（检测技术与自动化装置专业论文）供热负荷预测与量化调节技术研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 供热负荷预测与量化调节技术研究 检测技术与自 徐培凯( 签名) 吴应龙( 签名) 程为彬( 签名) 摘要 目前，我国热网采暖主要是按供热面积收费，随着计量收费的推广应用，热用户可 根据自己的需求，自行调节温控阀，主动地控制温度。这种运行方式一旦实现，整个热 网的流量和供热量也随之变化，倘若没有很好的供热负荷预测和调节手段，供热生产将 会变得很被动，但供热系统是一个集非线性、不确定性和时变性于一身的大滞后系统， 因此利用传统方法很难对其进行准确的预测和精确的调节。针对这一突出问题，本文采 用了供热负荷预测与量化调节相结合的技术，其目标是在满足供热效果的前提下，实现 按需供热，同时提高系统能效。 对供热系统的阻力特性、水力热力工况等进行了分析，以揭示供热系统水力热力失 调的原因，介绍了供热系统中常用的调节方法，重点论述了参数量化调节技术。 根据供热系统管网的分布情况，利用g p r s 网络构建其远程监控系统，实现了热网 参数的实时采集和分析处理，从而对各区域热流量的动态调节进行最优决策，合理调节 热流量，使各区域之间达到热量平衡，提高了供热管网的效率，起到了量化调节的作用。 对供热系统热负荷的随机性、周期性等进行了研究，以找出影响供热负荷特性的主 要因素，讨论了负荷预测的各类预测方法，着重阐述了基于混沌时间序列的预测方法。 研究供热负荷时间序列的混沌特性和最大l y a p u n o v 指数，结果表明其具有混沌特 性。采用混沌时间序列理论对供热负荷进行短期预测，针对混沌时间序列预测中用加权 一阶局域法单步预测模型进行多步预测时计算量大，且存在误差累积效应的不足，提出 了基于相空间重构技术的加权一阶局域法多步预测改进模型。通过m a t l a b 仿真实验， 实现了供热负荷的事前预测，再根据预测的结果分配控制策略，对热源处的锅炉进行初 始调节。 实际运行表明：供热负荷预测与量化调节技术的应用，不仅克服了供热企业计划制 定的盲目性，实现了科学化管理，而且增强了企业的经济和社会效益，最终为实现资源 的优化配置提供了科学依据。 关键词：g p r s ，集中供热，热负荷预测，量化调节，混沌时间序列 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：as t u d yo nh e a t i n g l o a dp r e d i c t i o na n dq u a n t i f i c a t i o nr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： e n t a bs t r a c t a st h em e a s u r e m e n tc h a r g ea p p l i e s t h ec h a r g eo fh e a t i n gs y s t e mi sm a i n l yo nt h eb a s i so f t h eb u i l d i n ga r e a si no u rc o u n t r ya tp r e s e n t a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h e m s e l v e s ，t h et h e r m a l u s e r sc a l la d j u s tt h ec o n t r o lv a l v ev o l u n t a r i l yt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o n o n c et h e o p e r a t i n gm o d ei sr e a l i z e d ，f l u xo f h e a ta n dq u a n t i t yo fh e a tf o rt h ee n t i r eh e a t i n gn e t w o r kw i l l b ec h a n g e da l o n gw i t hi t i fi th a sn o tag o o dm e t h o do fh e a t i n gl o a dp r e d i c t i o na n da d j u s t m e n t ， t h eh e a t i n gp r o d u c t i o nw i l lb ev e r yp a s s i v e b u tt h eh e a t i n gs y s t e mi sl a r g ed e l a ys y s t e mw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r i t y , u n c e r t a i n t ya n dt i m ev a r i a t i o n ，s oi ti sd i f f i