创建以节能降耗为目标的供热系统

1创建以节能降耗为目标的供热运行计算机动态监控管理系统河北理工大学李志2006年6月28日前言经过近30年的大规模建设，我国城市集中供热面积已经建成约30亿平方米。这项彻底改观了我国城市形象的巨大成就在显著提高了人民生活质量水平、改善人民生活方式的同时，也为我国能源的合理利用、环境保护实现新的跨越奠定了坚实的基础。因此，尽快探索和建立适合我国国情的、以节能降耗为基本目标的城市集中供热集约化运行模式的任务就成为我们当前最紧迫的任务之一。以完成城市集中供热基础建设为特征的过去30年集中供热发展，我国供热运行管理从理论和技术这两个层面都基本套用了供热系统的静态设计理论体系和相应的技术方法。实践证明，应用这套静态设计理论体系和技术方法是不能适用于真实动态运行供热过程的。根据我们亲身参加的数千万平米供热网调节运行的体会以及对部分热网运行的调查了解，困扰热网科学化运行管理的“热网平衡问题”普遍存在。而引发“热网平衡问题”的根源正是出自热网静态设计理论派生的所谓“在流量平衡基础上的温度管理方法”。在这种不断改头换面的理论方法指导下，几乎所有探索节能供热的部门都投入了极大的人力、物力，从每年供暖的第一天起就对热网展开不停的调整，直至供暖的结束，结果仍不尽如人意。最终只能无奈的实施在热网不平衡情况下通过增加供热量缓解与不热户的供需矛盾。这种在“三个被迫”压力下的供热（不热户被迫投诉、供热部门被迫增大热源、过热户被迫开窗）最终导致了能源的大量浪费，增大了供热成本，把供热部门推入了进退两难的被动。因此，建立热网运行管理的动态平衡运行理论方法实际上就成为热网实现节能降耗科学化运行的关键问题。我们在2005年提出了“基于线性系统理论的热网平衡方法研究”，经过05、06取暖季在乌鲁木齐房产局供暖所120万平米供热系统运行的跟踪实验表明，应用周期供热量调节热网平衡的方法不仅是一个理论上可行的方法，而且也是一个便于操作使用的方法，它很好的解决了这个困扰供热界多年的难题。我们先后参与的20多个供热网的计算机监控管理系统的建设和运行实践表2明：在正确的运行管理理论指导下，在可靠和完善的全网热量计量的基础上，充分发挥计算机可以实时完成对大量数据的采集和存储功能；可以快速完成对大量数据的统计分析和决策功能以及对多个设备进行实时控制的计算机综合能力，热网计算机监控系统完全能够胜任热网科学化管理的工作，甚至起到单凭人力难以完成的细致和准确作用。特别当把热源和热网作为一个统一的系统交给计算机管理后，它的可靠分析决策与控制能力会强有力的支撑起节能降耗的科学化管理。2005-2006年取暖季我们在乌鲁木齐房产局供暖所热网运行的“锅炉——热网统一计算机监控管理系统”以节煤24％、节电27％、单耗供热下降为0.56GJ／m2（183天供暖）的初步运行成果充分说明了只要把科学正确的运行和管理理念与具有时代特征的计算机技术有效地结合起来，供热计算机系统就会对动态运行的供热实行动态的规划和决策管理，从而把我们以节能降耗为目标的科学供热推向前进，引向深入。1、节能供热的基本规律在2002年颁布的国家标准《室内空气质量标准》GB/T18883-2002中明确规定了具有冬季供暖条件的居民室内温度为16℃--24℃。（供热界普遍执行16℃--20℃）。显然，这个标准的颁布实质上已经原则确定了冬季城市供暖一定要看天气论供暖的基本供暖方式。也只有看天气论供暖才有可能实现居民室温经常保持在一个稳定而舒适的范围。同时，这个标准也明确了节能供热的相关方向性内容，大力推行节能建筑，大力推广节能保温材料，减少供热管网损失，提高热源热效率等等都是节能供热应当考虑的重要内容。因此，在我们执行看天气供暖这个基本供暖方式时密切关注相关节能成果的发展，并且作出相应的调整，将会对节能供热产生良好的效果。我们认为，看天气供热实质上可以进一步明确为看每一天的天气供热。我国北方室外气温的变化实际是受两个天气变化规律的支配。