静态水力平衡+变流量控制实现供热节能最大化

用静态水力平衡计算机算法+变流量控制实现节能最大化

一、“静态水力平衡计算机算法”被“唐山晓世科技有限公司”攻克

1、水力平衡计算机算法的成长历程

唐山晓世科技有限公司（以下简称“晓世科技”）静态水力平衡计算机算法是实现管网静态水力平衡的核心。该算法初用于2012、2013年唐山热力总公司供热范围内五个小区的首次试验；成熟于2020年极寒天气新算法在唐山市丰润区国能热力有限公司应用和大算力软件在唐山市曹妃甸区热力有限公司的应用；完美于2022年同程网算法的开发和分布式水力平衡调节技术在“天津电力机车有限公司”的成功应用。

（1）静态水力平衡计算机算法初露锋芒

2012、2013年，静态水力平衡计算机算法在唐山市热力总公司北部公司74#小区、市区公司健康楼小区、丰润公司1号小区等五个小区范围得到推广应用，集中供热面积546016平方米，取得了良好的社会效益和经济效益。

五个小区庭院管网水力平衡改造后，每平米供暖面积节电率达到37.5%。通过改善供热效果，减少了用户因供热效果差而人为放水现象的发生，节约水资源，通过初步试验，每平米供暖面积节水率达到17%。降低工人的劳动强度，减少热用户因不热和低温造成的维修工作量，室温的提升促进了收费率提高。

按照2012-2013年度供热时间计算，2013-2014年度，节约热量0.0656GJ/m²，共节热35818GJ,按照热电厂采购价格折合人民币104万元。

2013-2014年度比2012-2013年度平米节电0.182Kwh/m²，共节电99374.9Kwh，按0.53元/Kwh计算，节约资金52668元。

2013-2014年度比2012-2013年度平米平均节水0.0254t/ m²，共节水13868吨，按5.84元/吨计算，节约资金80989元。

2013-2014年度，共计节约资金1173657元，经济效益显著。便捷的调节方法，减少了调节次数和用工数量，降低了工人的劳动强度，节省了人工经费支出。低温用户室温的提高，减少了供热企业和热用户之间供需矛盾产生的纠纷，社会效益凸显。（以上文献来自于唐山市热力总公司《孔板技术研发与应用》鉴定材料之“效益分析报告”）

（2）新算法在极寒天气下成功应用和大算力水力平衡算法诞生

2020-2021年度唐山地区出现了北方少有的极寒天气，室外温度最低至零下22℃，用原算法在唐山市丰润区国能热力有限公司23号换热站实施水力平衡调节工程的小区居民出现了大规模报冷投诉现象，极寒天气给检验水力平衡调节新算法的效果提供了最好契机，通过绘图、参数输入与计算，将新算法计算出的孔板替换掉原来的孔板，历经一天试运行，报冷投诉率降低了95%，晚上进行入户测温，室温效果良好，又将剩余报冷热用户的孔板进行微调，完美解决了投诉现象的发生。供热期结束后，本年度研发的新算法在节能方面，比唐山热力总公司应用的算法又进一步节电30%（由于站内热计量表问题，节热数据统计没做统计）。

同年，大规模水力平衡计算机算法在唐山市曹妃甸区热力有限公司的2223个热用户节点的水力平衡改造中，顺利通过检验，解决了原算法计算点位少的问题。同时，为分布式水力平衡计算奠定坚实基础。

（3）同程网水力平衡算法诞生和分布式水力平衡的成功应用

三年疫情影响，“晓世科技”沉心钻研同程网水力平衡算法，经反复论证最终成型，并于2022年-2023年供热季，在“天津中车唐山轨道交通有限公司”中标的“天津电力机车有限公司”供热管网水力平衡改造中，采用同程网算法和异程网算法相配合方式，并应用了分布式水力平衡调节技术，很好地解决了供热二次网主干是异程网、室内是同程网的水力平衡调节难题。

