北京市熱力集團有限責任公司 李百紅
      北京同懷遠洋科貿有限公司  余寶法

     【摘 要】本文提出了多熱源聯網運行應該研究解決的若干問題，并定性地給出了各個問題的解決方法和思路，也給出了多熱源聯網運行調度方法的總體框架。
     【關鍵詞】多熱源聯網 自動控制 運行調度 供熱系統

      一、前言
      隨著城市建設的高速發展，供熱系統向著大型化、多熱源方向發展。很多城市熱網規模已經超過千萬甚至達到一億多平方米，形成了多個熱源聯網的格局。與單熱源運行調度不同，多熱源聯網運行的水力和熱力過程相當復雜，運行調度的難度成倍增加。對于多熱源的熱網，進行合理的調度，確定優化的運行方式（即確定是采用聯網運行還是解裂運行的方式）尤為重要。多熱源聯網運行調度應該研究解決如下問題：
* 多熱源聯網運行水力過程模擬分析
* 多熱源聯網運行補水調度與定壓方法
* 熱負荷變化的動態計算方法
* 供熱溫度曲線和供熱流量曲線的確定方法
* 各個熱源熱負荷分配優化
* 多熱源聯網運行時各個熱源調度方法
* 多熱源聯網運行時一次熱網的調節方法
* 熱力站調節方法
      二、多熱源聯網運行水力過程模擬分析
      多熱源聯網運行時，熱源分布在熱網的不同位置，存在水力匯交點。當各個熱源的運行工況發生變化時，水力匯交點將移動，熱網的壓力分布和流量分布也將隨之變化，而且單熱源枝狀網運行時的水力工況變化的一致性和等比例原則在多熱源聯網運行時不再適用。由于各個熱源之間的相互作用，聯網后的水力工況與各個熱源解裂運行的水力工況會有很大的變化。通過對多熱源聯網運行進行水力工況模擬分析，計算出水力匯交點的位置、熱網的壓力和流量分布、各個熱源循環水泵的運行工況和耗電量、各個補水點處的壓力分布。由于模擬分析的目的是為了指導多熱源聯網運行調度，因此模擬分析的前提是已知熱網中各個熱力站的理想運行流量和各個熱源的流量分配比例，計算各個熱源的資用壓頭和熱網中各個節點的壓力分布、各個管段的流量分布、各個熱力站剩余壓頭。
遇到環網時，需要進一步優化流量在環中的分布：一是預期（人為控制）環的流量，可以將環網等價為枝狀網；二是讓流量在環中自動分配，即預先假定環的流量，然后通過迭代的方法計算環的流量。為了減少計算量，熱網中的一些大分支可以等價成一個用戶（熱力站），這樣可以大大減小熱網的計算量和維護量，也便于實現并行計算。
      三、多熱源聯網運行的補水定壓
      一個熱網中只能有一個定壓點，多熱源聯網運行的熱網，由于考慮到有可能要解裂運行，每個熱源處都會設置自己的補水定壓點。在多熱源聯網運行時，一般主熱源的回水壓力最低，而其他輔熱源的回水壓力比它們單獨運行時要高。因此，補水定壓點一般應該設置在主熱源的回水管道上，當主熱源定壓點壓力恒定后，其他輔熱源的原有單獨運行時的補水定壓點只能作為補水點。由于隨著各個熱源熱負荷分配的變化，各個輔熱源的補水點處的壓力也將不斷變化（不是因為失水引起的），為了能在各種工況下都能補進水，各個輔熱源的補水泵揚程必須足夠大，而且各個輔熱源的補水泵必須變頻調速。考慮到各個補水點的水費用和水處理能力的不同，存在統一優化調度各個補水點補水量的問題。最好是在條件允許的情況下，實現各個補水點集中連網控制，此時雖然各個補水點的地理位置分布上相差很遠，由于運行參數的集中采集、處理、分析，就和控制一個補水點上的不同設備一樣方便。
      四、熱負荷變化的動態計算方法
