引言供热质量是保证供暖期居民生活品质最重要的因素［1］，但由于供热系统中热用户与热源的距离远近不一，不同位置热用户的管网剩余压头不同，因此，不消除这些剩余压头就会导致系统的水力失调，出现用户供暖冷热不均现象［2］。为了满足热负荷逐年增长的需求，在保证供热质量的前提下，实现节能降耗、增加经济效益，保证运行安全、稳定［3］及热网运行自动化程度，消除二网水力失衡问题，实施二网平衡势在必行。基于NB网络的物联网单元温度平衡方案是一种高效、节能手段。1基于NB技术的物联网温度平衡方案1.1基于NB技术的物联网温度平衡方案原理单元物联网平衡阀方案如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.F001图1联网平衡阀通讯方案示意图由图1可知，方案采用物联网温度平衡云平台+通讯箱+单元温度平衡阀模式，单元温度平衡阀由执行器、阀体和温度传感器构成，通讯箱内安装数据通讯卡（NB-IOT），可通过运营商NB通讯基站实现无线网络通信。单元物联网温度平衡阀采用有线电源供电，楼道内取220 VAC电源，通讯箱内置220 VAC转24 VDC开关电源，确保阀门用电为24 V安全电压。单元物联网温度平衡阀与通讯箱之间采用RS485有线通讯，通讯箱与云平台之间采用无线NB网络通讯，作为数据传输媒介。用户可通过PC或手机终端查看云端服务器上云平台运行状态参数，并可以对其进行阀门调控。二网水力平衡方案设计中，为了使最不利环路室温达标而不得不整体提高供热量。二网水力平衡方案的最终目的是实现热量在不同小区、单元、用户间的合理、均衡分配，尽量避免整体提高供热量，从而进一步降低运行的热耗及电耗损失。1.2基于NB技术的物联网温度平衡阀物联网温度平衡方案中，物联网温度平衡阀与传统的自力式平衡阀和静态平衡阀不同，是具有温度采集、温度设定和远程控制功能的水力平衡阀［4］。用户只需设定被控温度，无须自力式平衡阀和静态平衡阀使用中所需要的繁琐的手动调试过程，即可实现无人值守的监控与控制操作，达到了二次网与一次网的互利互通，实现全网水力平衡。物联网温度平衡阀应用在区域供热二次网系统中，主要安装在楼前或楼栋立管中，通过有线或无线通信的方式进行信息传输，结合后台云端服务器对系统温度进行自动调节，确保系统温度恒定，从而实现二次网水力平衡，达到节约能源的目的。系统采用有线或无线进行信息传输，主要安装在楼前或楼栋立管中，单元物联网温度平衡阀安装方案示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.F002图2单元物联网温度平衡阀安装方案示意图与传统水力平衡调节方法用到的节流孔板、闸阀、截止阀相比，物联网温度平衡阀具有等百分比流量特性、精准的开度指示、高调节精度、零泄露的优点；阀体全通径，阻力可近乎忽略不计；物联网温度平衡阀能够保证用户流量比稳定，即使换热站采用变流量运行，也不会影响用户用热平衡；同时避免用户自主流量调节对其他用户的影响，消除用户内部流量调节时相互间的耦合作用。1.3NB无线通信技术NB-IOT是一种3GPP标准定义的低功耗广域网（LPWAN）［5］，LPWAN分为两类：一类是以LoRa为代表的未授权频谱技术；一类是NB-IOT这种工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术［6］。NB-IOT与LoRa相比具有电信级别的安全指数（继承4G网络安全能力），采用3GPP授权频谱避免干扰问题的优势，是一种可以实现低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网通信技术。除此之外，NB-IOT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，这也就意味着在同一基站的情况下，NB-IOT可以比现有无线技术提高50~100倍的接入数。基于NB技术的温度平衡系统采用分布式的结构，将任务分布到各节点上，各个用户终端的工作各自独立来保障系统的高可靠性，不会因为单个温度平衡阀的故障而引起整个系统的瘫痪。采用无线NB网络通讯作为数据传输媒介以云平台作为数据输出终端可及时、准确地了解用户回水温度信息和单元温度平衡阀的运行状态，以进行合理地温度调配，更好地服务于广大用户。单元温度平衡方案采用回温水力平衡控制策略，平衡阀安装在楼栋各单元回水管道上。