張冰

(上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司，上海200023)

0 引 言

為貫徹執(zhí)行《節(jié)約能源法》和《民用建筑節(jié)能條例》，進(jìn)一步深化城鎮(zhèn)供熱體制改革，推進(jìn)供熱計(jì)量改革，促進(jìn)建筑節(jié)能，四部委聯(lián)合發(fā)布了“關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)供熱計(jì)量改革工作的意見”，要求大力推行按用熱量計(jì)價(jià)收費(fèi)。自四部委發(fā)文以后，國內(nèi)尤其是北方地區(qū)，掀起了一股供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)量終端生產(chǎn)熱潮。

供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)是通過先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化技術(shù)建立的一個(gè)靈活、全面的能源管理平臺(tái)，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，全面、實(shí)時(shí)和有效地集成能耗數(shù)據(jù)，為監(jiān)控管理優(yōu)化提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)從終端到管理決策、從計(jì)劃信息到業(yè)務(wù)執(zhí)行以及從管理到現(xiàn)場(chǎng)操作的信息無縫整合。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)思路和檢定

系統(tǒng)配套的計(jì)量終端實(shí)現(xiàn)了軟硬件設(shè)計(jì)，如圖1所示。

激勵(lì)頻率為1 000 kHz，測(cè)量波峰數(shù)為3，每秒測(cè)量次數(shù)為10，測(cè)量模式下每次測(cè)量次數(shù)為10次，溫度平均濾波器長(zhǎng)度為10，允許的時(shí)差誤差為500×1 000/US_FREQ。硬件內(nèi)部識(shí)別號(hào)為0×0a，硬件地址為通信使用地址，硬件ID為硬件唯一識(shí)別號(hào)。

按照設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行應(yīng)用檢定，如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在測(cè)量等級(jí)為2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量中，對(duì)30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃的流量，在2.5 m3/h，0.25 m3/h和0.05 m3/h三個(gè)流量點(diǎn)上，誤差遠(yuǎn)小于檢定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許誤差值，在供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)上顯示清晰直觀。

1.2 系統(tǒng)的組成架構(gòu)

基于專用的應(yīng)用軟件建立供暖能源監(jiān)控平臺(tái)，基于平臺(tái)建立通用分組無線服務(wù)技術(shù)(general packet radio service，GPRS)通信、系統(tǒng)互聯(lián)和調(diào)度系統(tǒng)。實(shí)時(shí)采集各用戶子站的溫度、流量和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)計(jì)量終端的運(yùn)行情況。

1.2.1 供暖監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程采集熱力公司和熱電廠換熱站的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)匯總分析，對(duì)熱力站和整個(gè)熱網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整與平衡，保障各個(gè)換熱站經(jīng)濟(jì)、舒適和節(jié)能供熱[1]。

監(jiān)測(cè)管網(wǎng)的運(yùn)行情況，當(dāng)班職員調(diào)出運(yùn)行參數(shù)，分析供熱網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)事故隱患，及時(shí)下達(dá)處理指令，使供熱管網(wǎng)運(yùn)行在最佳工況[2]。

1.2.2 熱力站

熱力站將各類數(shù)據(jù)，包括站內(nèi)的溫控閥、流量控制閥、計(jì)量終端、室外溫度傳感器、一次網(wǎng)溫度傳感器、二次網(wǎng)溫度傳感器、壓力變送器、壓差變送器、補(bǔ)水泵和循環(huán)泵變頻器、各類儀器儀表的數(shù)據(jù)等，進(jìn)行采集、顯示、控制和上傳，并對(duì)各類泵的開關(guān)等參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行處理、采集和操作控制，然后上傳至供暖監(jiān)控中心[3]。

1.2.3 組團(tuán)

對(duì)住宅換熱用戶進(jìn)行供暖監(jiān)測(cè)，在用戶的入戶閥門前安裝遙控溫度調(diào)節(jié)器，用戶按照熱量的需求，自主改變溫度的大小，無人及夜間時(shí)，可將溫度調(diào)低，實(shí)現(xiàn)節(jié)能[4]。

1.3 配套計(jì)量終端的設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了用于測(cè)量和顯示的計(jì)量終端，測(cè)量暖通系統(tǒng)中水流經(jīng)熱交換系統(tǒng)所釋放出的熱量，能精確地測(cè)量家用供熱管道內(nèi)熱介質(zhì)的瞬時(shí)流量和累積流量，可靠穩(wěn)定，具有較高的一致性，滿足供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)在供暖地區(qū)的計(jì)量要求。

1.3.1 過零點(diǎn)追蹤時(shí)差修正的流量測(cè)量算法

超聲波順向傳播時(shí)間tup和逆向傳播時(shí)間tdown的計(jì)算公式：

(1)

