清华大学供暖节能改造及合同能源管理

清华大学供暖节能改造及合同能源管理发布日期：2011-12-27 浏览次数：33 潍坊国建高创科技有限公司企划部 近年来国家屡屡出台政策，鼓励各地在节能改造中实施合同能源管理。节能服务公司是合同能源管理的实行者。与传统的设备供应商不同，节能服务公司所提供的是整体节能解决方案，卖的是节能量而不是单纯的产品。潍坊国建高创科技有限公司（简称国建高创）是国家首批备案的节能服务公司，是节能服务领域的领军企业。2011年9月20日，国建高创与清华大学签订了供热节能项目，将对清华大学260万方平米的供暖系统包括相关电、水系统进行技术改造。国建高创提供项目改造方案及改造工程所需要的智能节能设备与系统，并负责项目的调研、设计、工程的改造以及节能设备的安装、调试和维护，并与清华大学共享项目节能效益和政策性收益。国建高创的投资收益从节能效益分成及争取国家政策专项补助奖励中回收和享受。清华大学将投入一定金额的项目启动资金，且自项目投入 图1 国建高创与清华大学的签约仪式始即分享节能效益，分享国家有关补助奖励，在双方效益分享合作结束后，获得节能设备产权及其后续产生效益的收益权。此次合作作为国内校、企、银强强联合的典范，受到了各方面关注。项目概况清华大学校园占地六千余亩，以南北主干道为线分为东区和西区，西区校园为老校区。学校建筑面积为281.58万平米，供暖面积约为260万平米，其中住宅面积约63万平米，学生宿舍面积约46万平米，教学、办公及其他供暖面积约110万平米，每年供暖周期为4个月。该项目由国建高创承建，采用合同能源管理模式实施，投资总额4800余万元。清华大学供暖能耗现状清华大学供暖系统由两座锅炉房、12个换热站及热力管网组成。两座锅炉房分别为南区锅炉房（9003锅炉房）和高压锅炉房。南区锅炉房（9003锅炉房）内现有3台20吨燃煤热水锅炉，供暖面积705630.17平米。高压锅炉房内有2台20吨和1台40吨燃煤热水锅炉，3台20吨（其中一台用于生活热水）和1台40吨燃气热锅炉，供暖面积1887814.9平米。清华大学供暖系统2009年-2010年度能源消耗情况为：煤耗为7万吨（5500-6000大卡）；电耗为5720MWh；水耗为91000m3。项目方案设计1、设计方向由于清华大学校园供暖面积较大，设备较多，在不同时期由不同的厂家建设，并且有部分设备已运行多年，在之前的条件和技术下做节能改造的难度较大。随着自动化技术水平的不断发展，相应的供暖节能技术也逐步提高，为此由国建高创立项建立新的锅炉综合节能监控系统和各换热站节能控制系统，并对各公共建筑建立分时分区分温控制，建立GPRS通讯网络，将各换热站及锅炉房等重要参数实时传输到系统监控中心，监控各换热站及锅炉的设备运行状态及各分时分区分温控制设备的运行状态，并可向其发送调度指令。本次改造项目为供暖节能系统，以下简称SCADA（信息采集监控系统），建立锅炉监控系统、12个换热站监控站、分时分区分温控制、总控室、GPRS网络系统等。本次项目对所提供SCADA系统的硬件、软件、技术服务、工程服务、技术培训、软件组态、系统集成、包装运输、开箱检验、安装、现场调试、系统验收、到SCADA整套系统运行等各个环节负责。2、系统节能综合改造技术措施锅炉控制采用DCS控制系统，以保证锅炉安全、节能运行。同时，锅炉控制系统数据能通过GPRS无线通讯上传到系统监控中心，将锅炉的主要运行参数实时传送。通过换热站就地控制系统的安全、节能、优化运行，以实现优质服务和节能减排。同时，能将换热站的运行参数通过GPRS无线通讯实时传送到系统监控中心，也能接受并执行系统控制命令。