CN108386902B - 一种智能换热站二次网平均温度控制方法 - Google Patents

一种智能换热站二次网平均温度控制方法 Download PDF

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Abstract

一种智能换热站二次网平均温度控制方法，具体如下：获取换热站相关参数；获取历史数据得出二次网平均温度与室外温度的关系；获取实际供热建筑物实测数据；计算二次网平均温度Tw2arg；计算当量室外温度Toe；计算二次网平均温度设定值Tw2argsp；计算二次网平均温度误差eTw2arg；给定室内温度设定值Tzsp；计算室内温度偏差eTz；设定两个误差权重w1、w2；计算双权重误差值eT；计算换热站二次网平均温度PI控制器输出信号u；通过二次网平均温度PI控制器计算其输出信号u，将计算得到的输出信号u传送给换热站一次侧电动调节阀，执行控制操作，调整电调阀开度，满足二次网平均温度和室内温度的双重控制要求。

Description

一种智能换热站二次网平均温度控制方法
技术领域
本发明涉及换热站控制技术领域，尤其涉及一种智能换热站二次网平均温度控制方法。
背景技术
由于城市发展中各种因素的促进和影响，如城市化率和环保要求等，近20年来，区域供暖系统的规模逐步扩大，最大的多源共网系统接近上亿平方米，换热站近千座，很多换热站也实现了无人值守状态。观察和分析换热站历史数据就会发现，换热站输出热量并没有满足热网热力和水力平衡目标。比如，有的换热站通过二次网回水温度进行控制，但回水温度是所有二次网传热过程的结果，此传热过程既包括可控传热过程，也包括室内和室外环境的各种干扰(不可控因素)，无法准确获取回水温度设定值，进而不可能实现供热量和室内温度的精准控制；还有很大一部分换热站采用二次网供水温度控制，诸如室外温度补偿器控制策略，但二次网供水温度与二次网循环流量有关，必须考虑实际二次网实际循环流量来确定其供水温度；实际上，很少的系统运行时考虑了这方面的影响因素，导致控制效果不佳，能源浪费较大；因此，研究如何能够有效及优化控制换热站十分必要，以便实现换热站的稳定、长周期和高效运行。
现有换热站供用热匹配技术主要包括一次网定流量控制、二次网供水温度控制、二次网平均温度、二次网回水温度控制和二次网温差控制等，换热站二次网循环流量绝大部分采用定频率定流量运行方式，通过调节一次网循环流量调节供热量，但上述技术均有其制约条件，例如：
(1)一次网定流量控制：属于热源集中质调节方法，存在的问题是：1)各换热站热力特性没有在控制系统中予以补偿；2)不能通过改变循环流量降低电耗；3)用户自由热没有得到利用；4)室内温度波动较大；
(2)二次网供水温度控制：通过二次网供水温度调节供热量，其缺点为：1)供水温度设定值与二次网循环流量有关，但二次网理论循环流量不易精确确定；2)没有考虑室内自由热对供热量的影响；3)室内温度波动较大；
(3)二次网平均温度控制：通过实测室外温度确定二次网供回水平均温度，以此作为供热量控制指标，其缺点在于：1)控制系统没有进行室内自由热补偿；2)室内温度波动相对较大；3)二次网平均温度设定指标较难获取；4)没有进行室内温度补偿；
(4)二次网回水温度控制：通过室外温度设定二次网回水温度值，以此为控制指标，其缺点为：1)二次网回水温度时所有传热过程的结果，包括非可控因素，因此，理论上无法获取二次网回水温度设定值；2)二次网回水温度变化范围小，控制精度偏低；3)由供热系统固有特性、运行特性和动态特性决定系统响应的滞后性，导致的二次网回水温度误差；4)室内温度波动较大；
(5)二次网温差控制：实际上是二次网循环流量控制，通过室外温度设定二次网温差值，并作为控制变量。其缺点为：1)较大温差可能导致二次网水力失调更趋严重；2)没有考虑热量中质的成分(二次网平均温度，决定室内温度值)；3)没有考虑自由热；4)室内温度波动较大；5)需要根据实际用户性质和末端装置确定温差设定值；