c u l tt ou s et h e t r a d i t i o n a lm e t h o d st om a k ea c c u r a t ef o r e c a s t sa n dp r e c i s er e g u l a t i o n i nr e s p o n s et ot h i s o u t s t a n d i n gp r o b l e m ，t h i sp a p e ra d o p t sa n a s s o c i a t i v et e c h n o l o g yo ft h e h e a t i n g l o a d f o r e c a s t i n ga n dq u a n t i z a t i o nr e g u l a t i o n ，i t sg o a li st om e e tt h eh e a t i n ge f f e c to nt h ep r e m i s e ， r e a l i z eo n d e m a n dh e a t i n ga n di m p r o v et h es y s t e me n e r g ye f f i c i e n c y t h er e a s o n so fm a l a d j u s t m e n to fh y d r o - t h e r m a lb e h a v i o ra n dh e a t i n gp o w e ra r es h o w n b ya n a l y z i n gt h eh e a t i n gs y s t e mr e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h eh y d r o - t h e r m a lb e h a v i o ra n ds o o n t h en o r m a lw a y so fr e g u l a t i o ni nh e a t i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep a r a m e t e r q u a n t i z a t i o nr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e dw i t he m p h a s i s i nv i e w o ft h ed i s t r i b u t i o no fh e a t i n gn e t w o r k ，t h ep a r a m e t e rr e a l t i m ea c q u i s i t i o na n dt h e a n a l y s i sp r o c e s s i n go fh e a t i n gn e t w o r ka r er e a l i z e dt h r o u g ht h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m w i mg p r sn e t w o r k t h u s t h eh e a t i n gf l u xo fv a r i o u sr e g i o n sd y n a m i cr e g u l a t i o ni sm a d e t h em o s ts u p e r i o rd e c i s i o n , t h eh e a t i n gf l u xi sa d j u s t e dr e a s o n a b l y , t h eh e a t i n gb a l a n c ei n v a r i o u sr e g i o n si st ob ea c h i e v e d ，t h ee f f i c i e n c yo fh e a t i n gs y s t e mi se n h a n c e da n da ne f f e c t o f q u a n t i z a t i o nr e g u l a t i o ni st a k e n t h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gh e a t i n gl o a dc h a r a c t e r i s t i ci sf o u n db yr e s e a r c h i n gt h e h e a t i n gs y s t e mh e a t i n gl o a dr a n d o m n e s s ，p e r i o d i c i t ya n ds oo n t h ed i f f e r e n tm e t h o d so f l o a d p r e d i c t i o na r ed i s c u s s e d ，a n dt h ep r e d i