供热系统的整体动态仿真优化及应用

邓跃军

(哈尔滨物业供热集团有限责任公司, 哈尔滨 150010)

0 引 言

区域供热在我国北方地区属刚性需求,在满足冬季供热需求时,无疑消耗了大量能源,也不可避免地带来了巨大环境污染。在整个北方地区,采暖季二氧化碳年排放量大数约在10亿t,占到全国碳排放总量的10%左右[1]。要降低供热系统运行碳排放,应从供热系统角度出发,制定切实可行的整体解决方案。除专项规划、系统设计、工程建设、系统维护等外,针对系统运行过程中的节能减排业已成为供热领域关注的重点课题之一。

鉴于问题的复杂性,众多专家和学者从各自角度对运行方面进行了深入研究和探索,得出诸多有益的结论[2-6]。刘思源等[7]探讨了各种干扰对换热站的影响,分析了换热站的热力特性。张永军等[8]仿真研究了换热站的精细化控制策略,应用室内温度等多参数补偿可获取最佳控制精度和经济效益。朱冬雪等[9]针对室内温度分布不均等问题,运用不同控制策略调节散热器入口、调节阀开度,采用BP神经网络PID控制的方法得出对热用户室温调节效果更佳,对系统设计和应用具有重要意义。

通过检索发现,涉及到整体供热系统动态建模、运行控制、系统仿真及应用实践的文献较少。笔者基于能量和质量守恒定律创建供热系统完整动态数学模型,以此为基础进行动态仿真、控制策略模拟优化、能耗分析和平衡评估,并在此理论的指导下,应用到实际供热系统运行和控制中,得到节能减排效果。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立

文中研究对象为某区域供热系统,包括一座燃煤锅炉房和三座换热站,一次和二次网均为直埋敷设,热用户散热装置均为对流散热器。区域供热系统物理模型,如图1所示。供热系统总供热面积为233 144 m2,设计热负荷为11.27 MW。热源燃煤锅炉额定热功率为14 MW,额定热效率为73 %。供热系统设计参数,如表1所示。图1中:uf为热源燃料控制变量;u1为热源一次网循环流量控制变量;θo为室外温度,℃;θsb、θrb为热源的供回水温度,℃;θs21、θs22、θs23为第1至3座换热站二次网供水温度,℃;θr21、θr22、θr23为第1至3座换热站二次网回水温度,℃;θr11、θr12、θr13为第1至3座换热站一次网回水温度,℃;θz1、θz2、θz3为第1至3座换热站室内温度,℃;u11、u12、u13为第1至3座换热站一次侧流量控制变量;u21、u22、u23为第1至3座换热站二次网循环流量控制变量。

表1 供热系统设计参数

图1 区域供热系统物理模型Fig.1 Physical model of a district heating system

表1中:θzd、θod为室内外设计温度,℃;θs1d、θr1d为热源供回水设计温度,℃;θs2d、θr2d为换热站二次网供回水设计温度,℃;q1d、q2d、q3d为第1至3座换热站设计热负荷指标,W/m2;F1、F2、F3为第1至3座换热站供热面积,m2;c1、c2、c3为第1至3座换热站散热器传热系数试验中的系数。

1.2 动态数学模型的建立

建立在能量守恒和质量守恒定律的基础之上,此供热系统整体动态数学模型的建立简化了复杂的推导和计算,并做了如下的简化[2-3]:

(1)忽略管网保温散热和补水损失;

(2)部分参数采用集总参数计算;

(3)由于管网相对较短,忽略其传输延迟影响;

(4)仅考虑南向外窗的太阳辐射;

(5)三座换热站中热用户室内得热量数据均相同。

经过了以上条件的简化,系统动态数学模型的建立还需要考虑,如控制体动态变量、热源锅炉动态模型、换热站中换热器动态模型以及建筑物室内空气动态模型等约束方程才能完整地建立,具体的考虑如下。