另外，供热的结果是用户室内温度，并且其影响因素较多，如果能够引入室内温度作为补偿，可以较大提高供热系统动态响应的速度和控制精度。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能换热站二次网平均温度控制方法，能更精准地控制控制一次网调节阀的循环流量，从而能够实时控制二次网温度，减少换热站能源损耗，提高用户用热舒适度。
一种智能换热站二次网平均温度控制方法，包括如下步骤：
(1)获取换热站相关参数：实际供热建筑物供热面积(m2)、实际供热建筑物各向外窗面积(m2)；
(2)根据一个完整采暖期间内每隔一小时所采集的历史数据：二次网供水Ts20(℃)、二次网回水温度Tr20(℃)、室外温度To0(℃)，计算出二次网平均温度Tw2arg0＝(Ts20+Tr20)/2，并通过数据拟合，得出二次网平均温度与室外温度的关系见公式E(1)：
Tw2arg0＝a0+a1*To0+a2*To0 2+a3*To0 3----------------------------------E(1)
a0、a1、a2、a3为拟合系数，“*”是乘；
(3)获取实际供热建筑物实测数据，包括：
(3-1)各向太阳辐射强度(不考虑北向太阳辐射强度)：南向太阳辐射强度qsols、东向太阳辐射强度qsole、西向太阳辐射强度qsolw，单位W/m2；
(3-2)二次网供水温度Ts2(℃)、二次网回水温度Tr2(℃)、室内温度Tz(℃)；
(3-3)实际供热建筑区域的室外温度To，室外温度To的单位为℃；
(4)计算二次网平均温度Tw2arg，见公式E(2)：
Tw2arg＝(Ts2+Tr2)/2-----------------------------------------------E(2)
二次网平均温度Tw2arg的单位为℃；
(5)计算当量室外温度Toe：
公式E(3)中，当量室外温度Toe的单位为℃；
实际供热建筑物南向太阳辐射随时间的变化强度qsols单位为W/m2；
实际供热建筑物东向太阳辐射随时间的变化强度qsole单位为W/m2；
实际供热建筑物西向太阳辐射随时间的变化强度qsolw单位为W/m2；
实际供热建筑物南向外窗面积Fsols单位为m2；
实际供热建筑物东向外窗面积Fsole单位为m2；
实际供热建筑物西向外窗面积Fsolw单位为m2；
换热站所供热实际供热面积总和F的单位为m2；
热用户围护结构综合传热系数KFen单位为W/℃。
(6)计算二次网平均温度设定值Tw2argsp：
Tw2argsp＝a0+a1*Toe+a2*Toe 2+a3*Toe 3----------------------------------E(4)
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
公式E(4)中的a0、a1、a2、a3系数与公式E(1)中的相应a0、a1、a2、a3系数一一对应相同；
(7)计算二次网平均温度误差eTw2arg：
eTw2arg＝Tw2argsp-Tw2arg----------------------------------------------E(5)
二次网平均温度误差eTw2arg单位为℃；
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
(8)给定室内温度设定值Tzsp，室内温度设定值Tzsp的单位为℃；
(9)计算室内温度偏差eTz：
eTz＝Tzsp-Tz----------------------------------------------------E(6)
室内温度偏差eTz的单位为℃；
(10)设定两个误差权重w1、w2：
w1为二次网平均温度误差权重，w2为室内温度误差权重；两个误差权重w1、w2取值范围均为1～3，根据误差重要程度取值，如考虑二次网平均温度误差的重要性高于室内温度误差，则W1＝3，W2＝1；
(11)计算双权重误差值eT：
eT＝w1*eTw2arg+w2*eTz-------------------------------------------E(7)
双权重误差值eT的单位为℃；
