環狀熱網事故工況下基礎及移動熱源優化調度

摘要

摘　要：針對環狀熱網，提出熱網事故工況下熱源調度方案。對事故工況下，基礎熱源調度方案、移動熱源出救方案的確定及算例進行了分析。關鍵詞：環狀熱網；基礎熱源；移動熱源；優化

摘　要：針對環狀熱網，提出熱網事故工況下熱源調度方案。對事故工況下，基礎熱源調度方案、移動熱源出救方案的確定及算例進行了分析。

關鍵詞：環狀熱網；基礎熱源；移動熱源；優化調度；事故工況

Optimal Sheduling of Underlying and Moving Heat Sources under Accident Conditions of Ring Heat-supply Network

Abstract：The scheduling scheme of heat sources for ring heat-supply network under accident condition is proposed．The determination of underlying heat source scheduling scheme and moving heat source help scheme and the calculation examples under accident conditions are analyzed．

Keyowrds：ring heat-supply network；underlying heat source；moving heat source；optimal scheduling；accident condition

1　概述

隨著城市供熱系統規模不斷擴大，事故發生率也在不斷攀升，隨之而來的是對供熱系統可靠性訴求的增強。集中供熱涉及民生，事故造成供熱系統中部分甚至全部熱用戶停止供熱，必將破壞建筑熱環境，影響居民的正常生活，導致不可估量的社會后果。因此，提高供熱系統可靠性，研究供熱系統事故應急技術變得尤為迫切。

國外對供熱系統可靠性的研究較多：丹麥、芬蘭、瑞典等國開發相關軟件，用于監測供熱系統事故的發生和診斷排查，為事故發生后的及時處理提供指導。建立供熱系統與安全評估及事故預防體系，并由專門部門負責^[1-2]。前蘇聯作為集中供熱率很高的國家^[3-4]，對供熱系統的可靠性十分重視，很早就設置專門部門保證供熱系統可靠性運行，防止事故發生后影響擴大，并對事故進行快速排除^[5]。俄羅斯在設計規范中明確規定，對于大型或者是結構特別復雜的供熱系統，要具備中央和區域兩極調度控制結構，事故搶修站的人員數量和技術裝備應保證在供熱系統發生事故時在規定的時間內恢復供熱。2003年，俄羅斯發布的《熱力網設計規范》CHHP 41-02-2003規定，對于第一類熱用戶(不允許降低室內溫度標準的用戶)要保證100％供熱，且必須考慮設置局部的備用熱源(固定式或移動式)。

與國外相比，目前我國對于供熱系統可靠性的重視程度不夠，無論是設計還是運行階段對可靠性要求均不完善，尤其在事故應急方面的研究更是較為薄弱。移動熱源(相對于基礎熱源，配備有小型熱源和循環泵的車載可移動式熱源)在我國的應用仍十分有限，而且具體的設置原則及優化運行調度也缺乏必要的理論指導。本文針對環狀熱網，對熱網事故工況下基礎熱源、移動熱源的優化調度方案進行研究。

2　供熱系統類型及事故調度方案

2.1　供熱系統類型及事故調度方案總則

我們根據事故工況下基礎熱源是否滿足最低限額供熱需求以及是否配置移動熱源，對供熱系統進行分類，提出事故調度方案總則。

①第一類供熱系統：事故工況下基礎熱源不滿足最低限額供熱要求，且配置移動熱源的供熱系統。為了保證供熱質量，事故調度應根據熱網閥門布置情況，解列最不利熱用戶附近供熱區域，改變熱網原有結構，使基礎熱源能夠滿足非解列區域熱用戶的最低限額供熱需求，移動熱源承擔解列區域熱用戶的最低限額供熱需求。此時，事故調度方案的重點應為確定基礎熱源負荷分配比(以流量分配比表征)、移動熱源出救方案。

②第二類供熱系統：事故工況下基礎熱源不滿足最低限額供熱要求，且無移動熱源的供熱系統。此類供熱系統的事故調度方案為通過優化計算確定現有熱網結構和設備所能達到的最大限額供熱能力。在降低限額供熱能力的同時，采取必要措施盡量縮短維修時間。

