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1、多热源、长距离集中蒸汽供热系统中智慧化运行管理平台研究,目录,一、前言,二、蒸汽供热系统和智慧能源概况,三、多热源、长距离蒸汽供热系统面临的运行问题,四、热网智慧化的核心技术,五、热网智慧化的技术路径和分析策略,六、智慧热网的实施方案和应用架构,七、智慧化蒸汽热网平台面临问题,八、结论,一、前言,1、随着我国城市蒸汽集中供热系统的发展，近几年在南方部分地区形成了多热源、长距离、大规模的蒸汽供热系统，由于系统复杂和蒸汽供热的高温、水冲击等特性，面对海量的运行数据和无数的管网运行方式，传统的运行分析和管理办法已难以应对，导致运行安全风险和能耗增加。,2、本文以无锡市国联环保能源集团供热系统为例，提
2、出蒸汽热网的智慧化概念，初步设想为：通过建立蒸汽热网的大数据系统，再利用物联网感知、云计算、热力学动态计算模型、热力学虚拟仿真模型等新一代IT、热力学技术，实现大热网管理的智慧化。达到提高管网运行的安全性，进一步减少能源损耗的目的，也是适应城市智慧化发展的需求。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,惠联热电,蓝天燃机,友联热电,望亭电厂,新联供热区域,双河尖供热区域,惠联供热区域,友联供热区域,苏州,江阴,无锡国联环保能源集团控股的惠联、双河尖、友联、新联四家热力单位，分别布置于无锡市的北、市中心、东
3、和南部区域，从南到北直线距离约40公里。2015年实现全网互联互通后，运行蒸汽管网466公里，热用户总数762家，热源点到末端用户最长距离约35公里，形成了国内供热距离最长、最复杂的多热源、大规模蒸汽供热系统,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,热网运行数据,GIS数据中心,业务数据中心,指标管控数据,热网系统全息模型,热网系统虚拟模型,热力学动态计算模型,自识别、自修整能力,大热网系统应用管理的智慧化,关于多热源、长距离集中供热系统中智慧化运行管理平台的基本构想,无锡国联环保能源集团有限公司,Wux
4、i Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,二、蒸汽供热系统和智慧能源概况蒸汽供热系统感慨,1、我国的城市供热系统，北方以采暖热水供热系统为主，南方则以工业、商业用蒸汽供热系统为主，本文探讨的是南方热电联产、集中蒸汽供热系统的智慧化管理平台。,2、南方的热电联产、集中蒸汽供热最早开始于上世纪80年代，最初的目的是通过替代城市工业、商业燃煤锅炉，实现城市区域用能烟气合格排放、超低排放，达到节能减排的综合效能。,3、最近20多年来，随着我国的城镇化进程和经济的快速发展，能源消耗持续增长，集中供热的规模不断扩大，加上最近几年国内长距离供热技术的成熟，
5、集中供热正向着多热源、长距离、大规模互联互通的方向发展，以此更有效地提高热源、管网设备利用率和供热可靠性。,无锡国联环保能源集团供热系统架构,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,二、蒸汽供热系统和智慧能源概况智慧能源系统感慨,目前，在国际市场上，施耐德电气的热网水力仿真软件TERMIS可实现对采暖集中热水供热系统热工水力运行工况的实时仿真与分析，在北欧地区具有成功案例，在我国济南热电集团也已建设有示范工程。西门子公司近年来结合智慧能源和微网建设需求，研发了区域能源系统的综合互补运行调度软件。美国IBM
6、公司在智慧城市技术方面，其在供电、供水等城市能源基础设施的智慧化方面已有充分的关注和案例，但还尚未涉及供热系统。另外，多热源、大规模的蒸汽供热系统比热水供热系统复杂的多，系统面临的诸多问题迫切需要智慧化平台来解决。,施耐德采暖热网水力仿真软件,西门子区域能源系统的综合互补运行调度软件,美国IBM公司在供电、供水领域的智慧化技术,“互联网+”智慧能源是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征，通过推进信息系统与物理系统在量测、计算、控制等多功能环节上的高效集成，实现能源互联网的实时感知
