筑物的室内温度，因此本发明通过与室内温度关联的其它参数作为控制目标。当热网在稳定状态下运行时，热源的供热量等于散热设备的放热量，同时也等于供暖用户的热负荷。由稳态条件下的热平衡方程可以得到，散热器向室内传热等于室内向室外传热。将换热站的二次网供回水平均温度调为一样，则可以认为建筑物的室内温度也是一样的。
本发明通过调节换热站的一次网调节阀或泵，将各换热站的二次网供回水平均温度调为一致，保证各换热站之间均匀供热，避免出现用户冷热不均的情况。由于各换热站的供热面积不会经常改变，当室外温度变化时，各换热站的热负荷之比基本不变。热源可以根据外温的变化采取调控措施，全面提高或降低各换热站的采暖效果，不会改变用户采暖的均匀性。
上述方案中，为优化，进一步地，所述补水***包括补水泵，与补水泵连接的补水箱，与补水箱连接的补水阀以及控制补水阀的补水控制器；
所述补水箱内设有液位传感器，补水控制器根据液位传感器输出参数控制补水阀。
进一步地，所述服务器为SCADA服务器，SCADA服务器包括主用SCADA服务器与备用SCADA服务器。
进一步地，所述完成对设置于一次网的现场设备的控制为根据目标温度自动计算方法及各热力站单独温度控制方法控制电动调节阀及分布式变频泵。
进一步地，所述目标温度自动计算方法为全网平衡模块计算换热站二次网的供回水平均温度值，根据换热站二次网的供回水平均温度值控制电动调节阀及分布式变频泵。
进一步地，所述各热力站单独温度控制方法包括根据室外温度实际测量值在设定值库中查询控制参数，设定值库包括室外温度与回水/供水温度的对应关系。
进一步地，所述完成对设置于二次网的现场设备的控制为控制二次网的供回水温差或循环水总流量。
进一步地，所述控制二次网的供回水温差包括根据二次网供水、回水温度计算二次网供回水温差值，计算二次网供回水温差值与预定值的差值为二次网控制参数。
进一步地，所述控制二次网的循环水总流量包括设定循环水流量，根据换热站对应的二次网供热面积计算对应换热站二次网循环水总流量控制值，根据二次网循环水总流量控制值控制循环水泵。
热网平衡调控***能实现运行状态监测功能、全网平衡调节功能、数据分析和预测功能及报警功能：全网平衡模块通过数据总线采集各个换热站的一次网供回水参数、二次网供回水参数、变频器参数、电动调节阀门等参数，提供实时数据的显示。
全网平衡调节功能：全网平衡模块根据采集到的实时参数和用户的配置参数，经过计算后得到阀门开度或泵频率，调节各个换热站的一次网的供水流量，将热量均衡分配到各个热力站的换热***，实现整个热网的均匀性调节。
数据分析和预测功能：全网平衡模块根据获得的参数信息，计算出热网的均方差和失调度等评价指标，对各个换热站的二次网供回水平均温度进行排序；全网平衡模块提供历史数据的查询、比较和分析，绘制趋势曲线；预测热网的热负荷，为热力公司日常运行提供参考数据。
报警功能：监控***具有报警功能，当热力站运行参数出现异常，如温度过高、压力过低等，***生成报警提示，提示操作员及时处理，保证供热生产安全高效运行。
本发明的有益效果：
效果一，在热源运行及外部环境相同的情况下，比现有的控制方法所覆盖的供热面积增加，达到了节能的目的，为业主带来很好的经济效益和社会效益。
效果二，由于各换热站的供热面积不会经常改变，当室外温度变化时，各换热站的热负荷之比基本不变，热源可以根据外温的变化采取调控措施，全面提高或降低各换热站的采暖效果，不会改变采暖的均匀性，提高抗外温的干扰；
效果三，通过设置备用SCADA服务器，***稳定性高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，热网平衡调控***示意图。
图2，热网平衡调控方法流程示意图。
图3，实施例1中热网平衡调控结构示意图。
图4，6种采暖类型的供回水平均温度与室外温度的关系示意图。
