[发明专利]一种换热站系统优化控制方法

权利要求书

1.一种换热站系统优化控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、获取换热站基本信息

换热站的基本信息如下：

换热站实际供热面积(F，m²)、设计室外温度(Tod，℃)、设计室内温度(Tzd，℃)、设计一次网循环流量(G1d，T/h)、设计二次网循环流量(G2d，T/h)、设计一次网供水温度(Ts1d，℃)、设计一次网回水温度(Tr1d，℃)、设计二次网供水温度(Ts2d，℃)、设计二次网回水温度(Tr2d，℃)、二次网循环水泵电机效率曲线、二次网循环水泵效率曲线、末端散热装置传热系数实验中的计算系数(cht)；

2)、获得换热站实测数据

2-1)、获取一个采暖周期的换热站实测数据，包括时间、温度、压力、流量、开度、电耗、水耗、频率，具体为：时间(t，h)、室外温度(To，℃)、室内温度(Tz，℃)、一次网供水温度(Ts1，℃)、一次网回水温度(Tr1，℃)、二次网供水温度(Ts2，℃)、二次网回水温度(Tr2，℃)、一次网调节阀开度(V1，％)、二次网循环水泵频率(Fr2，Hz)、一次网过滤器前压力(Ps1，MPa)、一次网过滤器后压力(Ps1a，MPa)、二次网过滤器前压力(Pr2，MPa)、二次网过滤器后压力(Pr2a，MPa)、二次网循环水泵出口压力(Pr2cpout，MPa)、一次网循环流量(G1，T/h)、二次网循环流量(G2，T/h)、二次网补水流量(G2mk，T/h)、二次网循环水泵功率(N2，KW)，测试数据间隔1次/小时；

2-2)、建立换热站实测数据表：

将上述步骤2-1)所获取的换热站实测数据传送至换热站实测数据表内相应位置，建立完整的换热站实测数据表；

2-3)、获取控制参数设定值

2-3-1)、获取室外温度与控制参数设定值之间的关系

2-3-2)、控制参数设定值为：一次网供水温度、二次网供水温度、二次网过滤器前压力；

2-3-3)、室外温度与控制参数设定值的关系由下列公式E(1)表示：

Psp＝a+b*To+c*To²---------------------------------------------E(1)

Psp-控制参数设定值；

a、b、c-计算系数；

To-室外温度，当用于获取室外温度与控制参数之间的关系时，为按照时间顺序从换热站实测数据表中读取的；当用于获取控制参数设定值时，是室外温度的实时检测值；

3)、系统运行分析

3-1)系统运行状态分析包括时序状态分析和温序状态分析两部分，以判断系统运行状态和控制精度；

3-2)判断依据为：建立的“换热站实测数据表”和系统控制参数设定值；

3-3)时序状态分析

时序状态分析是通过实测数据与对应时间的关系判断系统运行是否稳定，实测数据包括温度、压力、流量三个方面；

温度包括：室外温度、一次网供水温度、二次网供水温度；

压力包括：二次网过滤器前压力；

流量包括：一次网循环流量、二次网循环流量；

分析过程为：

3-3-1)计算实时室外温度时的控制参数设定值：

Psp＝a+b*To+c*To²-----------------------------------------E(1)；

3-3-1-1)、实时室外温度来源于已建立的“换热站实测数据表”；

3-3-1-2)、通过此公式E(1)计算出对应控制参数的设定值，即Psp；

3-3-2)比较、分析和判断控制参数的实测值和设定值

计算公式为：

eP＝Psp-Pmsd；

式中，eP-控制参数设定值和实测值的差值；

Psp-控制参数设定值；

Pmsd-控制参数实测值；

3-3-2-1)通过步骤3-3-1-2)获取控制参数设定值Psp；

3-3-2-2)从已建立的“换热站实测数据表”中获取控制参数的实测值Pmsd；“换热站实测数据表”中的所有数据均为实测值；

3-3-2-3)根据Psp和Pmsd值，计算r1＝Pmsd/Psp值，r1-运行状态判断系数；

3-3-2-4)系统运行状态判定

当0.95≤r1≤1.05时，判断为系统运行正常，即稳定状态；当0.85≤r1<0.95或1.05<r1≤1.15，判定为系统运行异常；当r1<0.85或r1>1.15时，判定为系统故障；

