热网平衡设计

河北理工大学 李 志 梁大为 陈瑞莲 张可仁 

摘要：依据线性系统理论分析供热系统运行特点，建立了用“周期供热量”管理供热系统热力平衡的理论体系。通过应用说明了这种新理论体系具有好的可操作性。

关键词：系统理论  卷积定理  周期过程  周期供热量  热力平衡  平衡条件

1、 引言

把计算机监控系统技术应用于城市热网的运行管理搭建了具有时代特征的科学化管理平台。在这个平台上，既可以实时总览热网当前运行参数的全局分布又可以利用采集数据计算分析室外温度及系统供热量变化趋势，定期作出整体运行规划，指导运行并实现自动控制。因此，建立适应这个平台的理论方法和具体操作方法就成了有效利用这个平台的关键。本文提出依据“周期供热量”调节热网平衡的方法，就是利用这个平台，依据及时、丰富、可靠的数据信息，对全网进行随时的量化分析，系统而准确的把握供热的规律并行之有效的实施科学管理。

困扰热网运行管理的难题是全网的热力平衡问题即热量平衡问题。一个热力严重不平衡的系统会导致大面积的过冷和过热现象发生，并进而演化成为供热部门在承受社会投诉巨大压力的同时，还要承受不计成本通过加大热源投入解决过冷带来的巨大经济压力。因此，城市供热首先就是要解决好热网的平衡管理。

分析我国目前约15亿平方米集中供热的现状，其中大系统供热的特点非常突出，每一座供热系统，供热面积动辄数百万平方米，并且拥有数十个热力站。因此，管理这种大系统的热网就不能简单套用那些来自北欧先进供热国家在其小系统上创造的经验。更不能套用小系统热力站目前使用的运行管理方法。依据“周期供热量”调节热网的管理方法是一个针对由热源——热网——热力站——热用户组成的大型热网的全网统一规划管理的方法。它在强调了依据“周期供热量”调节各热力站实现全网热力平衡大局稳定的同时，实际上也明确了：在实现各热力站热力平衡大局稳定的基础上，各热力站的局部问题局部解决，实现热源跟随室外天气变化的趋势动态调节的科学供热，做到层次分明，运筹有致，进而达到经济运行的目标。

2、 用“周期供热量”调节热网平衡方法的原理

2.1、基于线性系统理论的城市供热过程分析

城市供热的基本特点是它的周期性，气温是日复一日的昼升夜降的循环变化过程。除冷、暖气流突然侵袭的短暂气温突变过程，整个取暖季的气温变化是一个一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。在我国北方，其温度变化的数字特征是在100多天的取暖季里（严寒地区为180天），每天的平均温度变化基本小于1℃。（我国严寒地区最低气温为零下40℃左右，而京津唐地区为零下10℃左右）但是，每天昼夜气温的变化则高达10℃左右（严寒地区大些）。因此，由宏观环境条件决定，供热过程在任何一段相邻的几天里都可以近似认为是一个周期供热过程，并且其供热量调整幅度主要是依据昼夜温差的变化。而初末寒期到严寒期的室外温度变化是以渐变的形式调整着这个周期过程平均值的变化。因此任何一个相邻几天的近似周期的供热过程可由式（1）给出：

(1)式中：   ——热源供热量在一天中的时间历程函数

      ——时间变量

      ——周期，T＝1天

      ——周期数，S=0、1、2、3…

我国城市集中供热最显著的特点就是它的建设规模巨大，一座供热面积数百万平方米的中型热网，通常拥有数十个热力站和复杂而庞大的地下和地上管网连接千家万户。但是由于供热依靠热水流动传送热量，因此热网规模巨大的特点就导致了距离热源远近不同的热力站和热用户接收到热源供热量变化过程存在着明显的延迟时间差别。由式（1）给定的供热量变化过程有可能在长达数小时后才能转变为末端热用户的室内采暖过程。当然，由于供热的连续进行和热用户室温的热惯性，用户可能没有觉察到这个过程的发生。

