文献标识码：B文章编号：1003-0492（2025）12-110-05中图分类号：TP273

★张勇军（西安瑞行城市热力发展集团有限公司，陕西西安710000）

关键词：换热站；智能调控；水力计算；PLC；气候补偿；节能优化

供热系统是北方城市冬季民生保障的重要基础设施，也是主要能源耗能和碳排放的组成来源。目前，传统供热系统依赖人工经验调节，系统故障预警能力不足易引发管网压力失衡，难以保障供热稳定性，导致运行能效低下。换热站作为连接热源与用户的枢纽环节，其运行状态直接影响整个供热管网的热力平衡与效率。在“双碳”目标与节能减排宏观背景下，随着可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、变频调速、物联网技术的快速发展，换热站自动化控制系统被广泛应用^[1]。例如，王光启证明了自动化控制技术有效提升了供热质量与管理水平，解决了换热站流量不匹配的难题^[2]；吴宝华从电气设计视角研究了变频技术、无功补偿在换热站节能中的重要效果^[3]；李民等以仿真分析代替室温反馈热力站调控作用，其运行能耗降低了2%^[4]。然而，现有研究多侧重于系统的某一特定方面，缺乏对“感知-控制-执行-决策”全链条技术的系统优化分析，特别是在多目标协同控制、人工智能的预测性调控方面，仍有深入探索的空间。基于此，针对行业需求，本研究构建了多源智慧调控体系，完善了换热站自动化控制系统解决方案，为供热行业的智能升级提供了理论参考与实践指导。

1　换热站自动化系统构架设计

1.1　换热站工艺流程

换热站是供热网络的关键节点，主要协调一次管网和二次管网之间的能量交换。如图1所示，一次高温介质通过板式换热器向二次低温介质实施能量转换，依靠循环泵把加温后的二次水送到终端用户，补水泵保证二次管网的压力稳定^[1]。目前，换热站的运行模式分为两种：一是传统的手工控制方法，依靠现场操作人员手工记录数据并手动调整设备，存在调控精确度差（误差＞5%）、反应速度慢（滞后超过30Min）、能耗高等问题；二是初步自动控制方法，虽采用电动调节阀和变频技术，但缺少在线仿真预测能力和泄漏检测预警功能，频繁启停，供需匹配度差（室内温度波动达到±2℃）。

图1 换热站控制流程图

1.2　系统结构设计

按照“高可靠度、高精确度、强适应能力”的总体设计原则，本研究提出了一种分层分布式换热站自动化控制系统架构。该架构由现场设备层、数据处理层、远程监督层、智能决策层四部分组成，各个功能单元通过工业以太网及虚拟专用网络（Virtual Private Network，VPN）达成高效的数据交流，从而形成了完整的“感知-分析-决策-执行”闭环控制系统。

（1）现场设备层。现场设备层作为系统的“神经末梢”，负责运行数据的采集和控制指令的下达，是智能化技术应用的基础。其主要分为感知、执行两种设备。感知设备主要由压力变送器、电磁流量计、管道泄漏监测装置等组成。其中，感知设备需采用PT100热电阻；电磁流量计热量表达精度0.5S级；管道泄漏监测采用装置声学及压力波动双模态检测，识别率＞95%，定位精度＜3m，加强了现场感知设备的精密度。而执行设备主要由一次网电动调节阀、循环泵变频器、补水泵变频器等执行机构构成。其中，补水泵变频器采用恒压自适应PID（Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分）算法，压力控制精度±0.02MPa^[5]，设备将物理量转换为标准信号，为控制系统提供了准确的数据基础。

（2）数据处理层。系统以高性能PLC为核心控制单元，采用模块化架构（西门子S7-1200），集成传感器网络实时采集数据，并运用内置算法（海曾-威廉、曼宁）网络阻力特性和流量系数精准计算与仿真^[6]。执行层面，系统通过动态调节泵速与阀门开度实现过程控制的连续控制。系统采用前馈-反馈复合策略：一方面，依据气候与负荷波动预置参数以抑制潜在系统振荡；另一方面，通过闭环比较设定值与实测值，利用优化PID控制器驱动执行机构精准动作，使系统稳态误差控制在±2%以内。

（3）远程监督层。远程监督层基于服务器模式（B/S架构）的供热数据采集与监视控制（Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA）系统，通过VPN技术实现与换热站PLC设备的高效交互。该系统具备以下核心功能：实时采集运行参数并动态展示，生成热力分布图及趋势曲线；支持历史数据存储超五年，并可导出供深度分析；具备多级故障预警机制，自动触发警报并记录应急处理全过程。