c t i o nm e t h o db a s e do nt h ec h a o st i m es e r i e si s s t a t e d e m p h a t i c a l l y h e a t i n gl o a dt i m es e r i e sp r e s e n tc e r t a i nc h a o sb e h a v i o r st h r o u g ha n a l y s e so fi t sc h a o s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h el a r g e s tl y a p u n o vi n d e x t h ec h a o st h e o r yi sa d o p t e di ns h o r t - t e r m p r e d i c t i o no ft h eh e a t i n gl o a d i nt h el i g h to ft h ee x i s t i n go fl a r g ec o m p u t i n ga n dt h e i i i 英文摘要 d e f i c i e n c yo fe r r o ra c c u m u l a t i n ge f f e c ti nt h ef o r e c a s t i n go fc h a o t i ct i m es e r i e s ，w h e nu s i n g s i n g l e - s t e pp r e d i c t i o nm o d e lo fa d d i n g - w e i g h tf i r s t - o r d e rl o c a l - r e g i o nm e t h o dt od om u l t i - s t e p p r e d i c t i o n t h ea d d i n g - w e i g h tf i r s t - o r d e rl o c a l r e g i o nm e t h o dm u l t i s t e pp r e d i c t i o nm o d e l b a s e do nr e c o n s t r u c t e dp h a s es p a c ei sp r e s e n t e d h e a t i n gl o a dp r e d i c t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g h m a t l a bs i m u l a t i o n t h eb o i l e r so fh e a ts o u r c ea r ei n i t i a l l yr e g u l a t e d ，a c c o r d i n gt ot h e c o n t r o ls t r a t e g ym a k i n gb yp r e d i c t i o nr e s u l t s p r a c t i c a lo p e r a t i o ns h o w st h a tt h ea p p l i c a t i o no fh e a t i n gl o a df o r e c a s t i n ga n dq u a n t i z a t i o n r e g u l a t i o nt e c h n o l o g yc a no v e r c o m et h eb l i n dp l a nm a k e db yh e a t i n ge n t e r p r i s e s ，a c h i e v e s c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ，i n c r e a s ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa n d f i n a l l yp r o v i d eas c i e n t i f i c b a s i sf o ro p t i m a la r r a n g e m e n to fr e s o u r c e s k e yw o r d ：g p r s ，c e n t r a lh e a t i n g , h e a t i n gl o a dp r e d i c t i o n ，q u a n t i z a t i o nr e g u l a t i o n ， c h a o st i m es e r i e s t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：趔益j 日期：纠，厂 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：缀益型 导师签名：豸立霉王一 日期：邋：乡 日期础 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 随着我国经济持续、快速发展，城市居民生活水平的提高，环境的改善，我国供热 事业面临着高速发展的良好机遇和严重挑战。