一、成果简介：

城市集中供热一直与人民的生活、社会的稳定息息相关，做好城市集中供热工作是保障人们生活舒适和工作正常运行的一件大事。因此，城市集中供热系统是实现社会经济持续发展的不可或缺项目。传统供热存在的缺点是热量分配不均匀、近端太热、远端又不够热、人工控制水平低、严重浪费能源，因此，内蒙电力集团综合能源有限责任公司践行集团公司发展战略，响应国家“探索以生态优先、绿色发展为导向的高质量发展新路子”的号召，积极探索城市集中供热系统面临着节省运行费用，节省能源的要求，开发可调控的智能化供热成为城市热力行业，改变传统供热方式而发展的目标。通过对二连浩特国际学院、蒙古族中学的清洁电供热示范项目的控制及智能化管理现状进行分析，提出了基于清洁能源消纳智能化电能供热系统的管理与控制的方式，利用智能化电能供热系统的方式及原理，对供热网智能化电能供热系统进行科学化管理。

二、技术优势及性能指标：

内蒙古电力（集团）有限责任公司积极履行社会责任，主动作为，立项重大改革发展课题《基于能源互联网平台的蒙西电网利用富余可再生能源实现农牧区（城镇）清洁供热研究》，旨在研究将农牧区及城镇海量的清洁供热电量需求与充足的清洁能源供给进行交易，将最经济的弃风和弃光电量提供给广大农牧区和城镇用户用于清洁供热，从而实现可再生能源发电企业、电网公司、广大农牧区及城镇用户以及社会节能减排、环境保护等多方受益的共赢局面。

2017年，内蒙电力集团综合能源有限责任公司践行集团公司发展战略，承担二连浩特清洁能源供暖示范项目的投资建设。与二连浩特市政府共同合作，组建成立内蒙古综能清源有限责任公司，投资建设10兆瓦电极式直热锅炉供热系统及智能控制平台，总用电容量10250千瓦，对二连浩特市蒙古族中学及内蒙古师范大学二连浩特国际学院8.5万平方米建筑面积进行清洁能源供热，于2018年10月投入使用，两年来本项目清洁电供热安全稳定运行，实现产值993.17万元，成为蒙西地区首个不借助风电补贴成功运营的清洁电供热项目。截止目前，两个供暖季共用电量为2223万千瓦时，室内供暖温度保持在23摄氏度左右，其中2018-2019供暖季消耗电量为1206万kWh，2019-2020供暖季消耗电量为1017万kWh。第一个供暖季采用多边交易电价运行，第二个供暖季积极响应采用了自治区清洁供暖峰谷电价政策，利用峰谷电价运行。电价分为峰电价时段和谷电价时段，并且以峰谷电价政策为基础，进行了分时段、分气候等管理模式的调节，有效的降低了运行消耗电量，节省了运行费用，并且提高了能源利用率，保证了供热效果，大大改善了学校供暖质量，得到了市政府及两所学校的一致好评。

图一：清洁电供热与传统燃煤供热对比图

一、内涵和主要做法

（一）智能化电能供热系统的管理与控制原理

如何在城市供热中实现智能化电能供热系统控制和管理是本文探讨的核心问题，但首先我们得明确一个概念，究竟什么是智能化电能供热系统的控制和管理？其实在物理学研究中，智能化控制管理的核心目的就是在运动中保持热量的收支平衡。在智能化控制和管理的过程中，要注意两点问题：第一是进行热量平衡控制。这是进行性智能化控制管理的基础条件。它是指各热源和各换热站在一个周期内提供的热量总体平衡。物理学上热平衡的方程式如下所示：

∑Q=∑H出-∑H入

其中，ΣQ代表整个系统与环境的热量交换和，ΣH出代表换热站供给用户的热量总和，ΣH入则代表是供热源提供给换热站的热量总和。平衡式属于物理学上能量平衡的特例，在实际的供热过程中，换热站供给的热量与热源供给的热量往往不相等。

第二则是进行无人值守模式。 无人值守模式其实是对热量平衡控制的进一步深化，即在无人操作的情况下尽可能地使热源和换热站提供的热量保持相对的平衡，从而维持集中供热系统的正常运作。

（二）智能化电能供热系统的管理与控制组成及功能

1.智能化电能供热系统的管理与控制的组成

智能化控制平台以及远程监控系统是系统的关键部分，通过控制电极式热水锅炉、外围设备和循环泵以及末端调节装置，使系统能够实现不同工况的转换并监视系统各设备的工作状况与运行参数。远程监控系统同时接入智能控制平台，实时上传运行参数及用热、用电需求，智能控制平台根据需求调整运行状态满足供热需求。控制原理图如下：