图5，室外温度控制曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种热网平衡调控***，如图1，所述热网平衡调控***用于集中供热***，集中供热***包括至少一个换热站以及分别设置在换热站两侧的一次网及二次网；所述热网平衡调控***包括现场设备、第一上位机，与现场设备及第一上位机依次通过通信网络、数据总线连接的全网平衡模块，所述全网平衡模块设置在第二上位机内的服务器；如图3所述现场设备包括设置于一次网的第一传感器、电动阀及分布式变频泵，以及设置于二次网的第二传感器、循环水泵及补水***，以及用于控制电动阀门、分布式变频泵及补水***的现场控制器；第一传感器与第二传感器均包括室外温度传感器。
详细地，所述补水***包括补水泵，与补水泵连接的补水箱，与补水箱连接的补水阀以及控制补水阀的补水控制器；所述补水箱内设有液位传感器，补水控制器根据液位传感器输出参数控制补水阀。当补水箱中水液面低于液面设定值，则补水控制器控制补水阀打开，向补水箱中注入水。
为了提高***的稳定性，优选地，所述服务器为SCADA服务器，SCADA服务器包括主用SCADA服务器与备用SCADA服务器。主用SCADA服务器与备用SCADA服务器配合使用，备用SCADA服务器在主服务器故障或资源不足时启用，其余时间处于静默状态。
本实施例中热网平衡调控***能实现运行状态监测功能、全网平衡调节功能、数据分析和预测功能及报警功能。如表1，为状态监测功能中热源检测的数据表：
| 序号 | 名称 | 符号 | 说明 |
| 1. | 供水温度 | tsg | |
| 2. | 回水温度 | tsh | |
| 3. | 供水压力 | psg | MPa |
| 4. | 回水压力 | psh | 吨/小时 |
| 5. | 供水瞬时流量 | fs9 | 吨/小时 |
| 6. | 回水瞬时流量 | fsh | 吨/小时 |
表1
如表2，为状态监测功能中换热站监测数据表：
| 序号 | 名称 | 符号 | 说明 |
| 1. | 一次网供水温度 | t1g | |
| 2. | 一次网回水温度 | t1h | |
| 3. | 二次网供水温度 | t2g | |
| 4. | 二次网回水温度 | t2h | |
| 5. | 一次网阀或泵给定值 | v1，set | 阀门开度或泵频率 |
| 6. | 一次网阀或泵反馈值 | v1，value | 阀门开度或泵频率 |
| 7. | 换热站二次网供回水平均温度目标值 | t2，set | |
| 8. | 换热站二次网供回水平均温度实际值 | t2，value | |
| 9. | 温度加权 | δti | |
| 10. | 是否参与全网平衡 | 是或否 |
表2
本实施例还提供一种热网平衡调控方法，所述热网平衡调控方法基于前述的热网平衡调控***，如图2，方法包括：
步骤1：启动热网平衡调控***，现场设备上传一次网参数及二次网参数，一次网参数包括一次网水温、一次网水压，二次网参数包括二次网供水温度、二次网回水温度、二次网供热面积；
步骤2：全网平衡模块计算一次网控制参数及二次网控制参数；
步骤3：通过数据总线、通信网络下传给现场设备，分别完成对设置于一次网的现场设备与设置于二次网现场设备的控制。
详细地，所述完成对设置于一次网的现场设备的控制为根据目标温度自动计算方法及各热力站单独温度控制方法控制电动调节阀及分布式变频泵。
目标温度自动计算方法：由热网全网平衡软件自动计算换热站二次网的供回水平均温度，实现对电动调节阀或分布式变频泵的控制，推荐采用此种控制方法。
本实施中假设已知室内计算温度、室外计算温度、设计供水温度、设计回水温度，供水温度、回水温度及平均温度与外温的关系如下：
式中，
Δt′s＝0.5×(t′g+t′h-tn)表示散热器的设计平均温度差,℃；
Δt′j＝t′g-t′h表示散热器的设计供回水温度差,℃；
