引言我国供热行业中大部分换热站已实现自动化调节，近几年开始向全网平衡控制策略方向发展。供热系统存在管网输送距离长、分布范围广、供热面积大、连接热源多等特性，呈现关联性强、滞后时间长、非线性严重、水力工况复杂等特点[1]，可能出现各站点调控不均衡、前端过热、后端不热等问题。供热系统站点自动化调节以及全网平衡系统的精准化调控很重要。因此，合理选择调控目标参数、调控时间、调控频率，科学依据室外温度变化调整调控策略显得尤为重要。换热站内通过板式换热器完成一次侧与二次侧的热量交换，热量调节设备为安装在一次侧的调动调节阀，通过开度调节控制一次侧流量，进而控制二网供热量[2]。通常选择系统热量、流量、二次侧供水温度或回水温度等参数作为电动调节阀的调控目标，将各测点参数实际值作为返回值，根据返回值与设定值的偏差完成调节。换热站控制系统普遍采用PID方式控制电动调节阀。PID方法将偏差比例(P)、积分(I)和微分通过线性组合构成控制量，从而控制被控对象[3]。全网平衡系统以单站控制为基础，所有站点依据下发的调控目标进行统一线性调控，使各站点的供热状态趋于相对一致[4]。研究以站点电动调节阀PID控制为基础，以二网供回水温度随室外温度变化的曲线作为各站点电动调节阀调控的目标值，实现快速响应式的全网自动控制，达到节能目的。1温度调节曲线制定二网供、回水温度[5]分别为：tg=tn+(tg'+th'-2tn2)(tn-twtn-tw')11+b+12ϕ(tg'-th')(tn-twtn-tw') (1)th=tn+(tg'+th'-2tn2)(tn-twtn-tw')11+b-12ϕ(tg'-th')(tn-twtn-tw') (2)式中：tg——二网供水温度，℃；th——二网回水温度，℃；tg'——设计条件下二网供水温度，℃；th'——设计条件下二网回水温度，℃；tn——室内温度，℃；tw——室外温度，℃；tw'——室外计算温度，℃；b——散热装置的散热特性系数；ϕ——相对流量比。在稳态状态下，散热器向室内散发的热量与建筑围护结构向室外散失的热量相等[6]。由热量平衡原理可得：K1F1(tn-tw)α=K2F2(tg+th2-tn)β (3)tn=11+K1F1αK2F2βtg+th2+1K2F2βK1F1α+1tw (4)式中：K1——围护结构的传热系数，W/(m2·℃)；F1——围护结构的面积，m2；α——围护结构的温差修正系数；K2——散热器的传导系数，W/(m2·℃)；F2——散热器的面积，m2；β——散热器修正系数。室内温度由供回水均温、室外温度及建筑围护结构、暖气片相关参数决定。在建筑物围护结构和暖气片参数固定的条件下，室内温度与室外温度变化的关系并不取决于供水温度或回水温度，而是取决于两者的平均值。因此，二网供回水温度的平均值应作为二级网运行调节的目标值。根据研究地区城市采暖系统设计标准、热源及相关运行实际，一、二级网温度计算结果如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.022.T001表1一、二级网温度参数计算结果序号室外温度/℃负荷比一网流量比一网温度二网流量比非节能挂片二网温度节能挂片二网温度地暖二网温度供温/℃回温/℃供温/℃回温/℃供温/℃回温/℃供温/℃回温/℃1-71.001.00010050.01.060.045.055.042.045.035.02-60.961.00097.049.01.058.644.253.841.344.134.53-50.921.00094.048.01.057.343.552.640.643.234.04-30.841.00088.046.01.055.942.750.139.242.333.55-40.881.00091.047.01.054.541.951.439.941.433.06-30.840.86794.045.61.054.541.950.139.241.433.07-20.800.86790.744.61.053.141.148.938.540.532.58-10.760.86787.443.51.051.640.247.637.839.632.0900.720.86784.042.51.050.239.446.437.038.731.51000.720.86782.440.80.851.538.047.535.839.630.61110.680.86779.139.90.850.037.346.235.138.630.11210.680.82081.239.80.850.037.346.235.138.630.11320.640.82077.838