锅炉机组供热群控策略研究.pdf

1332023.5期区域供热锅炉机组供热群控策略研究邓瑞华（天津能源投资集团有限公司，天津300000)摘要：为实现节能降碳的目标，针对热源系统开发了一套锅炉群控算法，提出满足建筑热负荷实时需求的负荷预测模型，搭建泵组输配优化模型及热源优化模型，实现了锅炉及水泵运行台数的自动调节、水泵自动变频和锅炉负荷智能分配。通过对某商业综合体实际应用案例进行分析，验证了锅炉群控算法的有效性，该算法可使燃气消耗量减少9.0 1%，泵组运行节能42%，总运行费用节约10.2%。关键词：锅炉群控；负荷分配；启停优化DOI 编码:10.16 6 41/11-3241/tk.2023.05.018Research on heating group control strategy of boiler unitDENG Ruihua(Tianjin Energy Investment Group Co.,Ltd.,Tianjin 300000,China)Abstract:In order to achieve the goal of energy conservation and carbon reduction,a boilergroup control algorithm is developed for the heat source system,and a load prediction model meetingthe real-time demand of building heat load is proposed.The optimization model of the transmissionand distribution of the pump group and the optimization model of the heat source are built to realizethe automatic regulation of the number of boilers and pumps,the automatic frequency conversion ofthe pumps and the intelligent distribution of the boiler load.By analyzing the practical applicationcase of a certain commercial complex,the effectiveness of the boiler group control algorithm isverified.The algorithm can reduce 9.01%of the gas consumption,save 42%of the operation of thepump group,and save 10.2%of the total operation cost.Keywords:group control strategy;load distribution;start-stop optimization1引言全球能源系统正面临近5 0 年来最严重的挑战和不确定性门。2 0 2 2 年全球能源统计评估指出，日益严重的能源短缺和不断上涨的能源价格突出了能源“安全性”“可负担性“低碳可持续发展 的重要性 2 。建筑物的能源消耗占世界总能耗的三分之一，二氧化碳排放占世界总排放量的四分之一 3。而HVAC(供暖、通风和空调)系统的能耗占建筑总能耗的38%，节能减排潜力巨大 4建筑热源系统是指为满足建筑物供暖、热水、空调等热能需求而设计的系统，主要由1342023.5期区域供热供热设备、输配管道、换热设备、热源控制系统等组成，是建筑物能源消耗的主要部分。建筑热源系统的供热设备包括锅炉、热泵、太阳能热水器等，输配管道包括供水管、回水管、分支管道等，换热设备包括散热器、地暖、风机盘管等。热源控制系统则负责控制建筑热源系统的运行，包括热负荷计算、温度控制、水流量控制等。随着建筑能源管理和智能化技术的发展，热源群控算法已经得到了广泛的研究和应用。王东风等 5 采用量子粒子群算法辨识得到锅炉协调控制系统的全局线性参数变化(LPV）模型，通过极值分解组合得到多胞LPV模型,同时在鲁棒变增益控制中引人了松弛变量，设计了控制效果更好的锅炉协调控制系统鲁棒控制器；王朝 6 完成了燃气锅炉控制系统的硬件选型并设计了模糊PID控制策略；李晓晨提出了一种基于边缘计算的电锅炉控制系统，将边缘控制器作为工业互联网体系中的边缘计算节点，更好地提供实时数据服务；张 8 采用西门子系列PLC控制和监控系统，建立了多台锅炉联合运行时的自动化监控群控系统；赵慧荣9 基于模型和控制算法研究基础，设计了面向锅炉经济性低氮燃烧优化的负荷跟踪控制系统；G.SairamKashyap等 10 设计了适用于锅炉-汽轮机系统的基于模型的增益调度比例积分(GS-PI)的控制机制;MinZhao等 11针对超临界锅炉汽轮机组的不确定性问题，提出了一种新的递归模糊神经网络(RFNN)模型非线性系统的动态响应，提高锅炉输出的控制性能。