考虑供热系统特性、传热过程和建筑物热惰性等因素,确定动态模型控制体分别为热源锅炉、换热器一次侧和二次侧、热用户散热装置、建筑物室内空气,动态变量,热源供水温度,θsb,换热站一次网回水温度,θr1i,换热站二次网回水温度,θr2i,换热站二次网供水温度,θs2i,换热站室内温度,θzi。其中,i为各换热站,i=1～3。

热源锅炉动态模型为

(1)

式中:Cy——热源锅炉热容,W/℃;

t——时间,s;

Gfd——热源燃料额定流量,kg/s;

αHV——燃料热值,J/kg;

ηb——热源锅炉热效率;

cw——水的比热,J/(kg·℃);

G11d、G12d、G13d——换热站一次网设计循环流量,kg/s。

换热站中换热器及散热器动态模型为

fxiUxiθi,

(2)

cwu2iG2id(θs2i-θr2i),

(3)

fhiUhi[0.5(θs2i+θr2i)-θzi](1+ci),

(4)

式中:Cx1i、Cx2i——换热器一次/二次侧热容,W/℃;

u1i、u2i——换热器一次/二次侧循环流量控制变量;

fxi——换热器传热面积富裕系数;

Uxi——换热器综合传热系数,W/℃;

θi——换热器对数平均温度,℃;

G1id、G2id——换热器一次/二次侧设计循环流量,kg/s;

Chi——热用户散热装置热容,W/℃;

fhi——热用户散热装置散热面积富裕系数;

Uhi——热用户散热装置综合传热系数,W/℃;

ci——热用户散热装置传热系数试验中的系数。

建筑物室内空气动态模型为

Fiqz-Uei(θzi-θ0),

(5)

式中:Cai——热用户散热装置的热容,W/℃;

Fni——建筑物南向外窗面积,m2;

Fi——供热面积,m2;

qn、qz——南向太阳辐射及热用户室内得热强度,W/m2;

Uei——建筑物综合传热系数,W/℃。

整体动态数学模型由以上的约束公式构成,其动态变量涵盖了供热系统的热源供水温度、换热站的一次侧回水温度及其二次侧的供回水温度、热用户室内温度。当创建的系统动态数学模型经验证后,即可用于动态仿真、控制过程分析、能耗分析和平衡评估等。

2 模型的验证与参数的获取

当动态模型不考虑换热器传热面积及建筑物散热装置传热面积的富裕系数时,称之为系统理想动态数学模型。为校验该供热系统创建的理想动态数学模型的准确性,在设计室外温度、不考虑太阳辐射和室内得热、热网循环流量均为设计流量以及锅炉燃料控制变量为0.897时,理想模型的动态响应,如图2所示。由图2可见,热源锅炉的供回水温度、各换热站一次侧回水温度、二次侧供回水温度及室内温度在达到稳态后均达到设计参数,说明此供热系统动态模型在设计工况下具有足够的精度性。系统达到稳态的时间约为7 h。

图2 理想模型的动态响应Fig.2 Dynamic response of ideal model

当考虑换热器传热面积及建筑物散热装置传热面积的富裕系数时,称之为系统实际动态数学模型,且模型中包含一次/二次网实际循环流量对系统动态响应的影响。实际动态模型中换热站1#、2#和3#的换热器传热面积富裕系数分别为1.24、1.22和1.31,建筑物散热装置传热面积富裕系数分别为1.29、1.32及1.4。在设计室外温度、不考虑太阳辐射和室内得热、热网循环流量均为设计流量及锅炉燃料控制变量为0.892时,动态模型的动态响应,如图3所示。

图3 实际模型的动态响应Fig.3 Dynamic response of actual model

热源供回水温度稳态值分别为88.12和48.57 ℃。换热站1#、2#和3#的一次侧回水温度稳态值分别为48.87、48.37和47.22 ℃。换热站1#、2#和3#的热用户室内温度稳态值分别为17.18、17.73和18.98 ℃,其平均值为17.96 ℃。在满足热用户室内温度平均值为设计参数时,实际动态模型动态响应中热源供回水温度低于设计参数,主要原因为换热站和散热器传热面积富裕值所致;其次是换热站的个性化差异导致热用户室内温度不同。因此,要保证各换热站热用户室内温度一致,必须考虑各换热站个性化参数对系统运行的影响,仅通过热源输出热量控制是不可能满足各换热站的热用户室内温度同时达到设计室内温度标准。

