供热二次网智能平衡控制技术的应用分析
摘要：分析了供热系统现有的二次平衡技术，阐述了各种技术路线的特点，提出了一种基于远程调控技术的智能平衡控制系统，以解决二次网水力失调的问题。以某小区二次网智能平衡改造为例，分析了智能平衡控制在二次网水力调节过程中的效果。
关键词：智能供热；二次网；平衡调控；电动调节阀
1 引言
集中供暖是北方地区非常重要的民生工程。集中供暖以其能源利用率高、供热范围广等优势迅速发展。供热管网由串联、并联管路以及热用户组成的复杂系统，供热系统中一次网硬件设施好、维护程度高，水力工况相对较好；二次网由于建设年代不同、建设商的差异，存在建设标准不一、设计规划混乱、管网老化严重等问题，并且缺乏必要的调控手段，普遍存在严重的水力和热力失调。二次网前端、末端用户受热不均，大部分热量都供给了前端用户，末端用户得热不够。为了保证末端用户供热达标，热力站循环水泵的运行频率维持在较高频率，致使热力站运行电耗、热耗较高。
为加快实现供热公司智能供热、优质供热、节能降耗的目标，在二次网进行智能平衡调控改造，以达到提高二级网调控水平，优化运行参数，提高经济效益和环保效益。
2 二次网平衡技术路线分析
根据水力失调产生的原因，常用的几种解决水力失调技术路线如下：
2.1自力式调节阀
供热管网中使用的自力式调节阀主要有自力式流量控制阀、自力式压差平衡阀。由于自力式流量控制阀可以通过改变阀门开度，使通过自身的流量维持在设定流量值附近，所以使用自力式流量控制阀的关键在于设定流量的确定，设定流量等于设计流量，设计流量可以根据建筑物的热负荷和供回水温差方便地求出，适用于定流量供热系统。自力式压差平衡阀，可以使分支的供回水压差维持在设定压差值附近，设定压差可取设计流量下该分支处的供回水压差，在定流量、变流量系统中均使用。这两种均需要根据人工经验设定流量值或压差值，这种方式有可能造成更严重的水力不平衡现象。当供热系统的阻力特性发生改变时，设定值需要人工进行重新调整，工作量大且效果不明显。
2.2分布式混水调节
常规供热系统二级网采用热力站内集中设置循环水泵，若实施分布式混水循环方式可以消除近端压差大远端压差小的弊病，再适当辅以调控手段，则可有效地解决水力失调问题。该方式在解决水力失调的同时还节约了电耗。热力站集中循环系统造成近端热用户压差过大，以至于不得不加装流量调节装置进行限流，造成大量电能的无谓浪费。采用分布式混水泵系统，会减小上述电能的浪费，且大力降低循环泵功率。但分布式混水需要在楼栋或者单元配置分布式循环水泵等自控系统，对于老旧小区改造项目的实施存在一定的困难。一是楼前没有设备安放的空间、取电等比较困难；二是增加楼栋/单元热力入口的投资和维护难度。
2.3基于回水温度一致的静态平衡阀调节
按照供回水温差平衡法，对每个分支单元的供回水温度进行测量，进行手动调节。这是传统调节中采用最为普遍的方法。使用测温对管道测温，人工调节阀门，需要大量人力，多次调节。不同的测温仪器和不同的人员造成的测温结果相差很大，只能用于粗略的调节。上述传统的二级网调节方式效率低，效果差，需要长时间进行现场调控，并且热用户
入住率发成变化需要重新调节。
3 智能平衡系统技术方案
本文提出了一种基于远程调控技术的智能平衡控制系统，根据不同工况下的不同调控策略，可实现远程自动地调节二次网平衡，达到按需供热、节能降耗的目标。楼栋单元自动调节系统在调节过程中，各楼栋单元之间不会相互影响，保证二次网调控的稳定性。
3.1智能平衡系统组成
二次网智能平衡系统由二次网智能控制平台软、硬件，以及数据采集箱、电动调节阀、流量计、热量表、温度传感器、室温采集器等就地控制设备组成。在楼栋单元回水管道安装电动调节阀、流量计、热量表、温度传感器，在楼栋单元供水管道安装温度传感器，在每栋楼安装1台数据采集箱，在典型用户布置室温采集器。电动调节阀、流量计、热量表、温度传感器通过RS485通讯至数据采集箱，室温采集器通过LoRa无线传输至数据采集箱。数据采集箱通过网络交换机与热力站网络设施通讯，最终通过热力站VPN网络传输至监控中心的二次网智能控制平台。二次网智能平衡系统流程如图1所示。
图1 二次网智能平衡系统流程图
3.2智能平衡系统工作原理
智能平衡系统基于物联网、大数据技术，能够实时采集楼栋单元入口的温度、流量、热量和室温等参数，并依据室外气候变化及各建筑物的热特性，进行分析和计算，自动下发指令对单元热力入口阀门进行调控。智能平衡系统设置有多种控制策略，包括水力平衡调控
策略、热量平衡调控策略、温度给定调控策略、温度均衡调控策略，可根据实际情况进行平衡调节。各调控策略如下：
（1）水力平衡调控策略：二次网控制系统发布每平米流量值，单元电动调节阀根据楼栋单元总面积自动调节每单元的流量。供暖初期水力平衡建议采用此策略。
（2）热量平衡调控策略：二次网控制系统发布热耗值，单元电动调节阀能够根据单元总面积调节每单元的热量。
（3）温度给定调控策略：二次网控制系统发布回水温度值，单元电动调节阀能够自动调整流量，使各单元回水温度与给定值保持一致。当热力站总热量不足时，切换为温度均衡调控策略。
（4）温度均衡调控策略：热力站换热机组总回水温度值作为调整目标值，单元电动调节阀能够自动调整流量，使单元回水温度与机组回水温度保持一致，均衡各单元热量。
4 工程应用
4.1项目背景
石家庄某小区为老旧建筑，小区内共21栋楼、70个单元、1194户，户型为一梯三户，供暖面积为7.46万m2，采暖类型为暖气片。往年采暖季系统运行中，为保证末端用户的供热达标，热力站采暖季循环水泵的运行频率维持在较高频率（48Hz）运行。前端热用户大部分处于过流状态，末端部分用户处于欠流状态，存在水力失衡现象。同时，由于二次网缺少自动平衡调节手段，不能实现可视化、智能化的调控，造成系统运行热耗高、电耗高、工人劳动强度大、用户投诉率高等问题。
4.2应用分析
2019年对该小区实施二次网智能平衡改造，12月份以楼栋单元为单位进行不同策略测试。测试主要在白天进行，避免因夜晚测试造成热用户投诉。测试的运行策略主要以回水温度控制策略、流量控制策略为主。2020年3月15日，对整体系统进行调控。调控策略为根据计算给出每个楼栋单元流量值以流量控制策略运行，通过流量控制策略到合适的回水温度，且在满足系统运行的前提下降低循环水泵频率，切换到回水温度控制策略自动运行。通过运行情况可知，热力站循环泵流量降低的同时，温差增大，加大了对数平均温差提高了板换的换热效率，循环泵运行频率降低。供暖投诉