CN111102645A - 一种集中供热系统热量平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集中供热系统热量平衡控制方法，首先判断集中供热系统是否需要热量平衡控制，然后进行热量平衡控制；本发明的集中供热系统设置一个集控中心，每个换热站配置一套换热站自控系统。集控中心对未来24小时热负荷进行预测，并预测多个换热二次侧供水温度目标值Ts。平衡控制的关键是修正换热站二次侧供水温度目标值Tn，换热站控制器在新的Tn下减少调节阀的开度K。本方法设计的控制逻辑基于不同工况进行相应调整，保证集中供热系统热量的平衡控制，使所有末端用户获得均衡的供热，最终保障整个供热系统的供热质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种供热平衡控制方法，属于集中供热领域，具体而言，涉及一种集中供热系统热量平衡控制方法。
背景技术
冬季取暖是北方地区的刚需，集中供热系统因能源利用率高、污染物排放量低、系统安全性高等优势，成为北方冬季采暖的发展趋势。集中供热系统分为直接供热和间接供热2类。小型集中供热系统一般采用直接供热，系统由热源、热网、热网补水设备、末端散热器4个组成部分，热源产生的热水通过热网直接输送到用户的末端散热器。小型集中供热系统热用户少、热量输送距离短、热网调节相对容易。
大中型集中供热系统一般采用间接供热方式，如图1所示。系统由热源1、热网循环泵2、软化水设备3、补水泵4、调节阀5、换热器6、二次侧循环泵7、末端散热器8、一次侧热网9、二次侧热网10构成。热源厂的热源1产生高温热水，经热网循环泵2输送到一次侧热网9。大型热网包括若干个相对独立的换热站，通过改变换热站内的调节阀5的开度调节通过换热器6的高温水流量，高温水经过换热器6热交换形成二次侧热网的低温热水，经二次侧循环泵7将热水输送到末端散热器8供用户采暖。
对大型集中供热系统的调节的目标是维持室内舒适温度，通过对热源厂和换热站设备的两级调控来实现。热源厂通过改变一次侧热网的出水温度和流量改变供热量，实现对热网的一级调控。换热站通过改变二次侧热网的温度和流量实现对热网的二级调控，换热站控制系统原理如图2所示。
换热站控制系统包括调节阀5、换热器6、二次侧循环泵7、换热站控制器11、一次侧温度传感器(T1和T2)、一次侧压力传感器(P1和P2)、二次侧温度传感器(T3和T4)、二次侧压力传感器(P3和P4)
换热站控制器采集一次侧温度和压力、二次侧温度和压力、二次侧循环泵频率、调节阀开度实时数据；通过调节二次侧循环泵频率维持二次侧供回水压差恒定，以适应热用户末端变化带来的流量需求变化；通过改变调节阀5开度改变二次侧供水温度T3。当二次侧供水温度低于目标值时，增加调节阀5的开度以提高流过换热器6的高温水量，换热器6的换热量相应增加，导致二次侧供水温度提高。当二次侧供水温度高于目标温度时，调节阀5开度变小以降低流过换热器6的高温水量，换热器6的换热量相应减少，导致二次侧供水温度降低。
一定规模的集中供热系统都有集控中心，集控中心安装热负荷预测系统和换热站集中监控系统。热负荷预测系统根据历史上天气、热计量表数据、室温测量数据，再结合天气预报预测每个换热站的热负荷和二次侧供水温度目标值Ts。集控中心工作人员将Ts下发到换热站控制器11形成最终的二次侧供水目标温度值Tn，换热站控制器根据预制的调节策略改变调节阀开度，使二次侧供水温度值T3与目标值Tn一致。
中国专利201710185188.5公开了一种集中供热系统全网平衡控制方法，属于供热控制技术领域，提供了一种能够自动识别热源的供热能力充足与否，在热源供热能力足够时实现舒适性供热，在热源供热能力不足时实现均匀性供热的集中供热系统全网平衡控制方法，所采用的技术方案为按照以下步骤进行，热负荷的预测计算，热负荷变化采用动态的实时计算，通过采集室外的实际温度进行处理计算，热源供热能力评估，利用热网中最不利环路热力站的热力工况来判断热源的供热能力；各个热力站之间参照最不利环路热力站的当量外温实现全网的自动平衡，温度控制曲线的识别，根据实际的供热情况引入热负荷修正系数和相对流量系数。
然而，在热源供热能力大于实际热负荷需求时，各换热站根据集控中心下发的目标温度值Tn自主运行调节，使换热站二次侧供水温度T3与目标温度值Tn一致。当遇到极寒天气，热源供热能力往往无法满足热负荷需求，如果仍然按各换热站既定的目标温度值自主调节，就会造成靠近热源的换热站因管网阻力小，能“抢到”的热量多，远离热源的换热站因管网阻力大，即使调节阀开度达到100％也无法“抢到”需要的热量，这种换热站之间的“抢水”现象将破坏供热系统的热量平衡，导致远离热源的热用户供热质量恶化。为了防止这种“抢水”现象的发生，集控中心需要采用一种热量平衡控制方法，在极寒天气条件下确保换热站之间热量平衡。
发明内容