通过实际动态模型模拟换热站在平均室内温度为18 ℃时,获取不同室外温度时的热源供水温度和各换热站供回水温度,如表2所示。

表2 热源及热力特性参数

3 供热系统控制策略

为便于比较控制过程和能耗分析[10-12],文中采用两种控制策略对此供热系统进行合理化控制:原有控制工况及优化控制工况。原有控制工况:热源通过调节锅炉燃料供应量控制其供水温度,供水温度设定值来源于经验数据;换热站一次侧循环流量为定流量运行,第1#至3#换热站一次网循环流量比分别为1.09、1.13和1.11;换热站二次网循环流量为定流量运行,第1#至3#换热站二次网流量比分别为1.52、1.41及1.56;二次网水力失调状态。

优化控制工况:热源通过调节锅炉燃料供应量控制其供水温度,供水温度设定值来源于系统动态模拟数据;换热站一次侧循环流量通过其室内温度补偿控制;换热站二次网循环流量采用自力式流量平衡方式,各换热站二次网循环流量比均设定为1.15,定流量运行;二次网水力平衡状态。

结合这些控制回路因素,可以得到如下的经验化的控制策略[13-15]为

(6)

式中:P*——控制策略;

kQ*——二次网水力平衡状态,对于原有控制工况,k值不为1;优化后的控制工况,k值取为1。

热源供水温度通过调节锅炉燃料供应量来实现,热用户室内温度通过调节换热站一次侧循环流量来保障。经典控制算法中,热源供水温度及换热站一次侧循环流量控制均采用典型PI控制器,其控制算法[16]为

(7)

式中:u——控制变量;

kp、ki——控制器中的比例和积分常数;

θsp、θmd——控制温度的设定和实测值。

4 控制策略优化仿真与评估

4.1 控制策略仿真条件

根据已有的数据和控制工况,现将控制策略的仿真条件描述如下。连续两天的室内外环境参数如图4所示。图4a为室外温度,图4b分别为南向太阳辐射(qn)和室内得热(qz)。采用供热系统实际动态数学模型进行仿真。室内温度控制指标为20 ℃。

图4 连续两天的室内外环境参数Fig.4 Indoor and outdoor environmental parameters for two consecutive days

4.2 控制策略动态仿真

对于原有控制工况而言,仅采用热源供水温度控制,一次、二次网均采用定流量运行,二次网为水力失调状态。此时供热系统的动态仿真,如图5和6所示。

不考虑前3 h系统初始值的影响,由图5a可知,热源供回水温度范围分别为72.92～83.99 ℃和46.90～53.77 ℃。图5b显示了各换热站二次平均温度(θw)相差1.3～2.5 ℃。从图5c可知,室内温度偏离控制目标值范围为-0.69～8.60 ℃,且各换热站室内温度偏差并不相同。图5d显示了热源燃料控制变量的动态变化,其平均燃料消耗为0.836。室内温度动态响应说明原有工况难以满足热用户室内温度热舒适性需求,且既没有充分利用系统额外太阳辐射和室内的热量,也增加了系统能耗。

鉴于原有控制工况在热用户热舒适性和系统能耗方面的缺陷,需要对原有控制方式进行改进和优化,在满足热用户室内温度控制指标的前提下,既保证系统稳定运行,也最大程度降低供热系统的热耗和电耗[17-18]。

优化控制工况应用的前提条件是二次网实现水力平衡[19],文中采用在建筑物单元热力入口处安装自力式流量平衡装置,根据各控制节点的设计流量调节自力式装置开度,实际设定流量为设计流量的1.15倍,以便实现水力平衡的需求。换热站一次侧循环流量由室内温度控制,其二次网为定流量运行。与原有控制工况的模拟条件相同,优化控制工况的动态响应,如图6所示。