供热面临的主要问题，一方面是供热规模 大、地域广、发展迅速、供需矛盾突出；另一方面是供热的管理水平和技术水平低、供 热质量差、供热系统耗煤量大、能源有效利用率低、环境污染严重。这些都与我国的供 热事业的发展很不相适应，因此在大力发展我国供热规模的同时，提高认识，积极吸收、 引进、采用和开发先进的供热技术，总结经验，找出差距，认真研究、借鉴国内外的先 进技术，结合我国的具体条件，努力提高供热系统的技术水平，探索改善采热效果、节 约能源、提高供热系统能源有效利用率的途径和方法，是当前一项迫切的任务。 1 1 课题的研究背景【l 】 我国是能源大国，总地质储量居世界第二。但我国人口众多，从人均占有量来看， 只有世界平均人均占有量的l 2 ，是美国的1 1 0 ，是原苏联的l 7 ，而且我国的能源利用 率与发达国家相比相差很大。如日本能源综合利用率为5 7 ，美国为5 l ，而我国只 有3 0 。我国燃料设备的平均热效率还相当低，发达国家的火电厂一般为3 5 - 4 0 ， 工业锅炉为8 0 ，而我国依次为3 0 以下和6 0 左右。因此，在我国节能显得尤为重要。 在我国三北地区( 东北、华北、西北) ，冬天都要供热，供热消耗的能源占我国能源 消耗的2 0 以上。供热站是我国北方地区供热的主要方式之一，对供热站系统进行改造， 由于以往的供热方式，并没有实现实时监控，使得水力失调从而引起了用户过冷或者用 户过热的现象。设计一套供热网站监控管理系统可以对此问题有和好的解决。这样即节 约了人力物力，又使供热服务有了很好的提升，从而提高了供热系统的采热效率，就能 节约大量的能源。这不仅能改善环境，而且有利于国民经济的提高。 本论文课题来源于河南油田五一社区集中供热监控系统。由于社区供热采用热源由 锅炉房直接供给到用户，供热面积广且区域相对分散，管网分布复杂且结构差异较大， 造成流量和压力分配不均，在实际运行中表现为住户室温冷热不均。据调查，部分小区 住户室温有的高达2 5 ，而有的仅1 2 c 左右。从热源改变供热负荷到用户产生供热效果 滞后时间长，一般需要将近2 小时才能看到效果。因而造成供热效果跟不上气温的变化， 既影响供热质量，又浪费了能量。若单纯以当天的气象预报为依据决定供热系统的供水 温度或回水温度，可预测性很难把握，实时性不好。 另外，从流量分配上看，高的小区可超过合理流量6 0 以上，低的甚至达不到合理 流量的5 0 ，造成供热外网严重水力、热力失调。为使流量小的小区室温达标，一味地 增大供热量，就使得流量大的小区室温进一步增大，造成极大的能源浪费。同时由于供 热站装机容量的限制，最大热流量是一定的，既使在最大热流量供热条件下，也无法完 全达到标准室温。为解决这一突出问题，需要根据现有的供热装机容量对各个小区的供 热流量进行合理调节，使各小区的热流量基本平衡，室温普遍达标。 西安石油大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状【2 】【3 】 我国城市集中供热的发展，供热规划是一个薄弱环节。长期以来，城市供热缺乏统 一规划。供热方式落后、管理分散，重复建设，重复投资，影响了供热效益的充分发挥。 随着油田供热按流量收费制度的逐步实施，热用户对供热质量提出了更高的要求。 如何利用现有的技术手段，采取经济有效的水力平衡调节方法，实现热网的水力平衡， 成为供热管理人员首要解决的课题。供热负荷预测与量化调节是集中供热的重要环节， 准确的负荷预测和量化调节结果不仅保证了热用户的热舒适性，而且也为供热企业节省 了投资成本、减少了环境污染。因此，国内外对此进行了大量的研究。 1 ) 热负荷预测方面 目前国内外用于负荷预测的方法很多，有传统的预测方法、时间序列预测法、模糊 理论预测方法、神经网络预测方法、小波算法预测方法和灰色理论预测方法( 我国邓聚 龙教授8 0 年代初提出来的) 等，并且偏重于将各种算法的优点结合从而提高预测的精度。 如将模糊算法和神经网络结合、将模糊算法与随机时间序列( a r m a x 过程) 相结合、 将模糊和专家系统相结合等。这些算法在预测的精度上有一定的提高，但同时也增加了 负荷模型的复杂性。 2 ) 量化调节技术方面 丹麦、芬兰、瑞典等地处严寒地带的国家大力发展集中供热，全部采用计算机自动 化监控。集中供热中心监控室可根据供热需要，通过中心控制台，随时可以改变热源， 热力管网和热力站的运行工况，并显示其供热参数。集中供热系统的自动化监控保证了 安全、可靠地供热。 丹麦集中供热占总需求热量的5 0 其中热电联产占3 0 ，在丹麦集中供热作为城市 基础设施的组成部分，与电力、电话、燃气、给排水系统等受到同等重视和发展。 芬兰集中供热占总需求热量的4 5 ，其中热电联产占7 0 、芬兰7 0 的燃料能源依 赖进口，因此，对能源的经济使用和运输政策特别重视，集中供热的能源：煤占4 1 ，天 然气2 5 ，泥煤2 0 ，石油9 ，其他5 。