本发明提出的一种集中供热系统热量平衡控制方法，目的是在热源不足的情况下，实现所有换热站间供热质量的均衡，避免个别换热站质量恶化，达到所有末端用户获得均衡的供热效果，保障整个供热系统基本的供热质量。
本发明采用的技术方案为一种集中供热系统热量平衡控制方法，实现的逻辑过程如图3所示。
步骤1判断集中供热系统是否需要热量平衡控制；
设换热站二次侧目标温度值为Tn，实测二次侧供水温度为T3，Tn与T3的允许误差为Et，Et为大于0的数值；以15分钟作为一个热量平衡调节周期，在一个周期内持续观测Tn、T3、调节阀5的开度K和控制误差Et。对集中供热系统内所有换热站按如下六种工况进行分类调节。
工况I：当(T3-Tn)>Et时，说明供热量超过了负荷需求，换热站通过自主调节降低调节阀5开度，减少换热器1的换热量；
工况II：当(T3-Tn)<-Et且调节阀5开度小于99％，说明换热站供热量不足，换热站通过自主调节提高调节阀5开度，增加换热器1的换热量；
工况III：当(T3-Tn)<-Et且调节阀5开度大于或等于99％，说明换热站供热量不足但换热站已无自主调节能力，通过热量平衡控制减少分配到每个换热站的热量。
工况IV：当|T3-Tn|<Et时，如果二次侧供热目标温度Tn与集控中心的预测目标温度Ts一致，说明换热站二次侧供热温度已达到控制目标，保持调节阀5开度不变；
工况V：当|T3-Tn|<Et时，如果满足Tn<Ts且所有换热站的调节阀5的开度均小于80％，说明换热站二次侧供热温度未达到预测值Ts但换热站有多余的供热能力，逐步增加二次侧供热温度目标值Tn，通过换热站自动调节增加对外供热量。
工况VI：当|T3-Tn|<Et时，如果满足Tn<Ts且部分换热站的调节阀5的开度大于等于80％，说明换热站二次侧温度虽未达到预测值Ts，但整个热网已处于相对平衡状态，保持换热站二次侧温度目标值Tn不变，调节阀5的开度不变。
步骤2进行热量平衡控制；
针对工况III将供热系统所有换热站的供热量统一降低1％，即整个集中供热系统的二次网供水温度的目标值统一降低，降低标准为二网供回水温差的1％，新的二次侧供水温度目标值为Tn＝原有的Tn-(T3-T4)×1％。在新的Tn下由换热站自控系统自主控制调节阀5的开度。如果在一个调节周期内仍处于工况III，需在下一个调节周期内继续降低供热量1％并更新目标值Tn。
针对V工况应将供热系统所有换热站的供热量统一提高1％，即全网二次侧供水温度的目标值统一提高，提高标准为二网供回水温差的1％，新的二次侧供水温度目标值为Tn＝原有的Tn+(T3-T4)x1％。
在新的Tn下由换热站自控系统自主控制调节阀5的开度。如果在一个调节周期内仍处于工况V，下一个周期需继续提高供热量1％并更新目标值Tn。
热量平衡控制是一个不断迭代寻优的过程，每个调节周期都在向控制目标靠近，直至达到控制目标。
判断换热站处于哪一种工况和是否需要热量平衡控制，在一次侧管网9的温度、流量连续稳定运行的工况下进行。
本发明方法设计的控制逻辑基于不同工况进行相应调整，保证集中供热系统热量的平衡控制，使所有末端用户获得均衡的供热，最终保障整个供热系统的供热质量。
附图说明
图1是间接供热方式。
图2是换热站控制系统原理图。
图3是本发明方法实现的逻辑流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
以一个50个换热站的集中供热系统为例，说明热量平衡控制方法的实现过程。集中供热系统设置一个集控中心，每个换热站配置一套换热站自控系统。控制中心对未来24小时热负荷进行预测，并预测50个换热二次侧供水温度目标值Ts。集控中心持续监视二次侧供水温度实测值T3、回水温度实测值T4和调节阀开度值K，集控中心工作人员将Ts值下发到每个换热站，形成换热站二次侧供水温度目标值Tn，，50个换热站共有50组(Ts,Tn,T3,T4,K)。换热站控制器11根据Tn和二次侧供水温度实测值T3的偏差，控制调节阀5的开度，换热站控制器11对调节阀的调节周期为3分钟，即每3分钟改变一次调节阀5的开度。
设定二次侧供水温度控制精度要求为Et＝1℃，换热站控制器11的控制策略为：当满足(Tn-1)<T3<(Tn+1)时，认为换热站已达到控制目标，应保持换热站调节阀5开度保持不变。如果在一个调节周期内持续存在T3>(Tn+1)，说明该换热站对外供热量超过预测值，应通过减少调节阀5开度减少换热器6的换热量；如果在一个调节周期内持续(T3-Tn)<-1，说明该换热站对外供热量不足，应增加调节阀5开度增加换热器1的换热量。
对于(T3-Tn)<-1的工况，还应在集控中心进一步判断调节阀5的开度值K，如果K<99％则仍按换热站既有策略增加开度值K，如果K>99％则说明调节阀5已无调节空间，应启动全网热量平衡控制。平衡控制的关键是修正换热站二次侧供水温度目标值Tn，当存在一个或多个换热站供热量不足时，需将全部换热站的供热量减少1％，此时的Tn新值为：
新的Tn＝原有目标值Tn-(T3-T4)x1％，