图6 优化控制工况动态响应Fig.6 Optimize dynamic response of control conditions

由图6a可见,热源供回水温度范围为75.90～86.67 ℃和38.76～46.76 ℃,相对于原有控制工况,热源供水温度上升,回水温度降低,既提高了一次网温差,也改善了热源锅炉的传热效率。由图6b可见,对比原有控制工况,各换热站二次平均温度大幅度降低。由图6c可见,室内温度与控制目标的偏差范围为-0.52～0.15 ℃,与原有控制工况相比,具有显著改善。由图6d可见,热源燃料控制变量的动态变化,其平均燃料消耗为0.776,计算热源节热量为7.18 %。

各换热站一次网循环流量控制变量的动态响应,如图7所示。从图7可知,换热站1#～3#一次侧流量控制变量控制信号的平均值分别为0.72、0.73和0.70。

图7 一次侧流量控制变量动态响应Fig.7 Dynamic response of primary side flow control variables

4.3 平衡状态估计与能耗分析

4.3.1 供热系统热力平衡状态估计

热力平衡度采用换热站热用户室内温度实际值与其控制指标之间的偏差计算,计算公式为

(8)

式中:Brl——热力平衡度;

1——完全平衡;

θzsp——室内温度控制指标。

采用动态模型对原有和优化控制工况进行仿真后,得到这两种工况的热力平衡率动态响应,如图8所示。在白天存在太阳辐射时,由于原有控制工况没有室内温度补偿控制,导致其热力平衡度较低。当优化控制工况采用室内温度补偿控制时,其平衡度显著提高,达到0.98以上,满足热用户热舒适性需求。

图8 系统热力平衡度Fig.8 System thermodynamic balance

4.3.2 供热系统水力平衡状态估计

水力平衡度采用换热站热用户室内温度实际值的一致性偏差进行计算,计算公式为

(9)

式中,Bsl——水力平衡度。

采用动态模型对原有和优化控制工况进行仿真后,得到这两种工况的水力平衡率动态响应,如图9所示。

图9 系统水力平衡度Fig.9 System hydraulic balance

原有控制工况的水力平衡度处于0.91～0.96之间,当采用优化控制工况时,其平衡度稳定在0.99以上,二次网水力平衡满足系统优化控制需求。

4.3.3 系统能耗计算与实际供热系统

通过动态模型仿真,对两种控制策略的能耗进行计算、分析和比较,如表3所示。

表3 供热系统能耗分析比较

表3中:G1为一次网循环流量,T/h;E1为一次网电耗比,%;G2i为i#二次网循环流量,T/h;E2i为i#二次网电耗比,%。

基于上述完整供热系统动态数学模型创建、动态仿真和研究成果,将其优化控制理论应用于哈尔滨物业供热集团所属哈尔滨市鑫远物业管理公司地德里小区供热节能示范项目,示范项目主要内容包括:热源数据监测、一次/二次网水力平衡、换热站及热用户的数据监测、优化控制和管控调度平台建设。项目总供热面积为44.23万m2,4台燃煤锅炉,热用户为经济适用住房。总体建设目标为在满足热用户热舒适性情况下,实现系统整体管控、安全平稳运行、数字化、降低运行人员劳动强度和系统总体节能降耗,降低污染物排放。

基于示范项目前后两个供热年度运行数据收集和对比,采用文中所述的系统优化控制策略,取得比较明显的节能效益:实际节热率、实际一次网和二次网节电率分别为11.7%、24.1%和33.2 %,热用户室内温度合格率为98.6 %,达到了预期目标。

5 结 论

(1)基于质量守恒定律和能量守恒定律建立了完整的供热系统动态数学模型,进行了相应的系统动态仿真模拟,验证了供热系统的正确性,在设计工况下具有足够的精度性。

(2)采用室内温度补偿控制的优化控制工况下,可获得明显的系统节热7 %,和节电46%～60%的效益。

(3)将系统优化控制理论应用到实际工程中,可实现节热率、一次网及二次网节电率分别为11.7%、24.1%和33.2 %,并且用户室温合格率达到98.6 %。