图二：智能化监控平台控制原理图

（1）数据采集及执行部分

数据采集和执行部分安装在前端，主要由监视和控制两个部分组成，监视部分对换热站的实时工作情况进行监视，一旦出现异常则由报警装置将情况上报到监控平台。这时候，再由控制部分做出一定的执行操作，最终对各个系统进行启停的控制。另外，前端采集到的各种数据还会传送给监控平台进行存储、管控。数据采集主要采集的数据有各个系统的供热工作的实际运转情况，主要是故障报错，另外，也会对供热网中的温度、压力，电气设备的电流、电压、功率等进行实时的监视。

（2）通信传输部分

对于通信部分来讲，需要实现的功能是将各个换热站采集到的信息汇总到中枢智能处理系统中，另外，也需要对智能化管控平台发布的命令进行实时的传送。目前我国的各个运营商所提供的网络服务基本可以满足供热信号和数据传输的要求，这里要着重说的是，虽然目前我国已经能够实现了光线通信的普及，但是光纤通信其成本还是非常昂贵的，不过光纤通信由于传输信息速率快、传输效率高，如果信息采集前端有视频采集设备的话，一般只能依靠光纤通信。

除了光纤通信之外，还可以使用电话拨号上网4G通信，这种已经被广大网民所淘汰的信息数据传送方式，如果仅传输纯数据包的话，其数率也可以满足需求，成本能够有效地降低。除此之外，还可以考虑GPRS传输，这种传输方式能够做到实时在线，即用即耗，节约成本，但是由于换热站采集数据一部分是在地下室或者GPRS信号盲区，信号传输效果并不理想。供热站选用的通讯方式为4G通讯。

（3）智能化管控平台

智能化管控平台是智能化电能供热系统的核心，是本项目的一大亮点，承担了供热系统的整体安全运行、节能控制策略和数据采集分析等重要工作。智能化管控平台实现了供热系统远程监控与操作，可根据用户供热需求制定专属节能运行方案，按时间、温度自动控制调节供热负荷，从而达到节能降耗目的，并通过云端技术于手机APP上随时随地对供热系统及管网数据指标进行监测。智能化管控平台能够全面有效的监控所有设备运转情况、系统储热情况、运行数据，使整个工艺生产系统运行在最佳状态，智能化管控平台设计采用IPC+PLC型DCS计算机监控系统，能量管理系统基于中文Windows系统开发，用户界面友好，所有的命令都化为形象直观的功能图标，使用更方便简洁；另外系统还可以配置流程图制作软件、报表制作软件、事故分析软件以及仿真软件等。

2.智能化电能供热系统的管理与控制的功能

（1）温度控制

通过对锅炉出水温度、二次回水温度、末端供回水温度的设定，根据外部负荷变化调节电极保护盾的位置调整系统运行功率，通过末端供回水温度的设定自动调整阀门开启度保证供暖效果的同时节约能耗。

（2）电导率控制

根据锅炉热媒电导率变化程度。电导率超高情况下，提醒操作人员人工调整。电导率偏低情况也可通过一次侧三通调节提高锅炉回水温度，增加电导率。

（3）锅炉一次系统的定压补水

该控制采用压力控制。即当锅炉回水总管压力低于设定值后，调节变频补水泵补水。当回水总管压力回升到要求压力时，停止补水。同时在补水系统设置了纯水制备装置。

（4）水箱液位控制

软化水装置、纯水处理装置采用设备配套的专用自控装置，本系统仅设计根据软化水箱高低液位和纯水箱高低液位报警信号控制软化水装置和纯水处理机组的运行状态。

（5）循环泵控制

供热站成套自控系统根据循环水出水温度、回水温度、压力及室外温度的综合判断，控制循环水泵的起停和变频调速，最终控制换热站管网的出水流量、温度、压力等；一次循环泵通过加热板换二次侧出水温度设定值控制变频；蓄热循环泵根据蓄热循环管路特性，设定频率运行。供热循环泵通过总供水回管压设定差变频运行。每个循环系统均可单独控制也可以由控制系统统一调控；各个系统相互协调，保证供暖的安全可靠。

（三）智能化电能供热系统的管理与控制方式

1.气候补偿管理方式

气候补偿，即通过控制换热站供水的温度降低换热站提供的热量，降低电极锅炉运行功率表，从而既可以减少成本，又可以提高用户在接受供热过程中的舒适度，一举二得。 其中最好的做法是在实际的操作中，不直接采用热量平衡方式进行供热控制，而是先建立供热温度和室外温度对应曲线，根据室外温度调节供热出水温度，调整电极锅炉运行功率，按阶段分温度地进行所谓的曲线供热，这样做可以尽量减低供热的复杂性，提高供热的实际效果。