相对供暖热负荷之比，定义为供暖热负荷与设计热负荷之比；
b散热器传热系数计算公式中的b值，有散热器形式有关；
由于室外温度对供暖热负荷起着最主要作用，因此可认为供暖热负荷与室、内外温差成正比，即近似表示成：
常住宅供热的室内计算温度取18℃，室外计算温度t′w，北京市的室外计算温度为-9℃。如图4为6种采暖类型的供回水平均温度与室外温度的关系计算时取tn＝18，b＝0.3。
采暖类型相同的情况：则各换热站的供回水平均温度相等表示建筑物的室内温度也相等。当监测到换热站的供回水平均温度不相等时，就需要通过调节一次网的阀或泵，将所有换热站的供回水平均温度调为一致。在调整一次网的阀或泵时，为了降低热网主干的水力震荡，要求所有换热站调整前后的热量变化之和为0。
因此，在采暖类型相同的条件下，热网的供回水平均温度等于所有换热站按面积加权的供回水平均温度。
采暖类型不同的情况：以暖气采暖为基准类型。在相同的室外温度下，当采暖类型的供回水平均温度与基准类型的温度差符合采暖类型温度表时，建筑物的室内温度也应该保持相同。假设换热站的传热系数为Ki，面积为Si，供回水平均温度为ti，i＝1,2..n.。当换热站的供回水平均温度快速从当前温度ti变化为目标温度时，热量的变化量为：
假设在相同的外温下，该采暖类型的供回水平均温度与基准类型的温度差为δi，为了使室内温度保持相等，则应该满足条件 为基准类型换热站的目标温度值。
同样，所有换热站的热量变化之和为0，即∑iΔQi＝0，则：
求解出基准类型换热站的目标温度。
温度计算过程：
根据供回水温度计算目标温度：根据换热站的二次供、回水温度计算全网的目标温度只统计实际供、回水温度在15到90度范围内的换热站。
根据外温计算目标温度：由于建筑物热惯性的作用，外温瞬间的升高或降低，不会立即造成室温的相应变化，建筑物的热负荷与外温之间存在延迟的过程。如果各换热站的控制不考虑衰减和延迟的作用，对外温进行滑动平均处理，而是根据瞬间外温的变化进行调节，将会加剧热网主干的水力震荡。根据室外温度和室外温度控制曲线计算全网的供回水平均温度。室外温度控制曲线通过一组采样点进行定义，采样点定义室外温度与相应的二次网供水温度、二次网回水温度，通过线性插值运算可得到连续的温度控制曲线，假设插值后的供、回水温度曲线分别为g(t)和h(t)，如图5所示。
换热站的目标温度以全网供回水平均温度为基础，根据用户采暖类型和换热站的温度加权进行修正。由于供热***是大滞后***，适合于采样调节，对电动调节阀进行间歇的调节，一般1、2个小时调节一次，具体的间隔时间根据热网的规模而设定。热网规模越大，调节间隔也应该越长，从而充分体现热量传播延时的影响。
换热站的供回水平均温度偏离目标温度的程度，可以体现各热力站彼此之间供热效果是否相同。对阀或泵进行调节时，阀的开度或泵的频率变化不宜过大，调节幅度δt应由当前的阀门开度L和温度偏差δt决定：
δL＝aLbδt
式中，a和b为[0,1]之间的系数，由阀或泵决定。
根据一次网的调控设备是电动调节阀还是分布式变频泵需要区别设置。计算的前提条为：热网目标温度在(10,80)之间，且换热站状态为true以及通信状态为true。
电动调节阀：假设换热站的目标温度tset，实际温度tcurrent。
计算最大调节幅度δL＝3+12×L/100，L为阀的反馈值；
计算误差δx＝(tcurrent-tset)×Kp，KP为阀的KP值；
如果δx≤-δL，则δx＝-δL；
如果δx≥δL，则δx＝δL；
计算阀门给定值X
X＝Xold-δx
式中，Xold为阀门上一时刻的给定值；
如果X越界，则取边界点值：
如果X＜Xmin，则X＝Xmin，Xmin为阀门的最小设定值；
如果X＞100，则X＝100；
分布式变频泵：假设换热站的目标温度tset，实际温度tcurrent。
计算误差δx＝(tcurrent-tset)×Kp，KP为泵的KP值；