3-3-2-5)采用时序状态分析时，历史趋势图的x轴为时间；y轴为r1的值；

3-3-3)可采用时序状态分析的控制参数

一次网供水温度、二次网供水温度、二次网过滤器前压力、一次网循环流量、二次网循环流量；对于不同的控制参数，a、b、c值分别有相应的值，控制参数为：一次网供水温度、二次网供水温度、二次网过滤器前压力、一次网循环流量、二次网循环流量；获取控制参数设定值的公式形式为E(1)的统一形式，系数可以通过“换热站实测数据表”中的实测数据拟合得出；

3-4)温序状态分析

3-4-1)温序状态分析是针对实时室外温度与控制参数设定值和实测值之间的关系，由此判定系统的控制精度，历史趋势图中的x轴为实时室外温度；y轴为控制参数设定值和实测值；设定值来源于公式E(1)，实测值来源于“换热站实测数据表”；

3-4-2)控制参数的实测数据包括温度、压力、流量三个方面，如下所示：

温度包括：室外温度、一次网供水温度、二次网供水温度、二次网回水温度；压力包括：二次网过滤器前压力；

流量包括：一次网循环流量、二次网循环流量；

3-4-3)分析方法

3-4-3-1)计算实时室外温度时控制参数设定值，采用该公式

Psp＝a+b*To+c*To²--------------------------E(1)

3-4-3-2)比较、分析和判断控制参数的实测值和设定值，计算r2＝Pmsd/Psp值；

3-4-3-3)系统控制精度判定；

当0.97＝<r2<＝1.03时，系统控制精度正常；当0.94＝<r2<0.97或1.03<r2<＝1.06，系统控制精度异常；当r2<0.94或r2>1.06时，系统控制故障；

3-4-4)用于分析的历史趋势图x轴为实时室外温度；y轴为r2的值；

3-4-5)用于控制精度判定的控制参数分别为：一次网供水温度、二次网供水温度、二次网过滤器前压力、一次网循环流量、二次网循环流量；

3-5)系统运行分析

3-5-1)发现运行方面存在的问题：见上面的时序状态分析；

3-5-2)发现控制方面存在的问题：见上面的温序状态分析；

3-5-3)发现设备方面存在的问题，如下所述：

3-5-3-1)分析数据来源于已建立的“换热站实测数据表”；

3-5-3-2)设备问题判定

3-5-3-2-1)一次网和二次网过滤器堵塞

一次网供水过滤器堵塞的判断：

一次网过滤器前压力-一次网过滤器后压力>＝0.05MPa，且持续时间>＝1天时，则一次网供水过滤器堵塞；

二次网回水过滤器堵塞的判断：

二次网过滤器前压力-二次网过滤器后压力>＝0.05MPa，且持续时间>＝1天时，则二次网回水过滤器堵塞；

3-5-3-2-2)一次网调节阀选型失误的判断：

当在一月份内一次网调节阀开度<20％的持续时间>40％时，一次网调节阀选型过大；当在一月份内一次网调节阀开度>70％的持续时间>40％时，一次网调节阀选型过小；

3-5-3-2-3)二次网循环水泵选型失误的判断：

当在一月份内二次网循环水泵频率<30Hz的持续时间>40％时，二次网循环水泵选型过大；当在一月份内二次网循环水泵频率>45Hz的持续时间>40％时，二次网循环水泵选型过小；