      影響熱負荷變化的主要因素是室外溫度和供熱面積的變化，其次夜間休息時降低室內溫度和白天太陽輻射、隨著人們生活起居時間部分生活熱水負荷規律性的周期變化都將引起熱負荷的變化。供熱的最終目的是為了隨著熱負荷的變化及時供應相應的熱能，因此熱負荷變化的動態實時計算很有必要。其中室外溫度變化是引起熱負荷變化的最主要因素，由于室外溫度的變化頻率和變化幅度較大，供熱系統實時地跟蹤室外溫度的變化進行調節的難度很大，甚至不可能。另一方面由于房間維護結構的蓄熱作用，室外溫度變化并不會立即成為熱負荷，會經歷一個蓄熱、放熱過程后成為熱負荷，此時熱負荷的變化會比室外溫度的變化滯后而平緩，緊隨室外溫度變化而調節供熱量并沒有必要。
在動態計算熱負荷時室外溫度是關鍵，因此，室外溫度的測量要準確。一方面我們要選精度等級高，可靠性強，穩定性好的產品。另一方面我們要規范室外溫度的安裝，加強室外溫度的校準工作。除此之外，我們還要設計一種算法將采集來的室外溫度“方波化”、“滯后化”、“平滑化”。
* 方波化的目的是維持室外溫度的相對穩定，減少設備的動作；
* 滯后化的目的是考慮維護結構的熱慣性作用，實際熱負荷的變化滯后于室外溫度的變化；
* 平滑化的目的是考慮維護結構的蓄熱作用，實際熱負荷的變化比室外溫度的變化要平滑的多；
控制滯后時間的參數是實際室外溫度與用于參控的當量室外溫度的偏差對時間的積分值，當該積分值超過我們的規定后“積分常數”就將改變當量室外溫度值。控制平滑程度的參數是每次改變當量室外溫度的幅度，該幅度值為實際室外溫度與當量室外溫度偏差除以“平滑系數”，該系數是我們事先設定好的。因此，算法中規定了“積分常數”和“平滑系數”，我們可以調試這兩個參數來使算法能夠較精確地描述出室外溫度變化與熱負荷變化之間的關系。
      熱源供熱與房間需熱之間存在幾級熱網系統，由于熱網的蓄熱作用，使得供熱量變化和需熱量變化之間的矛盾有可能得以緩解。合理利用供熱管網的蓄熱作用，不僅可以使供熱量的調節頻率降低，還會有效避免尖峰負荷的出現，有利于節約能源和減小供熱系統的裝機容量。但目前關于熱網蓄熱問題的研究較少，合理利用這種蓄熱作用的應用也較少，有必要深入研究?？梢钥隙ǖ氖枪嵯到y的調節環節越多、調節環節越接近用戶端，越有利于發揮熱網的蓄熱作用，同時旁通調節會使熱網的回水溫度升高有利于發揮回水管的蓄熱作用。
      五、供熱溫度曲線和供熱流量曲線的確定
      熱能輸配過程中會有散熱損失和泵耗，這兩者相互矛盾著。散熱損失與供熱溫度有關，泵耗與供熱流量有關，因此供熱溫度與供熱流量之間存在優化問題。隨著室外溫度的變化，最佳供熱溫度和供熱流量會不斷變化，因此存在最佳供熱溫度曲線和最佳供熱流量曲線。最高供熱溫度受管網和熱源設備設計參數的限制，最大供熱流量受熱網循環泵的限制和管網可及性的限制，最小供熱流量受熱源設備設計參數和散熱設備失調的限制。有些地區供熱單位與熱源單位由兩家分管，供熱單位不承擔熱網循環泵的電耗，但卻承擔熱網損失，維持最大循環流量只改變供熱溫度的質調節方案對供熱單位是最有利的。另外，有些供熱系統不具備變流量的條件，就只能采用質調節方案或分階段改變流量的質調節方案。因此，供熱溫度曲線和供熱流量曲線的確定要充分考慮到不同供熱系統的具體情況來制訂。
      六、各個熱源熱負荷分配