③第三類供熱系統：事故工況下基礎熱源可滿足最低限額供熱的供熱系統。此類供熱系統的事故調度方案為考慮經濟與節能目標的事故調度方案優化。具體涉及各基礎熱源負荷分配、循環泵優化配置等問題，可通過水力與熱力仿真得到最優的事故調度方案。

2.2　事故調度方案制定步驟

本文主要針對第一類供熱系統，對事故工況下基礎熱源調度方案、移動熱源出救方案的制定進行探討。

①基礎熱源調度方案

判定基礎熱源供熱能力能否滿足最低限額供熱要求，若不能滿足判定條件則解列部分熱用戶。根據解列區域不同，確定不同解列區域下的初選方案集。結合移動熱源出救方案，將基礎熱源與移動熱源循環泵總耗電功率最小作為目標，確定最終的解列區域及各基礎熱源的負荷分配比，即確定最優初選方案。

②移動熱源出救方案

針對最終確定的解列區域，根據約束條件對移動熱源出救方案進行優化，從而確定最優的出救方案。

2.3　設定條件

①供熱系統完全可控。供熱系統的可控性是指通過調節輸入量可控制供熱系統的輸出參數，使供熱系統實現期望的運行狀態^[6]。

②計算環境為穩態，事故工況下供熱系統供回水溫差不變，這確保了限額流量系數與限額供熱量變化一致^[7]，即各基礎熱源的流量分配比可表征負荷分配比。

③基礎熱源總供熱能力滿足非解列區域所有熱用戶的限額供熱需求，移動熱源的設計供熱能力及循環泵最大輸送能力可滿足解列區域的供熱要求。

3　基礎熱源調度方案

3.1　限額供熱系數

由于目前我國沒有限額供熱系統的具體規定值，因此參考CHnH 41—02—2003確定。各種公稱直徑供熱管道在不同供暖室外計算溫度下限額供熱系數最小允許值見表1。

3.2　滿足最低限額供熱需求的判定

確定限額供熱系數后，將限額供熱系數乘以供熱系統總設計質量流量，得到總限額質量流量。將各基礎熱源設計質量流量除以總限額質量流量，并將計算結果向下圓整，得到事故工況下各基礎熱源的流量分配比限額。將各基礎熱源的流量分配比限額作為最大值，選取一組基礎熱源流量分配比(每組流量分配比之和為1)計算各基礎熱源事故工況下的質量流量，按文獻[8]的計算方法，計算事故工況下循環泵所需揚程。

將由這一組基礎熱源流量分配比計算得到的各基礎熱源質量流量分別代入循環泵揚程一流量擬合式，計算得到循環泵計算揚程。當循環泵所需揚程大于計算揚程時，判定這一組流量分配比不符合判定要求，應再次選取新的一組流量分配比進行判定。當各組流量分配比均不符合判定要求時，考慮解列部分熱用戶。

3.3　解列區域的確定方法

以解列最不利熱用戶為原則，根據熱網閥門的設置情況選取解列區域。當解列區域確定后，參照上述最低限額供熱需求的判定步驟，再次對基礎熱源的流量分配比組合進行選取。當不同解列區域均有符合判定要求的流量分配比組合出現時，以基礎熱源與移動熱源循環泵總耗電功率最小為目標，確定最優的基礎熱源調度方案。

3.4　算例

①工程概況

哈爾濱某供熱系統設置3座基礎熱源(A、B、C)，供熱面積約2200×10⁴m²，熱力站207座。熱網為環狀，包括南線、北線兩條主要干線。熱網及基礎熱源設置情況見圖1。基礎熱源設計供熱能力、設計質量流量及循環泵配置數量見表2。

由于3座基礎熱源采用的循環泵性能接近，因此采用統一的循環泵揚程一流量擬合式對不同流量下的循環泵揚程進行計算：

H=b0+b1qm+b2q²m 　　　 (1)

式中H——循環泵計算揚程，m

b0、b1、b2——擬合系數

q0——熱水質量流量，t／h

循環泵各種運行組合方式下的擬合系數見表3。

②滿足最低限額供熱需求判定

以設計工況下供熱系統南線出口發生事故為例，對基礎熱源是否滿足最低限額供熱需求進行判定。供暖室外設計溫度-24.2℃，將供熱系統設計質量流量圓整為14300t／h，南線出口供熱管道公稱直徑為1200mm。由表1數據，并采取插值計算，得到供熱系統最低限額供熱系數為0.807。則供熱系統3個基礎熱源在事故工況下的總限額質量流量為11540t／h。