根据线性系统理论分析供热过程，可把热源供热量 作为输入量，热用户（或热力站）得到的热量 作为输出量，而 为连接 与 之间供热系统的脉冲响应函数。那么,这三者之间的关系可以由卷积定理确定为：

式中  ——第i个热用户收到的热量时间历程

 ——描述从热源到第i个热用户间供热系统的性能函数

由式（2）可见，只要确定了描述热源到每个热用户间传热系统的性能 ，就可以在已知热源供热情况后确定对每个热用户的供热效果。

在整个供热过程中，供热系统的作用就是热量的传输和交换两个主要内容。其中热量传输包括热源到热力站的传输和热力站到热用户的传输，这是一个依赖于热水在管道中流动速度的过程，表现为对远、近不同热用户具有不同延时时间的传热过程。而换热过程除管路上的微量分布散热外，主要是热力站的水——水换热和热用户家中暖气片的散热这两个集中换热过程。如图一所示：

图一、热源到热用户的供热过程

因此，在不计换热器配置不合理、管网设计不合理及管道沿程散失热量等次要影响因素后，认真比较缓慢的传送热量过程和快速的换热过程，就可以得出：传送热量过程主导了整个供热过程。因此在式(2)中的 系统性能函数可以由式(3)给出

（3）

式中： ——每个采暖户用热量与热源供热量的比例系数

      ——为单位脉冲函数：

       ——热源热量送到第i个热用户的时延时间

将式（3）代入式（2）可以求解这个卷积分得出。 

（4）

式（4）给出了一个采暖用户或一个热力站按比例ki获得热源供应热量的过程是一个时延时间为ti的过程。

因此，根据式（4）分析全部热力站和热用户就可以得出：热网规模巨大的特点演化成了各热力站（热用户）接收热源供热过程的时延量 存在显著时间差异的特点。更进一步，当最大时延量 和最小时延量 之差增大到足够大时，各热力站之间的瞬时供热量就失去了可比性。因此依据瞬时热量平衡理念分析和管理各热力站（热用户）的热力平衡就难于操作，只能依靠温度平衡或流量平衡等单参数管理的办法间接管理热网，因而最终形成了大网热力平衡管理的难题。

2.2依据周期供热量调节热网平衡的原理

根据热源供热量，以及热用户用热量也具有与热源相同周期函数的基本供热规律式（1）、式（4）。因此在任何一个供热周期里，可以直接用以下累积量等式表达热源供热量与各热力站用热量的热平衡关系。

（5）

式中： ——第i个热源供热量

       ——第j 个热力站用热量

       ——任意计算时间终点

       ——周期  T＝24小时

       ——热源个数

       ——热力站个数

式（5）表明，对于合理设计和使用的供热系统，在任何一个供热周期的T时间段里，各热力站的累积用热量之和与多个热源累积供热量之和相等。该式还表明，这个等式成立仅与从任何一个时刻向前追朔一个周期的累计热量有关,而与各热力站的延时特性及时延时间无关。

进一步可以给出各热力站热力平衡条件为

（6）

式中： ——第j个热力站的供热面积。

连等式（6）是用热力站一天中的单位面积供热量建立的热网热力平衡条件，这个热力平衡条件与热力站设备的选择以及热网运行的具体参数无关。

式（5）、式（6）是在式（1）、式（2）、式（3）、式（4）的分析基础上形成的用“周期供热量”调节热网平衡的基本理论方法，对于已经建立了完备的计算机监控系统的热网管理是可以随时应用的。而对于还没有装备计算机系统的热网可使用热力站的日报表参考使用。因此，依据这个热力平衡原理，可以对热网的热力平衡情况进行分析和，并且具有方便的可操作性。

3、 用“周期供热量”调节热网平衡理论方法构建计算机监控系统的应用

针对我国现行按面积收费的供热管理现状，供热系统调节均应以满足采暖建筑物基本采暖要求为前提，以尽可能减少总供热量为经营目标。为此，当热网热力平衡问题得到了解决之后，对热力站流量调节的过程就变成了定期检查和监控的过程（不需要经常调节）。因此，热网管理就变成了热力站重点解决辖区内个别不热户的局部问题，和热源跟随环境气象条件有序总供热量的大局科学化经济运行管理。