(12)计算换热站二次网平均温度PI控制器输出信号u：
式中，PI控制器输出信号u，用于控制一次网调节阀的循环流量；
PI控制器中的比例常数kp范围为0.5-1.5，具体取值需要现场调试确定；PI控制器中的积分常数ki范围为0.0005-0.001，具体取值需要现场调试确定；时间t的单位为s；为双权重误差值的积分；
通过二次网平均温度PI控制器计算其输出信号u，将计算得到的输出信号u传送给换热站一次侧电动调节阀，执行控制操作，调整电调阀开度，满足二次网平均温度和室内温度的双重控制要求。
本发明提供的一种智能换热站二次网平均温度控制方法，采用基于误差权重的二次网平均温度和和室内温度双补偿控制模式，通过控制换热站一次侧循环流量控制设备，实现安全平稳、响应迅速、优化运行、精准控制、节能降耗和提高用户热舒适度的目标。
附图说明
图1为本发明一种智能换热站二次网平均温度控制方法中换热站供需匹配控制原理图。
具体实施方式
本发明提供了一种智能换热站二次网平均温度控制方法，其包括如下步骤：
(1)获取换热站相关参数：实际供热建筑物供热面积(m2)、实际供热建筑物各向外窗面积(m2)；
(2)根据一个完整采暖期间内每隔一小时所采集的历史数据：二次网供水Ts20(℃)、二次网回水温度Tr20(℃)、室外温度To0(℃)，计算出二次网平均温度Tw2arg0＝(Ts20+Tr20)/2，并通过数据拟合，得出二次网平均温度与室外温度的关系见公式E(1)：
Tw2arg0＝a0+a1*To0+a2*To0 2+a3*To0 3----------------------------------E(1)
a0、a1、a2、a3为拟合系数，“*”是乘；
(3)获取实际供热建筑物实测数据，包括：
(3-1)各向太阳辐射强度(不考虑北向太阳辐射强度)：南向太阳辐射强度qsols、东向太阳辐射强度qsole、西向太阳辐射强度qsolw，单位W/m2；
(3-2)二次网供水温度Ts2(℃)、二次网回水温度Tr2(℃)、室内温度Tz(℃)；
(3-3)实际供热建筑区域的室外温度To，室外温度To的单位为℃；
(4)计算二次网平均温度Tw2arg，见公式E(2)：
Tw2arg＝(Ts2+Tr2)/2-----------------------------------------------E(2)
二次网平均温度Tw2arg的单位为℃；
(5)计算当量室外温度Toe：
公式E(3)中，当量室外温度Toe的单位为℃；
实际供热建筑物南向太阳辐射随时间的变化强度qsols单位为W/m2；
实际供热建筑物东向太阳辐射随时间的变化强度qsole单位为W/m2；
实际供热建筑物西向太阳辐射随时间的变化强度qsolw单位为W/m2；
实际供热建筑物南向外窗面积Fsols单位为m2；
实际供热建筑物东向外窗面积Fsole单位为m2；
实际供热建筑物西向外窗面积Fsolw单位为m2；
换热站所供热实际供热面积总和F的单位为m2；
热用户围护结构综合传热系数KFen单位为W/℃。
(6)计算二次网平均温度设定值Tw2argsp：
Tw2argsp＝a0+a1*Toe+a2*Toe 2+a3*Toe 3----------------------------------E(4)
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
公式E(4)中的a0、a1、a2、a3系数与公式E(1)中的相应a0、a1、a2、a3系数一一对应相同；
(7)计算二次网平均温度误差eTw2arg：
eTw2arg＝Tw2argsp-Tw2arg----------------------------------------------E(5)
二次网平均温度误差eTw2arg单位为℃；
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
(8)给定室内温度设定值Tzsp，室内温度设定值Tzsp的单位为℃；
(9)计算室内温度偏差eTz：
eTz＝Tzsp-Tz----------------------------------------------------E(6)