2、“晓世科技”水力平衡计算机算法方案的特点

（1）该算法既适用于供热一次网，也适用于供热二次网。

（2）通过计算对阻力和流量按需分配，做到真正的精准供热，供热前即可完成水力平衡调节过程。

（3）计算参数的修改功能，有效解决边角户、阴阳户与中间户等不同热用户的不同需求，对流量进行科学分配。

（4）分布式理念做到户前平衡，在投入设备造价超极低的前提下，一次性解决水平失调和垂直失调现象。

（5）分布式理念很好的解决因热用户增减或新小区入住率低对零散热用户室温的不利影响，且不会因入住率增减而打破整体平衡。

（6）多解的方案，根据供热企业和供热现场的需求，可提供的大流量小温差和小流量大温差任意供热模式的“N”种方案。

（7）调节工具的独特结构，平衡不会轻易被人为打破。

（8）调节工具小巧灵活，安装简单方便，且对安装空间大小要求低。

（9）调节工具精度极高，孔板内孔直径精度增、减0.1毫米，很好解决近端压力压下不来，远端压力提不上去的现象发生。

（10）调节工具结构简单，内部没有易损材料和零部件，没有寿命期限。

（11）具有模拟仿真功能，可用测流量仪器在线可视化免投入调节（并可以用分布式理念快速做到户前平衡），缺点是：平衡会被热用户轻易打破。

（12）供热信息网了解到可以对其他水力平衡产品和方案改造后效果不良的情况进行修正和补救，供热效果差和不节能的问题会大大改善。

（13）管网淤堵诊断功能和诊断供热管网管道过细是否需要加粗改造等问题，从而节省不必要资金投入。

（14）把系统的流量和扬程降到最低，自动给出该系统所需要的水泵流量和扬程的配泵功能。

（15）把系统的流量和扬程降到最低，对老旧管网防止爆管的保护功能

（16）计算时绘制的系统管网图，可以为无管网图纸的供热企业提供系统逻辑管网图。

（17）准确找出最不利环路和指定最不利环路功能，将最不利环路阻力降到最低。

（18）分布式水力平衡是管网节能最大化首选，是变流量运行的基础。

（19）全网算控下的变流量运行技术，通过轻微改造原有自控系统，把智慧供热放在站内，是节能降碳的终极方案。

（20）投诉率和报修屡显著降低，减轻、减少运维工人劳动强度，可减少人工投入成本50%以上。

3、“晓世科技”水力平衡计算机算法方案的缺点

（1）需要提供系统的准确管网数据，尤其是逻辑关系不能有错误。

（2）调节完成会造成一部分工人就业困难，热力站维护不需要那么多人。

（3）近端热用户室温不再因为燥热而开窗散热，会造成个别人恶意无效投诉现象。

（4）个别热用户看到孔板会有抵触情绪，因为科学计算出的孔板孔径会颠覆人们对供热的认知。（例如：唐山市丰润区国能热力23号小区距换热站最近的110楼每单元12户，孔板阀里孔板内孔直径8.4-8.7毫米）

4、实现静态水力平衡的硬件手段

（1）可在线更换孔板的孔板阀门

新型实用专利名称：物联网测温孔板阀，专利号：ZL 2020 2 0427490.4；外观专利名称：可在线更换孔板的孔板阀门，专利号：ZL 2021 3 0257589.4。

阀门的特点：

a、结构简单，超级稳定，不用考虑其使用寿命

b、调节精度超高，孔板调节直径0.1毫米

c、操作方便迅捷，换孔板时间60-90秒钟

d、结构小巧，不受作业空间限制

e、独特的工艺，平衡很难被轻易破坏

F、具有球阀一样的关断功能

（2）让每一个供热企业都能用得起的“调节利器”——“孔板由任”和“孔板法兰”

这两种管件在具有孔板阀门的上述优点之外，进一步将造价降至最低，为本就处于经济捉襟见肘的供热企打造用得起的水力平衡调节方案，有效突破资金匮乏、能源涨价和能耗过高带来的瓶颈束缚。有了算法，随便一个简单的管件都可以成为最优质、最廉价静态水力平衡“调节利器”。

3、算法是实现供热管网水力平衡的最优技术手段

正所谓“真传一句话，假传万卷书”。水力平衡调节三要素是：“压差、阻力和流量”。

（1）以算法为核心的管网水力平衡调节才是真正的水力平衡调节。把复杂的任务交给计算机去完成，有了算法，对于了解管网水力平衡的基本原理、方法和规律是极其简单的。“大道至简”才是水力平衡调节技术的最高境界。

（2）水力平衡调节不需要通过结构繁琐的阀门或阀门组以及前端感知设备对温度进行采集来反复调节。水力平衡调节与即时温度参数没有太大关系，温度的惰性特征会导致流量调节时机严重滞后，永不停止的动作永远达不到水力平衡的目的。

（3）采用回水温度一致法调节水力平衡是一个错误。唐山热力公司应用版本采用了回水温度一致法，2019年在唐山市国能热力有限公司祥和站实施过程中，历时一个月经过反复测量回水温度，最终得出结果是：回水温度一致法是不科学的。供热信息网了解到而且换热站近端孔板孔直径扩大2mm，回水温度提高了6℃，远端孔板孔直径减小了15mm，回水温度下降1℃。这种现象说明凭感觉去调节阀门的开度是多么困难的事。

二、“变流量运行”是节能最大化的有效手段

1、变流量运行的愿景

2017年10月，石兆玉教授在中国智能供热制冷产业技术创新联盟成立大会暨智慧供热制冷产业高峰论坛上曾经说过：在换热站运行中的变流量调节，电费可以节省70%-80%，热量可以节约20%-30%。“晓世科技”用静态水力平衡计算机算法技术成功应验了石教授反复提出的做好水力平衡调节，可以节热20%-30%的理论愿景。

2、变流量运行的前提是“管网实现静态水力平衡”

要想实现变流量运行，首先必须做好静态水力平衡调节。静态水力平衡必须依靠计算机算法作为技术支撑，否则是几乎不可能实现的梦想，正如石教授所说：我们要进一步深入的挖掘智能信息管理，主要是靠算法，而不是靠干法。

三、“分布式静态水力平衡”＋“变流量控制技术”成功应用

2022年七月，“晓世科技”在“天津中车唐山轨道交通有限公司”中标的“天津电力机车有限公司”管网水力平衡调节项目上，对该企业供热管网应用计算机水力平衡算法做了分布式水力平衡调节，并首次应用了变流量运行控制技术。

天津电力机车有限公司建筑面积为24.76万平米,折合供热面积约46.85万平米。换热站位置在厂区西北边缘，输热管线最远端1600米，受热建筑有宿舍楼、办公楼、厂房、单层库房等多种建筑布局，二次主干是异程网，室内是同程网，“晓世科技”采用了分布式水力平衡调节方法。通过算法水力平衡计算，改造前循环水泵的设计流量由两台625吨降为改造后的单台520吨；扬程由38米降为18.7米，这个数值还有下降空间，可见传统的水泵设计装机容量一般会超出实际需求的50%，甚至更多，这种工况造成了电能和热能的极大浪费现象。分布式静态水力平衡计算机算法＋变流量控制技术的调节应用，在不更改站内装机容量的情况下，取得了节热30.63%，节电32.55%良好业绩，