打造城市智慧供热标杆推动供热数字转型升级-王海鸿

打造城市智慧供热标杆推动供热数字转型升级2024年9月01背景介绍智慧供热发展历程改造效果未来展望截止2023年底，供热总面积5.12亿平方米，市域内供热面积3.62亿平方米截止2023年底，供热总面积5.12亿平方米，市域内供热面积3.62亿平方米，市域外供热面积1.5亿平方米，管理的锅炉房586座，热力站6413座，热用户353万户。助力企业数字化转型和低碳绿色发展不确定性降低整体均衡安全风不确定性降低整体均衡安全风热用户各异的用热特性系统加速熵增化石能源灵活调峰难度加大系统加速熵增用能无序“分布-集中”协同机制复杂用能无序挑战热源供能不确定性增加能源形式多样n碳达峰、碳中和战略要求供热系统进一步节能降耗。如何实现按需用能、大系统内部时空均衡、清洁能源的高效利用是供热系统的迫切挑战。智慧供热是供热系统碳中和的技术支撑我国北方冬季供暖总面积211亿平方米，其中城镇供暖面积141亿平方米,供热碳排放5.5亿吨/年，供热行业亟需数字化、智能化升级，增效减碳。智慧供热是北方智慧城市建设的重要组成部分。可再生能源、多能耦合需要更智慧的大脑《能源生产和消费革命战略(2016-2030)》：“推进能源信息系统与物理系统融合，构建基于大数据、云计算、物联网等技术的能源监测、管理、调度信息平台、服务体系”。传统供热行业需要数字化、智能化升级2017年十部委联合颁布《北方地区冬季清洁取暖规划》：推动智能供热研究及应用示范，重点研究先进传感技术、控制技术、信息技术、通讯技术、集中供热系统结构及技集中供热系统结构及技典型模式一个或多个热源厂，由闭式循环的一级热水管网将热能输配到数十、数百乃至上千个热力站，一级网热能经各热力站内的换热器传至二级网，由二级网向需求侧各建筑物配送热能。大型供热系统的热水在一级管网内需经过数小时（通常为2-8小时）的流动才能到达远端热力站，表现为突出的温度传输延迟特性和强耦合性。模型预测精准调控天气（不确定）物联网获取需求侧大数二次管网（0.3-2小时滞后、一次管网术特性热源：热网：热力站：域供暖不足，热源：热网：热力站：域供暖不足，“水力失量、小温差”运行方式应对上述行业困境，发展智慧供热迫在眉睫能源转型和清洁供热使得供热系统调控的复杂性和动态性已经超越了人脑能够分析和优化的水平，必须依靠智慧供热系统的辅助或代替人的智能。02智慧供热发展历程智慧供热改造技术路线智慧供热改造技术路线改造效果未来展望北京热力智慧供热发展历程图2017年在三河实施了北京市科委重大专项，实现了千万平米级城市热网数字孪生建模。锅炉房首次实现了“源-网-站-线-户”的全过程精沟供热区域进行推广。结合老旧供热管网改结合老旧供热管网改2017202220232020202120122019202420172022202320202021201220192024开始启动国内最大面积的“智能化热网”建设，实现了从“热源-热网-热力站”的智能化热网调度体系建设。站到热用户侧的按需精准供热,标志着从自动化供热向智慧供热的转变。4500万㎡的智慧供热改造项目。“十四五”之前的工作“十四五”之前的工作n北京热力作为全国最大的集中供热企业，2012年开始陆智能化热网调度体系建设02.热网在线仿真与优化调度“一站一日一核算”成本分析管控信息化基础建设04.室温气象数据平台等自动化06.热力站无人值守改造2017—年城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司北京市科委2017年重点科研项目产热负荷500MW与620MW尖峰热源：全供燕郊地区2017年—城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司在线建模仿真模块：实时展示热网运行测量及仿真数据实现设备测量与仿真软测量互补的运行状态全面软测量。离线建模仿真模块：建立的热网机理模型细化到各元件，在给定参数条件下进行仿真计算，获得供热管网各处的参数分布。热网优化解列后，锅炉负荷远少于优化前，在采暖季124天内热网优化解列后，锅炉负荷远少于优化前，在采暖季124天内，锅炉热源供热量（燃气量）优化热源负荷分配优化削峰填谷技术2017年—城市多源供热系统智慧调度决策支持平台-北京热力三河新源公司其中基于数字孪生建模方法和信息物理融合的多源供热系统运行态势在线评估技术居于国际领先2019年—基于室温的换热站+单元协同调控-丰台顶秀金石小区工作站简介：国家科技部重点研发计划工作站我国供热行业第一个国际合作方向的国家重点研发计划，也标志着从自动化供热向智慧供热的转变。