室内温度偏差eTz的单位为℃；
(10)设定两个误差权重w1、w2：
w1为二次网平均温度误差权重，w2为室内温度误差权重；两个误差权重w1、w2取值范围均为1～3，根据误差主要程度取值，如考虑二次网平均温度误差的重要性高于室内温度误差，则W1＝3，W2＝1；
(11)计算双权重误差值eT：
eT＝w1*eTw2arg+w2*eTz-------------------------------------------E(7)
双权重误差值eT的单位为℃；
(12)计算换热站二次网平均温度PI控制器输出信号u：
式中，PI控制器输出信号u，用于控制一次网调节阀的循环流量；
PI控制器中的比例常数kp范围为0.5-1.5，具体取值需要现场调试确定；PI控制器中的积分常数ki范围为0.0005-0.001，具体取值需要现场调试确定；时间t的单位为s；为双权重误差值的积分；
通过二次网平均温度PI控制器计算其输出信号u，将计算得到的输出信号u传送给换热站一次侧电动调节阀，执行控制操作，调整电调阀开度，满足二次网平均温度和室内温度的双重控制要求。
目前现有一次网定流量控制、二次网供水温度控制、二次网平均温度、二次网回水温度控制和二次网温差控制方法，既没有考虑换热站二次系统固有特性、运行特性和动态特性，也没有充分利用自由热，对室内温度动态响应也没有给予充分重视，导致换热站能耗偏高、室温波动范围较大、室内温度控制精度偏差较大及部分设定参数难以准确获取等缺点，本发明采用基于误差权重的二次网平均温度和和室内温度双补偿控制模式，通过控制换热站一次侧循环流量控制设备，实现安全平稳、响应迅速、优化运行、精准控制、节能降耗和提高用户热舒适度的目标。
本发明方法中换热站供需匹配控制原理图见图1所示。
本发明方法是基于误差权重双补偿的智能换热站二次网平均温度控制方法，采用基于误差权重的二次网平均温度和室内温度双补偿的控制策略，即通过控制换热站一次侧循环流量，分别调节各换热站二次网平均温度，且二次网平均温度误差考虑基于权重的二次网平均温度误差设定值和室内温度误差补偿算法。
通过创建动态数学模型进行模拟分析显示，本发明的智能换热站控制策略，可降低换热站热耗和电耗分别为10％和30％以上；与常规换热站供需匹配控制方式相比，室内温度波动范围大幅度降低，室内温度平均值可控制在±0.5℃之内，改善和提高热用户热舒适性。
本技术方案中涉及技术术语的解释如下：
动态数学模型：根据热力学基本定律，通过微分方程描述研究对象中各变量随时间的响应过程；
换热站固有特性：指换热站的实际换热器传热面积和实际末端装置散热面积与其对应的理论值的差别，通常由设计人员确定的安全系数所导致；
换热站运行特性：是指换热站一次侧和二次侧实际循环流量与其对应的理论值的差别，通常，换热站两侧循环流量多运行在大流量小温差工况，且根据运行流量和功率的三次方关系，导致运行电耗居高不下；
换热站动态特性：指供热系统的非线性、大热容和纯滞后的物理特性对系统运行时残生的动态影响；
室内自由热：指供热期间室内的额外得热量，主要包括太阳辐射和室内得热两方面；
用户热舒适度：指供热期间热用户室内温度满足人体舒适感的主观满意度评价方法；
二次网平均温度：指二次网供回水温度的算术平均值；
当量室外温度：将室内自由热折算为温度值对实测室外温度进行修正后得到的虚拟室外温度；
补偿：通过相关检测参数(室内温度和室外温度等)自动调节控制变量，以期快速和平稳地达到控制目标；
误差权重的双补偿：针对二次网平均温度和室内温度误差同时进行补偿，且根据系统实际情况和控制目标要求，考虑两种误差的权重，加快系统动态响应速度和控制精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种智能换热站二次网平均温度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取换热站相关参数：实际供热建筑物供热面积，m2，实际供热建筑物各向外窗面积，m2；