综上所述，国内外学者在热源群控算法方面进行了大量的研究，并取得了一系列重要成果。但是目前热源群控算法仍然存在一些不足之处，主要体现为负荷预测不准确、依赖控制策略且系统复杂度较高等。本文基于建筑实时预测负荷，搭配泵组与热源优化模型，建立了一套锅炉群控算法，可以很好地响应建筑实时负荷，优化锅炉和水泵运行策略，提升系统控制精度，在满足室内热舒适的前提下，减少了锅炉燃气消耗量，降低了泵组耗功，降低了系统总体运行费用，具有良好的节能效果。2挂控制方法2.1控制模型以燃气热水锅炉机组为研究对象，通过实测分集水器流量G、分集水器供水温度tsuply和分集水器回水温度tretun，计算当前负荷值Q，计算公式如下：Qi=CwaterGp water-t returm)/3600(1)supply式中：Q1一当前负荷值，kW；Cwater一水的比热容,kJ/(kgK);G一分集水器流量,m/h;Pwater水的密度,kg/m；t supply分集水器供水温度，；treturn分集水器回水温度，。计算热源安全运行所允许的最大负荷及最小负荷Qsafe,min，计算公式分别Ksafe,max如下：QRsafe,max=R,Rmax,boler Sum(Qboilers)(2)QQ safe,min=R min,biler min(Q bolers)(3)式中:Qsafe max热源安全运行时允许的最大负荷，kW;R max,boler锅炉最大运行负荷率，%；Q boilers每台锅炉的设计负荷，kW；Q safe,min热源安全运行时允许的最小负荷，kW;R min,boiler锅炉最小运行负荷率，%。根据实测室内温度平均值tinae与室内温度设定值tin.set确定负反馈系数，计算公式如下：tin.ave=average(tin)(4)At,=t inave-t in,set(5)maxNN1.minminmaxN1.miNi0ti.minNt1.ninNt 1.maxmin0NN1.max(6)1352023.5期区域供热式中：tin,ave一实实测室内温度平均值，；tin一室内测点温度，；tin.set一室内温度设定值,；一负反馈系数。根据考虑一定延迟的室外温度tout与室内设计温度tin.des的差值及设计工况下的室内温差，确定线性插值的热负荷值Q2，计算公式如下 12 ，outin,desQ2=max(min0heating,desing.dout.destin,des(7)式中：Q2一由线性插值确定的热负荷值，kW；tout一考虑一定延迟时间的室外气温，；tin,des室内设计温度，；一t out,des一供暖室外设计温度，；Qheating,des设计热负荷，kW。考虑室内温度负反馈与锅炉安全运行等因素，在置信度下，线性负荷预测模型的负荷预测值Qfore计算公式如下：Qfore=max(min(nQ2+(1一n)Q1,Q safe,max),Q safe,min)(8)式中：Qiore一负荷预测值，kW；7一负荷估计置信率。根据负荷预测值Qfore确定期望供回水温差t heating:ect，计算公式如下：At hcatig=suply retum(9)At heating,I=t heating,min(10)At heaig.4=A theatig marr=Qfore/sum(Qboilers)(11)At min=At heating,1,At max=At eaing,2Rmin,boiler(r-Rmibile)X(At heating.3 theating,At min=At heatig,1Rmax,bilrR，Rmin,boilerR minboilerRmax.bilerAt maxAt heatingt ma xAt heating,expect(13)(max(t h e a t i n g,A t mi n)At heatingttmax式中:t heating供回水温差，；At heating,min最小供回水温差，；At heating,max最大供回水温差，；At heating,expeet期望供回水温差，。