楼口控制箱楼口电动调节阀楼口控制箱2019年—基于室温的换热站+单元协同调控-丰台顶秀金石小区站的尖峰热负荷超过25%；20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房“基于大数据的北方城镇供热按需精准调控技术研究与示范”项目的在源-网-站-线-户”的全过程精准调控20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房接入规范统一、平台管控联网全面感知、全域互联、数据共享、全程管控系统预测性控制、“低碳-舒适”多目标寻优对热源、热力站在线高精度模拟全流程动态对热源、热力站在线高精度模拟全流程动态调节和运行优化对供热系统全过程关键参数进行20、21年—独网锅炉房全过程按需精准调控-北京热力门头沟分公司黑山锅炉房节能收益管理收益•热力站实现了数据自主上传，指令自主下达•热力站实现了数据自主上传，指令自主下达,缓解了管理单位人手不足的问题；•大大缩短了一网调平衡的时间，平衡水力工况，增压泵在智慧供热投运后没有启动。•锅炉房实现了联动联调，减缓了运行人员的压力。•提高了楼栋之间的平衡度，提高了室温质量,降低了投诉率。2022年始—北京市全市大规模智慧供热改造按照市管委《关于开展智能化供热改造试点工作的通知》要求，北京热力采用规定的技术路线完成2082.42万㎡改造。按照市管委《关于开展2023年智能化供热改造工作的通知》、《北京市智按市管委的相关要求，结合地下管线老化更新改造工程，同步开展智能化改2022年始—智慧供热：京铁家园通信感知、热源、热力站基础设施的设备、表计的全（锅炉房）”的精准按需调度。多尺度时空负荷预测、全系统预测性控制、“低碳-舒适”多目标寻优。京铁家园燃气独网锅炉房总供暖面积44.7万京铁家园燃气独网锅炉房总供暖面积44.7万项目概况2022年始—智慧供热：京铁家园02智慧供热发展历程0303智慧供热改造技术路线改造效果未来展望总体技术路线：基于数字孪生模型的智慧供热调度决策•通过数字化手段实现复杂能源系统的精准调控和精细化管理。•建立供热系统全过程“数字孪生”模型，采用在线优化技术为运行调度人员提供决策依据。智慧决策层工况条件工况适应度智慧决策层工况条件工况适应度监测控制层供热参数泵阀组合监测控制层供热设备层供热设备层技术路线：机理与数据协同驱动的“智能运行与调控”T-温度，风，雨，雪，霾T-温度，风，雨，雪，霾流量q1流量q2，二次平均T2历史运行数据天气条件天气条件流量q1流量q2，二次平均T2历史运行数据天气条件天气条件AI控制算法与自适应调控技术源侧气候模型热力站气候模型源侧气候模型热力站气候模型热网实时运行数据热力站负荷预测单元楼负荷预测热源供热负荷预测热网实时运行数据热力站负荷预测单元楼负荷预测热源供热负荷预测实际供热效果评估数据驱动的运行优化技术实际供热效果评估循环泵特性模型循环泵运行频率循环泵运行压差智能调控调控目标输出值热力站阀门开度循环泵特性模型循环泵运行频率循环泵运行压差智能调控调控目标输出值热力站阀门开度技术路线：以人工智能技术为基础的“数字孪生”全域物联网nn特性数据辨识n“户-线-站-网-源”全链条闭环预测性控制智慧供热平台数字孪生覆盖决策、管理和运行三层次多场景调控模型训练数据拟合、特征选择、模型训练、模型评估、模型优化智能化运行数据采集、运行监控（热源/热力站/楼口/户）、二网平衡、室温监测、服务监测、节能分析、负荷预测技术路线：智慧供热平台核心技术——全态势感知服务开关量、状态量、环境量、行为量全覆盖；视像头、通信感知等热源、热力站基础设施的全巡检；设备、表计的全接入；供热系统时空的全息感知的“四全”泛在感知体系。4500万㎡管理范围13个锅炉房409个热力站16.86万个室温设备目前全国最大规模的全流程智慧供热平台。设备端SDK支持多种设备接入一机一密ID认证源-网-站-楼-户送阅推送阅推服消广播通信指定Topic广播场景联动多设备联动控制设备生命周期支持设备全生命周期管理状态云端同步物模型管理物理空间中的实体数字化数据分析支持差分等升级在线调试远程在线调试监控诊断设备状态与数据业务分别监控数据备份同步备份及分发时序选择，数据质量管理电量、信号等智慧供热设备改造：热源、热力站热源侧城市热网数字孪生建模，在线水力平衡，动态多能耦合；工业安全防护升级.