如果：δx≤-3，则δx＝-3；
如果：δx≥3，则δx＝3；
计算泵的给定值X
X＝Xold-δx
式中，Xold为阀门上一时刻的给定值；
如果X越界，则取边界点值：
如果X＜Xmin，则X＝Xmin，Xmin为泵门的最小设定值；
如果X>50，则X＝50；
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，将目标温度自动计算方法替换为各热力站单独温度控制方法。
具体为：根据室外温度的实际测量值及业主提交的室外温度与回水/供水温度的设定值库实现对电动调节阀或分布式变频泵的控制。对于间接连接的供热***，被调参数为二次网的供回水平均温度，调节参数为一次网的电动调节阀的阀位或分布式变频泵的频率。当供热***在外界干扰下，被控参数的实际值与给定值不一致时，通过对调节参数的调节，消除被调参数的偏差。
详细地，所述完成对设置于二次网的现场设备的控制为控制二次网的供回水温差或循环水总流量。
控制二次网的供回水温差：这种控制方式中，根据二次网实际的供水、回水温度决定二次网的供回水温差设定值，以此设定值为目标值实现对循环水泵的控制。操作员可以在线修改每个换热站的此控制曲线。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上，将控制二次网的供回水温差替换为控制二次网的循环水总流量：根据热网或热力站的具体情况，设定每平方米每小时所需要的循环水流量，根据换热站所带的负荷，负荷为供热面积决定本站的二次网循环水总流量设定值，以此设定值为控制目标实现对二次网循环水泵的控制。
热源或换热站的热负荷时间序列具有非线性和混沌特性，但是序列的Hurst指数在0.5 和1.0之间，因此序列具有长期持续性，前一个时间序列向上/向下的趋势，通常预示下一个时间序列向上/向下的趋势，热负荷的短期预测建立在这个基础上。
热网全网平衡软件通过OPC方式从组态软件中获得相关数据，这些数据包括：室外温度，热源的供水流量、供水温度、回水温度等，软件通过BP神经网络算法预测热网的热负荷。
输入变量是指影响热负荷的各种因素。在选择输入变量时，需要权衡重要程度、获得的难易程度、计算复杂度等方面。通过分析影响热负荷变化的各种因素，候选的输入变量分为以下几类：在供热***方面，包括供水流量、供水温度、回水温度、热负荷等；在外部条件方面，包括室外温度、室外风速、天气情况、太阳照射率、大气压力等；在时间性方面，包括工作日、昼夜等。
工作日、供水流量、供水温度、回水温度等数据可以通过热网的组态软件获得，室外温度、室外风速、天气情况、太阳照射率、大气压力等天气情况可以从当地的气象站获得。
本实施例选择以下输入变量：最近连续7天的平均室外温度、最近连续7天的热负荷、光照、风力、建筑节能。
预先对输入变量进行预处理：神经网络输出层的传递函数的值域是有限制的，需要将网络训练的目标数据映射到激活函数的值域。例如，若采用S形传递函数，由于S形函数的值域限制在(0,1)，训练数据的输出就要归一化到[0,1]区间。
连续性参数：
热负荷、室外温度等是连续变化的值，采用如下线性归一化函数，将数据归一化到[0,1] 区间。
其中，min为x的最小值，max为x的最大值，输入向量为x，输出向量为y。
光照参数：阴天取0，半阴取0.5，晴天取1.0。
风力参数：小风取0，中风取0.5，大风取1.0。
建筑节能参数：非节能取0，混合取0.5，节能取1.0。
