阅读说明：本技术 一种供热管网系统及其调控方法 (Heat supply pipe network system and regulation and control method thereof ) 是由 李光禄 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种供热管网系统及其调控方法,该系统包括热源厂端、一次网、换热站、二次网、若干热用户端和集控中心,换热站分别与一次网和二次网连通,二次网连接换热站和热用户端；一次网两端分别为混水端和一次网换热端,混水端通过双向混水器与热源厂端连通,混水端的回水管上安装一次网水泵组；一次网换热供水管和换热回水管之间并联循环旁路,循环旁路上安装第一送热调节阀,循环旁路与换热回水管之间安装第二送热调节阀,第一送热调节阀与第二送热调节阀的开闭状态为负相关,循环旁路下游安装水力调节泵。本发明可实现热源厂端与一次网侧的流量控制解耦,实现热源厂端按锅炉需求调节流量,一次网侧按管网需求调节流量。(The invention discloses a heat supply pipe network system and a regulation and control method thereof, wherein the system comprises a heat source plant end, a primary network, heat exchange stations, a secondary network, a plurality of heat user ends and a centralized control center, wherein the heat exchange stations are respectively communicated with the primary network and the secondary network, and the secondary network is connected with the heat exchange stations and the heat user ends; the two ends of the primary net are respectively provided with a water mixing end and a primary net heat exchange end, the water mixing end is communicated with a heat source plant end through a bidirectional water mixer, and a primary net water pump set is arranged on a water return pipe of the water mixing end; a circulation bypass is connected in parallel between the primary network heat exchange water supply pipe and the heat exchange water return pipe, a first heat supply regulating valve is installed on the circulation bypass, a second heat supply regulating valve is installed between the circulation bypass and the heat exchange water return pipe, the opening and closing states of the first heat supply regulating valve and the second heat supply regulating valve are in negative correlation, and a hydraulic regulating pump is installed at the downstream of the circulation bypass. The invention can realize the flow control decoupling of the heat source plant side and the primary network side, realize the flow regulation of the heat source plant side according to the boiler requirement and the flow regulation of the primary network side according to the pipe network requirement.)

一种供热管网系统及其调控方法

技术领域

本发明涉及供热系统技术领域，尤其涉及一种供热管网系统及其调控方法。

背景技术

现有的热网系统架构中，主要采用一网直供和二网间供两种形式，其运行时通常都会为了满足最不利端用户的需求而设置保障性的系统运行方案，进而的,必然会形成不利端用户刚满足需求的情况下，有利端用户的过度送热，和输送过程的能耗居高不下，具体表现如下：

管网负荷持续高位所带来的热能浪费和动力电能的过度消耗。诸如此，在实际热网运行中带来了一系列不利且不易周全的系统不足，具体表现如：

热电联产的热源厂由于用电需要，其高峰工作时段在白天，晚上则为低谷时段，随之所产生的热也是在白天时多，晚上时少，而热用户用热的需求却正好相反，白天为用热低谷，晚上为用热高峰，在现有的供热系统中，热网只起到输送作用，为保证系统水力平衡，是得到多少热就送出多少热的原则，即以保证相对恒定的供回水温度为依据进行系统调节，但由于白天有阳光，夜间失温多的不利影响，不可避免的对热源厂形成了与其自身峰谷时段相逆的热需求。所以，热源厂为解决此问题的方式通常为：白天余热通过冷却塔等手段释放掉，晚上增大机组功率来生产更多的热能以供需，一放一增，能源的浪费巨大。

热用户端的散热形式通常是传统壁装暖气或地暖等，其自身为被动式散热形式，通常不具备随环境温度变化改变散热功率的能力，即：有多少热散多少。因此，当热网所供热量高于需求热量时，必然造成了过度放热，既影响用户的舒服感，同时造成了热能的浪费。

热网的系统由于其范围、规模的庞大和结构的复杂，常规运行中最难但却最要保障的就是水力平衡，即通过管网中的设备去调节管道内不同位置的压力，进而实现供水管道中的热源水有效、平衡的通过管网中的每一处用户端后回到回水管道，并进一步的回到热源厂实现循环。进一步的，通过上述水力的动作，将热有效、按需的分配到热用户处。为达到这一目的，通常是在每个供暖季开始阶段都需要大量反复调节各线及支路上的泵、阀等设备去达到系统中水力平衡目的，而随着每年用户、热源、环境等因素的变化，此项繁杂的工作也必然在每个供暖季都要重新进行，而由于现有供热管网的结构所致，此工作的难度甚至会使调整工作在整个取暖季都难达到最优。基于此，现有供暖系统则不得不以“保最低需求”的方式运行，从而造成大量能源浪费。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是公开一种供热管网系统及其调控方法，以解决城市集中供热存在的供热不稳定，调节难度大的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种供热管网系统，包括热源厂端、一次网、换热站、二次网、若干热用户端和集控中心，换热站分别与一次网和二次网连通，一次网连接热源厂端和换热站，二次网连接换热站和热用户端；

