1、引言
把計算機監控系統技術應用于城市熱網的運行管理搭建了具有時代特征的科學化管理平臺。在這個平臺上，既可以實時總覽熱網當前運行參數的全局分布又可以利用采集數據計算分析室外溫度及系統供熱量變化趨勢，定期作出整體運行規劃，指導運行并實現自動控制。因此，建立適應這個平臺的理論方法和具體操作方法就成了有效利用這個平臺的關鍵。本文提出依據“周期供熱量”調節熱網平衡的方法，就是利用這個平臺，依據及時、豐富、可靠的數據信息，對全網進行隨時的量化分析，系統而準確的把握供熱的規律并行之有效的實施科學管理。
困擾熱網運行管理的難題是全網的熱力平衡問題即熱量平衡問題。一個熱力嚴重不平衡的系統會導致大面積的過冷和過熱現象發生，并進而演化成為供熱部門在承受社會投訴巨大壓力的同時，還要承受不計成本通過加大熱源投入解決過冷帶來的巨大經濟壓力。因此，城市供熱首先就是要解決好熱網的平衡管理。
分析我國目前約15億平方米集中供熱的現狀，其中大系統供熱的特點非常突出，每一座供熱系統，供熱面積動輒數百萬平方米，并且擁有數十個熱力站。因此，管理這種大系統的熱網就不能簡單套用那些來自北歐先進供熱國家在其小系統上創造的經驗。更不能套用小系統熱力站目前使用的獨立運行管理方法。依據“周期供熱量”調節熱網的管理方法是一個針對由熱源——熱網——熱力站——熱用戶組成的大型熱網的全網統一規劃管理的方法。它在強調了依據“周期供熱量”調節各熱力站實現全網熱力平衡大局穩定的同時，實際上也明確了：在實現各熱力站熱力平衡大局穩定的基礎上，各熱力站的局部問題局部解決，實現熱源跟隨室外天氣變化的趨勢動態調節的科學供熱，做到層次分明，運籌有致，進而達到經濟運行的目標。
2、用“周期供熱量”調節熱網平衡方法的原理
2.1、基于線性系統理論的城市供熱過程分析
城市供熱的基本特點是它的周期性，氣溫是日復一日的晝升夜降的循環變化過程。除冷、暖氣流突然侵襲的短暫氣溫突變過程，整個取暖季的氣溫變化是一個一天天緩慢變冷又逐漸轉暖的平穩降溫和升溫過程。在我國北方，其溫度變化的數字特征是在100多天的取暖季里（嚴寒地區為180天），每天的平均溫度變化基本小于1℃。（我國嚴寒地區最低氣溫為零下40℃左右，而京津唐地區為零下10℃左右）但是，每天晝夜氣溫的變化則高達10℃左右（嚴寒地區大些）。因此，由宏觀環境條件決定，供熱過程在任何一段相鄰的幾天里都可以近似認為是一個周期供熱過程，并且其供熱量調整幅度主要是依據晝夜溫差的變化。而初末寒期到嚴寒期的室外溫度變化是以漸變的形式調整著這個周期過程平均值的變化。因此任何一個相鄰幾天的近似周期的供熱過程可由式（1）給出：
(1)
式中： ——熱源供熱量在一天中的時間歷程函數
——時間變量
——周期，T＝1天
——周期數，S=0、1、2、3…
我國城市集中供熱最顯著的特點就是它的建設規模巨大，一座供熱面積數百萬平方米的中型熱網，通常擁有數十個熱力站和復雜而龐大的地下和地上管網連接千家萬戶。但是由于供熱依靠熱水流動傳送熱量，因此熱網規模巨大的特點就導致了距離熱源遠近不同的熱力站和熱用戶接收到熱源供熱量變化過程存在著明顯的延遲時間差別。由式（1）給定的供熱量變化過程有可能在長達數小時后才能轉變為末端熱用戶的室內采暖過程。當然，由于供熱的連續進行和熱用戶室溫的熱慣性，用戶可能沒有覺察到這個過程的發生。
根據線性系統理論分析供熱過程，可把熱源供熱量 作為輸入量，熱用戶（或熱力站）得到的熱量 作為輸出量，而 為連接 與 之間供熱系統的脈沖響應函數。那么,這三者之間的關系可以由卷積定理確定為：
(2)
式中 ——第i個熱用戶收到的熱量時間歷程
——描述從熱源到第i個熱用戶間供熱系統的性能函數