首都赫尔辛基集中供热率已达9 0 以上。 瑞典集中供热占全国总需求热量的3 4 ，集中供热热力网总长6 5 0 0 k m ，1 6 0 0 万栋 公寓和l l 万小型建筑与集中供热热力网相连，说明集中供热在瑞典的城市和人口密集区 已广泛使用。 韩国发展城市集中供热的历史与我国相当，也是始于七十年代末，八十年代中期进 入快速发展阶段，令人刮目相看。韩国集中供热的规模、设计、施工、运行、管理全面 引进芬兰供热先进技术，从实际出发扬长避短，使供热系统更先进、完善。 北欧诸国从7 0 年代末开始，热用户均按热量计量收费，发展到现在技术与设备水平 十分先进。经过约2 0 年的努力，我国城市集中供热已具备一定的规模。至1 9 9 8 年有2 8 6 个城市有集中供热设施，供热面积达8 6 亿m 2 ，供热管网约为3 5 万公里。已占华北、 东北、西北、山东、河南等采热地区实有房屋面积3 1 9 3 7 2 万m 2 的1 4 以上，其中住宅 2 第一章绪论 面积占6 0 以上，用热人口达3 0 0 0 多万，但我国与国外供热先进技术相比，尚有较大 的差距。主要表现在： ( 1 ) 分散小锅炉房较多，浪费能源，污染环境，而国家缺乏针对发展集中供热立法 和强制政策措施。 ( 2 ) 特大城市和大城市现有热电厂、区域锅炉房的单机容量偏低，能源利用率低， 热能浪费严重，供热成本高。 ( 3 ) 部门与地产的保护主义严重，在发展城市集中供热产业上不能协调一致共同发 展，致使城市集中供热所占比重较小。 ( 4 ) 热力网和热用户应用技术与国外先进技术相比差距更大，前边在存在问题中讲 的很多，这里不多加论述。 1 3 本文研究内容和章节安排 本文的研究主要内容是基于供热日负荷数据的混沌特性，建立短期负荷预测模型， 并进行理论分析和改进，以提高负荷预测的精确度，从而实现供热负荷的预测，同时结 合供热管网热工参数的实时远程监测和管理，根据预测的供热负荷和监测的管网数据分 配控制策略，以实现对供热系统的量化调节功能。其内容安排如下： 第一章绪论首先介绍了选题的背景、供热负荷预测与量化调节工作的必要性、研 究意义和方法。以及结合相关文献资料介绍了目前国内外在该领域的研究现状。最后简 单介绍本论文的主要内容及结构安排。 第二章阐述了供热系统的特性与微机测量技术，分析了供热系统的工艺流程，介绍 了集中供热管网的一般调节技术。 第三章根据实际情况，设计了基于g p r s 无线通信的供热管网监控系统，详细介绍 了g p r s 的组网方案、系统的总体设计方案、系统的各项功能和具体设计内容，包括： 数据中心监控管理平台设计、数据接口设备驱动程序开发、数据传输g p r s 模块组态、 数据采集r t u 终端组态。 第四章分析了供热负荷的特性和影响因素，系统和全面地对近几十年来国内外在负 荷预测理论和方法上的应用进行较为详细的归纳、分析和总结。 第五章阐述混沌的基本理论、混沌时间序列的相空间重构和混沌时间序列的判定标 准，介绍了基于混沌时间序列的短期负荷预测方法，针对供热短期负荷影响因素多的特 点，通过单变量混沌时间序列的相空间重构，建立时间序列的全局预测模型和局域预测 模型以及可预测时间尺度的讨论。最后针对河南油田的热负荷时间序列采用了改进的加 权一阶局域法多步预测模型进行了算例分析及仿真实验。 第六章全文的工作总结和展望。对本文的研究工作进行了总结性论述，并提出了一 些需要进一步研究解决的问题和对本项研究未来的发展进行了展望。 3 两安石油大学硕士学位论文 第二章供热系统分析 2 1 供热系统特性分析 集中供热系统是一个十分复杂的多变量控制系统，供热面积大，影响因素多，内部 关联性强、滞后时间长、非线性严重。一个完整的供热系统是由热源、热网、阀阻间和 热用户四部分组成【4 1 ，如图2 1 所示。 热源热网阀阻间 热用户 供暖管道： 供热站： 干管 关断阀门 锅炉 支管 调压阀 暖气管 循环泵 供热节点： 节流孔板 暖气片 补水泵 关断阀门 压力表 调节阀门 调节阀门 温度计排气阀 除污器 测压点 过滤器 测温点 图2 1 供热系统结构 热源：将采暖循环水加热、产生循环压头、补充漏失的循环水、过滤热网中的杂物， 对应于供热中心或供热锅炉房。 热网：主要功能是将携带热源的热量供暖水通过供热管道合理地分配给各个热用户。 阀阻间：平衡支线剩余压头，为热用户提供合理的循环压头，由一组节流组件构成。 热用户：通过一个阀阻间与热网相连接的一组采暖设施，其特征是供暖面积、采暖 方式与采暖结构具有确定的参数。这个定义作为热网水力平衡平衡分析的最小单元。 2 1 1 管网的阻力特性【5 】 流体在管网中流动时必须克服管道阻力，流体产生一定的压力损失。流体在管道中 压力损失与管径、管网布置形式和流体的流动速度( 或流量) 有关。其基本计算公式如 下： z i p = s g 2( 2 1 ) 或 a h = s g 2( 2 2 ) 式中： p 、胡一分别为以肋或m h 2 0 为单位的管段压降； g 一管段的体积流量，m3 h ； 趾管段的阻力特性系数，单位为p a ( m 3 h 以) 2 时，由式( 2 3 ) 计算；单位为m h 2 0 ( m 3 h - 1 ) 2 时，由式( 2 4 ) 计算。 