环状热网事故工况下基础及移动热源优化调度_安全运行

摘要

摘　要：针对环状热网，提出热网事故工况下热源调度方案。对事故工况下，基础热源调度方案、移动热源出救方案的确定及算例进行了分析。关键词：环状热网；基础热源；移动热源；优化

摘　要：针对环状热网，提出热网事故工况下热源调度方案。对事故工况下，基础热源调度方案、移动热源出救方案的确定及算例进行了分析。

关键词：环状热网；基础热源；移动热源；优化调度；事故工况

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

随着城市供热系统规模不断扩大，事故发生率也在不断攀升，随之而来的是对供热系统可靠性诉求的增强。集中供热涉及民生，事故造成供热系统中部分甚至全部热用户停止供热，必将破坏建筑热环境，影响居民的正常生活，导致不可估量的社会后果。因此，提高供热系统可靠性，研究供热系统事故应急技术变得尤为迫切。

国外对供热系统可靠性的研究较多：丹麦、芬兰、瑞典等国开发相关软件，用于监测供热系统事故的发生和诊断排查，为事故发生后的及时处理提供指导。建立供热系统与安全评估及事故预防体系，并由专门部门负责^[1-2]。前苏联作为集中供热率很高的国家^[3-4]，对供热系统的可靠性十分重视，很早就设置专门部门保证供热系统可靠性运行，防止事故发生后影响扩大，并对事故进行快速排除^[5]。俄罗斯在设计规范中明确规定，对于大型或者是结构特别复杂的供热系统，要具备中央和区域两极调度控制结构，事故抢修站的人员数量和技术装备应保证在供热系统发生事故时在规定的时间内恢复供热。2003年，俄罗斯发布的《热力网设计规范》CHHP 41-02-2003规定，对于第一类热用户(不允许降低室内温度标准的用户)要保证100％供热，且必须考虑设置局部的备用热源(固定式或移动式)。

与国外相比，目前我国对于供热系统可靠性的重视程度不够，无论是设计还是运行阶段对可靠性要求均不完善，尤其在事故应急方面的研究更是较为薄弱。移动热源(相对于基础热源，配备有小型热源和循环泵的车载可移动式热源)在我国的应用仍十分有限，而且具体的设置原则及优化运行调度也缺乏必要的理论指导。本文针对环状热网，对热网事故工况下基础热源、移动热源的优化调度方案进行研究。

2　供热系统类型及事故调度方案

2.1　供热系统类型及事故调度方案总则

我们根据事故工况下基础热源是否满足最低限额供热需求以及是否配置移动热源，对供热系统进行分类，提出事故调度方案总则。

①第一类供热系统：事故工况下基础热源不满足最低限额供热要求，且配置移动热源的供热系统。为了保证供热质量，事故调度应根据热网阀门布置情况，解列最不利热用户附近供热区域，改变热网原有结构，使基础热源能够满足非解列区域热用户的最低限额供热需求，移动热源承担解列区域热用户的最低限额供热需求。此时，事故调度方案的重点应为确定基础热源负荷分配比(以流量分配比表征)、移动热源出救方案。

②第二类供热系统：事故工况下基础热源不满足最低限额供热要求，且无移动热源的供热系统。此类供热系统的事故调度方案为通过优化计算确定现有热网结构和设备所能达到的最大限额供热能力。在降低限额供热能力的同时，采取必要措施尽量缩短维修时间。

③第三类供热系统：事故工况下基础热源可满足最低限额供热的供热系统。此类供热系统的事故调度方案为考虑经济与节能目标的事故调度方案优化。具体涉及各基础热源负荷分配、循环泵优化配置等问题，可通过水力与热力仿真得到最优的事故调度方案。

2.2　事故调度方案制定步骤

本文主要针对第一类供热系统，对事故工况下基础热源调度方案、移动热源出救方案的制定进行探讨。

①基础热源调度方案

判定基础热源供热能力能否满足最低限额供热要求，若不能满足判定条件则解列部分热用户。根据解列区域不同，确定不同解列区域下的初选方案集。结合移动热源出救方案，将基础热源与移动热源循环泵总耗电功率最小作为目标，确定最终的解列区域及各基础热源的负荷分配比，即确定最优初选方案。

②移动热源出救方案

针对最终确定的解列区域，根据约束条件对移动热源出救方案进行优化，从而确定最优的出救方案。

2.3　设定条件

①供热系统完全可控。供热系统的可控性是指通过调节输入量可控制供热系统的输出参数，使供热系统实现期望的运行状态^[6]。

②计算环境为稳态，事故工况下供热系统供回水温差不变，这确保了限额流量系数与限额供热量变化一致^[7]，即各基础热源的流量分配比可表征负荷分配比。

③基础热源总供热能力满足非解列区域所有热用户的限额供热需求，移动热源的设计供热能力及循环泵最大输送能力可满足解列区域的供热要求。

3　基础热源调度方案

3.1　限额供热系数

由于目前我国没有限额供热系统的具体规定值，因此参考CHnH 41—02—2003确定。各种公称直径供热管道在不同供暖室外计算温度下限额供热系数最小允许值见表1。

3.2　满足最低限额供热需求的判定

确定限额供热系数后，将限额供热系数乘以供热系统总设计质量流量，得到总限额质量流量。将各基础热源设计质量流量除以总限额质量流量，并将计算结果向下圆整，得到事故工况下各基础热源的流量分配比限额。将各基础热源的流量分配比限额作为最大值，选取一组基础热源流量分配比(每组流量分配比之和为1)计算各基础热源事故工况下的质量流量，按文献[8]的计算方法，计算事故工况下循环泵所需扬程。

