田亞男 榮嘉宇 李雙燕 王 倩 鮮沐希 萬 山

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

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多熱源環(huán)狀管網(wǎng)運行技術發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢★

田亞男 榮嘉宇 李雙燕 王 倩 鮮沐希 萬 山

(河北建筑工程學院，河北 張家口 075000)

從規(guī)劃設計、運行調(diào)節(jié)和模擬評價三個角度，綜述了多熱源環(huán)狀管網(wǎng)的發(fā)展水平與研究現(xiàn)狀，并對其發(fā)展前景做了展望，指出多熱源環(huán)狀管網(wǎng)正逐步取代簡單的單熱源枝狀管網(wǎng)。

多熱源，環(huán)狀管網(wǎng)，規(guī)劃設計，運行調(diào)節(jié)，模擬評價

0 引言

集中供熱事業(yè)雖然在我國起步較晚，但經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展已經(jīng)具備了相當?shù)囊?guī)模。目前，隨著節(jié)能減排大趨勢不斷推進，集中供熱面積逐年遞增，熱源種類趨于多樣化，熱網(wǎng)規(guī)模也越來越大，因此一個城市由多個供熱系統(tǒng)分區(qū)域供熱的現(xiàn)象越來越普遍，然而城鎮(zhèn)的擴建和發(fā)展使得區(qū)域供熱的供需時常會出現(xiàn)失衡的現(xiàn)象。多熱源聯(lián)合供熱可以實現(xiàn)取多補少的有利聯(lián)合，所以多熱源聯(lián)合供熱正在逐步取代簡單的單熱源供熱，因此供熱界人士正在不斷努力改進和完善多熱源聯(lián)合運行的技術方案。本文將對多熱源環(huán)狀管網(wǎng)運行技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，以期探索其發(fā)展趨勢及前景。

1 規(guī)劃設計

對于新建的多熱源環(huán)狀供熱管網(wǎng)，設計方案直接決定后期的運行效果，而管網(wǎng)的設計過程主要是進行水力計算，即各個管段管徑的合理取值和循環(huán)水泵的選型問題。其中，對于環(huán)狀管網(wǎng)的環(huán)狀管段部分，需要進行初始流量分配。

徐寶萍等人[1]通過建立模型提出基于計算機軟件的水力計算方法，其基本思想是數(shù)學模型的重復求解、物理模型的修改和參數(shù)的逐步合理化。并將該方法應用到某市的熱網(wǎng)規(guī)劃中，得出雖然調(diào)峰熱源與基本熱源供熱容量之比為1∶2，但是調(diào)峰熱源的供熱量不足基本熱源供熱量1/10的結論，而這種狀態(tài)也是比較理想的多熱源聯(lián)合運行的狀態(tài)。

李祥立等人[2]在初始流量分配問題上引入了最小平方和法和管徑調(diào)整法，其基本思路是按各管段的流量平方和最小來進行流量分配，并對匯流點附近的小流量管段進行適當?shù)墓軓秸{(diào)整，該方法的特點是不需指定初始流量方向，流量分配較均勻。對于環(huán)狀管網(wǎng)需在此基礎上進行平差法修正，包括Hardy Cross法和線性逼近平差法。

韓曉紅等人[3]明確了多熱源環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的主要任務和具體步驟，以某一管網(wǎng)為例進行了設計工況和事故工況的水力計算，并提出了提高供熱可靠性的幾點措施，例如加分段閥門、放大管徑、加旁通管和跨越管等。

周游等人[4]以基爾霍夫定律為基礎，應用圖論理論建立了多熱源環(huán)狀管網(wǎng)水力計算的數(shù)學模型，并與Hardy Cross法和基本回路法做了比較。

楊靜等人[5]提出管長比例法來確定初始流量分配，并將其應用到德州市枝狀管網(wǎng)改環(huán)狀管網(wǎng)的實例中，進行水力計算和事故工況分析。得出干管上有必要設調(diào)節(jié)閥、調(diào)峰熱源位置需布置合理和水力交匯點附近管徑應適當放大的結論。