1 7 , 0 2 j s e = 6 8 8 1 0 。9 务( + 屯b ( 2 - 3 ) y 0 2 5 s h = 7 0 2 l o 一。耪( f + 乙) ( 2 4 ) 式中t d 一管段内径，m ， 4 第二章供热系统分析 ，一管道长度，m ， 乙一阀门、弯头等部件的局部阻力的当量长度，m ， k 一管道的绝对粗糙度，对于热水供热系统，一般k _ o 5 m m 。 s 的物理意义是通过单位流量管道( 或管网) 阻力的变化。当水的密度p ( k g m3 ) 为常 数时，s 值只是管道直径、长度、绝对粗糙度的函数，即管道阻力特性系数s 的大小只 取决于管道( 或管网) 的结构。由公式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 可知，管道直径愈小，其阻力变化愈 大；相反，管道直径愈大，阻力变化愈小。对于一定的管网( 管径、长度、布置形式及 阀门开度) ，其阻力特性系数固定不变，流量与压降呈一一对应的关系，所以，我们可以 通过控制供热系统中最不利环路的供回水压差或系统用户的供水压力，调节流量。 2 1 2 供热系统的水力工况【6 】 【1 0 】 供热系统中流量、压力的分布状况称为系统的水力工况。供热系统供热质量的好坏， 与系统的水力工况有着密切的联系。实际运行的流量、压力分布情况称为实际水力工况。 由于设计、施工和运行等多种原因，实际水力工况很难完全按照设计水力工况运行，有 时甚至差别很大。供热系统这种设计水力工况与实际水力工况的不一致性，称为供热系 统的水力失调。 1 ) 水力失调的表现 在集中供热系统的室外管网中，水力失调主要表现是：各个环路的流量输配不均衡， 致使各个用户的室温冷热不均，距循环泵较近的室温偏高，用户被迫开窗散热，大量热 能流失；距循环泵较远的用户却因室温偏低经常投诉，甚至拒交采暖费；另外一些问题 也和水力失调密切相关，例如系统在大流量小温差的工况下运行，锅炉或换热器等热源 设备难以达到其额定出力，投入运行的设备超过实际负荷的需求，水泵的工作点偏离高 效区，能量输配效率低，无法进行整体调控和节能运行，燃料和水泵的电耗过高等等， 水力失调已成为集中供热系统中普遍存在又难以治愈的顽疾。 2 ) 水力失调的原因 ( 1 ) 水力失调是先天性的弊病：室外管网一般都是异程系统，循环水从水泵流经各 个环路的路程不同，阻力就不同，所需的动力也不同。而循环泵提供的动力呈现两极分 化的趋势，最不利环路的路程最长，阻力最大，处在管网动力最小的位置，流量不足， 甚至不到额定值的3 0 。而路程越短的环路其阻力也就越小，其中阻力最小的环路，反 而处在离循环泵最近、动力最大的位置，流量超额数倍的很常见；如果不采取有效的措 施，准确地匹配各个环路的阻力差，水力失调是不可避免的。因此，它是异程管网系统 先天性的弊病。 ( 2 ) 设计计算难以保证水力平衡：通过对室外管网系统进行整体设计计算，仍难以 克服水力失调，这是因为设计者要为系统扩容预留余量，还要加上保险系数，不能以最 不利环路的阻力匹配其它环路的阻力，只能尽量减少各个环路的阻力，而这样做的结果 只能使有利环路更加有利，不利环路仍然不利。此外，计算数据与实际状况的误差、施 s 西安石油大学硕士学t i ) = 论文 工的误差和变更也是造成水力失调难以克服的重要原因。 ( 3 ) 缺乏实用可靠的调控设备：多数室外管网未安装水力平衡调控设备，水力失调 难以克服是必然的。有的系统虽然装有水力平衡调控设备，但其实用性、有效性和可靠 性等尚有不足，调试效果因人而异，难以根除水力失调弊病。 ( 4 ) 稳态系统具有动态系统的因素：室外管网逐年扩容改造，也是水力失调的重要 原因，不仅失去原有的设计依据，也使稳态调控设备的调试结果失效，因此，逐年扩容 的管网具有动态系统的因素，必须采用动态调控设备才能有效根除水力失调弊病。 2 1 3 供热系统的热力工况【1 1 l 在供热系统运行过程中，各环路的阻力固定不变的管网系统为稳态系统或静态系统， 上述水力失调是指稳态系统的稳态失调；而各环路的阻力可调的系统就是动态系统，热 力失调是指动态系统中某些环路的阻力变化时，也就是这些环路中的调控设备动作时， 对其它环路所产生影响造成的失调，即各热用户之间冷热不均的现象称为热力失调。 1 ) 热力失调的表现 在供热系统运行过程中，最常见的是不一致失调，一般为离热源较近的热用户流量 过多，而离热源较远的热用户流量不足，即所谓近热远冷热力失调。消除这种热力失调 现象，必须对系统网路进行初调整。如果系统初调整较好，而循环水泵与系统不匹配， 流量太大或太小，必将引起热用户或散热设备一致失调，在某中程度下，对不同形式的 室内系统也容易引起热力失调。解决水力失调的办法，通常是用改变某些热用户进、出 口阀门开度和调整、匹配水泵来完成。 2 ) 热力失调的原因 系统实行分户热计量安装温控和热计量设备后，原来的稳态系统就变为动态系统。 如果没有动态调控设备，当某些用户主动调节用热量或散热器恒温阀自动动作时，就会 干扰其它环路的用热量，严重的还会产生振动和噪音。