北京市热力集团有限责任公司 李百红
北京同怀远洋科贸有限公司 余宝法
【摘 要】本文提出了多热源联网运行应该研究解决的若干问题，并定性地给出了各个问题的解决方法和思路，也给出了多热源联网运行调度方法的总体框架。
【关键词】多热源联网 自动控制 运行调度 供热系统
一、前言
随着城市建设的高速发展，供热系统向着大型化、多热源方向发展。很多城市热网规模已经超过千万甚至达到一亿多平方米，形成了多个热源联网的格局。与单热源运行调度不同，多热源联网运行的水力和热力过程相当复杂，运行调度的难度成倍增加。对于多热源的热网，进行合理的调度，确定优化的运行方式（即确定是采用联网运行还是解裂运行的方式）尤为重要。多热源联网运行调度应该研究解决如下问题：
* 多热源联网运行水力过程模拟分析
* 多热源联网运行补水调度与定压方法
* 热负荷变化的动态计算方法
* 供热温度曲线和供热流量曲线的确定方法
* 各个热源热负荷分配优化
* 多热源联网运行时各个热源调度方法
* 多热源联网运行时一次热网的调节方法
* 热力站调节方法
二、多热源联网运行水力过程模拟分析
多热源联网运行时，热源分布在热网的不同位置，存在水力汇交点。当各个热源的运行工况发生变化时，水力汇交点将移动，热网的压力分布和流量分布也将随之变化，而且单热源枝状网运行时的水力工况变化的一致性和等比例原则在多热源联网运行时不再适用。由于各个热源之间的相互作用，联网后的水力工况与各个热源解裂运行的水力工况会有很大的变化。通过对多热源联网运行进行水力工况模拟分析，计算出水力汇交点的位置、热网的压力和流量分布、各个热源循环水泵的运行工况和耗电量、各个补水点处的压力分布。由于模拟分析的目的是为了指导多热源联网运行调度，因此模拟分析的前提是已知热网中各个热力站的理想运行流量和各个热源的流量分配比例，计算各个热源的资用压头和热网中各个节点的压力分布、各个管段的流量分布、各个热力站剩余压头。
遇到环网时，需要进一步优化流量在环中的分布：一是预期（人为控制）环的流量，可以将环网等价为枝状网；二是让流量在环中自动分配，即预先假定环的流量，然后通过迭代的方法计算环的流量。为了减少计算量，热网中的一些大分支可以等价成一个用户（热力站），这样可以大大减小热网的计算量和维护量，也便于实现并行计算。
三、多热源联网运行的补水定压
一个热网中只能有一个定压点，多热源联网运行的热网，由于考虑到有可能要解裂运行，每个热源处都会设置自己的补水定压点。在多热源联网运行时，一般主热源的回水压力最低，而其他辅热源的回水压力比它们单独运行时要高。因此，补水定压点一般应该设置在主热源的回水管道上，当主热源定压点压力恒定后，其他辅热源的原有单独运行时的补水定压点只能作为补水点。由于随着各个热源热负荷分配的变化，各个辅热源的补水点处的压力也将不断变化（不是因为失水引起的），为了能在各种工况下都能补进水，各个辅热源的补水泵扬程必须足够大，而且各个辅热源的补水泵必须变频调速。考虑到各个补水点的水费用和水处理能力的不同，存在统一优化调度各个补水点补水量的问题。最好是在条件允许的情况下，实现各个补水点集中连网控制，此时虽然各个补水点的地理位置分布上相差很远，由于运行参数的集中采集、处理、分析，就和控制一个补水点上的不同设备一样方便。
四、热负荷变化的动态计算方法
影响热负荷变化的主要因素是室外温度和供热面积的变化，其次夜间休息时降低室内温度和白天太阳辐射、随着人们生活起居时间部分生活热水负荷规律性的周期变化都将引起热负荷的变化。供热的最终目的是为了随着热负荷的变化及时供应相应的热能，因此热负荷变化的动态实时计算很有必要。其中室外温度变化是引起热负荷变化的最主要因素，由于室外温度的变化频率和变化幅度较大，供热系统实时地跟踪室外温度的变化进行调节的难度很大，甚至不可能。另一方面由于房间维护结构的蓄热作用，室外温度变化并不会立即成为热负荷，会经历一个蓄热、放热过程后成为热负荷，此时热负荷的变化会比室外温度的变化滞后而平缓，紧随室外温度变化而调节供热量并没有必要。
在动态计算热负荷时室外温度是关键，因此，室外温度的测量要准确。一方面我们要选精度等级高，可靠性强，稳定性好的产品。另一方面我们要规范室外温度的安装，加强室外温度的校准工作。除此之外，我们还要设计一种算法将采集来的室外温度“方波化”、“滞后化”、“平滑化”。
* 方波化的目的是维持室外温度的相对稳定，减少设备的动作；
* 滞后化的目的是考虑维护结构的热惯性作用，实际热负荷的变化滞后于室外温度的变化；
* 平滑化的目的是考虑维护结构的蓄热作用，实际热负荷的变化比室外温度的变化要平滑的多；
