1、引言
随着中国经济的发展以及城市化建设进程，我国北方城市集中供暖覆盖面积也越来越大，人民对供暖质量的要求越来越高。为了处理好用户的舒适度和节约能源之间的关系，按需供热是处理这个矛盾的最好方案。当大规模热用户的热负荷发生变化时，就需要我们对供热系统的流量、供水温度等进行调节。充分了解二次管网的水力平衡，有利于运行调度管理调节操作的协调性、有利于热网运行的稳定性、有利于避免资源浪费和用户温度不达标等问题。
2、目的和意义
在目前的供暖设计中，二级网供水温度设计一般是60-65℃，回水温度设计一般是45-50℃，温差15℃-20℃。由于各热用户距离换热站的位置有远有近，供水压力沿着管道逐渐衰减降低，所以热水流到每个用户的时候供回水压力偏差很大。距离换热站越偏远的用户，供水压力低，供水量偏小，供不热的现象就出现了；距离换热站近的用户则供水量偏大，浪费水量，浪费能耗。
为了增加偏远用户的热水供应量，需要进一步增大换热站循环泵的频率，提高供水压力和水量，造成水泵的电耗增加。而距离换热站近的用户，供水压力偏高，供水量偏大，导致室内温度偏高，引起室内干燥，部分老百姓打开窗户通风，导致大量能源浪费，大大增加了供热企业的能源成本，降低供热企业利润。
综上所述，由于二级热网的供回水压力不平衡导致热水供量失衡，该热的用户不热，而有的用户室温偏热却浪费了能源，这种现象就是二级热网区块内水力失衡。每个二级热网区块（例如，生活小区、学校、医院等）是相互独立互不影响的，是一个封闭的区块体系。新华公司针对独立的二级供热管网，采用自主研发的室内温度监测和流量控制相结合的产品，依托多年的热网自控经验，采用多年积累的DCS技术和基于云平台的大型SCADA平台，开发出了二级网水力平衡控制系统；消除二级网区块内的水力失衡，可以实现均匀平衡的合理供热，取消了二级网区块的热水量浪费导致的能源浪费和水耗、电耗浪费，改善用户的供暖体验，节约供暖公司的运营成本，提高供热公司的盈利能力。
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图1 水力失调引起的恶性循环
3、需求和设计方案
3.1 二次网平衡调节方法
二次网的水力平衡一般有以下四种方法：
a．比例调节法
b．补偿调节法
c．温度调节法
d．模拟分析法
此次控制方案是基于温度调节法进行设计的，本文着重介绍一下温度调节法。
回水温度调节法原理：
当二次网实际流量大于设计流量时，供回水温差减小，回水温度高于规定值；当二次网实际流量小于设计流量时，供回水温差增大，回水温度低于规定值。
基于以上原理，只要把各用户（本次主要是调节各单元）的回水温度调节到相当（由于管道保温、建筑保温等因素各不相同，温度略有差异），就可以使大部分热用户得到和热负荷相适应的供热量，达到均衡控制调节的效果。
3.2 控制系统硬件设计选型
为了达到以上所述效果，需在每个热用户单元楼加装一套单元控制阀和热量表，选部分典型用户加装无线室温采集器、用户控制阀、热量表。以一栋6层的一楼两户的居民住宅楼为例，所需的硬件配置如下表：
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图2 室温采集安装示意图
其中，室内温度采集直接通过NB-iot无线传输的方式进入的数据采集平台；户控阀、用户热力表、单元控制阀和单元热力表的数据采集和控制先通过有线的方式汇入数据集中器（数据采集箱），再通过无线方式（4G、GPRS、NB-Iot等）进入数据采集平台；大大节省了网络建设成本，方便后期设备维护。
3.2.1 室内温度采集器
新华N1型无线温湿度采集器具有温湿度采集及数据上传功能，通过移动数据网络可将数据上报到服务器和管理平台软件，N1型无线温湿度采集器拥有温湿度超限报警，具有短信、声光等提醒功能。可分别设置数据采集周期和上报周期，从而达到采集频率高，电池消耗低的目的。
主要技术参数：
外形尺寸：124*124*26mm；
屏幕类型：VA屏；