这种失调弊病不是先天性的，是 在各环路的调节过程中产生的，必须采用动态调控设备加以控制和消除，否则系统将难 以正常运行，但水力失调( 流量分配不均) 是影响系统供热效果的重要因素，是热力失 调的根本原因。 供热系统因水力失调即流量分配的不均匀引起用户水平方向和垂直方向的室温偏 差，热用户实际室温与其实际平均室温的偏差，反映了供热系统热力工况的失调程度。 若用实际室温，与实际平均室温f 。的比值定义热力工况的失调度x 一，则有 以2 芒 协5 ， 追求热力工况稳定，既不发生水力失调( 各热用户间或立管间) ，也不出现垂直失调， 使各供暖房间室温均匀一致，这是供热系统重要的控制目标之一。但是由于设计、施工 安装和运行等多种原因，目前我国供热系统普遍存在冷热不均现象。如何消除供热系统 的热力工况水平失调和垂直失调，保证用户供暖质量，实现按需供热，一直成为人们十 6 第二章供热系统分析 分关注的课题。 2 2 供热系统的参数测量 通过对供热系统特性的分析，为了追求热力工况稳定和水力工况不失调，积极地采 用各种调节手段，配合各种先进的控制策略，这已经成为供热系统的自动控制面临的难 题。但是，采用先进的控制方法，并结合供热系统的特性，用高精度的负荷预测和预测 控制相结合的控制策略，将该策略施加于供热系统，定会解决如何根据供热系统变参数 特性改变控制给定值等问题。 在供热系统参数测量中，微机化测量系统与智能仪表相结合，即是以微计算机为核 心，通过模数转换器及标准总线与智能仪表连接。在测量中，温度、压力、流量等热工 量经传感器( 或变送器) 变为模拟量，通过模数转换器变成对应的数字量，并由智能仪 表实现参数补偿、非线性修正等功能，再经由转换模块传送给监控计算机，操作人员根 据具体情况进行人机会话、故障诊断、识别工况等操作。如图2 2 所示，为供热系统数 据采集示意图，通过计算机自动检测，可以全面、及时地了解供热系统的运行状况，供 热运行的温度、压力、流量、热量等参数，避免以往的凭经验调节和调节滞后。 同时，通过对供热系统参量的实时监测，可以消除供热系统固有特性影响，增强系 统按需供热功能。计算机监控系统通过m c g s 组态软件开发，并配置供热系统热负荷预 测程序，则可根据前几天的运行参数、室外温度，预测将来下一段时间的供热负荷，进 而实现对系统的运行指导，在消除热系统滞后影响的同时，达到节能的目的，为整个供 热系统的优化运行提供基础。 o 温度传感器 熏x - q 转换模块卜- 一供热负荷预测子系统卜 供 被 据 测 量 - 1 压力传感器i - 采 热 集 1 系 参 数 - 流量传感器1 模 - q 通信模块h 供热管网监控子系统卜 统 i 1i 块 图2 2 供热系统数据采集示意图 2 3 供热系统的调节技术f 1 2 】 【1 5 1 由于供热系统中热用户的热负荷并不是恒定的，如供暖通风热负荷随室外气象条件 变化，热水供应和生产工艺用热随使用条件等因素变化。要保证供热质量，满足各热用 户要求，并使热能制备和输送合理，就要对供热系统进行运行调节也就是供热调节。 在供热系统中，供热热负荷是系统的最主要的热负荷，甚至是唯一的热负荷。因此， 在供热系统中，通常按照供热热负荷随室外温度的变化规律，作为供热调节的依据。 供热系统调节的目的是在保证热用户要求的条件下，使用户管网、热源之间的水力 工况和热力工况协调一致，既保证供暖质量，又不浪费燃料。目前，供热系统的调节大 体可分为两个方面，一是系统的初始调节，郐室外供热网络和室内系统的环路主支管的 调节，即对热源处的供热锅炉燃烧调节，使其流量和室内温度达到设计要求；二是运行 7 两安石油大学硕士学位论文 调节，即在管网运行期间，根据室外气温的变化，对供热系统的热媒流量和温度、供热 的时间进行调节，使系统的供热量和用户的需热量基本一致。 2 3 1 供热系统的初始调节【1 6 】 供热系统的初始调节，即供热锅炉燃烧调节的主要任务是保证水温的稳定，供热锅 炉房的热负荷预测是锅炉房中各锅炉负荷最优调度的一个重要的先决条件，对锅炉房热 效率的提高有直接的贡献。准确的热负荷预测也大大有利于改善锅炉自控系统的工作， 从而提高锅炉的效率、可靠性和经济性。首先分析供热负荷与环境气候参数及影响热负 荷其它因素( 如热惯性等) 之间的关系，研究供热系统的现场工艺，采用第五章混沌时 间序列预测的方法，建立热负荷预测模型，对供热负荷进行预测。在热负荷预测模型的 基础上，对多台锅炉并行运行的热负荷分配决策及协调控制提出解决方案。在此情况下， 传统的温度控制方案对此问题只能是定性的协调，无法进行定量的协调，因此根据预测 的热负荷分配控制策略，实现对供热系统的量化调节。 具体调节方法如下：根据供热系统的用热特点，供热系统应是一个随动参数控制系 统，即控制给定值应随着预测值的变化，将锅炉出水温度的设定值和预测热负荷的变化 及室外温度联系起来，以出水温度为调节信号，构成回路调节，调节输出控制炉排转速 和鼓风风量，即改变燃煤量和风煤比，使锅炉燃烧参数随之改变，达到锅炉出水温度和 给定值的一致。锅炉出口水温的给定值s p 由热网循环水流量、供回水温差等初始供热 管网设计值和不同地区的供热负荷给定。因为在同一室外平均温度下一天2 4 小时内室外 温度随时间变化还很大，因此s p 在一天2 4 小时内的不同时段内给定不同的值，可以分 时段控制，以达到更好的供热效果。 