式中：L為超聲波在兩換能器之間的傳播距離；C0為管道內(nèi)液體靜止時(shí)聲速；v為管道截面內(nèi)液體流速均勻分布時(shí)的流速；α為超聲波傳播方向與軸向之間的夾角。

單片機(jī)計(jì)算出上下游傳播時(shí)間差△t：

Δt=tup-udown

(2)

式中：tup為超聲波順向傳播時(shí)間；tdown為超聲波逆向傳播時(shí)間。

由式(1)和式(2)，可以得出流體的流速V：

(3)

由于液體在管道中的流動(dòng)速度在管道直徑的切面上是沿中心向外發(fā)散的，所以瞬時(shí)流量q為：

(4)

式中：K為流速分布修正系數(shù)；D為管道直徑；V為式(3)中得出的流體流速。

1.3.2 雷諾系數(shù)標(biāo)定的流量修正算法

計(jì)算儀表系數(shù)k：

k=α×(80-T)+β

(5)

式中：α和β為流速的函數(shù)，由查表線性插值得到；T為溫度。

由此計(jì)算出體積流量Q：

(6)

式中：k為式(5)中得出的儀表系數(shù)；c為由溫度T查表線性插值得到的聲速；tu和td為由流量測(cè)量過程中得到的三個(gè)過零點(diǎn)數(shù)據(jù)平均得到超聲波傳輸時(shí)間；L為超聲波沿流速方向的距離(常數(shù))；A為等效截面積(常數(shù))。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果

系統(tǒng)在北京某小區(qū)進(jìn)行了典型示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)上傳。小區(qū)內(nèi)一共有100個(gè)左右終端用戶，安裝了100塊熱能計(jì)量終端，在一個(gè)供暖季采暖周期內(nèi)帶載運(yùn)行，工作周期約5個(gè)月。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并匯總、保存、統(tǒng)計(jì)，形成報(bào)表、圖表和曲線供職員進(jìn)行日用量和月用量等數(shù)據(jù)的比對(duì)。

2.1 應(yīng)用的成熟程度

系統(tǒng)支持全球廣域網(wǎng)(world wide web，WEB)服務(wù)功能，各工作站不需要安裝組態(tài)軟件，通過瀏覽器即可查詢各數(shù)據(jù)及圖表，查詢?nèi)我庥脩羧我鈺r(shí)間段內(nèi)的使用情況，并且支持遠(yuǎn)程訪問。

進(jìn)入系統(tǒng)，選擇用戶名和密碼，登錄進(jìn)入主界面，主界面上點(diǎn)擊左上角可以進(jìn)行用戶管理。

供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)GPRS通信和系統(tǒng)互聯(lián)，緊抓目前的市場(chǎng)機(jī)遇，覆蓋供熱系統(tǒng)中的熱網(wǎng)、熱力站、組團(tuán)的用戶監(jiān)控和節(jié)能系統(tǒng)，快速形成市場(chǎng)能力。

供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)分為三級(jí)，第一級(jí)為供暖監(jiān)控中心，第二級(jí)為熱力站，第三級(jí)為組團(tuán)。

2.1.1 供暖監(jiān)控中心

供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用.NET(即Microsoft XML Web services 平臺(tái))架構(gòu)進(jìn)行集成，在能源管理信息系統(tǒng)專用局域網(wǎng)絡(luò)里，位于可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)/分布式控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)層的應(yīng)用軟件將通過面向服務(wù)的架構(gòu)結(jié)合在一起。

點(diǎn)擊開閉環(huán)運(yùn)行，如圖3所示，監(jiān)控系統(tǒng)由傳統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制。

采用間接供暖，即通過水/水換熱器，將一次網(wǎng)的熱水加熱二次網(wǎng)的水然后送往用戶，二次熱水依據(jù)用戶所需的熱負(fù)荷，按要求滿負(fù)荷運(yùn)行。一次網(wǎng)熱水依據(jù)室外氣溫和一次網(wǎng)的溫度，參考一次網(wǎng)的供、回水的溫度參數(shù)，調(diào)節(jié)一次網(wǎng)的熱水流量，實(shí)現(xiàn)供給熱量的調(diào)節(jié)[5]。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控方面：一是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)能耗的監(jiān)控，響應(yīng)了節(jié)能方針；二是實(shí)時(shí)曲線，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度、壓力、流量和運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)測(cè)每一個(gè)計(jì)量終端的運(yùn)行情況；三是歷史曲線，可以查詢所選時(shí)間范圍內(nèi)的歷史曲線；四是報(bào)表管理，將采集數(shù)據(jù)匯總、保存、形成報(bào)表，對(duì)不同時(shí)期、不同年份形成歷史曲線，根據(jù)需要自動(dòng)生成結(jié)算賬單、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表等。由當(dāng)班職員完成整理當(dāng)天各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，并繪制出各類圖表，建立分類的數(shù)據(jù)庫，如氣象資料、報(bào)警、故障狀態(tài)、工程安裝資料和熱費(fèi)收取等[6]；五是報(bào)警記錄，具有完善的拫警功能，包括自動(dòng)報(bào)警和流量計(jì)參數(shù)的變化實(shí)時(shí)報(bào)警、瞬時(shí)流量的異常報(bào)警、各流量計(jì)的日累計(jì)流量越限實(shí)時(shí)報(bào)警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端與流量計(jì)的通信中斷報(bào)警以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端實(shí)時(shí)報(bào)警。