由式（2）可見，只要確定了描述熱源到每個熱用戶間傳熱系統的性能 ，就可以在已知熱源供熱情況后確定對每個熱用戶的供熱效果。
在整個供熱過程中，供熱系統的作用就是熱量的傳輸和交換兩個主要內容。其中熱量傳輸包括熱源到熱力站的傳輸和熱力站到熱用戶的傳輸，這是一個依賴于熱水在管道中流動速度的過程，表現為對遠、近不同熱用戶具有不同延時時間的傳熱過程。而換熱過程除管路上的微量分布散熱外，主要是熱力站的水——水換熱和熱用戶家中暖氣片的散熱這兩個集中換熱過程。如圖一所示：
管道沿程散熱ΔQ
暖氣片散熱
v2
v1
管道沿程散熱ΔQ
水水換熱
因此，在不計換熱器配置不合理、管網設計不合理及管道沿程散失熱量等次要影響因素后，認真比較緩慢的傳送熱量過程和快速的換熱過程，就可以得出：傳送熱量過程主導了整個供熱過程。因此在式(2)中的 系統性能函數可以由式(3)給出
（3）
式中： ——每個采暖戶用熱量與熱源供熱量的比例系數
——為單位脈沖函數：
當
當
和
——熱源熱量送到第i個熱用戶的時延時間
將式（3）代入式（2）可以求解這個卷積分得出。
（4）
式（4）給出了一個采暖用戶或一個熱力站按比例ki獲得熱源供應熱量的過程是一個時延時間為ti的過程。
因此，根據式（4）分析全部熱力站和熱用戶就可以得出：熱網規模巨大的特點演化成了各熱力站（熱用戶）接收熱源供熱過程的時延量 存在顯著時間差異的特點。更進一步，當最大時延量 和最小時延量 之差增大到足夠大時，各熱力站之間的瞬時供熱量就失去了可比性。因此依據瞬時熱量平衡理念分析和管理各熱力站（熱用戶）的熱力平衡就難于操作，只能依靠溫度平衡或流量平衡等單參數管理的辦法間接管理熱網，因而最終形成了大網熱力平衡管理的難題。
2.2依據周期供熱量調節熱網平衡的原理
根據熱源供熱量，以及熱用戶用熱量也具有與熱源相同周期函數的基本供熱規律式（1）、式（4）。因此在任何一個供熱周期里，可以直接用以下累積量等式表達熱源供熱量與各熱力站用熱量的熱平衡關系。
（5）
式中： ——第i個熱源供熱量
——第j 個熱力站用熱量
——任意計算時間終點
——周期 T＝24小時
——熱源個數
——熱力站個數
式（5）表明，對于合理設計和使用的供熱系統，在任何一個供熱周期的T時間段里，各熱力站的累積用熱量之和與多個熱源累積供熱量之和相等。該式還表明，這個等式成立僅與從任何一個時刻向前追朔一個周期的累計熱量有關,而與各熱力站的延時特性及時延時間無關。
進一步可以給出各熱力站熱力平衡條件為
（6）
式中： ——第j個熱力站的供熱面積。
連等式（6）是用熱力站一天中的單位面積供熱量建立的熱網熱力平衡條件，這個熱力平衡條件與熱力站設備的選擇以及熱網運行的具體參數無關。
式（5）、式（6）是在式（1）、式（2）、式（3）、式（4）的分析基礎上形成的用“周期供熱量”調節熱網平衡的基本理論方法，對于已經建立了完備的計算機監控系統的熱網管理是可以隨時應用的。而對于還沒有裝備計算機系統的熱網可使用熱力站的日報表參考使用。因此，依據這個熱力平衡原理，可以對熱網的熱力平衡情況進行分析和調控，并且具有方便的可操作性。
3、用“周期供熱量”調節熱網平衡理論方法構建計算機監控系統的應用
針對我國現行按面積收費的供熱管理體制現狀，供熱系統調節均應以滿足采暖建筑物基本采暖要求為前提，以盡可能減少總供熱量為經營目標。為此，當熱網熱力平衡問題得到了解決之后，對熱力站流量調節的過程就變成了定期檢查和監控的過程（不需要經常調節）。因此，熱網管理就變成了熱力站重點解決轄區內個別不熱戶的局部問題，和熱源跟隨環境氣象條件有序調控總供熱量的大局科學化經濟運行管理。