在BP神经网络能够做出预测之前，需要利用样本数据训练神经网络。BP网络的训练过程由输入信号的正向传播与误差的反向传播组成。正向传播时，输入信号从输入层传入，经过隐含层逐层处理后，传递给输出层。若输出层的实际输出与期望输出不相等，则转到误差的反向传播阶段。误差反向传播是将输出误差通过隐含层逐层反传，将误差分摊给各层的所有神经元，从而获得各层神经元的误差信号，此误差信号即作为修正各神经元权值的依据。随着信号正向传播与误差反向传播的反复进行，权值不断获得修正。该训练过程一直持续到网络输出的误差降低到可接受的程度，或者达到预先设定的最长学习时间，或者进行到预先设定的最大学习次数。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种热网平衡调控方法，其特征在于：所述热平衡调控方法基于用于集中供热***的热平衡调控***，集中供热***包括至少一个换热站以及分别设置在换热站两侧的一次网及二次网；
所述热网平衡调控***包括现场设备、第一上位机，与现场设备及第一上位机依次通过通信网络、数据总线连接的全网平衡模块，所述全网平衡模块设置在第二上位机内的服务器；所述现场设备包括设置于一次网的第一传感器、电动阀及分布式变频泵，以及设置于二次网的第二传感器、循环水泵及补水***，以及用于控制电动阀门、分布式变频泵及补水***的现场控制器；第一传感器与第二传感器均包括室外温度传感器；
所述热网平衡调控方法包括：
步骤1：启动热网平衡调控***，现场设备上传一次网参数及二次网参数，一次网参数包括一次网水温、一次网水压，二次网参数包括二次网供水温度、二次网回水温度、二次网供热面积；
步骤2：全网平衡模块计算一次网控制参数及二次网控制参数；
步骤3：通过数据总线、通信网络下传给现场设备，分别完成对设置于一次网的现场设备与设置于二次网现场设备的控制。
2.根据权利要求1所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述补水***包括补水泵，与补水泵连接的补水箱，与补水箱连接的补水阀以及控制补水阀的补水控制器；
所述补水箱内设有液位传感器，补水控制器根据液位传感器输出参数控制补水阀。
3.根据权利要求1所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述服务器为SCADA服务器，SCADA服务器包括主用SCADA服务器与备用SCADA服务器。
4.根据权利要求1-3任一所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述完成对设置于一次网的现场设备的控制为根据目标温度自动计算方法及各热力站单独温度控制方法控制电动调节阀及分布式变频泵。
5.根据权利要求4所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述目标温度自动计算方法为全网平衡模块计算换热站二次网的供回水平均温度值，根据换热站二次网的供回水平均温度值控制电动调节阀及分布式变频泵。
6.根据权利要求5所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述各热力站单独温度控制方法包括根据室外温度实际测量值在设定值库中查询控制参数，设定值库包括室外温度与回水/供水温度的对应关系。
7.根据权利要求5或6所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述完成对设置于二次网的现场设备的控制为控制二次网的供回水温差或循环水总流量。
8.根据权利要求7所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述控制二次网的供回水温差包括根据二次网供水、回水温度计算二次网供回水温差值，计算二次网供回水温差值与预定值的差值为二次网控制参数。
9.根据权利要求8所述的热网平衡调控方法，其特征在于：所述控制二次网的循环水总流量包括设定循环水流量，根据换热站对应的二次网供热面积计算对应换热站二次网循环水总流量控制值，根据二次网循环水总流量控制值控制循环水泵。
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