一次网两端分别为混水端和一次网换热端，混水端通过双向混水器与热源厂端连通，混水端的回水管上安装一次网水泵组；一次网换热端与换热站连通，其包括换热供水管和换热回水管，换热供水管和换热回水管之间并联循环旁路，循环旁路上安装第一送热调节阀，循环旁路与换热回水管之间安装第二送热调节阀，第一送热调节阀与第二送热调节阀的开闭状态为负相关，循环旁路下游安装水力调节泵；

集控中心分别与双向混水器、一次网水泵组、第一送热调节阀、第二送热调节阀和水力调节泵控制连接。

供热管网一次网是指连接热源厂到二次网换热站的主管网，随着其带动供热面积和用户单位的增多，其规模通常也是顺势庞大，管控难度也随之增加，即管网越长、用户越多、支线越复杂、设备数越大，其水力惰性也越大，调节水力平衡的过程也越难控制。本发明针对一次网的管理方法在技术上较现有技术有明显差异，旨在提高一次网中“热量”与“水力”的分别高内聚性，从而实现“热量”与“水力”的高解耦调节控制方法,将一次网设定为“供水”+“回水”双向通道，类似高速公路的双向车道，而将热源厂和二次网换热站视为该双向通道上途经的站点，控制过程在技术上是通过改造双向通道的进出口匝道形式来实现“热量”与“水力”的高解耦调节控制方法，进而实现在“水力”状态锁定的前提下，实现“热量”调节，即在水力平衡状态锁定的前提下，实现热的解耦调节。通过上述技术方案，实现了热源厂端与一次网侧的流量控制解耦，实现热源厂端按锅炉需求调节流量，一次网侧按管网需求调节流量，而非传统的将一次网侧流量调节的前提锁定在锅炉的需求上(电厂余热方式)或将锅炉状态随一次网侧的需求进行调节(锅炉供热方式)。其最大的好处在于：电厂余热方式下，解决了电厂锅炉日间高夜间低的运行模式与日间低夜间高的供热需求矛盾；锅炉供热方式下，可实现锅炉相对稳定方式运行，而非日间低夜间高的大波动调节运行。

进一步地，热源厂端包括连通的热源供水管、锅炉机组、机组水泵组和热源回水管，热源回水管上并联补水装置。

进一步地，双向混水器内部结构呈全空腔或可调孔板，分别连通热源供水管、锅炉机组回水管、混水端供水管和混水端的回水管。

通过上述技术方案，实现热源厂端锅炉冷却的小循环水路与一次网侧大循环水路的高效换热，即可在一次网侧低流量的情况下，将锅炉冷却的小循环中的热量快速换出至一次网侧的大循环水路中，以保证锅炉冷却水回水温的安全值。在此过程中，由于一次侧的水量极大，锅炉冷却小循环所换出的热量由一次网侧管网中的巨大水量所吸储。通过上述技术方案，可以根据锅炉运行和当季热网负载的具体情况灵活的设置混水器的换热量和热饱和度。从而实现了热源厂小循环与一次网侧大循环水系的有效热交换。

进一步地，二次网包括用户供热端和与换热站连通的二次网换热端，二次网换热端上并联换热旁路，换热旁路上安装换热旁通阀，二次网换热端管路上安装二次网循环泵，二次网与热用户端的入户管路上安装立管总阀，换热旁通阀、二次网循环泵和立管总阀分别与集控中心控制连接。

通过上述技术方案，二次网的水力平衡在热用户稳定的情况下是相对稳定的，其平衡分配调节可在每个取暖季开始阶段小范围快速完成，其后的变热运行，可通过一次网的热送出可变调节方式实现，为受热多少送出多少的方式。在节能目的的驱使下，可在保证热送出量的前提下，尽可能低的设置所二次网循环泵的工作频率，以降低能耗，同时，不会影响二次网4中的水力平衡状态。