7、和信息反馈，建设信息系统与物理系统相融合的智能化调控体系。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,三、多热源、长距离蒸汽供热系统面临的运行问题,1、长距离供热系统中温度、压力控制问题,2、热负荷分配和管网运行方式的优化问题,3、大热网运行的安全性问题,4、海量数据的监控问题,5、应急指挥决策问题,6、其它问题,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,热源点,望亭电厂,距离10公里,控温控压,老协联,热用户,配汽站,
8、重要节点,距离10公里,末端12公里,长距离控温控压过程中，参数变化存在严重的滞后性，操作不当会造成终端管网在夜间低谷时段温度过低，或供热高峰段温度又会过热。压力滞后性在热负荷昼夜变化时段会造成操作跟不上节奏，终端管网欠压或超压。,1、长距离供热系统中温度、压力控制问题 理论上讲，精确控制末端用户的用热温度，是保障管网安全运行，减少能源损耗的有效措施，也是精细化管理的基本要求。但长距离供热从热源点到末端用户的供热距离很长，热源点控制的蒸汽温度在传输到热用户的过程中需要相当长的时间，再由于管网昼夜负荷变化造成的蒸汽流速差异等，实际决定末端用户用热温度的因素很多，主要有：热源点输出温度；相关用户的
9、用汽量综合成的相关管道蒸汽瞬时流量；管网的储热情况；用户位置、管道长度；管道管径；管道保温结构等。其中难度最大的是“相关管道的瞬时流量”，不但要考虑主管道、分支管道和用户支线的各种分段流量，还需要预测以后几小时内的负荷变化。也就是说需要将所有相关用户在当下和将来若干时间内的用汽负荷全部测算清楚，再结合管网所有的结构数据才能进行分析，故长距离人工控温难度很大。 长距离输送的蒸汽管网从控压点到末端用户也需要一定的时间，特别是在高峰用热的开始点或结束点，远距离加减压力经常会出现跟不上用热变化与节奏，造成管网欠压或超压。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment
10、& Energy Group Co., Ltd.,2#线支2负荷峰季15-22t/h淡季9-16t/hh,龙山路区峰季17-27t/h淡季9-11t/h,帝业技凯以西峰季16-21t/h淡季7-12t/h,B5区峰季20-26t/h淡季9-17t/h,B6区峰季15-20t/h淡季10-15t/h,B7区峰季30-42t/h淡季20-28t/h,B8区峰季12-22t/h淡季5-13t/h,兴源兴昌区峰季14-47t/h淡季9-15t/h,2、热负荷分配和管网运行方式的优化问题 多热源联网运行的大规模热网系统会产生非常多的管网运行方式，从微支管网到支管网，再到主管网，最后是热源点，各种运行方式
11、环环相扣，负荷平衡非常复杂，运行优化只能采用粗矿型的人工判断方式，而且往往滞后于实际情况，造成不必要的能源损耗。所以面对这种复杂性的热网系统，依靠传统的人工分析和管理办法已不能适应实际需要，要提高管理水平，进一步降低能源损耗必须走智慧化道路。,望亭2#线,友联海力士复线,与望亭1#线供热区域相连,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,3、大热网运行的安全性问题蒸汽热网运行安全性的首要问题是水冲击，如果是单种管网运行方式和疏水情况还可以通过繁琐的人工水力计算来分析水冲击隐患情况。但针对不断变化管网运行方式
12、的大热网系统，水力计算显然已不可能准确评估管网末端、局部区域的水冲击隐患了，需要建立自识别的动态分析模型来确定管网含水率和疏水量。,阀门关闭,阀门关闭,阀门关闭,串供点1,串供点2,右图是双河尖地区的普通支管网，由于存在两个串供点，随着负荷的昼夜变化，两个串供点的串供量从0-10t/h变化，造成本区域管网含水率变化较为复杂，运行风险点较多且动态变化。,金和线,101医院,车站片区,吴桥片区,建华片区,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,4、海量数据的监控问题： 大热网系统的运行数据量很大，再加上管网的
13、地理信息，用户信息等，人工监控内容很多，特别是数据异常或管网异常情况的监控分析，很难做到在第一时间发现和处置。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,5、应急指挥决策问题也是由于热网系统的复杂性，造成应急处理的难度大幅增加，预料之外的热网突发事件需要及时提供可靠的管网运行应急调度方案，智慧化系统可以解决此类问题。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,6、其它问题,大热网系统中用户行业、类别较多，用汽量受行业景气