3-5-3-2-4)二次网失水问题的判断：

当二次网补水泵频率>40Hz，且持续时间>1天时，说明二次网存在泄漏，包括管线或设备开口，管线焊口开焊，补偿器损坏开裂，导致失水；当二次网补水泵频率在1小时内变化幅度，包括增加幅度或降低幅度，达到20％时，说明存在用户私自挪用采暖循环水现象；

4)、系统特性参数计算

4-1)创建“系统特性分析数据表”

4-1-1)需要创建的“系统特性分析数据表”中的数据来源于“换热站实测数据表”；

4-1-2)“系统特性分析数据表”中包括的数据如下：

时间h、室外温度℃、室内温度℃、一次网供水温度℃、一次网回水温度℃、二次网供水温度℃、二次网回水温度℃、一次网循环流量T/h、二次网循环流量T/h、二次网过滤器后压力MPa、二次网循环水泵出口压力MPa、耗电量KWH/天；这些数据的格式与“换热站实测数据表”中的数据格式相同；

4-2)判定实测运行数据的准确性

4-2-1)判定实测运行数据的准确性，通过以下三个校验码(分别为R1、R2、R3)的计算结果进行；以下计算中的数据均来源于已创建的“系统特性分析数据表”；

4-2-2)校验码计算

4-2-2-1)校验码R1的计算，见公式E(2)：

R1＝G1*(Ts1-Tr1)/[G2*(Ts2-Tr2)]-----------------------------------E(2)

R1-校验码1，一个自定义的计算参数；因以上数据均为按时间排列的数组，最后得出的R1也为数组，数组中的每个值均通过同一时刻的实测数据计算而得；下面所述的校验码R2和R3的数据格式也是按时间排列的数组，与R1相同；

公式中的符号意义如下：

G1-一次网循环流量，T/h；

Ts1-一次网供水温度，℃；

Tr1-一次网回水温度，℃；

G2-二次网循环流量，T/h；

Ts2-二次网供水温度，℃；

Tr2-二次网回水温度，℃；

4-2-2-2)校验码R2的计算，见公式E(3)：

R2-校验码2，一个自定义的计算参数，格式为数组；

rm＝{[0.5*(Ts2+Tr2)-Tz]^(1+cht)}/(Tz-To)--------------------------E(4)

rm-一个计算校验码R2的中间值，一个自定义的计算参数，计算公式见E(4)；因以上数据均为按时间排列的数组，除cht为数值外，最后得出的r2也为数组，数组中的每个值均通过同一时刻的实测数据计算而得；

-数组rm的平均值，为一个数值；

Tz-室内温度，℃；

To-室外温度，℃；

cht-末端散热装置传热系数实验中的计算系数，当末端装置确定后，此值即为常数值；

1+cht-指数项；

“/”-除法，(Tz-To)为整个公式的分母；

“*”-乘法；

4-2-2-3)校验码R3的计算，见公式E(5)：

R3＝9810*G2/3600*(Pr2cpout-Pr2a)*100/em/ecp/10³*24/N2------E(5)