根据预测负荷值Qfore和期望供回水温差At heating,expect确定总供热流量Gset，计算公式max(min(min(1.05Qfore,C waterP waterG,setQmax(min(max(0.95Qfore CwaterP waterG setset(t suply.st retumn),Q sfe max),Qsafemin)如下：3600QforeG(14)settwaterwateheating,expect式中：Gset一总供热流量，m/h。根据总供热流量Ger、当前回水温度tretum、供水温度设定值tauply.set，确定总供热负荷Qset。Cwate waterGse(suplyset-reun)QforewaterPwaterG(t supply,set一ttreturrQffore136区域供热2023.5期式中：Qset一总供热负荷，kW；t supply,set供水温度设定值，。遍历所有锅炉排列组合的真子集，找到供热量大于总供热负荷Qset的锅炉组合，进一步找到满足总供热负荷Qset的功率最小的锅炉组合，因为存在多台同型号的锅炉，所以可能有多种选择，此时基于各台锅炉的累计运行时间，选择总累计运行时间最短的锅炉组合，以此决定锅炉的启停。算法适应于一机一泵的热源工况，即锅炉启停控制与相应水泵的启停控制相对应。在确定需运行的锅炉和水泵后，首先计算一机一泵（即锅炉和水泵串联)的流量扬程特性曲线，计算公式如下：h;=bo pump(i)+b1,pump(i)G,+(b2 pumpi)-Stoiler:)G?(15)式中：h；一第i台水泵扬程，m；b o,pump(i)、b 1,p u mp(i)、b 2,p u mp(i)流量扬程系数；Sielerci）一与水泵对应的锅炉阻抗，m/(m/h);G,一第i台水泵流量,m/h。根据一机一泵的流量扬程特性曲线，计算并联的流量扬程特性曲线，表达式如下：h=b+b,G+b,G2(16)式中：h一水泵并联扬程，m；式中：h一水泵并联扬程，m；bob1、b 2 一流量扬程系数；G一水泵并联流量,m/h。根据并联的流量扬程特性曲线与分集水器间最小控制压差Pmin，利用二分法计算最小控制压差Pmin下的频率fsfe.min，若计算得到的水泵频率低于水泵最低运行频率fmin,，则令fsafe,min=fmino根据并联流量扬程特性曲线及管网（从分集水器到换热设备）阻抗最小值Smin，确定为达到供水流量Gset需要的水泵频率，计算公式如下：h=bo+biG+b2G2(G,h)(17)h=SmmnG250Gset50GsetsafeminGG(18)set50Gsetminsafe,minSa式中：Smin一管网（从分集水器到换热设备）阻抗最小值，m/（m/h）；fset一水泵设定频率,Hz;fsafe min一水水泵安全运行时允许的最小频率,Hz;G一供水计算流量，m/h；Gsel一供水需求流量,m/h。50G50G若fsafe,min,f setsetset，此时控G制策略为压差旁通阀开度为0 的泵组变频控50Gset制；若fusfeminf set=fsafemin,则h=GPmi n，设定为分集水器间最小控制压差，此时控制策略为水泵在频率fsafe.min下，分集水器间的定压差控制。根据变频后的一机一泵流量扬程特性曲线及水泵扬程h，确定各台水泵的运行流量G;，水泵频率设定值为 pumpset。当水泵控制策略为泵组变频控制时，分集水器旁通阀开度为0；当水泵控制策略为在频率fsfe.min下分集水器间的定压差控制时，分集水器旁通阀压差为Pmin。在考虑锅炉安全运行负荷、最大运行负荷的前提下，算法初期对比贪婪分配、平均分配两种分配模型的锅炉机组的综合效率，以选择更优的负荷分配。积累一段时间锅炉运行数据后，对锅炉效率负荷曲线进行回归，使用二次规划模型进行负荷分配 13。所利用的锅炉负荷分配模型适用于多种额定负荷的锅炉配置现场。锅炉效率关于负荷的表达式如下，锅炉负荷分配采用二次规划负荷分配模型。(19)137区域供热2023.5期式中：，一系统总热负荷，kW；bo boilr(i)、b 1,b o i l e r(i)、b 2,b o i l r(i)负荷分配系数；Qbole.i一第i台锅炉承担的负荷，kW。根据各台锅炉的运行负荷Q；，水泵运行流量G，确定各台锅炉的供水温度设定值t supplyset,boilerci)，计算公式如下：Q;t supply,set,boiler(i)CwaterG;pwater+tretum(20)式中：Q；一锅炉运行负荷，kW；G;一锅炉运行流量，m/h;tesuplysetbilero）一第i台锅炉的供水温度设定值，。