      熱源承擔熱負荷的能力受到熱源本身裝機容量的限制，同時受到熱網輸配是否可及的限制。另外，不同熱源制備熱能的成本和輸送熱能的成本是不同的。而且熱源制備熱能和輸送熱能的成本隨著所承擔的熱負荷而變化。主熱源一般是熱電聯產的熱電廠，其經濟性好、可靠性高。調峰熱源的運行時間較少，熱負荷增加超過某一范圍時調峰熱源投入，熱負荷低于某一范圍時調峰熱源退出。燃煤調峰鍋爐房的供熱量調節及時性不好，它的投入和退出不很靈活，存在一個熱負荷過渡區。對于燃煤鍋爐房，在小負荷時其運行成本會相當高，這是因為鍋爐在小負荷時燃燒效率較低、固定資產分攤比例較高、資產利用率較低、人工成本較大，一般燃煤調峰鍋爐房的經營都是虧損的。為了降低燃煤調峰鍋爐房的成本，應該保證調峰鍋爐房的供熱能力占總供熱能力的比例足夠大，多臺鍋爐并聯，提高自動化程度。對于規模較小的燃煤鍋爐房，應該采取摘網運行，就是部分熱用戶在嚴寒期從熱網中摘出來由鍋爐房單獨供熱。燃氣、燃油調峰鍋爐房與燃煤調峰鍋爐房不同，投入退出靈活，便于作為調峰熱源。綜上所述作為主熱源的熱電廠應該優先滿負荷運行，大型燃煤鍋爐房的熱負荷達到一定規模時投入，燃氣、燃油鍋爐房可以隨時投入。
      七、多熱源聯網運行時各個熱源調度方法
      國外的通常做法是，主熱源滿負荷運行，調峰熱源依次投運，調峰熱源與主熱源保持相同供熱溫度，按照最不利環路壓差調度調峰熱源的循環泵轉速。我國的熱源與熱網由兩家分管，供熱量與需熱量之間由于各個單位的本位利益，存在著不協調因素。另外，我國的熱源供熱負荷調節能力較差經常存在供熱量不足的問題，此時維持整個二次熱網的供回水平均溫度一致，達到均勻供熱是第一位的。因此，我國供熱系統多熱源聯網運行的方法應該有別于國外。我們的調度方法是，按照各個熱源的熱負荷分配比例調度各個熱源的供熱量，同時按照最不利環路的運行工況（是一個綜合判據，而不是簡單的壓差）調整整個供需關系，當最不利環路供熱量不足時，按照不足比例同比例增大總供熱量，反之減?。挥捎谕ㄟ^改變循環泵的轉速比通過調整熱源鍋爐燃燒能力來改變供水溫度要容易得多，因此我們盡可能使各個熱源供水溫度保持一致的方法是通過控制各個熱源的循環泵轉速，供熱溫度高時加大循環泵轉速，供熱溫度低時減小循環泵轉速。由于向各個熱源發送供熱量和供熱溫度的調度指令的實時性，最好采用計算機監控技術實現。
      八、多熱源聯網運行時一次熱網的調節方法
      一次網的調節實質是各個熱力站一次流量的調節，按照國外的做法，各個熱力站按照室外溫度實現氣候補償即可。我國的熱源與熱網供需匹配情況與國外不同，我們經常出現供熱量不足，若各個熱力站按照室外溫度進行氣候補償就必然存在爭搶供熱量的問題，造成不利環路不熱，而我國的供熱原則是盡可能讓所有用戶享受同等的供熱待遇，因此一次網調節的主要目的是平衡調節?？紤]到各個熱力站換熱器選型面積和運行工況的差異性，考慮到二次網循環水量的差異性，不能簡單的將按照供熱負荷計算的一次流量作為一次網的平衡依據。當按面積收費時，用戶不主動進行熱量的調節，由于供回水平均溫度與室內溫度具有一一對應的關系，即各個熱力站供回水平均溫度一致就表明室內溫度一致，因此各個熱力站一次流量的調節，應按照各個熱力站二次供回水平均溫度一致作為平衡調節的目標。當按熱量收費時，用戶主動進行熱量的調節，回水溫度受用戶調節行為影響，將以二次供水溫度保持一致作為一次網平衡的依據。