一是以年为周期的四季气候变化，这个规律会造成室外气温的变化范围在冬季严寒地区最冷时下降到零下30--40℃。京、津、唐地区下降到零下15℃左右。因此，这个规律对室外气温变化的影响是一个温度变化范围大、但变化缓慢的长周期过程，平均到每1天的影响，气温变化都不大于1℃。但是应该重视的是，影响室外气温变化的另一个规律是日复一日的昼夜温差变化规律，这是一个以天为周期、温差变化约为10℃左右的高强度短周期影响过程（不计短时寒、暖流袭扰）。3图一、唐山供暖季一周环境温度实测曲线计算分析表明，昼夜10℃温差变化在初、末寒期要求昼夜供热量有40％左右的差别，在严寒期也有20％左右，（因各地计算温度不同而不同）。因此，执行看天气节能供热方式就必须要立足看当天气温变化进而区分昼夜温差的对应供热方式。而初寒、严寒、末寒的大规律环境温度变化对于供热的影响则反映为对昼夜供热量平均值的缓慢微量调整。因此，对于经常的环境平均气温变化不大的天气情况，其供热过程可以用以下周期函数表示（一个取暖季可看作由多个相邻稳定的天气区间和突发的寒、暖流区间组成）（1）式中)(tQ――气温变化不大的相邻几日供热周期函数t――时间变量T――周期T=1天N――周期数N=0、1、2、3…根据环境气温变化确定的供热量函数)(tQ的计算式可由下式（2）确定（2）式中ot――在一天中的实测环境温度或预测环境温度℃nt――设计室内供热温度℃wt――设计计算温度q――热指标s――供热面积进一步明确和强调这种供热思路正是针对目前大多数供热部门正在执行着sqttttQQwnontto)()(,)()(NTtQQt,唐山市一周环境温度实测曲线（2005.1.13~2005.1.19）4与此相反的思路，即用一个照顾每天夜间低气温的稳定供热量完成每天的供热，而忽略了每天都有10℃温差的变化。特别当连续多天气温变化不大的情况，相应的供热量也不分昼夜，保持不变。显然，这种貌似合理的平稳供热方式是不把太阳当回事的粗放供热方式。尤其在热网不平衡情况下，热源被迫升温，再叠合这种不分昼夜稳定供热的方式，引发大量能源浪费是必然结果。这种供热方式在热电联产供热系统中尤为突出。2、关于热网平衡调节的理论和技术问题我国城市集中供热普遍采用热源质调节供热方式。显然，当热源管理立足于根据昼夜气温变化调节供热量时，热源供热过程将实施如式1给出的周期供热过程。热源的供水温度、回水温度也将相应的呈现为经常变化的状态。由于热源的供热是依赖于循环水的流动把热量输送到各个热力站和热用户的，因此，热源供热量的变化过程在各个热力站和热用户端观察，就会在时间上产生滞后的差异。在离热源较近的用户能够较早的感受到热源供热量的变化，而在远离热源的用户则要延迟一段时间才会开始这个过程。因此，通过比较各热力站的供热温度进行平衡调节的方法就失去了比较的基础——各热力站的温度在每一个瞬时都可能是不同的。根据“基于线性系统理论的热网平衡方法研究”推导建立的热源与热用户基本供热关系式可以给出描述热源与各热力站的供热方程组（3），即供热网的动态运行数学模型。（3）式中)(tqi――第i个热力站收到热源的热量函数)(tQ――热源的供热量函数it――从热源传输供热量到第i号热力站的时延时间ik――第i号热力站得到的热量与前推it时间热源供出总热量的比例系数t――时间变量i――热力站编号变量n――热力站总数)()(111ttQktq)()(222ttQktq)()(iiittQktq)()(nnnttQktq5由该供热方程组可以看出，各热力站在任何一个时刻t得到的热量)(1tq、)(2tq、…)(tqi、…)(tqn分别对应了由当前时刻向前推不同时间1t、2t、…it、…nt的热源供热量)(1ttQ、)(2ttQ、…)(ittQ、…)(nttQ。并且热力站从热源得到热量的份额大小由比例系数1k、2k、…ik、…nk确定。