管网分时分区分温控制根据各公共建筑的用热规律，本地控制箱实现现场控制，合理调配供热量，节约能源。同时，能将各阀门的运行参数通过GPRS无线通讯实时传送到系统监控中心，集中控制。系统监控中心监控整个热网运行，包括各锅炉房、换热站、管网运行。核心节能技术1、公共建筑分时分区分温控制根据公共建筑的用热规律，在建筑物内无人办公时降低各区域/楼栋的供热量，节约能源。2、循环泵变频调速根据热用户用热需求设定循环水流量和压差，调节循环泵转速，减少阀门截流损失，有效节约水泵电耗。3、精确控制供暖温度根据室外温度和室内温度的需求，系统监控中心下达室外温度值，就地控制换热站二次网供水温度或二次网回水温度并进行自动控制，确保二次网的供水温度或二次网的回水温度在设定值上。根据二次网的流量和进出口温度计算供热量，根据不同的气温设定不同的供热量，通过一次网调节阀和二次网水泵变频器调整供热量以达到气候补偿的目的。这样就可以避免在供暖的初期和末期过高供热，节约能源；能保证在室外温度最低期间保证用户采暖温度，提高供热质量和服务质量。4、供热计量换热站就地控制系统具备供热计量功能。换热站就地控制系统接收二次网进出口的温度和流量，计算换热站的供热量，并根据气温自动调整供热量。5、无人值守换热站自动化控制改造后，换热站就地控制系统自动控制换热站的安全运行，并将换热站的运行工况实时传送到系统监控中心。若出现任何异常，会进行保全处理并向监控中心发出报警，以指示维修人员到现场维护。项目建设内容1、锅炉监控系统（1）锅炉控制采用DCS控制系统锅炉控制系统采用DCS集散监控系统，整个系统包括操作层与过程层。每台锅炉一个操作员站。操作层包括传统控制功能（如：操作与监视，数据归档与信息记录，趋势与报警）和网络数据共享功能。过程层包括基本和高级的回路控制、高速逻辑、开关控制及数据采集功能。系统的现场控制站电源、主控制卡件、通讯卡件均采用冗余配置，以保证整个控制系统具有较高的可靠性。（2）热水锅炉控制方案锅炉自动控制系统分为燃烧控制系统、送风系统控制、引风系统控制、共用部分控制。复杂回路控制：本项目燃烧系统为链条炉，且为热水锅炉。锅炉部分的自动控制是锅炉DCS自动控制的重点和难点，锅炉部分提供合格品质的热水以供热用户使用，同时要保证锅炉自身运行的安全性和经济性。燃烧过程的控制又可以分成送风控制、炉排转速控制、炉膛负压控制这三个子系统相互关联。锅炉燃烧控制最终目的要使出水温度保持在设定值。链条炉燃烧系统自动调节的最终目的是要使出水温度保持在设定值，克服自身燃料方面的扰动，保证负荷与出力的协调，同时使燃料量与给空气量相协调（风煤比），保证燃烧的经济性，引风量与送风量要相适应，维持炉膛负压在一定范围内，保证燃烧的安全性。燃烧控制系统中主要有三个调节量：给煤量、风量、引风量。锅炉炉排控制对于该链条锅炉以锅炉出水温度为控制标志，对锅炉出水温度进行定温调节。出水温度是衡量热水量与外界负荷两者是否相适应的标志，引起出水温度变动的扰动来源有两个，其一是燃料量的扰动，又称基本扰动；其二是室外温度的变化引起的换热的扰动，又称负荷扰动。基本扰动容易通过自身的闭环来克服，负荷扰动通过不同负荷条件下预置一个基本值，在基本值的左右进行控制。提高负荷扰动的提前控制量，预先进行调节，使出口水温保持定温。同时定温控制中不但需要判断温度的偏差，还需要判断温度的变化趋势。通过结合温度的偏差及温度变化趋势，采用专家控制系统对每一个状态进行运算，采用最符合此状态的控制输出。同时由于环境温度的差异，使回水温度变化，所以在调出口水温的同时必须根据回水温度与进水温度的偏差，相应地对输出参数进行一定的补偿或调整。根据室外的温度、锅炉的回水温度及热水出口流量计算出锅炉的总供热量。