控制滞后时间的参数是实际室外温度与用于参控的当量室外温度的偏差对时间的积分值，当该积分值超过我们的规定后“积分常数”就将改变当量室外温度值。控制平滑程度的参数是每次改变当量室外温度的幅度，该幅度值为实际室外温度与当量室外温度偏差除以“平滑系数”，该系数是我们事先设定好的。因此，算法中规定了“积分常数”和“平滑系数”，我们可以调试这两个参数来使算法能够较精确地描述出室外温度变化与热负荷变化之间的关系。
热源供热与房间需热之间存在几级热网系统，由于热网的蓄热作用，使得供热量变化和需热量变化之间的矛盾有可能得以缓解。合理利用供热管网的蓄热作用，不仅可以使供热量的调节频率降低，还会有效避免尖峰负荷的出现，有利于节约能源和减小供热系统的装机容量。但目前关于热网蓄热问题的研究较少，合理利用这种蓄热作用的应用也较少，有必要深入研究。可以肯定的是供热系统的调节环节越多、调节环节越接近用户端，越有利于发挥热网的蓄热作用，同时旁通调节会使热网的回水温度升高有利于发挥回水管的蓄热作用。
五、供热温度曲线和供热流量曲线的确定
热能输配过程中会有散热损失和泵耗，这两者相互矛盾着。散热损失与供热温度有关，泵耗与供热流量有关，因此供热温度与供热流量之间存在优化问题。随着室外温度的变化，最佳供热温度和供热流量会不断变化，因此存在最佳供热温度曲线和最佳供热流量曲线。最高供热温度受管网和热源设备设计参数的限制，最大供热流量受热网循环泵的限制和管网可及性的限制，最小供热流量受热源设备设计参数和散热设备失调的限制。有些地区供热单位与热源单位由两家分管，供热单位不承担热网循环泵的电耗，但却承担热网损失，维持最大循环流量只改变供热温度的质调节方案对供热单位是最有利的。另外，有些供热系统不具备变流量的条件，就只能采用质调节方案或分阶段改变流量的质调节方案。因此，供热温度曲线和供热流量曲线的确定要充分考虑到不同供热系统的具体情况来制订。
六、各个热源热负荷分配
热源承担热负荷的能力受到热源本身装机容量的限制，同时受到热网输配是否可及的限制。另外，不同热源制备热能的成本和输送热能的成本是不同的。而且热源制备热能和输送热能的成本随着所承担的热负荷而变化。主热源一般是热电联产的热电厂，其经济性好、可靠性高。调峰热源的运行时间较少，热负荷增加超过某一范围时调峰热源投入，热负荷低于某一范围时调峰热源退出。燃煤调峰锅炉房的供热量调节及时性不好，它的投入和退出不很灵活，存在一个热负荷过渡区。对于燃煤锅炉房，在小负荷时其运行成本会相当高，这是因为锅炉在小负荷时燃烧效率较低、固定资产分摊比例较高、资产利用率较低、人工成本较大，一般燃煤调峰锅炉房的经营都是亏损的。为了降低燃煤调峰锅炉房的成本，应该保证调峰锅炉房的供热能力占总供热能力的比例足够大，多台锅炉并联，提高自动化程度。对于规模较小的燃煤锅炉房，应该采取摘网运行，就是部分热用户在严寒期从热网中摘出来由锅炉房单独供热。燃气、燃油调峰锅炉房与燃煤调峰锅炉房不同，投入退出灵活，便于作为调峰热源。综上所述作为主热源的热电厂应该优先满负荷运行，大型燃煤锅炉房的热负荷达到一定规模时投入，燃气、燃油锅炉房可以随时投入。
七、多热源联网运行时各个热源调度方法
国外的通常做法是，主热源满负荷运行，调峰热源依次投运，调峰热源与主热源保持相同供热温度，按照最不利环路压差调度调峰热源的循环泵转速。我国的热源与热网由两家分管，供热量与需热量之间由于各个单位的本位利益，存在着不协调因素。另外，我国的热源供热负荷调节能力较差经常存在供热量不足的问题，此时维持整个二次热网的供回水平均温度一致，达到均匀供热是第一位的。因此，我国供热系统多热源联网运行的方法应该有别于国外。我们的调度方法是，按照各个热源的热负荷分配比例调度各个热源的供热量，同时按照最不利环路的运行工况（是一个综合判据，而不是简单的压差）调整整个供需关系，当最不利环路供热量不足时，按照不足比例同比例增大总供热量，反之减小；由于通过改变循环泵的转速比通过调整热源锅炉燃烧能力来改变供水温度要容易得多，因此我们尽可能使各个热源供水温度保持一致的方法是通过控制各个热源的循环泵转速，供热温度高时加大循环泵转速，供热温度低时减小循环泵转速。由于向各个热源发送供热量和供热温度的调度指令的实时性，最好采用计算机监控技术实现。
八、多热源联网运行时一次热网的调节方法