将由这一组基础热源流量分配比计算得到的各基础热源质量流量分别代入循环泵扬程一流量拟合式，计算得到循环泵计算扬程。当循环泵所需扬程大于计算扬程时，判定这一组流量分配比不符合判定要求，应再次选取新的一组流量分配比进行判定。当各组流量分配比均不符合判定要求时，考虑解列部分热用户。

3.3　解列区域的确定方法

以解列最不利热用户为原则，根据热网阀门的设置情况选取解列区域。当解列区域确定后，参照上述最低限额供热需求的判定步骤，再次对基础热源的流量分配比组合进行选取。当不同解列区域均有符合判定要求的流量分配比组合出现时，以基础热源与移动热源循环泵总耗电功率最小为目标，确定最优的基础热源调度方案。

3.4　算例

①工程概况

哈尔滨某供热系统设置3座基础热源(A、B、C)，供热面积约2200×10⁴m²，热力站207座。热网为环状，包括南线、北线两条主要干线。热网及基础热源设置情况见图1。基础热源设计供热能力、设计质量流量及循环泵配置数量见表2。

由于3座基础热源采用的循环泵性能接近，因此采用统一的循环泵扬程一流量拟合式对不同流量下的循环泵扬程进行计算：

H=b0+b1qm+b2q²m 　　　 (1)

式中H——循环泵计算扬程，m

b0、b1、b2——拟合系数

q0——热水质量流量，t／h

循环泵各种运行组合方式下的拟合系数见表3。

②满足最低限额供热需求判定

以设计工况下供热系统南线出口发生事故为例，对基础热源是否满足最低限额供热需求进行判定。供暖室外设计温度-24.2℃，将供热系统设计质量流量圆整为14300t／h，南线出口供热管道公称直径为1200mm。由表1数据，并采取插值计算，得到供热系统最低限额供热系数为0.807。则供热系统3个基础热源在事故工况下的总限额质量流量为11540t／h。

根据各基础热源设计质量流量，经计算可得，基础热源A～C的流量分配比限额(最大值)分别为0.6、0.3、0.2。在南线出口事故工况下，按照10％步长改变各基础热源流量分配比，可得到3组流量分配比组合。按照文献[8]的计算方法，分别计算3组流量分配比组合中各基础热源循环泵所需扬程。3组流量分配比组合及各基础热源循环泵所需扬程见表4。

由式(1)的计算结果可知，表4中各组流量分配比组合中各基础热源循环泵所需扬程均超过计算扬程。因此3组流量分配比组合均不满足判定条件，需要对部分热用户进行解列，并调用移动热源。

③解列区域及最优调度方案的确定

按照解列最不利热用户的原则，并根据阀门设置情况，选取解列方案1、2。两种解列方案中解列区域分别见图2、3。解列方案1、2的解列区域分别包括15、34个热用户，被解列热用户总设计质量流量分别为1030、2220t／h。解列区域最低限额供热系数仍取0.807，则解列方案1、2的解列区域事故工况下的质量流量分别为832、1792t／h。

当选取解列方案1时，基础热源的总限额质量流量等于总设计质量流量减去解列热用户设计质量流量后乘以最低限额供热系数(0.807)。经计算可得，总限额质量流量为10708t／h。由前述初选方案的相关计算方法可知，基础热源A～C的流量分配比限额分别为0.5、0.3、0.2时，符合判定条件。对于解列方案2，基础热源A～C的流量分配比限额分别为0.6、0.4、0时，符合判定条件。结合移动热源出救方案，将基础热源与移动热源循环泵总耗电功率最小作为目标，确定最终的解列区域及各基础热源的负荷分配比，即确定最优基础热源调度方案。

4　移动热源出救方案

在移动热源出救过程中，缩短出救时间降低事故造成影响是出救的基本原则，并尽量兼顾出救成本。因此，以事故工况解列区域恢复供热时间最短为目标，满足移动热源调用数量最少为约束条件，确定移动热源出救方案。

4.1　目标函数

事故工况解列区域恢复供热时间最短是指所需的移动热源全部从分布点调用至出救点的完成时间，即最后一个移动热源到达出救点的时间最短。

4.2　约束条件

①调用移动热源数量约束

调用移动热源数量最少。

②解列区域最低限额供热量约束

出救移动热源供热能力应大于或等于解列区域的最低限额供热量。

4.3　方案的确定方法

若存在m个移动热源，将移动热源按到达出救点时间t由短到长进行排序：P1、P2、…、Pj、…、Pm。序列若存在x(1≤x≤m)，使得：

式中Fm,t,j——按到达出救点时间由短到长进行排序的第j个移动热源供热能力，kW

b——限额供热系数

Fis——解列区域的设计热负荷，kW

得到方案{(P1，t1)，(P2，t2)，…，(Px，tx)}。显然，在tx之前能够到达出救点的移动热源供热能力总是小于bFis，故解列区域供热开始时间最短为tx。但此时的优化方案并非最优解，易出现方案中移动热源总供热能力超出解列区域最低限额供热量的情况。因此，将移动热源P1～Px按照供热能力由大到小进行重新排列，进而在保证最短出救时间的移动热源中选出满足解列区域的限额供热量的移动热源。

4.4　算例

移动热源(Q1～Q10)至解列区域M的出救路线见图4。各移动热源达到解列区域的时间及供热能力见表5。设解列区域的最低限额供热量为50kW，考虑移动热源到达解列区域时间以及式(2)，得到出救移动热源顺序为Q10、Q5、Q9、Q4，即解列区域恢复供热的最短时间为8min。考虑移动热源供热能力后，最优出救移动热源顺序为Q5、Q9、Q4，此时解列区域恢复供热的最短时间仍为8min。由算例可知，通过优化在出救时间最短标准不变的条件下，出救移动热源数量减少，从而提高了移动热源出救的经济性。