.80.848.536.544.834.437.629.61430.600.82074.437.80.846.935.743.533.736.629.11540.560.82071.036.90.845.334.842.133.035.628.61650.520.82067.635.90.843.734.040.732.234.528.01760.480.82064.134.80.842.133.139.231.433.527.51870.440.82060.633.80.840.532.237.830.632.426.91980.400.82057.132.70.838.831.336.329.831.426.4一、二级网均采用改变流量的质调节方式。其中，一级网分为3个阶段。室外温度1~8 ℃为第一阶段，循环流量是设计流量的82%，室外温度-3~1 ℃为第二阶段，循环流量是设计流量的86.7%，室外温度-7~-4 ℃为第三阶段，循环流量是设计流量的100%。二级网分为两个阶段，室外温度0~8 ℃为第一阶段，循环流量是设计流量的80%，室外温度-7~0 ℃为第二阶段，循环流量是设计流量的100%。依据表1中的二网温度分别绘制非节能挂片系统、节能挂片系统、地暖系统的二级网温度调节曲线，如图1~图3所示。为了维持室内温度恒定，室外温度升高时，建筑物热量需求量减少，非节能挂片系统、节能挂片系统、地暖系统的二网均温随着室外温度的升高而线性降低。不同节能等级、不同采暖方式的建筑因围护结构和系统采暖方式系数不同，导致二网温度曲线不同。室外计算温度为-7 ℃时，非节能挂片系统二网供、回水温度为60 ℃/45 ℃，二网均温为52.5 ℃；节能挂片系统二网供、回水温度为55 ℃/42 ℃，二网均温为48.5 ℃；地暖系统二网供、回水温度为45 ℃/35℃，二网均温为40 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.022.F001图1非节能挂片系统二级网温度调节曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.022.F002图2节能挂片系统二级网温度调节曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.022.F003图3地暖系统二级网温度调节曲线2二网调节曲线公式tpj=tg+th2=-K1F1αK2F2βtw+tn(1+K1F1αK2F2β) (5)式中：tpj——二网供回水均温，℃。由热量平衡原理可知，站点二网均温与室外温度呈线性关系。令A=-K1F1αK2F2β，B=tn(1+K1F1αK2F2β)，A为曲线的斜率，B是室外温度为0 ℃时的供回水均温。A和B均受建筑围护结构和系统采暖方式系数的影响，同时受用热率、房屋位置等因素的影响。为了便于系统进行统一调控，相同节能等级、采暖方式的站点A与B的值固定，增加站点差异化权重C进行差异化调整。将不同室外温度对应的二网均温调节曲线作为站点电调阀的设定值，将二网均温调节曲线转化为二元一次方程。tpj=Atw+B+C (6)非节能挂片系统二级网供回水均温随室外温度变化近的似曲线方程为：tpj1=-1.17tw+44.8+C1 (7)节能挂片系统二级网供回水均温随室外温度变化的近似曲线方程为：tpj2=-1.03tw+41.7+C2 (8)地暖系统二级网供回水均温随室外温度变化的近似曲线方程为：tpj3=-0.74tw+35.1+C3 (9)3案例应用3.1基本情况北方某热力公司供热面积约2 000万m2，供热面积每年递增约150万m2，主力热源为市城区南部热电厂和西部热电厂，两热源采用关断式供热方式，各自负责一定区域的供热且具有一定的互相保障能力。主供热系统高差大，包含多个热源、中继泵站、隔压站点，管网沿途分布直供站点，部分隔压站、换热站设置吸收式大温差机组。其中，换热站点共471个，供热系统复杂。对供热系统进行站点调控时势必造成全系统水力工况的变化，须建立全系统的自动平衡调节系统。3.2全网自动控制系统实现基于单站一网电调阀PID控制原理建立全网自动控制系统，将符合调控条件的站点纳入全网自动控制系统[7]。依据站内机组的节能等级和采暖方式不同，分为非节能挂片系统、节能挂片系统和地暖系统，且依据不同热源、隔压站进行分线调控，实现了基于二网均温调节曲线的快速响应式全网自动控制系统。3.3全网自动控制系统平衡措施3.3.1室外均温输入自动控制调整方式由于室外昼夜温度差异较大，如果依据室外实时气温进行调节，需要热源高度配合热源热量输出的调控，在大型热源厂难以实现。