热电系统的热网变量与设计

【摘要】集中供热系统已经成为现代化城市的重要基础设施,在世界范围内得到迅速的发展和广泛的应用。供热管网作为供热系统的重要组成部分,具有规模大、结构复杂,投资巨大的特点。本文依据线性系统理论分析供热系统运行特点，建立了用“周期供热量”管理供热系统热力平衡的理论体系。通过应用说明了这种新理论体系具有好的可操作性。

【关键词】热网；变量；优化设计；周期供热量；热力平衡

目前热网的有关技术的研究不断深入,但是热网的优化设计、可靠性分析、参数辨识和热网的故障诊断等方面的研究仍旧是热网研究中的薄弱环节。目前的热网研究中,基本上都是将热网中的物理量如管道阻力数、热用户负荷等作为确定性变量进行研究,但实际上热网中的物理量大部分都具有不确定的特点,这些物理量的不确定性会影响热网的设计计算和运行工况分析的结果,目前在热网中尚没有开展这方面的研究。本文着重研究热网中的管段阻力数和热用户负荷的随机性导致的其他变量的不确定性问题,以及研究考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数的随机性热网优化设计方法。

基于概率论和网络图论的有关理论,本文首先求解热网中管段流量和节点压力对管段阻力数一阶导数矩阵,这是进行随机性影响分析的基础。利用Taylor一阶近似的方法研究管段阻力数的随机性所导致的管段流量和节点压力的随机性问题,研究表明采用Taylor一阶近似的情况下,管段流量和节点压力服从正态分布。求解管段流量和节点压力的方差和数学期望,并给出在一定置信度条件的管段流量和节点压力的置信区间。结合算例分析了管段阻力数的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。为了提高热网变量随机性影响分析的精度,利用Taylor二阶近似的方法分析管段阻力数的随机性引起的管段流量和节点压力的随机性问题。

首先在热网管段流量和节点压力对管段阻力数的一阶导数矩阵基础上,推导出二阶导数矩阵的表达式。利用蒙特卡洛方法对各管段流量和各节点压力进行随机抽样,并使用SPSS软件和偏度、峰度方法对其进行正态性检验。结合算例研究了Taylor一阶近似与二阶近似的差别。除研究热网管段阻力数的随机性影响外,本文研究了用户热负荷的随机性对管段流量和节点压力的影响。求解管段流量和节点压力对节点流量的一阶导数矩阵,利用Taylor一阶近似的方法分析由于热用户流量的随机性所导致的热网管段流量和节点压力的随机性问题。结果表明在Taylor一阶近似时,各管段流量和节点压力服从正态分布。在此基础上求解他们的方差、数学期望及在一定置信度条件的置信区间。结合算例分析热用户负荷的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。在混沌理论和传统的遗传模拟退火算法基础上,提出一种基于混沌理论的改进模拟退火算法,用于进行热网确定性优化设计计算。

结合算例的分析表明,与传统模拟退火算法相比较,新算法在保证算法性能的同时,大大减少算法的运行时间,提高了效率。考虑单个变量随机性的热网优化设计方法,以热网的年折算费用为目标函数,分别建立考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数的随机性的热网优化设计模型,并分别给出了模型具体的求解方法。利用模糊综合评价的方法确定了考虑热用户负荷随机性的热网优化设计的最优置信度水平。利用所提出的考虑单个变量随机性的热网优化方法对算例热网进行优化设计,并与确定性优化设计结果进行比较,分析了影响热网优化设计方案的因素。本文最后研究同时考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数三个变量随机性的热网优化设计方法,建立优化模型并进行求解。结合算例热网,研究考虑多种随机性变量条件下的热网优化设计方案与确定性优化设计、考虑单个随机性变量条件下的热网优化设计方案的异同,分析了各随机变量对热网优化方案的影响程度。本课题主要结合图论研究热网变量随机性及热网的随机规划理论,是一项基础性的研究,该研究内容不单纯为热网的水力工况分析、优化设计服务,而且为热网系统辨识的研究提供了条件。

把计算机监控系统技术应用于城市热网的运行管理搭建了具有时代特征的科学化管理平台。在这个平台上，既可以实时总览热网当前运行参数的全局分布又可以利用采集数据计算分析室外温度及系统供热量变化趋势，定期作出整体运行规划，指导运行并实现自动控制。因此，建立适应这个平台的理论方法和具体操作方法就成了有效利用这个平台的关键。本文提出依据“周期供热量”调节热网平衡的方法，就是利用这个平台，依据及时、丰富、可靠的数据信息，对全网进行随时的量化分析，系统而准确的把握供热的规律并行之有效的实施科学管理。

然而，困扰热网运行管理的难题是全网的热力平衡问题即热量平衡问题。一个热力严重不平衡的系统会导致大面积的过冷和过热现象发生，并进而演化成为供热部门在承受社会投诉巨大压力的同时，还要承受不计成本通过加大热源投入解决过冷带来的巨大经济压力。因此，城市供热首先就是要解决好热网的平衡管理。

分析我国目前约15亿平方米集中供热的现状，其中大系统供热的特点非常突出，每一座供热系统，供热面积动辄数百万平方米，并且拥有数十个热力站。因此，管理这种大系统的热网就不能简单套用那些来自北欧先进供热国家在其小系统上创造的经验。更不能套用小系统热力站目前使用的独立运行管理方法。依据“周期供热量”调节热网的管理方法是一个针对由热源-热网-热力站-热用户组成的大型热网的全网统一规划管理的方法。它在强调了依据“周期供热量”调节各热力站实现全网热力平衡大局稳定的同时，实际上也明确了：在实现各热力站热力平衡大局稳定的基础上，各热力站的局部问题局部解决，实现热源跟随室外天气变化的趋势动态调节的科学供热，做到层次分明，运筹有致，进而达到经济运行的目标。