2.无人值守操控管理方式

无人值守操控是智能化控制和管理的第二种重要模式，通过在换热站内设置自控设备，进行如自动控制水温、阀门开启度、补水、排查故障等作业，而无需操作人员进行值班管理。 这种模式的好处之一在于降低了实际操作的劳动强度，既减少了劳动人员的使用成本，又相对地提高了劳动效率。其次由于采用智能化控制管理后，极大地降低了由于人为因素而产生的安全问题，从而增强了供热系统的精确性和可靠性。项目已安全运行两个供暖季，系统已经可以根据设定实现自动运转实现无人值守，但考虑到供暖的安全可靠现供暖过程中配备一人进行现场值班。现场值班人员基本处于半值守状态，后期检修和巡检队伍配置齐全后，完全可以实现远程遥控无人值守状态。实现减少了劳动人员的使用成本，又相对地提高了劳动效率。并且可以极大地降低了由于人为因素产生的安全问题，从而增强了供热系统的精确性和可靠性，保证供暖效果。

3.峰谷运行管理方式

 峰谷时段如下图所示：

图三：峰谷电价时段划分图

根据峰谷时段进行调整系统运行负荷，尽量减少峰时段的用电负荷，在谷时段提高系统运行功率，利用谷价电对建筑物进行供暖，提高室内温度，保证供暖，在峰时段依据现场温度天气情况调整运行负荷，降低系统运行功率，只维持室内温度不降即可，节省运行费用。

4.依据学校作息的管理方式

末端控制设备装设在各供热建筑物热力管网出入口，根据学校作息时间以及建筑物的使用性能，对每栋建筑供暖负荷进行调整。例如：教学楼晚上22点以后无人员活动，热负荷需求骤减，可对进入教学楼的热水流量减少，降低温度至必要温度，达到节约热能效果，后期可根据实际运行情况进行数据采集分时段调节供回水温度、阀门开启度分时段控制达到更好节能效果。

5.假期运行管理方式

末端设备装设在各供热建筑物热力管网出入口，寒假期间根据建筑物的使用性能，对所需负荷进行调整，降低运行功率维持低温运行保证不冻管道即可。例如：晚上温度低热负荷需求增加，可增加锅炉功率，调整热水流量，保证室内温度，使温度至必要温度（保证不冻即可），达到节能效果，根据实际运行情况，室外温度情况，试试手机数据，分时段调节供回水温度、阀门开启度，分时段控制达到更好的节能效果。

运行模式分为：

时间控制：定时对温度调节保证室内不冻（例如：8:00—17:00降低功率，夜间增加少许功率保证室内温度恒定不冻管）

温度控制：实时采集采暖建筑物室内温度，根据室内实际温度进行功率调节，保证室内温度恒定不冻管。

时间——温度控制：根据时间和实时温度采集进行调节。

（四）运用智能化电能供热系统对供热进行智能化控制和管理

1.智能化控制管理系统

智能化控制管理系统是针对大面积供热所开发出来的一套管理体系，主要包括调度平台、通讯网和数据采集。调度平台的主要任务是通过通讯网将相关传输到监控平台，用以显示数据、管理资源、控制系统运行状态及发布命令等。通讯网则主要负责数据的传输。以城市供热系统为例，通过通讯网，可以将锅炉房、热用户及供热站等热源的相关资料传输到调度平台，再由调度平台进行分析，合理利用能源、保证供热效果。

2.智能化控制和管理的基本方式

智能化控制管理系统即是对集中供热进行智能化控制和管理的最好方式之一，但是根据建筑及用户的实际情况，我们应综合其他因素总体考察研究最佳的控制模式。不仅要对相关操作人员进行必要的技术培养和指导，还应当对整个供热系统进行科学的分析，通过对各热源和换热站的供热量调整，可以更有效地控制整个集中供热系统，降低投资成本，提高运行效率，保证供热效果。

节能不只是节能产品的应用，也不只是系统控制，而是一个基于数字决策、产品集成和综合控制的系统化工程， 是一个持续改进的过程。我公司使用的智能监控管理系统就是一个基于数字决策的、对系统进行持续改进的系统，使用户方便地参与到数字决策之中，并随时看到持续改进的节能效果和管理效率的提升。

清洁电供热智能监控系统（综合能源控制平台）系统是以帮助清洁能源供热企业在扩大供热的同时，合理计划和利用能源，降低单位产品能源消耗，提高经济效益为目的信息化管理系统。通过能源计划，能源监控，能源统计，能源消费分析，重点能耗设备管理，能源计量设备管理等多种手段，使供热企业管理者对企业的能源成本比重发展趋势有准确的掌握，并将供热企业的能源消费计划任务分解到各个供热单元， 使节能工作责任明确，促进供热企业健康稳定发展，节约运行成本。