温度测量范围：-20℃~+80℃；测量精度：±0.3℃；显示分辨率0.1℃ ；
湿度测量范围：0~100%RH，测量精度：±3%RH；
显示分辨率：0.1%RH；
数据类型：支持设备信息，温度，湿度，电池电量，信号值，设备编号等数据上传；
短信：温湿度超限报警；
USB-TTL232：参数设置及本地存储数据读取；
通讯协议：MODBUS-TCP；
采集周期：1秒~30天可设置；
上传周期：1分钟~30天可设置；
存储周期：1分钟~30天可设置；
存储容量：2M容量可存储70000条数据。（1分钟存储一次可存储48天）；
电池充满电最大工作时间：以1分钟为上传周期，可上传10000次，可工作7天；以1小时为上传周期可工作6个月以上。；
电池容量：6000mA/h；
电池充电时间：由空电至充满需8小时；
电池寿命：1000次；
静态功耗：≤20μA；
网络制式：移动/联通2G/3G/4G（GSM）/物联卡；
报警方式：声光报警+短信报警；
工作温度：-20℃～＋80℃；
相对湿度：≤95%RH；
相对湿度：小于100%RH；
环境温度：-30℃～＋80℃；
3.2.2 单元及用户控制阀
单元及用户控制阀是在热用户供热回水管道上安装的电动调节阀，采用通用球阀结构，配合电动执行器组合成一体；具有结构紧凑、体积小、重量轻、流通阻力小等特点，动作可靠,安全性好,寿命应大于100000次,操作力矩小，密封比压适中，密封可靠，动作灵敏。
电动执行器均采用24V安全电压供电，并具备漏电保护功能，防止发生人身安全伤害。
阀门具备断电保位功能，避免因断电发生停暖等事故；具备断电和通讯中断报警功能，第一时间通知调度运行人员，以便及时检修。
3.2.3 热量表
采用优质换能器和先进的测量技术，测量准确度高、稳定性好；无任何机械运动部件，无磨损，使用寿命长；不受恶劣水质影响，维护费用低。采用微功耗技术，一节电池可使用10年以上。
支持光电接口、RS-485、M-BUS输出接口，可实现远程抄表、便于用户集中控制管理；采用超声测流技术，可多角度安装，仪表测量不受任何影响，同时使管道压力损失降到最低；冷热两用（采暖、制冷均可计量）；产品符合中华人民共和国城镇建设行业标准CJ 128-2007《热量表》
3.3 控制系统软件介绍
由于数据处理量巨大，以20万热用户计算的话，IO数据点超过500万，传统的SCADA平台不能胜任如此巨大的数量处理能力；新华针对用户需求开发了大型SCADA平台XCSIS-1000综合监控平台。
新华监控系统XCSIS-1000?是基于新华大型云SCADA平台研制的，代表了新华多年来在自动化控制领域的经验，以及对国内外主流SIS、SCADA、DCS系统的研究成果。其系统采用了当今最新的云平台、大数据、计算机通信、数据库、网络、中间件等技术，以及和先进控制系统相一致的工业标准，严格按照软件工程规范开发。
其主要特点如下：
1）面向服务的分层分布式软件平台，先进的中间件技术，使得系统可以跨硬件、操作系统和数据库，并进行分布式部署、拥有无限的扩充和伸缩能力。
2）对大容量数据的层次化采集、存储、组织和展现，保证了重要数据的实时性、系统的合理运行负荷和操作人员的有效监控。
3）多窗口，多图层，统一画面的人机界面技术，可以让维护人员按运营要求对人机界面灵活布局、统一管理，并减少培训。
4）规约、驱动、人机界面模块的组件式设计，使得主体服务开放可靠、个体修改简单孤立、工程实施快速灵活。
5）数据流检查和加密、命令检查和监督/确认、输入参数检查、多级系统和对象访问控制、权限移交、全操作安全审计等全方位的安全设计，使得系统无懈可击。
6）多网络接入、多服务器（云部署）、全系统的容错设计，使系统可以7×24小时有效运行、维护人员可以有效监控系统。
7）下位和上位均使用可视化编程组态窗口，使系统可以不修改软件，就可以解决各种特殊的计算要求和图表呈现。
人机界面提供用于监视和控制设备的各种图形化显示，也提供其它功能，包括访问控制，报警一览、用户显示，汇总显示，报表和打印服务。