一次网的调节实质是各个热力站一次流量的调节，按照国外的做法，各个热力站按照室外温度实现气候补偿即可。我国的热源与热网供需匹配情况与国外不同，我们经常出现供热量不足，若各个热力站按照室外温度进行气候补偿就必然存在争抢供热量的问题，造成不利环路不热，而我国的供热原则是尽可能让所有用户享受同等的供热待遇，因此一次网调节的主要目的是平衡调节。考虑到各个热力站换热器选型面积和运行工况的差异性，考虑到二次网循环水量的差异性，不能简单的将按照供热负荷计算的一次流量作为一次网的平衡依据。当按面积收费时，用户不主动进行热量的调节，由于供回水平均温度与室内温度具有一一对应的关系，即各个热力站供回水平均温度一致就表明室内温度一致，因此各个热力站一次流量的调节，应按照各个热力站二次供回水平均温度一致作为平衡调节的目标。当按热量收费时，用户主动进行热量的调节，回水温度受用户调节行为影响，将以二次供水温度保持一致作为一次网平衡的依据。
对于小型单热源枝状网，平衡调节完成后不必频繁调节，一般可以手工实现。而对于大型或特大型热网应该采用计算机全网自动平衡调节技术。计算机全网自动平衡调节技术要求各个热力站的运行工况实时采集到监控中心，监控中心能够实时调节各个热力站的电动调节阀门，这样做一般投资较大实施较难，考虑到在多热源热网中存在一些大型分支，每个分支中的热力站的运行工况存在一致等比失调的规律，可以将各大型分支作为一个热力站进行总体平衡。分支内各个热力站的平衡调节，可以手工完成，调好后一般就不需再调节了。在主干管上还会存在大量的小规模热力站，这些站的运行工况变化对整个大网工况的影响不大，可以采用本地自动控制的方法，让这些热力站按照室外温度的变化实现气候补偿，同时自动限制流量。经过简化的热网，需要实时监控的规模会大幅度减小，便于实现计算机全网平衡调节技术。
九、热力站调节方法
只进行平衡调节不能完成气候补偿，不能有效利用热网的蓄热作用，不能最大限度的实现节能。热力站还应完成如下调节功能：
* 供热量气候补偿；
* 二次网循环水量气候补偿；
* 太阳辐射能量的利用；
* 夜间降低室内温度的节能利用；
热力站实现供热量气候补偿的方法是采用自动控制技术，不可能靠人工实现。电动调节阀的安装位置不同，气候补偿功能对热网运行工况的影响也不同。采用一次网安装电动调节阀进行气候补偿会破坏一次网的平衡调节，但对于不参与全网平衡的主干网上的小规模热力站气候补偿功能可以采用控制一次网电动调节阀实现。热力站供热量的气候补偿功能一般可以通过调节与换热器旁通的电动调节蝶阀，改变二次网通过换热器的水量实现供热量的调节。这种调节不改变整个二次网的总体循环水量，也不改变一次网的水力工况，属于无扰调节方法。同时这样的调节会改变一次网的回水温度，将有利于利用热网回水管的蓄热能力，缓解供热量与需热量的矛盾，使得热源的调节更加从容、平稳。
二次网最佳循环水量随着室外温度的变化而变化，随室外温度的降低而增大，反之减小。通过测算，有效利用这一规律采用变频调速技术可以节约50%以上的电能，具有较好的投资回报率。按照不同规模的热力站投资回收期也不同，一般热力站规模越大投资回收期越短，按照不同的投资回收期和设备使用寿命、维护成本等可以确定热力站采用变频调速技术的最小规模。我国的供热站规模一般较大，采用变频调速技术一般都是经济的。另外，我国循环泵选型时一般扬程偏大，功率也偏大，采用变频设备时会不必要地增加投入，应该首先选择合适的循环泵，再选配变频调速设备。
太阳辐射能量占有相当比例，尤其在初寒和末寒期，太阳辐射能的存在甚至可以不需要供热。国外的气候补偿器中都有太阳辐射能利用的功能，我国供热系统运行时很少考虑这部分能量的利用。我们可以在热力站气候补偿功能的同时附加因太阳辐射而降低供热温度的功能。
夜间人们休息时，一般都盖上了被子，人体被作了保温，人体的热能得到了利用，因此夜间休息时人们并不需要太高的室内温度。这一因素的利用也可以节约相当大比例的能量。国外的气候补偿器中也有夜间休眠节能利用的功能，我们也可以在热力站气候补偿功能的同时附加因夜间休眠而降低供热温度的功能。
十、结论
多热源联网运行调度是一项十分复杂而庞大的系统工程，需要利用多种技术，需要熟悉整个供热系统的各个环节。获得一个最优化的多热源联网运行调度方法是非常难的，只能不断地向着最优化的方向不断地动态寻优。多热源联网运行调度优化是一个在生产实践中长期摸索、积累、总结、完善、升华的过程。本文只是提出了一些多热源联网运行时应注意的事项和应该深入研究的问题，是一种定性的分析。生产实践中各项指令的下达是定量的、具体步骤化的，还需要大量计算方法和相应的计算机软件作为支撑，更需要运行调度人员在长期生产实践过程中积累的丰富经验和大量数据。初浅的探讨，若能抛砖引玉，不胜荣幸，不当之处，欢迎批评指导。