(2)根据一个完整采暖期间内每隔一小时所采集的历史数据：二次网供水Ts20，℃，二次网回水温度Tr20，℃，室外温度To0，℃，计算出二次网平均温度Tw2arg0＝(Ts20+Tr20)/2，并通过数据拟合，得出二次网平均温度与室外温度的关系见公式E(1)：
Tw2arg0＝a0+a1*To0+a2*To0 2+a3*To0 3----------------------------------E(1)
a0、a1、a2、a3为拟合系数，“*”是乘；
(3)获取实际供热建筑物实测数据，包括：
(3-1)各向太阳辐射强度：南向太阳辐射强度qsols、东向太阳辐射强度qsole、西向太阳辐射强度qsolw，单位W/m2；
(3-2)二次网供水温度Ts2，℃，二次网回水温度Tr2，℃，室内温度Tz，℃；
(3-3)实际供热建筑区域的室外温度To，室外温度To的单位是℃；
(4)计算二次网平均温度Tw2arg，见公式E(2)：
Tw2arg＝(Ts2+Tr2)/2-----------------------------------------------E(2)
二次网平均温度Tw2arg的单位为℃；
(5)计算当量室外温度Toe：
公式E(3)中，当量室外温度Toe的单位为℃；
实际供热建筑物南向太阳辐射随时间的变化强度qsols单位为W/m2；
实际供热建筑物东向太阳辐射随时间的变化强度qsole单位为W/m2；
实际供热建筑物西向太阳辐射随时间的变化强度qsolw单位为W/m2；
实际供热建筑物南向外窗面积Fsols单位为m2；
实际供热建筑物东向外窗面积Fsole单位为m2；
实际供热建筑物西向外窗面积Fsolw单位为m2；
换热站所供热实际供热面积总和F的单位为m2；
热用户围护结构综合传热系数KFen单位为W/℃；
(6)计算二次网平均温度设定值Tw2argsp：
Tw2argsp＝a0+a1*Toe+a2*Toe 2+a3*Toe 3----------------------------------E(4)
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
公式E(4)中的a0、a1、a2、a3系数与公式E(1)中的相应a0、a1、a2、a3系数一一对应相同；
(7)计算二次网平均温度误差eTw2arg：
eTw2arg＝Tw2argsp-Tw2arg----------------------------------------------E(5)
二次网平均温度误差eTw2arg单位为℃；
二次网平均温度设定值Tw2argsp单位为℃；
(8)给定室内温度设定值Tzsp，室内温度设定值Tzsp的单位为℃；
(9)计算室内温度偏差eTz：
eTz＝Tzsp-Tz----------------------------------------------------E(6)
室内温度偏差eTz的单位为℃；
(10)设定两个误差权重w1、w2：
w1为二次网平均温度误差权重，w2为室内温度误差权重；两个误差权重w1、w2取值范围均为1～3，根据误差重要程度取值，如考虑二次网平均温度误差的重要性高于室内温度误差，则W1＝3，W2＝1；
(11)计算双权重误差值eT：
eT＝w1*eTw2arg+w2*eTz-------------------------------------------E(7)
双权重误差值eT的单位为℃；
(12)计算换热站二次网平均温度PI控制器输出信号u：
式中，PI控制器输出信号u，用于控制一次网调节阀的循环流量；
PI控制器中的比例常数kp范围为0.5-1.5，具体取值需要现场调试确定；PI控制器中的积分常数ki范围为0.0005-0.001，具体取值需要现场调试确定；时间t的单位为s；为双权重误差值的积分；
通过二次网平均温度PI控制器计算其输出信号u，将计算得到的输出信号u传送给换热站一次侧电动调节阀，执行控制操作，调整电调阀开度，满足二次网平均温度和室内温度的双重控制要求。
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