王超[6]以熱負荷延續(xù)時間圖為基礎，引入最佳熱化系數(shù)來確定基本熱源和調(diào)峰熱源各自應承擔的熱負荷比例。

多熱源環(huán)狀管網(wǎng)規(guī)劃設計階段的另一重大問題就是熱源的位置優(yōu)化，劉孟軍等人[7]以哈爾濱市經(jīng)開區(qū)的熱網(wǎng)為例，分析了多熱源環(huán)狀管網(wǎng)熱源位置對初投資和運行費用的影響，得出在允許的條件下，盡可能使各個熱源分布均勻，使熱源靠近熱負荷集中區(qū)的結論。

多熱源環(huán)狀管網(wǎng)運行方式有并網(wǎng)運行、解列運行和分別運行三種，鄭雪晶等人[8]在此基礎上提出一種二級網(wǎng)調(diào)峰方案，如圖1所示。并以某一管網(wǎng)為例，分析了一級管網(wǎng)熱源熱容量占總熱負荷的最佳設計比例，給出了二級調(diào)峰熱源的設計開啟溫度和運行時間的確定方法。

對于多熱源聯(lián)合供熱管網(wǎng)的設計問題，賀平等人[9,10]通過工程實踐總結出一些意見，例如：對于熱負荷不大的熱電廠供熱系統(tǒng)，宜優(yōu)先考慮區(qū)域鍋爐房置于熱網(wǎng)的前端；外置區(qū)域鍋爐房的個數(shù)不宜過多，熱容量不宜過?。粚τ谥苯舆B接系統(tǒng)，宜采用基本熱源和調(diào)峰熱源截斷運行的方式；對于間接連接系統(tǒng)，宜采用并聯(lián)運行方式。

2 運行調(diào)節(jié)

好的設計方案需要配合好的運行調(diào)節(jié)方案，這樣才能達到預期的供熱效果。

秦緒忠等人[11]提出可以在環(huán)上或者干管上設置調(diào)節(jié)閥門，通過調(diào)整閥門的開度達到調(diào)節(jié)運行工況的目的，并分別對單熱源枝狀網(wǎng)、多熱源枝狀網(wǎng)、單熱源環(huán)形網(wǎng)和多熱源環(huán)形網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度進行分析。結果表明：干管上設計閥門的目的在于減小各個熱源之間的不利相互牽制作用，環(huán)上設置閥門是為了使環(huán)上的流量分布趨于合理。

石兆玉[12]闡述了運行調(diào)節(jié)的基本原則是保證“三平衡”——熱量平衡、流量平衡和壓力平衡，并探討了多熱源互聯(lián)供熱管網(wǎng)多點補水多點定壓的特征，闡述了多點旁通同值定壓的方法，這種調(diào)節(jié)方式是在系統(tǒng)試運行期間完成的。

秦冰等人[13]以某大型的帶有分布式變頻泵的管網(wǎng)系統(tǒng)為例，探討了在多熱源互聯(lián)供熱的條件下，不同的熱網(wǎng)和熱源運行方式對管網(wǎng)系統(tǒng)的影響，得到根據(jù)一次能源消耗最小的原則調(diào)節(jié)熱源運行的方式。

鄭雪晶等人通過對二級網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)建立熱平衡方程推導出運行調(diào)節(jié)水溫的求解方法，并對比各個運行方案的優(yōu)缺點得出最優(yōu)方案：一級網(wǎng)在調(diào)峰運行時采用量調(diào)節(jié)方式，非調(diào)峰運行時采用質(zhì)調(diào)節(jié)方式，二級網(wǎng)采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式[14]。

王魁吉等人[15]探討了多熱源啟運的規(guī)律及其管理模式，應由一個總的生產(chǎn)部門統(tǒng)一調(diào)度，熱源廠無權自行決定。并闡述多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)由集中調(diào)節(jié)和局部調(diào)節(jié)組成，最好采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)方式。

3 模擬評價

多熱源環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)運行過程復雜多變，其水力工況分析有一定的難度，因此對其進行實際模擬顯得尤為重要。它可以加深我們對管網(wǎng)運行狀況的認識，對指導前期設計和后期調(diào)節(jié)都有很大的作用。