      對于小型單熱源枝狀網，平衡調節完成后不必頻繁調節，一般可以手工實現。而對于大型或特大型熱網應該采用計算機全網自動平衡調節技術。計算機全網自動平衡調節技術要求各個熱力站的運行工況實時采集到監控中心，監控中心能夠實時調節各個熱力站的電動調節閥門，這樣做一般投資較大實施較難，考慮到在多熱源熱網中存在一些大型分支，每個分支中的熱力站的運行工況存在一致等比失調的規律，可以將各大型分支作為一個熱力站進行總體平衡。分支內各個熱力站的平衡調節，可以手工完成，調好后一般就不需再調節了。在主干管上還會存在大量的小規模熱力站，這些站的運行工況變化對整個大網工況的影響不大，可以采用本地自動控制的方法，讓這些熱力站按照室外溫度的變化實現氣候補償，同時自動限制流量。經過簡化的熱網，需要實時監控的規模會大幅度減小，便于實現計算機全網平衡調節技術。
      九、熱力站調節方法
      只進行平衡調節不能完成氣候補償，不能有效利用熱網的蓄熱作用，不能最大限度的實現節能。熱力站還應完成如下調節功能：
* 供熱量氣候補償；
* 二次網循環水量氣候補償；
* 太陽輻射能量的利用；
* 夜間降低室內溫度的節能利用；
      熱力站實現供熱量氣候補償的方法是采用自動控制技術，不可能靠人工實現。電動調節閥的安裝位置不同，氣候補償功能對熱網運行工況的影響也不同。采用一次網安裝電動調節閥進行氣候補償會破壞一次網的平衡調節，但對于不參與全網平衡的主干網上的小規模熱力站氣候補償功能可以采用控制一次網電動調節閥實現。熱力站供熱量的氣候補償功能一般可以通過調節與換熱器旁通的電動調節蝶閥，改變二次網通過換熱器的水量實現供熱量的調節。這種調節不改變整個二次網的總體循環水量，也不改變一次網的水力工況，屬于無擾調節方法。同時這樣的調節會改變一次網的回水溫度，將有利于利用熱網回水管的蓄熱能力，緩解供熱量與需熱量的矛盾，使得熱源的調節更加從容、平穩。
二次網最佳循環水量隨著室外溫度的變化而變化，隨室外溫度的降低而增大，反之減小。通過測算，有效利用這一規律采用變頻調速技術可以節約50%以上的電能，具有較好的投資回報率。按照不同規模的熱力站投資回收期也不同，一般熱力站規模越大投資回收期越短，按照不同的投資回收期和設備使用壽命、維護成本等可以確定熱力站采用變頻調速技術的最小規模。我國的供熱站規模一般較大，采用變頻調速技術一般都是經濟的。另外，我國循環泵選型時一般揚程偏大，功率也偏大，采用變頻設備時會不必要地增加投入，應該首先選擇合適的循環泵，再選配變頻調速設備。
      太陽輻射能量占有相當比例，尤其在初寒和末寒期，太陽輻射能的存在甚至可以不需要供熱。國外的氣候補償器中都有太陽輻射能利用的功能，我國供熱系統運行時很少考慮這部分能量的利用。我們可以在熱力站氣候補償功能的同時附加因太陽輻射而降低供熱溫度的功能。
      夜間人們休息時，一般都蓋上了被子，人體被作了保溫，人體的熱能得到了利用，因此夜間休息時人們并不需要太高的室內溫度。這一因素的利用也可以節約相當大比例的能量。國外的氣候補償器中也有夜間休眠節能利用的功能，我們也可以在熱力站氣候補償功能的同時附加因夜間休眠而降低供熱溫度的功能。
十、結論
多熱源聯網運行調度是一項十分復雜而龐大的系統工程，需要利用多種技術，需要熟悉整個供熱系統的各個環節。獲得一個最優化的多熱源聯網運行調度方法是非常難的，只能不斷地向著最優化的方向不斷地動態尋優。多熱源聯網運行調度優化是一個在生產實踐中長期摸索、積累、總結、完善、升華的過程。本文只是提出了一些多熱源聯網運行時應注意的事項和應該深入研究的問題，是一種定性的分析。生產實踐中各項指令的下達是定量的、具體步驟化的，還需要大量計算方法和相應的計算機軟件作為支撐，更需要運行調度人員在長期生產實踐過程中積累的豐富經驗和大量數據。初淺的探討，若能拋磚引玉，不勝榮幸，不當之處，歡迎批評指導。