热力站侧增加物联感知设备以及优化电动执行机构，升级自动化控制程序；工业安全防护升级。智慧供热设备改造：楼口、用户单元精准调控改造单元平衡调控改造01.01.2022年智慧供热改造三种路线户级精准调控改造户级精准调控改造对于双管分户成环系统，每个用户安装智能阀等，自动调控楼用户供热量，实现供热系统全数据链的反馈和基于室温的精准调控，并可消除单用户调节对其余用户运行参数的影响。楼口精准调控改造楼口精准调控改造楼栋热力入口安装边缘计算单元控制器、传感器等设备，根据室外温度和用户室内温度自动调控楼栋热力入口供热量，实现对楼栋单元基于室温的精准调控。单元平衡调控改造单元平衡调控改造不具备接电条件的系统，每个楼栋热力入口安装平衡阀或喷射泵、传感器等设备，手动调控楼栋热力入口供热量，实现对楼栋单元基于室温的调控。02智慧供热发展历程0303智慧供热改造技术路线04改造效果经济效益2024年实施智慧供热改造约2750万平方米，2024年实施智慧供热改造约2750万平方米，其中1798万平方米项目仅开展智慧供热改造，952万平米项目同步实施老旧管网更新改造。2023年2418.2418.79万㎡9座锅炉房，219座热力站。采暖季平均节热率7.37%，节热53.68万GJ，减排二氧化碳3.39万吨。6座锅炉房、182座热力站。采暖季平均节热率6.39%，节热31.19万GJ，减排二氧化碳1.97万吨。管理、安全效益通过多传感器实时采集关键参数，结合机理模型与数据模型的动态预测能力，能够实时评估热网运行状态。如果出现异常波动，系统会通过预警机制及时发出告警，提醒运维人员采取措施。利用AI与大数据分析技术，快速诊断故障原因，并给出处理建议。通过仿真与数字孪生技术，系统还可以模拟故障场景，评估不同的应对措施,确保在紧急情况下快速做出正确的反应，减少系统停机时间和损失。系统集成了从源到户的全流程数据，管理人员通过统一的平台监控和管理供热系统，提升了管理的透明度，还能帮助决策者实时掌握供热运行的全貌，快速做出调度调整。 01加速转型社会效益 01加速转型提高北京市供热系统数字化和智能化水平。提质增效有效改善热用户室温冷热不均的现象，实现在低温投诉率不上升的前提下，保证室温均匀性和能耗降低，提升了约4500万平方米、45万户居民的冬季用热体验。 03人才培养通过项目实施，培养了一批掌握国内外供热系统技术方案、熟悉供热系统需求侧响应核心技术并具备按需精准供热技术工程实施经验的中青年专业骨干人员。科技效益科技效益北京热力自主研发的模型及算法可填补国内在智慧供热系统北京热力自主研发的模型及算法可填补国内在智慧供热系统学术价值突出。积极参与编制智慧供热设计、施工、验收、运行等各环节相主编/参编标准类型标准名称序号1国家标准城镇供热系统标识编码规则主编2行业标准城镇供热直埋热水管道泄漏监测系统技术规程主编3地方标准供热系统智能化改造技术规程第1部分：热源、热网和热力站主编4地方标准供热系统智能化数据采集及通信规范主编5团体标准智慧供热技术条件及评价方法主编6团体标准供热服务智慧系统技术条件主编7团体标准供热营业收费系统技术条件主编8团体标准供热二级网平衡调控技术标准主编9国家标准智慧城市智能设施运行指标体系参编行业标准城镇供热工程智能化技术标准参编地方标准供热系统智能化改造技术规程第2部分：热用户参编地方标准供热系统智能化改造技术规程第3部分：验收与评估参编团体标准城镇智慧供热工程技术通则参编荣誉奖项基于数字孪生建模方法和信息物理融合的多源供热系统运行态势在线评估技术居于国际领先水平。2022年荣获第四届中国工业互联网大赛首届国企数字场景创新专业赛生产运营类三等奖。2022年荣获中国能源研究会能源创新奖技术创新奖三等奖2024年荣获2024年度京能集团ESG优智慧供热发展历程智慧供热改造技术路线智慧供热改造技术路线改造效果05未来展望未来展望u推进城市热网调度体系与智慧供热调控的深度融合，推动城市公共服务系统、建筑数据的互联互通和服务的统一调度。民生服务公共管理城市治理工业互联网平台智慧供热服务平台工业互联网平台智慧供热服务平台069服务中心一网通管069服务中心