换热站控制器11在新的Tn下减少调节阀的开度K，减少换热站对外供热量。随着Tn的减小，T3与Tn的偏差将减小，当所有换热站都满足(T3-Tn)>-1时，供热系统将进入工况V或工况VI运行。
如果供热系统进入工况V，即所有换热站的调节阀5开度K<80，应将全部换热站的供热量增加1％，此时的Tn新值为：
新的Tn＝原有目标值Tn+(T3-T4)x1％
换热站控制器11在新的Tn下增加调节阀的开度K，增加换热站对外供热量。如果供热系统进入工况VI，所有换热站的Tn值无需改变。
热网平衡控制周期设定为15分钟，即每15分钟判断一次是否需要修正目标值Tn，当所有换热站的Tn值都恢复到二次侧供水温度预测值Ts，说明热网整体供热能力与实际热负荷的需求一致，结束热量平衡控制。
Claims (7)
1.一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：
步骤1判断集中供热系统是否需要热量平衡控制；
设换热站二次侧目标温度值为Tn，实测二次侧供水温度为T3，Tn与T3的允许误差为Et，Et为大于0的数值；以15分钟作为一个热量平衡调节周期，在一个周期内持续观测Tn、T3、调节阀的开度K和控制误差Et；对集中供热系统内所有换热站按如下六种工况进行分类调节；
工况I：当(T3-Tn)>Et时，说明供热量超过了负荷需求，换热站通过自主调节降低调节阀开度，减少换热量；
工况II：当(T3-Tn)<-Et且调节阀开度小于99％，换热站通过自主调节提高调节阀开度，增加换热器的换热量；
工况III：当(T3-Tn)<-Et且调节阀开度大于或等于99％，说明换热站供热量不足但换热站已无自主调节能力，通过热量平衡控制减少分配到每个换热站的热量；
工况IV：当|T3-Tn|<Et时，如果二次侧供热目标温度Tn与集控中心的预测目标温度Ts一致，保持调节阀开度不变；
工况V：当|T3-Tn|<Et时，如果满足Tn<Ts且所有换热站的调节阀的开度均小于80％，说明换热站二次侧供热温度未达到预测值Ts但换热站有多余的供热能力，逐步增加二次侧供热温度目标值Tn，通过换热站自动调节增加对外供热量；
工况VI：当|T3-Tn|<Et时，如果满足Tn<Ts且部分换热站的调节阀的开度大于等于80％，说明换热站二次侧温度虽未达到预测值Ts，但整个热网已处于相对平衡状态，保持换热站二次侧温度目标值Tn不变，调节阀的开度不变；
步骤2进行热量平衡控制；
针对工况III将供热系统所有换热站的供热量统一降低1％，即整个集中供热系统的二次网供水温度的目标值统一降低，降低标准为二网供回水温差的1％，新的二次侧供水温度目标值为Tn＝原有的Tn-(T3-T4)×1％；在新的Tn下由换热站自控系统自主控制调节阀的开度。
2.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：如果在一个调节周期内仍处于工况III，需在下一个调节周期内继续降低供热量1％并更新目标值Tn。
3.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：针对工况V将供热系统所有换热站的供热量统一提高1％，即全网二次侧供水温度的目标值统一提高，提高标准为二网供回水温差的1％，新的二次侧供水温度目标值为Tn＝原有的Tn+(T3-T4)x1％。
4.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：在新的Tn下由换热站自控系统自主控制调节阀的开度；如果在一个调节周期内仍处于工况V，下一个周期需继续提高供热量1％并更新目标值Tn；热量平衡控制是一个不断迭代寻优的过程，每个调节周期都在向控制目标靠近，直至达到控制目标。
5.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：判断换热站处于哪一种工况和是否需要热量平衡控制，在一次侧管网的温度、流量连续稳定运行的工况下进行。
6.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：平衡控制的关键是修正换热站二次侧供水温度目标值Tn，当存在一个或多个换热站供热量不足时，需将全部换热站的供热量减少1％，此时的Tn新值为：
新的Tn＝原有目标值Tn-(T3-T4)x1％
换热站控制器在新的Tn下减少调节阀的开度K，减少换热站对外供热量；
随着Tn的减小，T3与Tn的偏差将减小，当所有换热站都满足(T3-Tn)>-1时，供热系统将进入工况V或工况VI运行。
7.根据权利要求1所述的一种集中供热系统热量平衡控制方法，其特征在于：热网平衡控制周期设定为15分钟，即每15分钟判断一次是否需要修正目标值Tn，当所有换热站的Tn值都恢复到二次侧供水温度预测值Ts，说明热网整体供热能力与实际热负荷的需求一致，结束热量平衡控制。
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