进一步地，热用户端包括管路上依次连通的入户锁闭阀和散热器，散热器上安装户内温度表，入户锁闭阀安装在立管总阀的下游支线上，户内温度表与集控中心控制连接。

通过上述技术方案，以末端调节的方式，实现了二次网水利平衡的精细控制，使最小调节精度细化到每户，解决了传统方式中只能依靠站区/楼前调节的模式，有效果规避了底/顶/边户等不利端的供热不足和为了保不利端而牺牲的有利端户超供的热损失，是实现节能的最有力控制。

一种上述任一供热管网系统的供热管网调控方法，该调控方法包括以下步骤：

S1、基于一次网与热源厂间进行热交换调控的双向混水端的混水比例控制，在发电高峰时段产热多，一次网水温为t1，在用电低谷时段送热多，一次网水温为t2，80℃≤t2＜t1≤130℃；

S2、基于连接热源厂端和换热站的一次网在换热站设置并联的主换热管路和循环旁路比例控制，在用电高峰时段，开启正常流量v％的循环旁路并开启1-v％的主换热管路；在用电低谷时段，开启正常流量u％的循环旁路并开启1-u％的主换热管路，0≤u<v≤100。

S3、基于连接换热站端和热用户端的二次网在位于换热站端的循环泵调控，在用电高峰时段和用电低谷时段，二次网水温保持基本恒定输出。

通过上述技术方案，通过第二送热调节阀控制换热管路，进而一次网侧进入板式换热站的流量，进而实现了一次侧向二次侧输送热量值的控制；通过第一送热调节阀补控制循环旁路，补充打开第二送热调节阀所阻多余流量，即第一送热调节阀和第二送热调节阀的组合式工作模式(组合开度比例)实现了在一次侧进入当前站区流量不变的情况下，可控的调节了一次侧向二次侧所输出的热量值。实现了一次侧到二次侧换热站调节工作中流量与热量的解耦，实现了流量不变的前提下调节热量，进而解决了传统换热站中一次侧输出调节对一次侧管网所带来的水力平衡影响，为按需调节、高频调节、区位调节的实现打好了基础。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、挖掘“热惰性”的不利特点，将其放大并充分利用，进而实现顺势的将热网热能进行弹性吞吐的调度机制，其目的是通过最小的投资和管理环节，实现功能和效率都最优化的热网运行；

2、本发明对热源厂的要求大幅降低，使其从随需调控改变为顺势运行，自由输出热能，大幅降低了热源厂运行的要求，和系统调控难度及调度频率；将热能随时输送给一次网，不再需要通过冷却塔释放掉多余的热能，大大节约了能耗；

3、本发明使一次网在自身水力平衡状态保持的情况下实现顺势自适应的热能输入和可控输出，具体的，即一次网在承担输送热能作用的同时也成为了储蓄热能的“热池”，且容量巨大；技术上实现了热能的弹性吞吐，即解决了热电热源的峰谷错时问题，也为同管网多热源的异步峰谷提供了热能自适应接收并存储；

4、本发明在一次侧端清晰的解耦了水力和热能的调控关系，从而实现了一次网对二次网的可控热输出方式；且基于所述一次网送热调节阀组的实时调节功能，可以高频次的调节动作来精细的对应在天气、日照、环境等因此影响下的供热效果响应；即有效提高了室温的稳定舒适度，更有效的节约了由于过度放热带来的巨大能耗；

5、以需调网、以荷变储的集成互补集控中心所带来的运行管理模式，是将系统性问题集权调控的有效方法，即降低了现场运维人员的工作强度和难度，也在更高一个层面实现了全局观下的系统智能调度，将管理手段提升到一个新的高度。

附图说明

图1为本发明的供热管网系统的整体结构示意图；

图2为本发明体现热源厂端结构示意图；

图3为本发明中换热站结构示意图；

图4为本发明体现热用户端结构示意图。

图中，1、热源厂端；11、双向混水器；12、热源供水管；13、锅炉机组；14、机组水泵组；15、热源回水管；16、补水装置；2、一次网；21、混水端；22、一次网换热端；221、换热供水管；222、换热回水管；23、回水管；24、一次网水泵组；25、循环旁路；26、第一送热调节阀；27、第二送热调节阀；28、水力调节泵；29、供水管；3、换热站；4、二次网；41、用户供热端；42、二次网换热端；43、换热旁路；44、换热旁通阀；45、二次网循环泵；46、立管总阀；5、热用户端；51、入户锁闭阀；52、散热器；53、户内温度表；6、集控中心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1至图4所示，一种供热管网系统，包括热源厂端1、一次网2、换热站3、二次网4、热用户端5和集控中心6，换热站3分别与一次网2和二次网3连通，一次网2连接热源厂端1和换热站3，二次网4连接换热站3和热用户端5。