（五）智能化电能供热系统的末端调节功能

通过在末端管网入口加装流量调节阀、供回水管道安装温度变送器，从而达到末端温度调节控制终端根据采集的供回水温度，以及设定的温度（入口目标温度或者出口目标温度），自动调节控制调节阀的开关比例以调整水流量，从而达到温度调节的目的。

通讯配置PID温度控制模块、电源模块、无线信号收发装置，设备直接支持通用RS485模式，连接到集控电脑实时监测末端温度，并对控制模块阈值调节。集控中心采用软件进行组态编程开发，画面生动形象，并自带数据库，可自动生成运行数据报表。末端调节控制平面图如下：

图四：大学末端调节控制平面图

图五：中学末端调节控制平面图

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源控制技术

四、成熟度：

产业化阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

一、总体成效

截止目前，两个供暖季共用电量为2223万千瓦时，室内供暖温度保持在23摄氏度左右，其中2018-2019供暖季消耗电量为1206万kWh，2019-2020供暖季消耗电量为1017万kWh。项目节能减排效果明显，2018-2020年两个供热季运行共减少相同热值的标煤燃烧量7558.2吨、减少二氧化碳排放量19802.48吨、减少二氧化硫排放量64.24吨、减少氮氧化物排放量55.17吨、减少烟尘排放量30.32吨。二连浩特清洁电供热项目在我区高寒地区的成功运营实施，为自治区推广清洁电能供热项目提供了有力依据，形成了集城市大气污染治理、可再生能源就地消纳、优化区域电网结构、用户清洁高效用暖等良好的社会及经济效益。两个供暖季节能减排效果如下：

图六：2018-2020年度供热节能减排情况图

由上图统计结果可看出项目节能减排效果明显，具有良好的环境效益和社会效益，二连浩特清洁电供热项目在我区高寒地区的成功运营实施，为自治区推广清洁电能供热项目提供了有力依据。

（二）两个供暖季供暖效果对比分析

表1：两供暖季对比分析表

经上述对比分析可知：无论是从总体费用还是平均费用上峰谷电价优于多边交易电价，运行费用较低。根据峰谷电价政策使用电价为最新峰谷电价，进行了分时段、分气候等管理模式的调节，第二个供暖季比第一个供暖季节省电量约190万kWh。在保证供热效果的基础上，有效的降低了运行消耗电量，节省了运行费用，提高了能源利用率。

表2：正常运行负荷与低温运行负荷比较

由上表可看出假期低温运行效果显著两个供暖季运行功率均为正常情况运行功率的50%左右，在保证了供热效果效果前提下，有效的降低了运行消耗电量，节省了运行费用，并且提高了能源利用率，节约了大量能耗具有很好的经济效益。

（三）示范效果

两个年度供暖已经结束，内蒙古师范大学二连浩特国际学院清洁电供暖项目运行期间，在保证供暖质量的前提下圆满的完成了整个供暖任务，供暖达到预期效果，运行过程与燃煤锅炉相比，安全性较高，无责任事故和安全事故，运行平稳可靠；并参加了电力多边交易，并充分享受了峰谷电价政策，推动电力体制改革向前发展，为今后实现电力期货、现货交易奠定基础。并且经受住了-33℃的极寒天气的考验，项目节能减排效果明显，对生态优化、绿色发展，建设亮丽内蒙古起到了良好的示范效果。取得了明显的经济、社会、环境保护效益，为今后清洁电供热推广起到了良好的示范效果。作为清洁电供热的示范项目，起到了很好的应用效果，为今后清洁电供热电力交易方式起到指导示范作用，可进行复制推广。

三、总结

通过智能化管理能够帮助本项目对分散的大量建筑进行实时的控制，由于供热效果受到实际情况的影响很大，如果不能对每个建筑的具体情况进行实时、确切的掌握，那么就难以实现各个建筑的协调和控制，降低成本和增加供热效果就成了空谈，所以，这就需要引入智能化的理念，通过合理的数据收集和传输、处理，成功地实现对建筑末端温度情况、供热站工作情况的实时监控，这样才能实现企业的发展和进步，实时调整热力平衡，节约能耗。通过二连浩特清洁电供热项目两个供暖季采用上述方法后的使用效果可以得出，采用科学合理的管理及控制方式能够显著提高集中供热能力及热用户的供热效果。

综上所述，国家想要持续发展，必须要跟随世界的发展潮流，努力做好环保和清洁能源消纳工作。我国作为能源大国，电力能源一直都是民生工程，不管是人民的使用，还是工业的发展，电网公司一直都承担着主导力量，负责电能源的调配以及优化电能源的配置工作。所以在电网建设过程中，一定要从建设及发展要求出发，加强对清洁电能源的消纳，真正做到对电能源的有效配置，只有这样才能够真正实现绿色可持续发展。