2.1.2 熱力站

熱力站對(duì)供、回水的壓差參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證其在設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)運(yùn)行，并將該參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦┡茉幢O(jiān)控中心，進(jìn)而保證整個(gè)供暖管網(wǎng)的水力工況平衡[7]。

系統(tǒng)采集溫度、流量和壓力等信號(hào)，包含一二次供水溫度、室外溫度、一次供水流量、一次瞬時(shí)流量等。進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢，可以查詢所選時(shí)間范圍內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，并選擇查詢時(shí)間間隔。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、流量迭加和流量對(duì)比分析等多種功能。

2.1.3 組團(tuán)

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶家中熱交換系統(tǒng)釋放出的熱量，通過遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)(symphonic mbus， M-BUS)通信協(xié)議將檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回監(jiān)控中心，完成遠(yuǎn)程抄表，經(jīng)由監(jiān)控中心調(diào)度控制。

依據(jù)溫度運(yùn)行補(bǔ)償曲線和現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)定值，二次供水溫度隨室外溫度變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)一次調(diào)節(jié)閥的開度，并調(diào)節(jié)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵，使一次流量、二次供水溫度隨室溫的變化而變化，可以設(shè)置溫控閥的自動(dòng)或手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下，可以設(shè)置溫控閥門的控制參數(shù)[8]，報(bào)警時(shí)會(huì)有提示。

2.2 應(yīng)用的結(jié)果分析

系統(tǒng)分析研究了大規(guī)模城市能源監(jiān)控實(shí)時(shí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖4所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)功能模塊，包括：供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和聯(lián)網(wǎng)；能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析；分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)，逐時(shí)、逐日、逐月和逐年的統(tǒng)計(jì)報(bào)表；能耗數(shù)據(jù)的圖表轉(zhuǎn)換，關(guān)聯(lián)的棒狀圖、餅圖等；能耗數(shù)據(jù)的分析，各設(shè)備的班用量等進(jìn)行比對(duì)，調(diào)整用電策略；能源規(guī)劃系統(tǒng)，能源保障、合理使用。

經(jīng)應(yīng)用分析，系統(tǒng)達(dá)到了以下功能指標(biāo)：系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理多個(gè)小區(qū)，地理圖文顯示，操作界面直觀，用戶界面友好、人性化；

系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集各用戶子站的運(yùn)行參數(shù)，統(tǒng)計(jì)和查詢功能強(qiáng)大；系統(tǒng)可隨時(shí)隨地掌握每個(gè)計(jì)量終端信息；系統(tǒng)進(jìn)行整個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行分析，用量分析模塊功能強(qiáng)大，給出節(jié)能優(yōu)化建議和控制方案；系統(tǒng)可按設(shè)定時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的同步抄讀并上傳至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整點(diǎn)同步上傳功能；系統(tǒng)增加定時(shí)抄表和欠費(fèi)查詢功能，使用戶使用更直觀；系統(tǒng)增加能耗預(yù)測(cè)模塊，為管理者提供參考的決策方案；系統(tǒng)具有完善的拫警功能。

3 結(jié)束語

從權(quán)威部門得到的數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)在每年全國的熱計(jì)量市場(chǎng)需求量以穩(wěn)定的速度每年遞增15%，隨著國家推進(jìn)節(jié)能減排，今后幾年市場(chǎng)增長(zhǎng)會(huì)更快，這一趨勢(shì)將持續(xù)到2020年以后[9]。

該系統(tǒng)以供暖能源監(jiān)控為推手，產(chǎn)品和系統(tǒng)2018年投入批量生產(chǎn)，平均一個(gè)小區(qū)按5 000戶計(jì)算，推廣系統(tǒng)10套，以后每年增長(zhǎng)一倍，到2020年形成40個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力。在京津地區(qū)成為主要的供應(yīng)商，可形成數(shù)千萬的產(chǎn)值，節(jié)能30%每單元。另外，可以間接減少大量的燃煤和CO2排放。

基于計(jì)量終端的供暖能源監(jiān)控系統(tǒng)，便于熱力公司進(jìn)行熱計(jì)量管理和合理收費(fèi)，改善浪費(fèi)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目的。