R3-校验码3，一个自定义的计算参数；因以上数据均为按时间排列的数组，最后得出的R3也为数组，数组中的每个值均通过同一时刻的实测数据计算而得；

G2-二次网循环流量，T/h；

Pr2cpout-二次网循环水泵出口压力，MPa；

Pr2a-二次网过滤器后压力，MPa；

em-二次网循环水泵的配用电机效率，可根据电机特性曲线获得；

ecp-二次网循环水泵的水泵效率，可根据水泵特性曲线获得不同循环流量下的水泵效率数值；

N2-二次网循环水泵耗电量，KWH/天；

公式中：*-乘法；“/”-除法

4-2-3)实测运行数据准确性的判定

4-2-3-1)校验码R1、R2、R3的合理范围

R1、R2、R3的合理范围分别为0.9～1.1、0.8～1.2和1.2～1.4；

4-2-3-2)实测参数据异常标识

当R1超出此范围时，说明G1、Ts1、Tr1、G2、Ts2、Tr2中存在实测数据异常；

当R2超出此范围时，说明Ts2、Tr2、Tz、To中存在实测数据异常；

当R3超出此范围时，说明G2、Pr2cpout、Pr2a、N2中存在实测数据异常；

4-2-3-3)实测数据错误时的处理方法

4-2-3-3-1)当根据校验码判定实测数据存在错误时，可以采用现场一次表进行检测对比，以便确认数据错误来源，如循环流量可采用超声波流量计测试比对，温度可采用表面温度计测试比对，压力可采用就地压力表测量比对，电耗可采用手持式电表测试比对；

4-2-3-3-2)当找出错误数据来源后，根据具体情况更换相应读数错误的数据监测仪表，以保证实测数据的准确性；有效测试数据记录条数应大于整个供暖期相同时间间隔的数据记录条数总量的80％；

4-3)系统特性参数计算

4-3-1)一次网循环流量比rG1，见公式E(6)，是供热系统的一种运行特性参数：

rG1-一次网循环流量比；

G1-一次网循环流量，T/h；

-一次网循环流量的平均值，T/h；

G1d-一次网循环流量设计值，T/h；

4-3-2)二次网循环流量比rG2，见公式E(7)，是供热系统的一种运行特性参数：

rG2-二次网循环流量比；

G2-二次网循环流量，T/h；

-二次网循环流量的平均值，T/h；

G2d-二次网循环流量设计值，T/h；

4-3-3)换热器的传热面积富裕系数fex，见公式E(8)，是供热系统的一种固有特性参数：

fex-换热站中换热器的传热面积富裕系数；

-一次网循环流量的平均值，T/h；

-一次网供水温度的平均值，℃；

-一次网回水温度的平均值，℃；

-换热器对数平均温差的平均值，℃；

Uexd-设计工况下换热器综合传热系数，W/℃(瓦/度)；

4-3-4)散热器的传热面积富裕系数fht，见公式E(9)，是供热系统的一种固有特性参数：

-二次网供水温度的平均值，℃；

-二次网回水温度的平均值，℃；

-室内温度的平均值，℃；

cht-末端散热装置传热系数实验中的计算系数，当末端装置确定后，此值即为常数值；

Uhtd-设计工况下末端散热装置综合传热系数，W/℃；

5)、创建系统动态数学模型

5-1)系统动态数学模型形式

Cb、Cex1、Cex2、Cht、Cz-分别表示热源锅炉、换热器一次侧、换热器二次侧、室内散热装置和室内空气的热容量，J/℃，J-焦耳；

uf-热源锅炉的燃料控制变量，数值范围为0<＝uf<＝1；

Gfd、G1d、G2d-锅炉燃料设计流量、一次网设计流量、二次网设计流量，式中流量的单位为Kg/s；

HV-锅炉燃料热值，J/Kg；

eb-锅炉效率；

cw-水的比热，J/KgC；

rG1、rG2-一次网循环流量比和二次网循环流量比；

fex、fht-换热器的传热面积富裕系数及散热器的传热面积富裕系数；

Uex、Uht、Uen-换热器、散热器和建筑物围护结构综合传热系数，W/℃；

LMTD-换热器对数平均温差，℃；

qsols、qint-南向太阳辐射和室内得热，W/m²；

Fsols、F-建筑物南向外窗面积和实际供热面积，m²；

5-2)由此创建的动态数学模型中包括系统的运行特性参数(rG1、rG2)和固有特性参数(fex、fht)；

5-3)动态数学模型中包括锅炉燃料控制变量(uf)，用于通过改变锅炉供水温度控制热源供热量，调节热源侧的供热量与用户侧需热量的平衡；

5-4)动态模型中系统干扰数据的获取

5-4-1)系统干扰分别为：室外温度、太阳辐射和室内得热；

5-4-2)根据模拟时间范围和监测时间间隔，从历史数据记录中得到室外温度、太阳辐射和室内得热的历史数据，通常为一个采暖期的对应间隔时间为1小时的历史数据记录；分别为：