2.2计算流程基于上述方法，构建锅炉系统供热控制策略的流程如下。（1)输入参数。输人参数包括供热系统配置属性、热源系统参数以及实时监测数据。(2)负荷预测。基于室内外气温及供回水温差的负荷预测模型，根据实时的热负荷需求进行热负荷动态调节，同时对期望供回水温差予以调整。（3)锅炉启停优化。通过遍历所有锅炉的排列组合的真子集，找到满足总供热负荷Qset需要的功率最小的锅炉组合，并以此控制锅炉的启停。(4)水泵输配优化。对于一次泵系统，在没有最不利末端压差监测的场景下，根据供热流量Gset，采取压差旁通阀开度为0 的泵组变频控制或水泵频率为fsatmin的分集水器间的定压差控制。(5)锅炉负荷分配优化。在考虑锅炉安全运行负荷、最大运行负荷的前提下，算法初期对比贪婪分配、平均分配两种分配模型的锅炉机组的综合效率，以选择更优的负荷分配。积累一段时间锅炉运行数据后，对锅炉效率负荷曲线进行回归，使用二次规划模型进行负荷分配。(6)输出控制参数。锅炉系统供热控制流程图如图1所示。开始供热系统热源系实时检配置属性统参数测数据负荷预测模型期望总流量热负荷预测值热负荷预测值锅炉（水泵）启停优化水泵启停锅炉启停控制控制流量分配锅炉负荷泵组输配优化分配优化锅炉启停、锅炉泵组优化出水温度；泵组锅炉优化结果启停、分集水器结果压差、泵组频率；负荷预测值、期望流量值结束图1锅炉系统供热控制流程图3控制策略测试某商业综合体的水系统为一次泵变流量系统，热源为两台额定功率为1.16 MW的锅炉。热源系统采用一机一泵串联连接，两组热源系统设备间并联连接，分组进行启停控制。两台变频水泵的额定扬程不一致，高扬程水泵额定流量为2 0 0 m/h，额定扬程为40 m；低扬程水泵额定流量为18 0 m/h，额定扬程为27m。在2 0 2 3年2 月15 日至2 0 2 3年3月4日进行了实际测试，将这18 天运行时间内的现场实际控制效果与热源群控算法后台控制效果进行对比分析，2 月15 日与2 月16 日以15分钟为控制间隔，其余时间以30 分钟为控制间隔。以下依次对供热负荷、锅炉机组综合运行效率、水泵运行频率、供回水温差、锅炉燃气消耗量、泵组输配能耗等方面展开分析。138区域供热2023.5期该商业综合体的热负荷与其所在地气象参数随时间的变化如图2 所示。从图2 中可以看出热源群控算法的期望供热负荷波动小，负荷随室内外温度变化的响应规律合理，且当室内温度低于室内控制温度18 时，算法期望供热负荷高于实际供热负荷，当室内温度高于室内控制温度18 时，算法期望供热负荷低于实际供热负荷，可以提高室内环境的热舒适性。锅炉的运行效率如图3所示。从图3中可以看出实际锅炉运行效率与热源群控算法控制下锅炉运行效率整体上基本一致，运行期间内的平均效率均在8 2%左右。锅炉的运行台数如图4所示。从图4中可以看出，当算法控制时间间隔为15 分钟时，可能会造成频繁加减机，当算法控制时间间隔为30 分钟时，并未出现频繁加减机。水泵运行频率及供回水温差如图5、图6所示。从图5 和图6 中可以看出，热源群控算法控制下供回水温差大于实际供回水温差，因此算法控制下水泵运行频率整体低于水泵实际运行频率。锅炉燃气消耗量如图7 所示。当室内温度低于控制温度时，预测的热负荷高于实际供热负荷，导致燃气消耗量高于实际燃气消耗量，但得益于热负荷预测模型，预测的热负300028室内温度室外温度室内设计温度实际运行供热负荷期望供热负荷242500-202.000-161500/121000-85004002023/2/152023/2/162023/2/212023/2/272023/3/4日期图2热负荷对比图100.实际锅炉运行综合效率期望锅炉运行综合效率80-60-40-20-02023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图3锅炉机组综合运行效率对比图1392023.5期区域供热实际锅炉运行台数期望锅炉运行台数2.0111.6111川11.2川111111川0.80.4-0.02023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图4锅炉运行台数对比图60水泵1实际水泵2 实际水泵1期望水泵2 