14、度、天气等情况影响大，很难实现计划用汽，造成热网负荷的预测困难。,大热网参数表计虽然在不断增加完善，但总是跟不上管网运行变化的需要。,各热源点锅炉、机组设备各不相同，供热负荷对热源点的经济性会有很大影响，需要单独分析热源点情况等。,由于大热网辖区很大，各类业务的特点是分散和片面，依靠人工+交通来处理问题的方式效率低下且安全隐患重重。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,四、蒸汽热网智慧化的核心技术,1、能快速自识别运行方式的蒸汽管网、设备GIS地理路网模型，全息拓扑结构并形成系统架构模型。,2、仿真模
15、型的全网在线热工水力特性的快速求解算法技术。,3、虚拟模型数据学习实际信息，不断修整优化的技术。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,五、热网智慧化的技术路径和分析策略,1、总体架构,2、技术路径,3、建模路径,4、参数控制分析策略,5、运行方式和管损分析策略,6、安全性分析策略,7、负荷预测策略,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,1、总体架构总体架构分为：大数据系统、仿真运行系统、数据分析系统、智能监控系
16、统和智能决策系统。大数据系统将反映供热系统关键位置处运行状态的实际测量信息通过通讯网络传送至运行调度平台；进而，在建模仿真层，通过仿真模型模拟分析，实现热网的全部状态的软监测；而后，在分析诊断层，基于大数据分析技术，对供热生产的监测感知及仿真数据进行充分的分析、挖掘、诊断；最后，在智能监控和智能决策层为系统调度运行、检修维护、规划设计提供全面决策支持。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,2、技术路径智慧热网的技术路径是：将以物联感知测量为基础，在计算机系统内建立与现实供热系统相对应的热能生产、输配、
17、消费全过程仿真模型，基于测量与仿真解决对热网多种运行状态进行定量分析诊断，进而面向供热系统运行的参数控制、安全性分析、经济性分析等内容的优化目标开展调度方案的智能优化，为运行人员提供建议方案和决策依据，实现供热系统生产的智慧升级。,智慧热网技术路径图,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,3、建模路径仿真是一种借助计算机系统完成虚拟实验的技术途径。它和现实物理系统实验的差别在于，仿真实验不是在实际环境中，而是借助作为实际系统映像的仿真模型在相应的“虚拟”环境中进行的。由于这种虚拟的实验能够以低成本、快速
18、或并行的方式被大量重复，因此，对于系统运行问题，可以先在虚拟仿真系统中对各种系统输入进行模拟，获得对应的各种输出，从中择优后再执行到真实物理系统之上。,建模技术路径图,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,4、参数控制分析策略长距离供热系统中，蒸汽压力传输速度较快，温度传输速度相对要慢得多，温度从始端到末端的温降和传输时间虽然可以通过复杂的水力计算得出相关结论，但由于各段管网的蓄热状况、保温结构、使用年限、保温施工等条件各不相同，造成水力计算结果会与实际参数有很大差距。通过大数据和模拟系统可以解决此类问
19、题：首先通过分析管网运行历史数据，积累不同负荷、温度情况下各段管网的温降信息，再按最简化的计算方式：T末端=T始端-T*L（T末端为末端温度，T始端为始端温度，T为分段蒸汽管道在指定负荷下的每公里温降，L为分段蒸汽管道的长度），（当T末端计算结果小于蒸汽的饱和温度时，可以根据蒸汽的汽化潜热推算出蒸汽含水率）进行推算，最后通过实际数据修整。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,传输时间则可以通过根据末端温度出现最高或最低的时间点情况进行计算修整。末端用户的压力控制则主要依靠大数据的负荷预测来判断压力变化
20、趋势，实现计划操作控制，避免长距离输送带来的滞后性。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,一个层面，多热源复杂管网系统的管损分析需要从微支线开始，到分支管线、主管线，最后全部热源点管网的整体分析。 第二个层面是实时和模拟系统的分析，实时系统相对简单，模拟系统则需要分析各种运行方式的所有管损情况，最后筛选优化。 第三个层面是生产管损和财务管网的分析，生产管损只根据实时的运行数据计算，财务管损则需要结合所有用户合同条款进行计算。 简化策略是，建立常规的运行方式模板；剔除较风险的运行方式（根据末端含水率判断