（4）智能决策层。作为智能系统的核心架构，该层集成大数据分析与机器学习算法，构建多源目标优化控制模型^[7]。此系统基于建筑热工特性参数与以往历史能耗数据，动态优化气候补偿策略，并借助在线仿真技术预测管网的水力平衡，实现水力平衡的预调节与运行隐患的提前消除^[8]。同时，系统融合管道泄漏检测与精确定位信息，能够制定预见性维护计划，显著提升了应急响应效率，降低了突发故障处理时间^[9]。

1.3　硬件设计

传统换热站的主要硬件设施存在精度不高、稳定运行缺乏保障、缺少网络通讯功能等缺陷，无法达到高度智能化控制系统的要求。本研究从PLC控制器、变频器、仪表与传感器三个组成部分出发，提出了相应的改进方案，具体如表1所示。

表1 硬件优化选型

2　关键控制策略与技术应用

2.1　智能变频调速策略

传统变频调速系统往往依靠单一参数来调节，难以应对管网阻力变化引发的复杂工况，容易造成流量分布不均。本研究提出了结合水力计算的智能变频调速策略，其核心是PLC实时采集管网数据。海曾-威廉公式计算式如式（1）所示：

式中：h_f为沿程水头损失，L为管长，Q为流量，C为管道粗糙系数，D为管径。

本研究通过海曾-威廉公式计算管网阻力损失，从而动态改善变频器运行参数，达到“水力平衡+精确调速”的目的^[10]。此设计保证了系统的压力能够一直均衡，还能预先应对外部干扰。实验表明，这种办法可以将控制精确度做到±0.02MPa^[11]。

2.2　“全周期”智能控制系统策略

针对传统运行故障后处理模式无法应对换热站无人值守的需求，结合管道泄漏监测技术，本研究提出了一个包含运行监控、故障预警、应急处理和恢复管理的“全生命周期”智能控制系统方案，其核心就是安装泄漏传感器及时收集数据，再配合在线仿真模型准确辨识早期故障迹象，进而做到提前介入降低故障分险^[12]。该方案具体流程如下：

（1）运行监控阶段。PLC通信模块实时获取设备运行参数和泄漏信号，通过监控平台汇总后再传送到上位机；在线仿真模型也同步模仿当前状况，预估潜在危险。

（2）故障预警阶段。创建分级警报体系，如表2所示。故障严重性对应响应级别，发生一级警报时，管道破裂或压力异常等情况，会立即进行信息推送与在线仿真定位功能启动；对于二级警报来说，换热器结垢或泵效下降状况，需发出台警讯并提出停机检查；至于三级警报而言，传感器漂移或变频器异常等现象，则只是登记数据然后继续跟踪观察。

（3）应急处置阶段。这一环节，一旦出现一级警报就要激活预先制定好的方案来应对。拿泄漏事件来说，就是对相关的阀门切断供应并转而选用备用水泵供水，还要对超温超压情况进行泄放减压以及停机处理。这些都是根据实际情况而采取的实际行动。

（4）恢复运行阶段。故障恢复环节当中，在完成故障排除以后利用在线仿真技术重现正常的运转环境，慢慢再开机运转并把整个过程记录保存下来，从而更新到故障数据库里去优化预警模型。

此系统可实现无人看守运转模式，并把故障回应时延缩减到了4h以内，而且降低了能耗。

表2 分级报警体系

2.3　管道泄漏监测技术与自动化控制的深度融合

在传统的依靠人工巡检的模式里，管道泄漏检测的效率比较低，容易出现漏检状况。本研究提出了一种融合高精度传感、智能决策与自动执行的技术路线，构建了一个覆盖“预警-精准定位-快速处置-系统恢复”全生命周期的自动化闭环管理流程^[13]。系统采用声学传感器来捕捉异常水流的特征，采用压力传感器去监测压力的波动信号，经过PLC综合分析判断，实现泄漏的初步识别；再通过在线仿真技术，结合传感器收集的数据，利用水力计算节点法与环网平差原理对漏点进行高精度定位（误差范围不超过3m），自动形成一张管网拓扑结构图；在确认泄漏后，系统自动控制关闭泄漏区上下两端阀体，同时备用泵开启保障系统继续稳定运转；待故障排除后，依据仿真结果逐步恢复系统运行，同时对数据信息加以记录方便调整监测算法。这一自动化闭环结构从根本上改变了传统依赖人工巡检、效率低下且易漏检的模式，提升了整体供热系统的运行稳定性。