根據建設部CJJ/T88-2000《城鎮供熱系統安全運行技術規程》對于建設熱網計算機監控系統的5項功能要求，［5項功能為：①檢測系統參數②調配運行流量③指導運行調節④診斷系統故障⑤健全運行檔案］總結我們在7年中建設近20座熱網監控系統的經驗，基本建成了由圖二職能方框圖所示的熱網計算機監控系統。
熱網計算機監控系統
硬 件 系 統
監控中心軟件系統
熱力站軟件系統
在熱網計算機監控系統的全部硬件和軟件建設中，我們全面啟用“周期供熱量”調節熱網平衡的理論方法，并且可以概括的表述為：以可靠的熱量計量為基礎，全面測控各熱力站一次網熱量和全部二次網環路的熱量；監控中心依據“周期供熱量”的平衡情況調控各熱力站一次網的平衡并且兼顧調節二次網各環路的平衡，把不熱戶劃定在盡可能小的區域里，實現供熱大局的熱力平衡和供熱效果穩定；并在此基礎上，依據環境溫度及部分熱用戶的實際供熱效果對熱源供熱量進行預報規劃和運行中的實時調節，達到經濟運行的目標。
2004年，在我們承擔的遼寧燈塔熱網計算機監控系統建設項目中，上述監控系統構成及其管理方法得到了較為充分的展開，并且取得了較滿意的運行效果，簡述如下：該熱網計劃建設規模250萬平方米供熱面積。2004年一期工程為100萬平方米，設有7各熱力站（不包括首站），其中供熱面積最大的熱力站是少年宮站（19.8萬平米），最小供熱面積熱力站是八棟樓站（9.1萬平米）。全部7個熱力站都采用了統一形式的計算機監控系統現場工作站，執行一次網和二次網的流量、溫度、壓力以及二次網循環泵、電機電流、水箱水位等參數的采集，控制對象為一次網的流量和變頻調速定壓補水。監控中心計算機系統建在熱力公司總經理辦公室，監控中心與各熱力站的通訊系統采用了燈塔鐵通公司電話虛擬網，熱網分析和調控功能在監控中心計算機上通過手動和自控實現（也可以在各熱力站現場工作站上實現該站的現場調控）。因位于熱電廠的首站還未裝備監控功能，因此，本監控系統根據實測環境溫度給出了預報和規劃的小時供汽量（熱量）和實時運行建議供汽量，提供首站調節參考使用。表一給出了12月2日全部7個熱力站運行的熱量分布情況，并且與當時環境溫度為-3.4℃的理論供熱量進行了比較。
表一、2004年12月2日9時熱網熱量分布情況 室外溫度-3.4℃
站 名
康福碧
城站
少年宮
站
環衛處
站
市政府
站
鐵廠
站
八棟樓
站
檢察院
站
實測周期
供熱量w/m2
36.07
38.79
39.03
39.05
36.64
36.14
38.51
計劃單位
面積供熱量
34.70
34.70
34.70
34.70
34.70
34.70
34.70
偏差w/m2
1.37
4.09
4.37
4.35
1.94
1.44
3.81
供熱面積（萬m2）
17.00
19.80
11.50
16.00
12.00
9.10
10.46
本熱網監控系統在已經具備的各熱力站一次網熱量計量功能基礎上，成功的指導了熱網的運行，穩定了全網供熱平衡的大局。但是由于工期緊張（2004年10月1日動工，11月1日開始供暖），在熱力站內二次網各環路的計量配備沒能進一步細化。因此，在指導各熱力站所轄各環路的平衡調控工作中還沒能給予有力的支持，另外，由于熱源首站沒能納入系統，因此對于全網實行全面自控的工作擬定在2005年完成。
本文介紹了基于線性系統理論建立的調節熱網平衡方法，對使用“周期供熱量”調節熱網平衡的基本原理進行了闡述，并且對這種方法的應用情況作了梗概的介紹，僅供廣大熱力界同志參考。我們認為在計算機監控系統技術已經全面得到應用的現代化供熱管理上，進一步發掘這種方法的優點，會給我們城市供熱帶來新的突破。