通过调节链条炉排转速、送煤闸门挡板的开度，控制燃煤量，适应实际的热负荷的要求，从而控制锅炉出口温度。锅炉出口温度控制的设定值由地区环境温度设定。锅炉出口温度曲线图由系统自动求取，为了保证一些实际情况的需要，控制系统中加入一个可由用户随时设定的偏置量。在燃烧控制的投运过程中，采取一定的步骤。先在稳定负荷下要求能够控制好整个系统，在有更多的运行经验后再拓展至各种负荷情况。控制中主要根据负荷情况设定对应炉排转速（煤量）和送风量。送风控制：根据煤源的特性以及经验数据确定风煤比，设置比值调节回路，通过链条排的给煤量调节送风量，使燃烧到达最好的燃烧效率。风煤比可加入一个人工干预的偏置量。引风控制： 设置一个前馈调节回路，通过调节引风量调节炉膛负压，将送风量作为前馈信号，以保证引风系统的稳定性，炉膛负压控制在要求的范围内，使锅炉能安全运行。炉膛负压的调节在整个燃烧系统中相对具有独立性，可以作为一个单独的对象来设计控制。为保证引风提前于送风运作，引入鼓风作为前馈。（3）一次供热管网测量控制系统在一次供热管网系统设置锅炉补水控制，该控制采用液位和压力控制。同时设置下监测回路：总供水线的温度和压力测量； 总回水线的温度和压力测量；循环泵前压力测量报警；软化水箱液位测量报警。2、换热站就地/自动控制系统（1）就地控制站在各换热站设置本地控制系统就地控制换热站的运行，并将本站的测控数据及参数传至监控中心，对热网进行调度管理，保证热力管网的正常运行。（2）就地控制站主要任务负责独立完成该供热区域运行参数的采集、监测及自动控制，通过自动调节来满足该区供热需求，同时接受监控中心指令，向上传送有关数据。根据室外温度，自动设定二次供水温度，也可人工现场设定二次供水温度。自动控制二次供水温度在设定值上。自动补压控制，使二次水压保持在设定点，控制精度为0.5%。现场控制柜设置人机接口显示屏，以便现场显示操作。界面参数显示。监视二次网循环泵变频器运行。（3）就地控制站结构监控站将整个管网的参数传至监控中心，调度中心对热网进行调度管理。现场控制系统由本地监控站和现场仪表组成。本地监控站配置现场控制器PLC及GPRS通讯设备，现场仪表配置压力、温度、流量、液位、变频器等设备。（4）换热站的控制原理二次管网供回水管加温度和压力检测，回水管加流量计，可计量供热量，同时作为控制室温的参量。当室外气温升高时，PLC提取此温度下设定的供热量（设定值根据经验取得，也可随时修改），通过变频器调节二次网循环水流量，控制供给用户的热量，从而控制用户室温保持恒定。由于二次网供热负荷下降，一次网供水温度会升高，这样降低锅炉负荷，从而使一次网供水温度恒定，达到节煤的目的。温度控制方式：温度控制回路负责调节换热机组二次侧供水温度，本方案温度控制算法采用的是模糊控制算法。模糊控制算法是近年来迅速发展的一种控制算法，由于不需要建立精确数学模型，因此具有阶跃响应速度快、精确度较高、对参数变化不敏感及整定更容易等特点，充分体现了智能控制方法对于被控对象的良好适应性。在温度控制中引入模糊控制代替传统PID控制可以很好的解决温度滞后造成的调节振荡，能明显改善监控系统的稳态和动态性能，因此我们将模糊控制算法引入换热器二次侧供水温度的调节。调节原则：限制幅度，逐渐调匀。由于系统的大惯性及传输延迟，因此不能连续调节，否则将引起系统振荡。两次调节的时间间隔不能太短，而应采取“等等看看”的策略，待温度基本达到稳定后再进行下次调整。整个调节不是一两次完成，而是逐渐趋于一致的动态过程，因此，每次阀门调节的幅度不能太大，以确保系统的稳定。根据二次网回水流量计算供热量，根据不同的气温设定不同的供热量，通过调节阀门，使供热量保持在设定值上。