3　系统运行节能优化

3.1　多源信息融合的智能气候补偿

气候补偿机制大多依靠室外温度来调整供水参数，但是没有考虑到建筑热惯性和用户行为模式，造成供热效率低、能源耗费高。此设计提出了基于多源信息融合的智能气候补偿策略，其核心是PLC采集多源大数据，如图2所示。该策略结合在线仿真模型分析建筑热特性，并利用机器学习优化气候补偿曲线，实现“按需供热”。其操作如下：

（1）数据采集。模块设计方案是利用物联网技术实现信息的快速采集。室外环境温度数据每隔10min更新一次，室内温湿度每隔30min更新一次，管网运行参数采用实时动态监测的方式，设备能耗数据每隔15min更新一次。

（2）模型构建。以智能决策平台为基础搭建建筑热特性预测模型，用历史数据集来训练机器学习算法，通过输入变量准确推导出二次供水的最佳温度目标值。

（3）在线仿真优化。把目标参数输入预先搭建好的虚拟仿真平台，利用供热效果评价算法运算，按照预先设定规则来变动目标设定值，如室内温度高于22℃时，目标值可自动调低1℃。

（4）执行调控。PLC按照改善后的目标数值来精准调节电动调节阀，动态调整循环泵转速参数，保证目标温度的稳定，误差范围被限制在±1℃。与传统模式相比，该模式实现了“节能+提质”效果。

图2 采集多源大数据图

3.2　基于用户行为识别的分时分温分区控制

传统集中式供热系统难以应对用户群组间不同的用热需求，造成能源应用效率急剧下滑。本研究提出了以用户行为特点识别为基础，实行分时段划分区域的调控方案——分时分区不同温度等级（Zone of Demand，ZoD）计划，依靠电能表、热计量装置获取的数据开展用户行为分析，在线仿真平台融合水力模型做精确计算，以此做到细致化、个性化的供暖安排。首先是用户行为识别，根据温控设备的实时数据，通过聚类分析的方式将目标群体分为居民、商业以及教育，得到典型用热规律。其次是分时段温度设定，基于模型设定不同时段目标温度，如办公区工作日8:00～18:00为50℃，18:00～次日8:00为40℃；住宅区18:00～次日7:00为45℃，7:00～18:00为40℃。然后是分区水力平衡：通过水力计算得出区域管网阻力系数，结合在线仿真模拟流量分配，调整区域循环泵频率与阀门开度，避免“近热远冷”。最后动态修正，依靠实时温控数据采集系统，利用在线仿真技术剖析异常成因，用反馈信息调整变频器运作参数来改良流量分配，以“精准供热+高效节能”的方式达到能耗削减的作用。

4　系统运行节能调控分析

结合自动化控制技术^[14]，节能增效的核心机理可归纳为以下三个方面：

（1）水泵电耗降低（流体力学角度）。传统工频运行方式下，水泵节流损失占比较高。采用智能变频技术，结合水力特性优化方法，通过实时调节泵转速，消除水锤现象，降低启动电流峰值，使循环泵、补水泵电能消耗显著降低。

（2）热量浪费减少（热力学角度）。传统供能方式因固定参数设计，导致能量以废热形式大量释放。借助智能气候调控及分时分区温控技术，可动态调整供水温度，精准匹配实际需求。同传统模式相比，该模式热能损耗和能源耗费均得到有效削减^[15]。

（3）故障能耗降低（系统可靠性角度）。传统故障处理模式反应迟缓，泄漏期间补水量较大。融合泄漏预警技术与全生命周期管理理念，可加快故障反应速度，提升处理效率，最终实现能耗下降。

5　结论与展望

本文研究了智能控制的换热站自动化系统设计与节能优化问题，主要得出以下结论：

首先，多层次体系架构，将先进工业计算机控制算法与具体供热工艺深度融合，有效解决了传统系统普遍存在的“碎片化”现象，达成了数据互通共享、闭环控制流程的深度整合，为“经验驱动”到“数据与模型驱动”的转变提供了有效支撑。

其次，智能控制策略的集成应用显著提高了系统运行效率，减少了热能流失，缩短了故障响应时间，实现了精准供热和深度节能。

未来，在多能源系统协同优化以及标准化体系建设等方面，可通过标准化与模块化设计降低系统复杂度，以推动供热系统向更加智能、高效、绿色的方向发展。

作者简介：

张勇军（1994-），男，陕西西安人，电气工程师，学士，现就职于西安瑞行城市热力发展集团有限公司，研究方向为供热自动化。

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摘自《自动化博览》2025年12月刊