根据建设部CJJ/T88-2000《城镇供热系统安全运行技术规程》对于建设热网计算机监控系统的5项功能要求，［5项功能为：①检测系统参数②调配运行流量③指导运行调节④诊断系统故障⑤健全运行档案］总结我们在7年中建设近20座热网监控系统的经验，基本建成了由图二职能方框图所示的热网计算机监控系统。

图二、计算机监控系统职能方框图

在热网计算机监控系统的全部硬件和软件建设中，我们全面启用“周期供热量”调节热网平衡的理论方法，并且可以概括的表述为：以可靠的热量计量为基础，全面测控各热力站一次网热量和全部二次网环路的热量；监控中心依据“周期供热量”的平衡情况各热力站一次网的平衡并且兼顾调节二次网各环路的平衡，把不热户划定在尽可能小的区域里，实现供热大局的热力平衡和供热效果稳定；并在此基础上，依据环境温度及部分热用户的实际供热效果对热源供热量进行预报规划和运行中的实时调节，达到经济运行的目标。

2004年，在我们承担的辽宁灯塔热网计算机监控系统建设项目中，上述监控系统构成及其管理方法得到了较为充分的展开，并且取得了较满意的运行效果，简述如下：该热网计划建设规模250万平方米供热面积。2004年一期工程为100万平方米，设有7各热力站（不包括首站），其中供热面积最大的热力站是少年宫站（19.8万平米），最小供热面积热力站是八栋楼站（9.1万平米）。全部7个热力站都采用了统一形式的计算机监控系统现场工作站，执行一次网和二次网的流量、温度、压力以及二次网循环泵、电机电流、水箱水位等参数的采集，控制对象为一次网的流量和变频调速定压补水。监控中心计算机系统建在热力公司总经理办公室，监控中心与各热力站的通讯系统采用了灯塔铁通公司电话虚拟网，热网分析和功能在监控中心计算机上通过手动和自控实现（也可以在各热力站现场工作站上实现该站的现场）。因位于热电厂的首站还未装备监控功能，因此，本监控系统根据实测环境温度给出了预报和规划的小时供汽量（热量）和实时运行建议供汽量，提供首站调节参考使用。表一给出了12月2日全部7个热力站运行的热量分布情况，并且与当时环境温度为-3.4℃的理论供热量进行了比较。

表一、2004年12月2日9时热网热量分布情况       室外温度-3.4℃

站  名 康福碧城站 少年宫站 环卫处站 市站 铁厂站 八栋楼站 站

实测周期供热量w/m2 36.07 38.79 39.03 39.05 36. 36.14 38.51

计划单位面积供热量 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

供热面积（万m2） 17.00 19.80 11.50 16.00 12.00 9.10 10.46

图三是对应表一的热量分布直方图：

图三、12月2日9时热量分布直方图

本热网监控系统在已经具备的各热力站一次网热量计量功能基础上，成功的指导了热网的运行，稳定了全网供热平衡的大局。但是由于工期紧张（2004年10月1日动工，11月1日开始供暖），在热力站内二次网各环路的计量配备没能进一步细化。因此，在指导各热力站所辖各环路的平衡工作中还没能给予有力的支持，另外，由于热源首站没能纳入系统，因此对于全网实行全面自控的工作拟定在2005年完成。

本文介绍了基于线性系统理论建立的调节热网平衡方法，对使用“周期供热量”调节热网平衡的基本原理进行了阐述，并且对这种方法的应用情况作了梗概的介绍，仅供广大热力界同志参考。我们认为在计算机监控系统技术已经全面得到应用的现代化供热管理上，进一步发掘这种方法的优点，会给我们城市供热带来新的突破。

参考文献：

①《城镇供热系统安全运行技术规程》CJJ/T88-2000  J25-2000

② 绪方胜彦.《现代控制工程》.1978

③ 贺平.《供热工程》（第一版）