一具体实施例中，热源厂端1包括连通的热源供水管12、锅炉机组13、机组水泵组14和热源回水管15，热源回水管上并联补水装置16。

如图2和图3所示，一次网2两端分别为混水端21和一次网换热端22，混水端21通过双向混水器11与热源厂端1连通，优选地，双向混水器11内部结构呈全空腔或可调孔板，分别连通热源供水管12、热源回水管15、混水端的供水管29和混水端回水管23。在系统运行期间，锅炉机组13工作状态所需要的流量控制通过机组水泵组14及其配套阀门实现定量及分配调节；一次网2的水循环流量及压力控制由一次网水泵组24实现调节。由于有了双向混水器11的交叉混水作用，可以实现锅炉机组13循环水量与一次网2的循环水量的异步控制，从而实现热源机组与一次网具有不同流量的分别控制能力。进一步解耦了现有系统结构中没有混水器所带来的供热机组流量即一次网流量的约束关系；同时，机组可以根据自己生产的情况进行小循环的调整，而不会影响到一次网的水力平衡状态。一次网2的水力平衡调节不再受热源厂端1由于工况切换或供电峰谷所带来的调节影响，实现解耦。

混水端的回水管23上安装一次网水泵组24；一次网换热端22与换热站3连通，其包括换热供水管221和换热回水管222，换热供水管221和换热回水管222之间并联循环旁路25，循环旁路25上安装第一送热调节阀26，循环旁路25与换热回水管222之间安装第二送热调节阀27，第一送热调节阀26与第二送热调节阀27的开闭状态为负相关，循环旁路25下游安装水力调节泵28。各段管上还安装压力表和温度表，压力表和温度表与集控中心6连接。

第一送热调节阀26和第二送热调节阀27组合一次网送热调节阀组，其组合关系为第一送热调节阀26的打开程度即为第二送热调节阀27的闭合程度，反之，第一送热调节阀26的闭合程度即为第二送热调节阀27的打开程度，如：第一送热调节阀26的打开程度为30％，第二送热调节阀27的闭合程度为30％(打开程度为70％)，同步开闭。其作用是在不影响一次侧管网流量的基础上实现控制一次侧热源水进入换热站3的流量，进而控制了一次侧管网给二次网4输送的热量多少。与此同时，在一次网送热调节阀组下游，设置了一次网水力调节泵28，其作用是用来设定当前换热站3的一次网侧的水力总量，进而将一次网2通过当前换热站3的水力平衡形式从调节变为设定，从而更好的保证了一次网2的水力平衡状态。同时，通过一次网的水力调节泵28对当前换热站3的一次网侧水量的设定，保持一次侧供热管网水力平衡的稳定状态，同时利用一次网送热调节阀组的组合控制，可以动态的调节一次侧管网在当前换热站的热量送出，实现了调节送热量而不影响水力平衡的高智能解耦控制。

集控中心6分别与双向混水器11、一次网水泵组24、第一送热调节阀26、第二送热调节阀27和水力调节泵28控制连接。

如图3和图4所示，优选地，二次网4包括用户供热端41和与换热站3连通的二次网换热端42，二次网换热端42上并联换热旁路43，换热旁路43上安装换热旁通阀44，二次网换热端42管路上安装二次网循环泵45，二次网4与热用户端5的入户管路上安装立管总阀46，换热旁通阀44、二次网循环泵45和立管总阀46分别与集控中心6控制连接。进一步优选地，热用户端5包括与二次网4的用户供热端41管路依次连通的入户锁闭阀51和散热器52，散热器52上安装户内温度表53，户内温度表53安装在散热器52所覆盖区域内，入户锁闭阀51安装在立管总阀46的下游支线上。