此物联网温度平衡阀具有回水温度采集功能，平衡阀内置温度传感器将采集到的回水温度数据通过NB-IOT无线网络传输到云端服务器。云平台具有二网平衡的软件自动控制策略，将上传回水温度数据计算后，集中下发开度指令给每一台物联网温度平衡，从而实现系统温度平衡的自动控制。该单元温度平衡方案分为两个过程：首次平衡和精细平衡。首次平衡可筛选出最低回水温度数据所对应的单元，即为最不利环路。在最不利环路单元供回水各安装一个压力变送器，通过通讯箱向云平台传输供回水压力数据，云平台自动计算出供回水压差，运行人员可根据该供回水压差数据和换热站循环泵扬程来调节循环泵频率，起到节能的效果。精细平衡是在首次平衡找出管网最不利环路后，通过云端服务器收集并统计各单元回水温度数据，自动计算出各单元回水温度的加权平均值，作为各单元温度平衡阀调节的目标温度。根据各单元回水温度与平均回水温度的偏差值计算出各单元温度平衡阀的开度变化量，并向各单元通讯箱下发各单元温度平衡阀的开度变化量命令，电动执行器按服务器命令自动调节阀门开度，确保系统温度恒定，从而实现二次网的热平衡和水力平衡。根据对管路传统水力平衡调节的分析，结合近年来迅速发展的远程管理控制和智能算法，以及不断提高的信息化程度，在二次网系统中应用一种集成数据采集功能的物联网温度平衡方案，通过利用物联网的数据处理、采集、过滤海量数据技术［7］，不仅能规避传统水力平衡调试方法带来的缺点，而且可以解决二次网系统水力失调问题。2工程实例伊春市某小区供暖期部分用户室温达到30 ℃，而还有一部分用户室温只有12 ℃左右，水力失调现象严重。小区实施温度平衡方案前换热站的主要运行参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.T001表1小区实施温度平衡方案前换热站的主要运行参数项目数值室外温度/℃-12.0一次网供水温度/℃92.2一次网回水温度/℃62.0供水流量/(t/h)236.55二次网供水温度/℃53.8二次网回水温度/℃44.2二次网供水压力/MPa0.37二次网回水压力/MPa0.19循环泵频率/Hz50由表1可知，该换热站在循环泵工频运行的情况下，该小区依然有用户供热不达标，因此对小区居民投诉率最集中的两栋楼采用单元温度平衡方案。这两栋居民楼共由8个单元组成，在各单元安装平衡阀，并通过云平台进行自动调节。该小区某日的温度随时间的变化曲线如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.F003图3改造前该小区各单元回水温度一天的变化曲线由图3可知，单元2-1回水温度最高，供热效果最好；单元1-4的回水温度最低，供热效果最差，因此判定单元1-4为最不利环路。该小区在使用单元温度平衡方案之前，同一时间各单元回水温度最大相差6 ℃，水力失调现象严重，造成近端用户过热，远端用户过冷。换热站只能通过增大流量来改善冷热不均的现象，因而使得近端用户更热，浪费热量，增加热源燃料消耗。热力公司于2020年2月12日下午对该2栋楼共8个单元实施物联网温度平衡阀方案。2020年2月10日到2月21日之间该小区单元温度平衡阀运行曲线如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.F004图4各单元温度平衡阀的运行曲线由图4可知，在2月12日实施单元温度平衡方案之后，各单元回水温度逐渐接近，并于2月17日之后达到相对稳定且较为接近的回水温度。小区实施单元温度平衡方案后，换热站的主要运行参数如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.T002表2小区实施温度平衡方案后换热站的主要运行参数测点数值室外温度/℃-11.0一次网供水温度/℃90.0一次网回水温度/℃60.5供水流量/(t/h)211.6二次网供水温度/℃50.5二次网回水温度/℃38.8二次网供水压力/MPa0.40二次网回水压力/MPa0.21循环泵频率/Hz41.2由表2可知，虽然在安装了单元温度平衡阀后，二次网的阻力增大导致供水流量降低，但在单元温度平衡阀的控制下，各单元的流量分配变得均匀，尤其使末端用户的流量增加了，大大改善了末端用户的供热效果。采用单元温度平衡方案且水力工况趋于稳定后，某天各单元温度随时间变化的曲线如图5所示。与图4对比，实施单元温度平衡方案后，同一时间各单元回水温度最大相差只有1 ℃左右，各单元热量分配均匀，供暖效果相近，实现了各单元热平衡，水力失调现象得到极大改善，解决了这两栋楼各单元冷热不均的问题。