2 3 2 供热系统的动态调节1 7 】 【2 0 l 为实现按需供热，随室外气温的变化，进行供热系统供、回水温度、循环流量的调 节称为供热系统运行调节。传统的供热方式是“以产定销”，即供热公司根据气温变化， 确定供热量，并按面积分配到用户，每个用户的流量是不变的，通过改变供水温度来改 变供热量，即“质调节”。采用分户控制热表计量后，调节方式变为“量调节”，用户通 过调节流量来调节用热量。供热系统的运行调节常用的一般有以下四种方法：质调节、 量调节、分阶段改变流量的质调节、间歇调节。 1 ) 质调节 在运行期间，在供热期间不改变循环流量的状态下，即系统流量g = g ，或循环流 量万= 昙= l ，随着室外温度的变化只调节系统供、回水温度t 。、乙称为质调节。系统 供、回水温度，。、t 。为： 铲”如一，文麓) i ，( 1 叩+ 华( 剖 协6 ， 第二章供热系统分析 例。+ 抄一，： ( 糟) l ( i 邮一半( 剖 协7 ， 式中：，供热系统供水温度， f 。一供热系统回水温度， f 。一室内计算温度， r 。一室外温度， f ：一设计工况下的供水温度， f ：一设计工况下的回水温度，c ， ，：一设计工况下的室内计算温度， r ：一设计工况下的室外计算温度，。 利用上述公式进行工程设计尚可，但是作为热网运行调节的依据还远不能满足要求。 首先，质调节曲线中的室外计算温度为一个平均温度，运行人员无法进行调节；另外， 根据历年来气象资料统计制定的温度运行曲线在实际运行中往往会出现过冷或过热现 象。因此，制定一条根据气象预报进行温度调节的曲线对于热网运行是至关重要的。通 常供热中所提到的室外计算温度为日平均温度，而气象预报所报的只是室外最低温度， 这就需要确定出两者之间的关系。质调节的优点是只调节水温，不必调节流量，热力工 况较稳定。但是，质调节也有运行电耗较大的缺点。 2 ) 量调节 量调节是在热源处随室外温度的变化，不断改变网路循环水量，但网路的供水温度 保持不变，即f g = t ：。此时，相对循环流量虿和回水温度“按如下式计算： 晒以“1 等l 百= ( 2 - 8 ) 。5 以“砌n l 糟j “2 “一也“一。 【箍j 协” 在采用量调节时，随着室外温度的升高，网路水流量减小，可减少循环水泵的电耗。 但是在实际的运行调节中，很少采用它，原因是网路水流量的大幅度变化循环流量过小 时，使整个系统产生热力工况垂直失调，同时循环水泵也不是可以无量级调节水量的。 量调节往往作为质调节的一种辅助方式，对局部供热系统作辅助性的调节。 3 ) 分阶段改变流量的质调节 分阶段改变流量的质调节是在采暖期中按室外温度的高低分成几个阶段。在室外温 度较低的阶段保持较大的流量，在每一个阶段内网路的循环水量不变，运行调节采用改 变网路供水温度的质调节。这种调节方法是质调节和量调节的结合，分别吸收了两种调 节方法的优点，又克服了两者的不足。 9 西安石油大学硕士学位论文 4 ) 间歇调节 当室外温度升高时，不改变网路的循环水量和供水温度，而只减小每天供暖的时数， 这种调节方式称为间歇调节。供热系统每天的供热小时数，随室外温度的升高而减少， 它可按下式( 2 1 0 ) 计算： 脚4 箍t 沼 ：一，： 式中： 胛一每天的供热小时数，h d ， ，：一间歇供热时采用的供水温度相对应的室外温度， f 。一设计工况下室内计算温度，。 在这里要注意，间歇调节和目前国内广泛实行的间歇供暖制度是根本不同的。间歇 供暖指的是在设计工况，也就是在最冷的日子里，每天也只供暖若干个小时，因而必须 使一切设备的输出能力相应增力口。间歇调节指的是在设计工况时为连续供暖，仅在室 外温度升高时才减少供暖时数。 2 4 本章小结 本章主要对供热系统工艺流程进行了介绍，详尽地对其系统特性进行了分析，分别 对管网的阻力特性、水力工况、热力工况的影响因素进行了定性的分析和公式推导，并 给出了供热系统调节手段选取的理论依据和计算依据，从中也推论出对热负荷产生影响 的因素，这恰恰对后续章节中热负荷预测有十分有益的启示，最后对供热系统中微机测 量技术的应用进行了简单的讨论，并利用预测热负荷值作为设定值去优化调节供热系统， 从而真正地起到节能和提高供热质量。 1 0 第三章基于g p r s 的供热管网监控系统实现 第三章基于g p r s 的供热管网监控系统实现 3 1g p r s 系统简介 3 1 1g p r s 概述 g p r s 是通用分组无线业务g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的英文简称【2 l 】，是在现有 g s m 系统基础上发展出来的一种新的网络业务，其数据速率平均可达到l1 5 k b p s 。g p r s 采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一个无线信道又可以由多个 用户共享，实现资源有效的利用，从而实现高速率数据传输。 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以实现与i