21、）；筛选并确定计算必要的时间节点；建立自识别运行方式的系统模型，自识别、自分类和动态计算。,微支线管损,分支线管损,主管线管损,区域管损,集团整体管损,分析内容,分析方式,财务管损,生产管损,分时管损,自识别运行方式的系统模型，通过自分类和动态计算来完成全网管损分析,5、运行方式和管损分析策略,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,管网、设备的路网定位GIS模型,自识别运行方式的运行模型,动态水力计算模型进行全网参数模拟计算,根据实际参数自动修整,根据边界条件自动寻找风险点,风险点展示与预警,6、安全性
22、分析策略主要是建立动态的管网蒸汽参数计算模型，自识别末端用户和末端管道，自动展示各重要节点的蒸汽参数情况，根据人工设定的含水率要求进行判断安全风险。由于运行方式的复杂变化造成管网重要节点的不确定性，可以通过建立模拟表计的方式来操作处理。另外根据各类人工给予的负荷波动量、管网设计温度、温压突变等要求进行分析提醒。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,用户历史运行数据,天气情况,用户行业景气度,节假日、检修、限负荷等特殊情况,大数据分析方法,用户负荷预测模型,随时间过程的自动修正功能,用户将来各时间点的预
23、测负荷,微支管网预测负荷,支管网预测负荷,主管网预测负荷,预测热源点负荷,7、负荷预测策略需要对各热用户的历史运行数据结合天气、节假日等因素，提取分析，采用大数据分析方法，建立各热用户的负荷预测数据模型，在保证预测模型满足一定精度的前提下，还需要开发出预测模型随时间过程的自动修正功能，实现供热系统各热用户负荷的滚动预测。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,硬件设备建设,大数据系统建设,系统建模,水动力计算分析,六、智慧热网的实施方案和应用架构 1、硬件设备建设，包含主机UPS系统、工程师站、实时模拟
24、服务器、web服务器、数据库服务器、大数据分析服务器、并行优化计算集群等。 2、建立热网大数据系统，包含管网运行参数、疏水、管网全息地理信息和合同、协议、要求等边界条件。 3、建立大数据的快速分析和多功能搜索系统。 4、建立系统模型，包括热网系统的实时模型和虚拟模型。 5、建立智能监控系统，具备参数控制、安全性分析、经济性分析、异常分析、热源点分析、模拟表计、移动平台等模块。 6、建立智能决策系统，具备结合所有边界条件的负荷预测、热源点仿真、管网仿真、用户仿真、系统优化和应急指挥等模块。,大数据应用系统,智能监控应用系统,智能决策应用系统,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian
25、 Environment & Energy Group Co., Ltd.,七、智慧化蒸汽热网平台面临问题,1、物联网相关技术的推广应用，先进的物联网振动感知、温度变化感知、视频分析功能尚未推广至蒸汽热网系统中，建议在建设智慧热网平台时预留部分空间，以备升级提高。,2、自动化，目前由于热源点系统和管网系统的分裂情况，以及供热设备（机械、电气、热工等）的可靠性问题，供热运行系统目前还只能实现部分自动化，随着智慧热网的运行成熟，可逐步向全网推行自动化。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,八、结论,最近几
26、年，随着国内集中供热的规模不断发展，管网建设、运行等技术正在逐步成熟，但集中供热系统的信息化、智慧化管理还处于起步阶段，主要原因是IT技术怎样应用于热力专业问题，需要将最前沿的IT技术跨过热力学、热工专业等门槛。,本文根据无锡市国联环保能源集团大热网运行经验，参考浙江大学常州工业技术研究院在热能水动力方面的研究成果，以蒸汽热网运行问题为导向，探索蒸汽热网智慧化的初步思路。希望为进一步提高蒸汽热网的运行管理水平，推动能源行业转型和能源互联网建设，提高能源利用率做出贡献。,无锡国联环保能源集团有限公司,Wuxi Guolian Environment & Energy Group Co., Ltd.,请各位领导与专家提出宝贵意见,