王曉霞等人[16]應用圖論理論描述空間管網(wǎng)的拓撲結構，提出了基于平差的空間管網(wǎng)水力工況模擬方法，解決了多熱源環(huán)狀管網(wǎng)的流量模擬問題，同時可以校核已知熱源流量和熱用戶的管網(wǎng)壓力，用于故障工況水力非對稱管網(wǎng)的模擬。

劉宏麗等人[17]利用Matlab對多熱源環(huán)狀管網(wǎng)的水力工況進行了模擬仿真，并與實驗模型得到的數(shù)據(jù)進行對比，得出仿真結果符合實際規(guī)律的結論，確定了仿真結果的可信性。

王曉霞等人[18]在熱網(wǎng)故障工況水力分析中結合元件故障概率，考慮系統(tǒng)的可修復性，對熱網(wǎng)的可靠性進行評估。并給出了一系列熱網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標和熱用戶供熱可靠性指標，包括系統(tǒng)故障率、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)可用度、系統(tǒng)年故障時間、系統(tǒng)年供熱不足量、系統(tǒng)供熱率、年供熱不足頻率、可靠度、可用度、年供熱不足時間、供熱不足持續(xù)時間、供熱不足率和供熱率。

鄭雪晶等人[19]針對二級網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)提出了可靠性指標的計算方法，分析了調(diào)峰熱源對可靠性指標的影響。結果表明，選擇合適的基礎負荷系數(shù)，當熱網(wǎng)元件出現(xiàn)故障時，調(diào)峰熱源可以實現(xiàn)限額供熱，起到備用熱源的作用。

由世俊等人[20]以某一工程為例，對現(xiàn)有供熱方案和二級調(diào)峰方案進行對比，分析了兩種方案在初投資、運行費用和能耗方面的差異，結果表明二級調(diào)峰的多熱源聯(lián)合供熱方案更優(yōu)。

多熱源聯(lián)網(wǎng)運行主要有聯(lián)絡管式供熱管網(wǎng)、串聯(lián)熱源供熱管網(wǎng)和多熱源環(huán)狀管網(wǎng)三種形式，劉繼文[21]通過對這三種形式進行比較，得出環(huán)狀管網(wǎng)更優(yōu)的結論，并對其優(yōu)越性進行了闡述。

Gebremedhin A等人通過建立基于外部代價的優(yōu)化模型，得出多種供熱方式互相配合可使供熱管網(wǎng)系統(tǒng)更具優(yōu)勢，從而減少了系統(tǒng)的外部代價的結論[22]。

Dai-Ji,H[23]從技術和經(jīng)濟的角度分析了各種能源形式的熱源聯(lián)合使用的可能性和優(yōu)勢，例如太陽能和地熱能，太陽能和燃料能等。

4 前景與展望

隨著集中供熱事業(yè)的不斷發(fā)展，多熱源環(huán)狀管網(wǎng)逐漸取代簡單的單熱源枝狀管網(wǎng)形式，其優(yōu)越性也越來越顯著，因此有關多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的相關研究也越來越多。本文從規(guī)劃設計、運行調(diào)節(jié)和模擬評價三個角度對其進行了綜述。筆者認為當下相關研究方向已較為全面，但仍有未涉及的方面，例如對于改擴建工程的改擴建方法研究、聯(lián)絡管的位置研究、運行調(diào)節(jié)時的自動控制方案研究等。因此對于多熱源環(huán)狀管網(wǎng)運行的研究仍需不斷的充實與發(fā)展。

[1] 徐寶萍,付 林,狄洪發(fā).大型多熱源環(huán)狀熱水網(wǎng)水力計算方法[J].區(qū)域供熱,2005(6):25-32.

[2] 李祥立,孫宗宇,鄒平華.多熱源環(huán)狀熱水管網(wǎng)的水力計算與分析[J].暖通空調(diào),2004,34(7):97-101.

[3] 韓曉紅,鄒平華,陳光明.多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)的水力計算與事故工況分析[J].煤氣與熱力,2004,24(6):307-311.

[4] 周 游,李 嘉.多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)水力計算研究[J].煤氣與熱力,2011,31(7):19-22.