（5）换热站控制的任务及功能换热站采用间接换热方式，经过热交换器的二次水给用户供热。采暖系统根据与室外温度相对应的二次供水温度曲线，通过循环泵变频系统来控制二次网流量，实现二次网负荷的控制。换热站有流量累计和热量累计。显示各种运行参数及设备运行状态。对各种参数有报警功能。换热站内水箱装有液位变送器，将液位信号传至本地控制站，设置水位高低限报警。补水系统为变频定压补水，根据回水压力控制变频器调速，并具有水箱低限保护等功能。3、管网分时控制系统公共建筑分时分区控制系统是通过在建筑回水管道安装我公司自主研发的分时段温度控制箱配合智能电动阀，实现建筑需要多少热能管网供应多少热量，从而对大型公共建筑等分时段用热特点十分鲜明的建筑实现了智能分时段供热的控制系统。（1）系统组成电动阀门、电动阀门远程控制箱、供回水温度传感器及各种附件。（2）方案设计说明在楼栋（单元）前的回水管路上安装电动调节阀，在楼内安装温度控制箱，用户可以在温度控制箱上预先设定楼内所需要供暖时间（如7时至18时）和供暖温度（如20），在此段时间内，阀门打开，进行供暖，使楼内达到预设温度；当下班后，楼内无人时，如下午18时后，阀门关闭，直至第二天7时再自动重新开启阀门，按预设温度正常供暖。当楼内温度低于预设防冻温度（如10）时，阀门打开，直到楼内温度超过10，阀门关闭，防止冻坏管路及防止楼内温度过低。 图2 分时分温控制器主界面（3）系统工作过程分时段节能控制系统经一个分时段温度控制箱和电动调节阀门，来实现分时段节能控制。该系统依据实际检测供/回水温度与用户设定温度的偏差，通过优化控制方式输出420mA信号控制阀门的开度，即通过调节热水流量达到控制供暖温度的目的，自动调整热水流量，通过量调节控制，达到质调节的目的，最大化地节约能源。（4）系统特点可进行不同时段、不同温度的控制；可分楼栋、分单元、分楼层单独控制温度；具有低温防冻功能、安全可靠；根据供热负荷的变化调节供热量，达到了节约能源的目的。4、热网监控中心（1）监控中心热网监控中心是整个热网的控制中心，对其热网系统中各远程控制站的运行工况进行实时监测，根据热网参数对热网进行合理的调度、指挥。热网监控中心通过组网来连接各种设备，使他们之间进行数据交换。（2）监控中心具备的功能整体或局域供热系统的流程图显示，区域供热系统图、过程模拟流程图的显示，其中标有各关键数据、控制参数及设备；记录和显示重要点的历史趋势数据或图形；报表的生成与打印；在事故状态下可连续监测显示某一参数的实时变化；值班人员利用以上功能，分析判断热网的运行状态，动态的水力、热力工况是否正常，本工作站是系统主要监控窗口，须具有丰富的人机对话界面。 监控中心系统结构图利用网络服务器调出各种运行参数，分析热网现状是否达到最佳运行，预测故障隐患，完成各种运行参数、图表，下达换热站供热参数调节命令，调整供热运行状态；完成系统共用数据存储，各种数据交换，负责发送各种数据的调用命令，协调整个通讯协议，完成网络控制管理，保证通讯网正常运行。专家论证2011年5月，清华大学成立本项目技术方案论证组，并组织会议论证，专家组包括中国建筑学会暖通空调分会副理事长、北京建筑设计研究院顾问总工吴德绳，中国城镇供热协会副理事长徐忠堂，住建部供热计量与节能工程技术研究中心主任綦升辉，北京大学教授级高工于海凌，清华大学校园修缮管理中心主任许立冬等著名学者、专家。专家组认为，该方案有针对性，自动化程度高、控制精确、适应环境性强，在清华大学供热系统整体节能优化控制方面具有先进性、科学性和可操作性，并且该系统经过已经应用的节能改造工程验收，性能稳定可靠，建议实施。