立管总阀46设置于二次网4的主线上，并由此分出支线供给到所覆盖的热用户处，实现着二次网4水力平衡的主要调节功能。入户锁闭阀12在所述立管总阀11的下游支线上，直接实现着所在支线水力平衡调节的设置功能，同时，间接的实现着所在二次网4水力平衡的终端调节功能。如图2所示，换热站3的二次网4总体流量由二次网循环泵45的工作频率调节控制。综上所述，二次网4的水力平衡在热用户稳定的情况下是相对稳定的，其平衡分配调节可在每个取暖季开始阶段小范围快速完成，其后的变热运行，可通过一次网2的热送出可变调节方式实现，为受热多少送出多少的方式。进一步的，在节能目的的驱使下，可在保证热送出量的前提下，尽可能低的设置所述二次网循环泵45的工作频率，以降低能耗，同时，不会影响二次网4中的水力平衡状态。在一个完整的二次网系统中，通常包括一个换热站3和一套二次侧循环泵45，以及多个分布的立管总阀46引出的支线，在此结构中，立管总阀46实现二次侧中各支线的水力分配调节，二次网循环泵45实现二次网4中总体水流量及压力控制，其功能上可以实现在相对分配关系不变的情况下通过总体流量及压力的调节实现了总体的送热量调节，具体的说是实现在保证供热需求基础上的二次网最低功耗运行，进一步的，是实现了二次网的分布式自平衡系统运行。

在本发明的供热管网系统中，集控中心25是基于网络云端所建立的综合系统运行调度中心，其形式是以各系统位置传感器的信号接入为视觉和触觉、以人机交互为大脑、以AI智能运行逻辑为专家支持、以远程可驱动的电控系统为手脚，实现整体系统的运行调度。

其控制逻辑为：在各系统运行的状态下，如位于热用户端的所述户内温度表53将热用户所在室内温度上传到位于云端的所述集控中心25；同理，位于各系统位置的前端传感器也将各位置的数据上传到位于云端的所述集控中心25的大数据云存储中心。上传的实时数据如：室温、光照、风量、环境、姿态、各节点水温&压力、系统设备运行状态等。

AI智能运行逻辑为专家的支持库将按照系统运行逻辑和其经过机器学习后得到的数学模型对所上传的数据做实时分析，随之将系统管控建议和运行状态调节指标发送给人机交互系统，系统会分别按预定逻辑将相关信息同步到所述集控中心6的前端，随之，系统总调人员将按照操作规程对系统进行调节，该调节的动作可以是人工、半人工、智能等的多个方式，其响应频次可以达到分钟级别。

本发明的任一供热管网系统的调控方法包括以下步骤：

S1、基于一次网与热源厂间进行热交换调控的双向混水端的混水比例控制，在用电高峰时段产热多，一次网蓄热，水温为t1，在用电低谷时段产热少用热多，一次网放热，水温为t2，80℃≤t2＜t1≤130℃；

S2、基于连接热源厂端和换热站的一次网在换热站设置并联的主换热管路和循环旁路比例控制，在用电高峰时段，开启正常流量v％的循环旁路并开启1-v％的主换热管路；在用电低谷时段，开启正常流量u％的循环旁路并开启1-u％的主换热管路，0≤u<v≤100。

S3、基于连接换热站端和热用户端的二次网在位于换热站端的循环泵调控，在用电高峰时段和用电低谷时段，二次网水温保持基本恒定输出。

一次网2的水力平衡由其自身区段进行调节控制，热源厂端1的水力平衡由热源厂端1自身进行调节控制，由此，热源厂端1解决了由于一次网2调节所带来的被动的水力调节问题，其调节方式可以完全按其自身系统运行情况进行自适应调节。如：热电厂的调节完全可以按其白天多发电多产热、夜间少发电少产热的方式，让水循环系统顺势运行。燃气锅炉热源则完全可以避开用气高峰，利用夜间来生产更多的热。然而，这样一来带来的问题就是热源的热产生与供暖需求的白天少夜间多可能对不上，尤其是在一个管网中有多个热源厂时更为突出。对于此问题，本发明的解决方法是：通过在换热站3的水力和热量解耦控制实现了对二次网4输出热量的可调，而不是有多少送出多少，将热惰性这个传统的不利因素放大并充分利用，打破一次侧管网的定温运行状态，利用其巨大的水容量，吞吐更多的热量。具体的说，传统的一次网2定温运行状态下、温度过高则导致过度放热，进而造成浪费，本发明所用的方法是利用热惰性的特性，在热源高供时吸收更多的热量，一次侧水温升高，而在供热低谷的放热期，则可在二次侧换热站放出更多的热，以保证热用户端的更大需求。实现的是以随时可输入，有控制输出的方式，将供热管网的一次侧管网视为蓄热体，进而以一次侧管网的弹性吞吐能力，去承接热源的波动，并在无需浪费热能的前提下，保障了热源厂的顺势运行。

以上所述实施方式仅表达了本发明的一种或多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。