根據各基礎熱源設計質量流量，經計算可得，基礎熱源A～C的流量分配比限額(最大值)分別為0.6、0.3、0.2。在南線出口事故工況下，按照10％步長改變各基礎熱源流量分配比，可得到3組流量分配比組合。按照文獻[8]的計算方法，分別計算3組流量分配比組合中各基礎熱源循環泵所需揚程。3組流量分配比組合及各基礎熱源循環泵所需揚程見表4。

由式(1)的計算結果可知，表4中各組流量分配比組合中各基礎熱源循環泵所需揚程均超過計算揚程。因此3組流量分配比組合均不滿足判定條件，需要對部分熱用戶進行解列，并調用移動熱源。

③解列區域及最優調度方案的確定

按照解列最不利熱用戶的原則，并根據閥門設置情況，選取解列方案1、2。兩種解列方案中解列區域分別見圖2、3。解列方案1、2的解列區域分別包括15、34個熱用戶，被解列熱用戶總設計質量流量分別為1030、2220t／h。解列區域最低限額供熱系數仍取0.807，則解列方案1、2的解列區域事故工況下的質量流量分別為832、1792t／h。

當選取解列方案1時，基礎熱源的總限額質量流量等于總設計質量流量減去解列熱用戶設計質量流量后乘以最低限額供熱系數(0.807)。經計算可得，總限額質量流量為10708t／h。由前述初選方案的相關計算方法可知，基礎熱源A～C的流量分配比限額分別為0.5、0.3、0.2時，符合判定條件。對于解列方案2，基礎熱源A～C的流量分配比限額分別為0.6、0.4、0時，符合判定條件。結合移動熱源出救方案，將基礎熱源與移動熱源循環泵總耗電功率最小作為目標，確定最終的解列區域及各基礎熱源的負荷分配比，即確定最優基礎熱源調度方案。

4　移動熱源出救方案

在移動熱源出救過程中，縮短出救時間降低事故造成影響是出救的基本原則，并盡量兼顧出救成本。因此，以事故工況解列區域恢復供熱時間最短為目標，滿足移動熱源調用數量最少為約束條件，確定移動熱源出救方案。

4.1　目標函數

事故工況解列區域恢復供熱時間最短是指所需的移動熱源全部從分布點調用至出救點的完成時間，即最后一個移動熱源到達出救點的時間最短。

4.2　約束條件

①調用移動熱源數量約束

調用移動熱源數量最少。

②解列區域最低限額供熱量約束

出救移動熱源供熱能力應大于或等于解列區域的最低限額供熱量。

4.3　方案的確定方法

若存在m個移動熱源，將移動熱源按到達出救點時間t由短到長進行排序：P1、P2、…、Pj、…、Pm。序列若存在x(1≤x≤m)，使得：

式中Fm,t,j——按到達出救點時間由短到長進行排序的第j個移動熱源供熱能力，kW

b——限額供熱系數

Fis——解列區域的設計熱負荷，kW

得到方案{(P1，t1)，(P2，t2)，…，(Px，tx)}。顯然，在tx之前能夠到達出救點的移動熱源供熱能力總是小于bFis，故解列區域供熱開始時間最短為tx。但此時的優化方案并非最優解，易出現方案中移動熱源總供熱能力超出解列區域最低限額供熱量的情況。因此，將移動熱源P1～Px按照供熱能力由大到小進行重新排列，進而在保證最短出救時間的移動熱源中選出滿足解列區域的限額供熱量的移動熱源。

4.4　算例

移動熱源(Q1～Q10)至解列區域M的出救路線見圖4。各移動熱源達到解列區域的時間及供熱能力見表5。設解列區域的最低限額供熱量為50kW，考慮移動熱源到達解列區域時間以及式(2)，得到出救移動熱源順序為Q10、Q5、Q9、Q4，即解列區域恢復供熱的最短時間為8min。考慮移動熱源供熱能力后，最優出救移動熱源順序為Q5、Q9、Q4，此時解列區域恢復供熱的最短時間仍為8min。由算例可知，通過優化在出救時間最短標準不變的條件下，出救移動熱源數量減少，從而提高了移動熱源出救的經濟性。