用“周期供热量”调节热网平衡方法的原理，首先基于线性系统理论的城市供热过程分析。城市供热的基本特点是它的周期性，气温是日复一日的昼升夜降的循环变化过程。除冷、暖气流突然侵袭的短暂气温突变过程，整个取暖季的气温变化是一个一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。因此，由宏观环境条件决定，供热过程在任何一段相邻的几天里都可以近似认为是一个周期供热过程，并且其供热量调整幅度主要是依据昼夜温差的变化。而初末寒期到严寒期的室外温度变化是以渐变的形式调整着这个周期过程平均值的变化。因此我国城市集中供热最显著的特点就是它的建设规模巨大，一座供热面积数百万平方米的中型热网，通常拥有数十个热力站和复杂而庞大的地下和地上管网连接千家万户。但是由于供热依靠热水流动传送热量，因此热网规模巨大的特点就导致了距离热源远近不同的热力站和热用户接收到热源供热量变化过程存在着明显的延迟时间差别。给定的供热量变化过程有可能在长达数小时后才能转变为末端热用户的室内采暖过程。当然，由于供热的连续进行和热用户室温的热惯性，用户可能没有觉察到这个过程的发生。

根据线性系统理论分析供热过程，只要确定了描述热源到每个热用户间传热系统的性能，就可以在已知热源供热情况后确定对每个热用户的供热效果。在整个供热过程中，供热系统的作用就是热量的传输和交换两个主要内容。其中热量传输包括热源到热力站的传输和热力站到热用户的传输，这是一个依赖于热水在管道中流动速度的过程，表现为对远、近不同热用户具有不同延时时间的传热过程。而换热过程除管路上的微量分布散热外，主要是热力站的水-水换热和热用户家中暖气片的散热这两个集中换热过程。

因此，在不计换热器配置不合理、管网设计不合理及管道沿程散失热量等次要影响因素后，认真比较缓慢的传送热量过程和快速的换热过程，就可以得出：传送热量过程主导了整个供热过程。分析全部热力站和热用户就可以得出：热网规模巨大的特点演化成了各热力站（热用户）接收热源供热过程的时延量 存在显著时间差异的特点。更进一步，当最大时延量 和最小时延量 之差增大到足够大时，各热力站之间的瞬时供热量就失去了可比性。因此依据瞬时热量平衡理念分析和管理各热力站（热用户）的热力平衡就难于操作，只能依靠温度平衡或流量平衡等单参数管理的办法间接管理热网，因而最终形成了大网热力平衡管理的难题。

根据热源供热量，以及热用户用热量也具有与热源相同周期函数的基本供热规律，在任何一个供热周期里，可以直接用以下累积量等式表达热源供热量与各热力站用热量的热平衡关系。对于合理设计和使用的供热系统，在任何一个供热周期的T时间段里，各热力站的累积用热量之和与多个热源累积供热量之和相等。该式还表明，这个等式成

立仅与从任何一个时刻向前追朔一个周期的累计热量有关,而与各热力站的延时特性及时延时间无关。用热力站一天中的单位面积供热量建立的热网热力平衡条件，这个热力平衡条件与热力站设备的选择以及热网运行的具体参数无关。通过分析基础上形成的用“周期供热量”调节热网平衡的基本理论方法，对于已经建立了完备的计算机监控系统的热网管理是可以随时应用的。而对于还没有装备计算机系统的热网可使用热力站的日报表参考使用。因此，依据这个热力平衡原理，可以对热网的热力平衡情况进行分析和调控，并且具有方便的可操作性。

用“周期供热量”调节热网平衡理论方法构建计算机监控系统的应用。对我国现行按面积收费的供热管理体制现状，供热系统调节均应以满足采暖建筑物基本采暖要求为前提，以尽可能减少总供热量为经营目标。为此，当热网热力平衡问题得到了解决之后，对热力站流量调节的过程就变成了定期检查和监控的过程（不需要经常调节）。因此，热网管理就变成了热力站重点解决辖区内个别不热户的局部问题，和热源跟随环境气象条件有序调控总供热量的大局科学化经济运行管理。

在热网计算机监控系统的全部硬件和软件建设中，我们全面启用“周期供热量”调节热网平衡的理论方法，并且可以概括的表述为：以可靠的热量计量为基础，全面测控各热力站一次网热量和全部二次网环路的热量；监控中心依据“周期供热量”的平衡情况调控各热力站一次网的平衡并且兼顾调节二次网各环路的平衡，把不热户划定在尽可能小的区域里，实现供热大局的热力平衡和供热效果稳定；并在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，达到经济运行的目标。

本文基于线性系统理论建立的调节热网平衡方法，对使用“周期供热量”调节热网平衡的基本原理进行了阐述，并且对这种方法的应用情况作了简单介绍，笔者认为在计算机监控系统技术已经全面得到应用的现代化供热管理上，进一步发掘这种方法的优点，会给我们城市供热带来新的突破。

作者简介：

陈恭毅，1977年11月出生，男，籍贯：浙江宁波，现在工作单位：浙江城建煤气热电设计院有限公司，现任职称：工程师，研究方向：热电、热网工程动力设计。