人机界面基于配置工具软件，可以快速设计布局、创建图表、设定动画，并进行实时数据的交互式显示。人机界面所有的配置都是简单拖拉，不需要进行软件编程。
XCSIS-1000的工具软件还提供高级编程语言对特定功能进行定制。定制内容包括按下热点时执行人机界面的动作命令、实时数据显示时构建特定动画或显示效果、图形打开或关闭时执行特定动作命令。
界面风格自由化，用户可根据自身的需求进行界面自搭配；
维护人员的编辑功能（如对错误的换热站名称进行编辑修改），和增加换热站后模块化添加的功能；
热力公司可根据自身分析需要，可自主进行数据分析公式的编辑，并自行嵌入（即数据库中的数据可根据权限进行调取的功能）；
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图3 软件系统架构图
3.4 系统整体设计
系统总体上由架设于调度中心或站内的二网平衡系统、安装于楼栋单元热力入口处的单元水力平衡调节装置、安装于用户室内的典型用户室温采集装置和负责上下位数据传输的网络设备组成。
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图4 系统示意图
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图5 整体系统示意图
新华二次网平衡系统的优势：
1.支持无电、无网络等多种运行模式；
2.支持选择楼栋回温、楼栋流量、楼栋供回温差、供回压差之一为控制目标；
3.基于二网供暖户网图展现整个小区的水力工况、热力工况；
4.支持采样周期和调控周期的灵活调整，使之适应不同小区规模的供暖面积；
5.系统能够自动判断二次侧最不利点位置，并提示用户进行确认；
6.具备多重保护机制，使得楼栋单元阀门能够在合理开度范围内运行；
7.可以对不同围护结构、不同用途、不同采暖方式的楼栋进行加权值设置，能够适应混合采暖小区的自动水力平衡；
8.系统自动记录并建立二网最优运行模型，使得二网在任意情况下能够快速进入平衡状态；
9.系统可以依据用户室温，结合天气变化，分析室温变化规律，使每个楼栋单元在不同的天气条件下达到预设的室内温度；
10.系统可以通过适当加大二网供回温差，降低循环泵频率的方式实现可观的供暖末期节能运行；
11.系统可对二次侧的异常泄露进行监测和定位，当泄露位置确定后，系统可自动关闭相应阀门减少二次网事故损失；
12.系统可对二网的供热运行状况按时间段进行供热质量的分析，并给出运行报告。
4、实际案例
中电辛集热力公司是河北省辛集市独家运营的热力公司，负责辛集城区1000万m2的供热保障任务。
下面就以惠泽园换热站为例：
惠泽园换热站，原机组使用的是45kW水泵，由于投诉率高，热力公司第一年增加了一台板换，无任何效果。第二年，热力公司把45kW循环泵更换成75kW，且工频运行，投诉率是降下来了，但电耗大的惊人。在实施二网平衡系统后：在2018至2019供暖季，上海新华为惠泽园换热站实施了二次侧平衡调节系统。系统涵盖17栋楼，56个单元，共56套单元水力平衡调节装置。
系统采用22kW的循环泵，35~40Hz节能运行。系统运行6个小时后，失调度从23%即下降到2%以下，并在整个供暖季内保持了平衡的稳定（0.7%到2%），投诉率<1%。电耗从以往的 1.7kWh/㎡ 下降为 0.7kWh/㎡。供热各项指标均达标，节能效果显著。
5、小结
上海新华“智慧热网”平台，采集分析供热计量智能管控系统的运行数据。通过基于大数据挖掘的历史数据回归算法，指导换热站、热源的最佳节能控制策略，以热用户室温温度为调控目标、关联室温气象参数，实现换热站和热源工况的最佳控制，实现最大的供热节能效果。
参考文献
[1] 王建军 张晓静.内蒙古电力技术. 热能分户控制对运行的影响及热网间供系统改造,2010
[2] 季昌仁. 能源技术创新. CN45-1338/TP.