时间(间隔1小时)、室外温度(℃)、太阳辐射(W/m²)和室内得热(W/m²)；

5-4-3)两个时间点之间的数据采用直线插入方法计算，如两个时间点的时间和室外温度分别为[t1，To1]和[t2，To2]，需要得到这两个时间点间的时间为t3时的室外温度值To3，则计算公式为：To3＝To1+(To2-To1)*(t3-t1)/(t2-t1)；

6)、通过开环实验获得系统设定参数

6-1)当创建供热系统的动态数学模型后，可进行开环实验；

6-2)设定太阳辐射和室内得热量为零；换热站换热器换热面积富裕系数和散热器传热面积富裕系数分别为其固有特性参数；

6-3)确定室外温度范围，通常从8℃至设计室外温度；

6-4)通过调节热源燃料控制变量(uf)进而调整热源供热量，以便使室内温度在系统的动态响应过程中的稳态值接近设计室内温度，即>＝室内设计温度的98％，室内温度的设计值通常为18-22℃；

6-5)每次室外温度变化的量达到预设的温度变化值时，记录系统的二次网供水温度值，如此即可得出室外温度与二次网供水温度之间的关系，通过上述得到的室外温度对应二次网供水温度值，拟合出室外温度与二次网供水温度值的关系公式，将二次网供水温度作为系统控制的设定参数值，即在动态数学模型中，实时给定室外温度时，可算出二次网供水温度设定值；

7)、基于创建的供热系统动态数学模型进行室外温度补偿控制策略仿真

7-1)如上所述的动态数学模型是基于系统实测数据获得的，因此可称为实际供热系统动态数学模型，下述基于系统动态数学模型的仿真结果与实际系统的动态响应具有一致性；

7-2)在系统动态数学模型中，引入干扰数据：室外温度、太阳辐射和室内得热，采用现有系统的特性参数：运行和固有特性参数，模拟系统现有状态下的动态响应；

7-3)系统控制策略

7-3-1)通过改变一次网循环流量控制换热站二次网供水温度，对二次网供热量进行调节，间接控制室内温度，达到供需匹配的目的；

7-3-2)控制算法

7-3-2-1)采用典型PI控制算法

典型PI控制器是一种常规的比例积分控制器，其输入信号为时间、控制参数设定值、控制参数实测值，本例中其输出信号的计算公式为：

u-控制器输出信号；

kp、ki-比例和积分常数；

Ts2sp-二次网供水温度设定值，℃；

t-时间，s；

-指对二次网供水温度设定值与其实测值之差在时间上的积分；

7-3-2-2)二次网供水温度设定值由上述动态系统的开环实验获取，涉及室外温度与二次网供水温度之间的关系，并给出计算公式形式为：

Ts2sp＝a0+a1*To+a2*To²--------------------------------------------E(12)

Ts2sp-二次网供水温度设定值，℃；

a0、a1、a2-公式中的计算系数；

8)、换热站优化特征

8-1)上述换热站的特性参数均通过实测运行参数通过计算获取，保证了创建的动态数学模型的准确性；

8-2)上述换热站控制参数的设定值均通过创建的动态数学模型开环实验得到，维持了换热站的个性化，使换热站控制参数设定值根据自身特性量身定制；

8-3)控制策略选择：可以将二次网供水温度控制策略替换为二次网平均温度控制、二次网温差控制、二次网回水温度控制，控制参数的设定值的获取方法相同，根据实测数据拟合出室外温度与二次网平均温度、二次网温差和二次网回水温度之间的关系曲线；

8-4)通过动态模型对不同控制策略分别进行仿真，比较各控制策略之间的差异进行优选。