实际运行时一般选取一天的平均室外气温作为调整基础参考值，可保持热源相对稳定运行。将式(7)、式(8)和式(9)输入系统，只要获知室外气温值，即可计算相应的二网均温值，作为各站点一网电调阀控制目标值，10~20 min内即可完成全部调节。热源热量与实际需求量偏差较大时，如果热源供热热量远大于供热系统所需负荷，站点一网电动调节阀开度减小，导致全网压力升高；如果热源供热热量远小于供热系统所需负荷，站点一网电动调节阀开度增大，导致全网压力降低，同时导致末端站点流量不足[8]。tn-twtn-tw'=qfqf' (10)式中：qf——室外温度tw下对应建筑物供暖热指标，W/m2；qf'——供暖综合热指标，W/m2。qf=Q×1093 600×S×104 (11)式中：Q——热源供热量，GJ/h；S——供热面积，万m2。系统压力偏离正常运行范围时，需进行人工调整干预，依据式(10)和式(11)求得热量Q下修正后的室外温度，将修正后的室外温度代入式(7)、式(8)和式(9)分别计算各采暖系统二网均温值，完成全网压力的平衡，保证供热系统的相对稳定。为了防止全网自动控制系统人为干预时调整幅度过大、过快引起大网波动问题。提出以下调整原则：（1）每次下达指令二网均温增减幅度不超过0.5 ℃；（2）两次指令间隔不低于0.5 h。3.3.2基于全网平衡理论的自动计算调整方式自动计算方式依然采用全网平衡系统理论，但由二网调整曲线方程可知，不同节能等级建筑、不同采暖方式之间的差值与室外温度有关，并不是固定值，如果单纯通过改变站点差异化权重设置很难达到精准化供热的目的。因此，依据二网调整曲线方程式引入系统修正权重Cx，控制系统以自动计算出的值作为节能挂片系统的调整值，即系统修正温度，Cx2=0。非节能挂片系统的修正权重Cx1为：Cx1=tpj1-tpj2=-0.14tw+3.1 (12)地暖系统的修正权重Cx3为：Cx3=tpj3-tpj2=0.29tw-6.6 (13)考虑供热系统稳定时期，热源供热输出量与供热需求量差异不大，调度人员每日依据当天室外平均温度计算系统修正权重，将其输入控制系统进行精准调控。3.4全网自动控制系统调控效果部分站点的调控效果如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.022.T002表2部分站点的调控效果站点机组类型调节阀开度/%二网供温/℃二网回温/℃二网均温/℃目标均温/℃站点差异化权重/℃调节质量/%A低区非节能挂片1844.735.340.040.00100.0B低区非节能挂片1545.237.441.340.01.0100.8C低区节能挂片4339.333.736.537.5-1.0100.0D低区节能挂片2639.835.837.837.50.599.5E低区节能挂片3538.133.936.037.5-1.5100.0F低区节能挂片1940.236.838.537.51.0100.0G低区地暖2234.231.232.732.00.599.5E低区地暖1935.930.733.332.01.0100.9中区地暖4035.328.732.032.00100.0高区地暖2533.928.131.032.0-1.0100.0由表2可知，非节能挂片、节能挂片、地暖系统依据室外均温下对应的二网均温曲线、设定权重温度值实现了全网自动控制，调节误差在±1%以内。该系统的节能关键点是热源供热量的控制和各站点权重温度的设置。热源供热量的控制措施：依据气象信息，将未来一周负荷需求量提前发送至热源厂；每日将第二天更为准确的负荷需求量发送至热源厂；综合利用室外均温输入自动控制调整方式和基于全网平衡理论的自动计算调整方式进行调整。各站点权重温度的设置主要考虑围护结构、用热率、投诉率等因素，安装室内温度采集系统的站点主要依据用户室温作为设置依据。4结语基于不同节能等级建筑、不同采暖方式的二网均温调节曲线，建立一种快速响应式全网自动控制系统，并进行实际案例应用。得出以下结论：第一，室内温度与室外温度变化的关系不取决于供水温度或回水温度，取决于两者的平均值。第二，根据本地区城市采暖系统设计标准、热源及相关运行实际绘制不同节能等级建筑、不同采暖方式的二网均温调节曲线，并依据各站点实际加以修正，作为站点热量调整依据。第三，不同节能等级建筑、不同采暖方式系统的修正权重与室外温度有关，并不是固定值。室外均温输入自动控制调整方式和基于全网平衡理论的自动计算调整方式均将室外温度对系统修正权重的影响考虑在内。第四，该控制系统不仅可以达到站点精准供热的目的，还能在供热系统切换管网、发生泄漏时通过快速响应式特点实现供热系统压力、流量的快速调整。