[5] 楊 靜,王海鷹,朱 彤.基于德州市供熱管網(wǎng)的水力計算及事故工況分析[J].區(qū)域供熱,2008(5):21-26.

[6] 王 超.多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)熱源負荷分配及其優(yōu)化調(diào)度研究[D].北京：北京建筑工程學院碩士論文,2010.

[7] 劉孟軍,鄒平華.多熱源環(huán)狀管網(wǎng)熱源位置的優(yōu)化分析[J].區(qū)域供熱,2003(5):7-11.

[8] 鄭雪晶,由世俊,張 歡,等.二級網(wǎng)燃氣調(diào)峰集中供熱系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2007,40(8):948-951.

[9] 賀 平,陶永純,許明哲.多熱源聯(lián)合供熱工況分析[J].煤氣與熱力,1990(4):34-40.

[10] 賀 平,陶永純.多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)管網(wǎng)設計原則與方法剖析[J].煤氣與熱力,1990(5):43-49.

[11] 秦緒忠,江 億.多熱源并網(wǎng)供熱的水力優(yōu)化調(diào)度研究[J].暖通空調(diào),2001,31(1):11-16.

[12] 石兆玉.供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的再認識[A].全國供熱技術研討會[C].2005.

[13] 秦 冰,秦緒忠,陳 泓.淺析分布式變頻泵系統(tǒng)的多熱源聯(lián)合供熱[J].區(qū)域供熱,2008(1):19-24.

[14] 由世俊,姜 南.二級網(wǎng)調(diào)峰集中供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方案[J].

天津大學學報(自然科學與工程技術版),2007,40(12):1511-1516.

[15] 王魁吉,孫玉慶.多熱源環(huán)網(wǎng)供熱技術[J].暖通空調(diào),2002,32(6):83-86.

[16] 王曉霞,周志剛,鄒平華.多熱源多環(huán)空間熱網(wǎng)水力工況模擬與分析方法[J].暖通空調(diào),2004,34(11):131-134.

[17] 劉宏麗,孫春艷.多熱源環(huán)狀管網(wǎng)的MATLAB仿真優(yōu)化分析[J].太原大學學報,2009,10(2):128-132.

[18] 王曉霞,鄒平華.多熱源環(huán)狀熱網(wǎng)可靠性評估方法研究[J].暖通空調(diào),2006,36(10):14-18.

[19] 鄭雪晶,由世俊,姜 南.二級網(wǎng)調(diào)峰供熱管網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2008,41(2):163-167.

[20] 由世俊,朱晏琳,鄭雪晶,等.供熱二級網(wǎng)側設置燃氣調(diào)峰鍋爐的探討及節(jié)能分析[J].暖通空調(diào),2007,37(1):48-51.

[21] 劉繼文.淺談多熱源環(huán)狀管網(wǎng)的優(yōu)越性[J].山西建筑,2008,34(19):180-181.

[22] Pinto M C,Cohen A,Dahmen W.Optimisation of merged district-heating systems-benefits of co-operation in the light of externality costs[J].Applied Energy,2002,73(3-4):223-235.

[23] Dai-Ji,H.Multi-heat source thermodynamic cycles and demonstrations of their power plants[J].Proc.Intersoc.Energy Convers.Eng.Conf.(United States),1984(3)：22-23.

The literature review on the technology of multi-heat source ring-shaped heat-supply networks★

Tian Yanan Rong Jiayu Li Shuangyan Wang Qian Xian Muxi Wan Shan

(HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering,Zhangjiakou075000,China)

This paper summarizes the development level and current research situation of multi-heat source ring-supply networks from the three angles of planning and designing, operation and adjustment, simulation and evaluation, and looks forward to its development prospects, point out multi-heat source ring-supply networks are gradually replacing the single-heat source or branch networks.

multi-heat source, ring-supply networks, planning and designing, operation and adjustment, simulation and evaluation

1009-6825(2017)22-0142-03

2017-05-26★:河北建筑工程學院研究生創(chuàng)新基金項目(項目編號:XA201615)

田亞男(1992- )，女，在讀碩士

TU995.3

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