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.F005图5改造后该小区回水温度一天的变化曲线此外，从图4中可以看到，单元2-1于2月15日前后回水温度从42 ℃急剧下降到32 ℃，可判断该单元管道出现了失水的现象，运行管理人员在云平台发现该问题后立刻告知工作人员前往该单元排查失水点，并及时处理了失水问题，供热质量得到了有效保障。温度平衡方案应用前后回水温度和偏差值如表3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2020.12.015.T003表3单元温度平衡方案实施前后回水温度及偏差值单元名称实施前回水温度/℃实施后回水温度/℃偏差值/℃1-135.738.3-0.31-238.238.1-0.11-338.138.2-0.21-434.538.1-0.12-141.038.3-0.32-240.138.6-0.62-339.138.6-0.62-438.437.60.4由表3可知，回水温度平均值为38.1 ℃，因此将目标温度设定为38 ℃。应用该方案调节后的回水温度的绝对偏差值最大为0.6 ℃，最小仅为0.1 ℃（偏差值=目标温度-应用后回水温度）。极差和标准差代表系统控制对象的离散程度，极差和标准差的计算公式为：R=maxei-minei ,     i=1,2,⋅⋅⋅,n (1)σ=1n∑i=1nei-e¯2 (2)式中：R—极差；ei—第i个单元回水温度的偏差值；n—单元数量，在本例中为8；σ—标准差；ē—偏差平均值。由公式（1）和公式（2）可计算采用该方案前回水温度极差，为5.6 ℃；采用该方案调节后回水温度极差仅为1 ℃，标准差为0.3 ℃，表明系统控制对象的离散程度较小，温度平衡方案对8个单元的回水温度控制精度较高。采用该方案减轻了热力公司工作人员的工作压力，人员只需在调度室进行PC端操作即可实现单元温度平衡，温度平衡的过程仅1.5 h；而采用传统的调节方法至少需人工操作6 h，大大缩短了初调节的时间和人工成本。实施单元温度平衡方案后，换热站二次网流量降低，可根据最不利环路供回水压差和循环泵扬程，其循环泵频率从50 Hz降至42 Hz，降低了电耗。单元温度平衡方案具有如下优点：（1）自动平衡。通过云平台实现自动判定最不利环路，采用回水温度平衡策略实现二次网智能水力平衡调控；即使热力站是变流量运行，改变二次供水温度或改变二次循环流量，都可以将所有分支环路的回水温度调平；换热站整体升降温，各分支回路回水温度也是相应整体升降，不再出现水力再次失调的现象。（2）在二次网供水温度不变的情况下，针对单元之间、楼体之间用热负荷不同，通过改变平衡阀的温差/开度控制指令，改变楼体单元的供、回水温差，进行楼体、单元之间供热的差异化调整。（3）物联网水力平衡阀可将用户回水温度上传控制中心，使调网人员更快速、更直观地掌握换热站全部用户回水温度。（4）具备自动调节功能。以计算的当前理论平衡温度值作为目标温度，使全网快速达到目标值，调网速度更快捷。（5）检修人员不用进入井室、地沟、地下室及楼梯内内调网，只需要启动物联网温度平衡系统，运行管理人员可在办公室内利用物联网水力平衡阀具备的云存储、无线数据传输、手机操控等，进行管网调控，大大节省劳动强度，确保调网安全可靠。（6）若能精确控制二级网平衡，则可改变以往为保证末端用户温度而采取的“小温差、大流量”的运行方式，真正实现“大温差、小流量”的理想运行模式，可降低循环流量、提高供水温度、节约换热站用电、消除前端过热和末端不热的现象。（7）可以实现监控二次网的部分失水状况。如某单元在某一时间段内回水温度大幅度下降，经过一段时间后回水温度又恢复正常，则可通过回水温度曲线的异常波动判断出该单元在该时间段内出现用户放水的情况。（8）通过物联网温度平衡云平台对全网进行自动监控调控，可以根据用户实际需求进行分时分区控制；通过云平台可对用户进行温度补偿设置，通过每层楼的实际情况，合理地分配供热能源，最大化实现系统节能。4结语通过在换热站二次网系统安装物联网温度平衡阀，对二次网供热质量的提升和能耗的降低提供了有力的支持。（1）消除了供热二次网用户间存在的水力失调现象。（2）达到按需供热、经济供热的目的。（3）节省初调节时间和人工成本。（4）确保工作人员精准了解供热状况，按用户需求自动进行水力调整，达到用户满意，最终实现了供热企业精细化管理的目标。