显然，热网的热力平衡问题就是要通过选择合理的热力站设备和选择调整一、二次网的运行参数最终确定一组合理的比例系数1k、2k、…ik、…nk，使得各热力站能够根据自己所辖供热面积的大小得到相应热源供热量的合理份额。因此，由方程组（3）可以得出热网平衡判别式：在确定了从热源传输供热量到各热力站的延时时间it基础上，通过实测热力站当前时刻供热量与前推it时刻的热源供热量就可以计算确定各热力站供热比例系数1k、2k、…ik、…nk。（4）由于按供热面积收费供热方式决定的供热比例系数1k可以由各热力站所占面积和总供热面积的比值确定。（考虑到节能建筑因素，这些面积也可按当量面积计算）（5）因此，各热力站的供热平衡可以通过比较ik与ik是否相等确定。如果ik＝ik，则该热力站得到的供热量是希望的供热量；ikik，则该热力站供热量偏大；（6）ikik，则该热力站供热量偏小。各热力站的平衡也可以通过下式（7）由各热力站单位面积供热比例份额相等确定：（7）式（6）、式（7）给出了热网平衡判别式，根据该判别式，可以方便的确定分布在热网各处热力站的平衡情况。显然如果当某个热力站偏离了热网平衡状态，那么就有：)()(111ttQtqk)()(222ttQtqk)()(nnnttQtqkssk11,ssk22,ssknn,,,,nnsksksk2211,,6（8）式中――第i号热力站偏离平衡的偏离比例由该偏离比例可计算确定出热量偏离量为：（9）因此，进一步可以根据该供热偏离量确定热力站的供水流量调节方向和大小。由上述分析可见，实现由多个热力站组成的热网平衡分析和调节必须要在准确掌握全部供热网的管道信息和所有热力站及热源的流量、热量测量值情况下进行。特别麻烦的是在平衡调节过程中，由于各热力站流量可能需要反复调节，各热力站延时时间1t、2t、…it、…nt也会跟随变化，需要反复的在线动态计算分析和确定。显然这种繁杂的工作交给热网计算机监控系统完成是合适的。在“基于线性系统理论热网平衡方法研究”中得出的依据周期供热量调节热网平衡的方法，是建立在供热管网情况不能准确掌握的前提条件上。该方法利用了节能供热具有近似以天为周期的特点，根据实际测量的热源供热量和各热力站的供热量确定了热网平衡的分析方法和调节方法。该方法首先认定在一天里热源供出的总热量与各热力站供出的总热量相等（在实际使用中应考虑热损失），即：（10）式中)(tQi――第i个热源供热量)(tqj――第i个热力站供热量ot――任意计算时间终点T――周期T＝24小时m――热源个数n――热力站个数该式（10）表明，这个等式成立仅与从任何一个时刻向前追溯一个周期（24小时）的累积热量有关，各热力站的延时特性及时延时间不会影响分析和计算。进一步可以给出热力站的热力平衡判别式：iiikkk,ikikiq)(tqkqiiimimjtTtjtTtioooodttqdttQ11)()(ntTtntTttTtsdtqsdtqsdtqoooooo＝22117（11）式中：is――第i个热力站的供热面积由上可知，由式（11）确定的热网热力平衡判别式由于采用了一天的累加热量表示，因而热网供热的延时特性也不影响计算。当然，应用式（10）、（11）的前提条件是把供热过程可以看作周期变化的过程或近似周期变化的过程。这种平衡分析方法可以用来应对不能准确掌握供热管网信息，因而不能准确确定各热力站时延量的应用情况。应当注意应用式（11）的方法由于采用了一天的累计供热量，因此比较由式（6）、（7）直接使用实时量和计算量具有更好的抗干扰能力和可靠性。3、创建以节能降耗为目标的供热运行计算机动态监控管理系统创建以节能降耗为目标的供热运行计算机动态监控管理系统是供热界多年探索建设的技术进步项目。但由于多种原因，例如：供热理念的科学化问题、热源的可控性问题、热网平衡的调节理论和方法问题等诸多技术问题，以及计量、控制元器件的适用性等设备问题都可能导致供热计算机监控系统无法完成对供热主体任务的有力支持。这是我国许多