期望50403020-10-0-2023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图5水泵运行频率对比图8实际供回水温差期望供回水温差614202023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图6供回水温差对比图140区域供热2023.5期250实际燃气消耗速率期望燃气消耗速率200-1-4/游150-11-100-1150-02023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图7燃气消耗量对比图45实际泵组运行功率期望泵组运行功率36M/2711182023/2/142023/2/192023/2/242023/3/12023/3/6日期图8泵组运行功率对比图荷更符合实际气象参数变化规律，整体燃气消耗量减少，从图7 中可以看出算法控制下锅炉平均燃气消耗量低于实际锅炉燃气消耗量，在整个运行时间内，实际燃气累计消耗量为31334.35 m，算法控制下的燃气累计消耗量为2 8 5 10.12 m，与实际控制相比，燃气消耗量减少9.0 1%。算法控制下供回水温差大于实际供回水温差，水泵运行电耗节能显著，如图8 所示。在整个运行时间内，实际泵组累计能耗为8336.08kWh，算法控制下的期望泵组累计能耗为48 2 6.6 5 kWh，与实际控制相比，泵组运行能耗减少42%。综合考虑锅炉、泵组运行能耗，取天然气价格为3.3元/立方米3，电价为0.6 元/千瓦时，供暖系统运行时间内实际累计运行费用为10 8 40 5 元，算法累计运行费用为9 6 9 7 9.4元，与实际控制相比，系统运行费用减少10.5%，取得了良好的节能效果，4结论对现有热源群控算法进行研究后，提出了一种新型锅炉群控算法，该算法基于建筑物热负荷需求的实时变化，动态调节热源系统的运行模式和参数，可以实现能源的有效利用，降低能源消耗并减少二氧化碳等温室1412023.5期区域供热气体的排放，从而达到节能减排的目的。基于某商业综合体的热源系统对本算法的控制效果进行了测试，得出如下结论：（1)锅炉群控算法控制下，不仅室内热舒适性更好，且运行时间内锅炉燃气消耗量减少9.0 1%；(2)算法控制下供回水温差大于实际供回水温差，泵组运行能耗节省42%，总运行费用节约10.5%，取得了良好的节能效果。参考文献1赵云龙，孔庚，李卓然，等。全球能源转型及我国能源革命战略系统分析刀中国工程科学，2021,23(1):15-23.2bp2022世界能源统计年鉴 EB/OL.（2 0 2 2-0 6-2 8）2 0 2 3-10-2 3h t t p s:/w w w.b p.c o m.c n/c o n t e n t/dam/bp/country-sites/zhcn/china/home/reports/statistical-review-of-world-energy/2022/bp-stats-review-2022-full-report_zh_resized.pdf.3蔡伟光。中国建筑能耗影响因素分析模型与实证研究 D.重庆：重庆大学，2 0 11.4 李兆坚，江亿我国城镇住宅夏季空调能耗状况分析 J.暖通空调，2 0 0 9,39(5)：8 2-8 8.5 王东风，朱为琦电站锅炉-汽轮机系统的LPV鲁棒H。/H 2 变增益控制J.动力工程学报，2023,43(4):468-474.6】王朝.基于模糊PID集中供热燃气锅炉控制系统的设计 J.机械管理开发，2 0 2 3，38（3）：17 0171+174.7】李晓晨基于边缘计算的电锅炉系统控制技术研究 D.大连：大连理工大学，2 0 2 1.8弓张基于群控技术的燃气锅炉供暖节能控制系统设计 D.长沙：湖南大学，2 0 16.9赵慧荣多目标经济预测控制算法及其在锅炉低氮燃烧优化中的应用研究 D.南京：东南大学，2 0 17.10KASHYAP G S,SANT AV,YADAVA.Gainscheduled proportional integral control of a modelbased boiler turbine systemJ.Materials Today:Proceedings,2022,62:7028-7034.11 ZHAO M,WAN J,CHEN P.Generalized predictivecontrol using improved recurrent fuzzy neuralnetwork for a boiler-turbine unitJ.EngineeringApplications of Artificial Intelligence,2023,121:106053.12刘文旭，李德英，周佳燃煤锅炉负荷控制运行策略 J.区域供热，2 0 13（4)：11-14+2 2.13高岩，梁太龙并列运行工业锅炉的负荷优化分配 J.北京理工大学学报，2 0 0 2（3)：318-320.