□□ 薛文军，于 蕾，宋俊鹏，杜晨龙 (太原市热力集团有限责任公司，山西 太原 030001)

在我国北方城市集中供热系统大都采用单热源枝状管网形式，随着经济的发展和社会的进步，其安全性和可靠性面临着越来越多的挑战。随着城市中心区域的不断扩大，供热负荷在不断提升，供需矛盾逐渐显现，因而多热源联网运行系统应运而生。多热源联网供热的概念最先是由欧美国家提出的，其目的是合理利用现有管网，在此基础上充分挖掘潜在供热能力。现如今多热源联网运行的核心理念是在满足热用户用热需求的前提下，对各个热源供热量进行合理调配[1-2]。

国内针对多热源联网运行的研究相对较晚。1990年前后，贺平教授[3-5]根据某地区热电厂与区城锅炉房联网运行供热系统的工程实例，根据不同典型工况进行了水力计算，对多热源联合供热进行了系统的研究，涵盖供热方案及其设计特点、设计原则与方法、供热工况、调节曲线等方面，为多热源联网运行系统设计及应用奠定了理论基础。石兆玉[6]通过遗传算法和图论制定了多热源联网运行调节机制和系统运行工况调节方法，并就运行中出现的问题编制了手册。清华大学对多热源管网的优化设计、水力优化、稳定性以及多热源联网运行的控制调节进行了研究[7-11]。秦绪忠等[12]建立了多热源环状管网运行的数学模型，通过相关工程实例分析了多热源环状管网的优化调度措施，为环状管网调试及运行调度提供指导和可行性方法。张殿光[13]采用网络图论法改进计算精度解决了多热源联网运行水力平衡计算问题，并探讨了多热源热负荷分配、热源启动时间、运行天数、水力交汇点等问题，以得到最优运行方案。

多热源联网运行系统按照管网的布置形式分为环状管网和枝状管网。根据多热源联网运行系统的特点，研究对象可分为水力工况的分析和运行调节及优化调度。

2.1 水力工况的分析

2005年，孙春燕[14]首先对多热源环状管网的概念、系统组成、热源选择、管网布置、系统定压方式、运行工况、设计步骤等进行了全面介绍；
其次建立了多热源环状管网实验平台，通过实验模型对管网的可行性及设计工况下的水力工况进行了研究，运用MATLAB/SIMULINK构建了仿真模型，将模拟数据与试验数据进行比较，验证模型的准确性，从而应用于大型多热源环状管网水力工况的详细分析，指导多热源环状管网的运行；
最后根据某市集中供热系统现状出发，运用MATLAB/SIMULINK构建了该市多热源联网运行系统模型，模拟了设计工况下的水力工况，并绘制了相应的水压图，进一步说明多热源环状管网的可行性。

2009年，刘卓妹[15]基于多热源联网运行阶段热负荷随着室外气温变化，使得各热源的运行匹配及管网的水力工况变得复杂的情况，对某热电厂与区域锅炉房双热源并网运行水力特性进行了现场测试和水力分析计算，获得各支路水压图和管网水力运行工况特性，发现末端压力差不能满足供热需求，通过在实验室建立供热系统的水力工况运行调节试验平台来模拟管网运行工况，得到改善末端热力站资用压差偏低的方法。另外，通过试验发现增大末端用户压差的问题变相地转化为如何减小管网比摩阻的问题；
用更换管网管径的方法来增大末端用户压力降时，应考虑水温的影响，如果供暖系统平均水温较高，那么可减小管径的相对放大值，反之则选择较大的管径，具体见表1。

表1 末端资用压差调整方式对比

2016年，张博[16]基于太原市集中供热系统现状，利用HACNet软件对多热源联网运行系统水力工况进行分析，对比联网运行前后连接点阀门两侧压力变化情况，得出有必要通过干管阀门主动调节方法来进行水力工况调节，并以此指导多热源联网运行水力工况的建立过程；
另外针对联网运行中水力平衡点及各热力站资用压头不足的情况提出了计算方法和解决方案。

2016年，Guelpa E等[17]针对多热源联网输配系统的优化需要使用详细的模拟工具及大量的计算资源，针对大规模的多热源环状供热管网建立了稳态水力模型，并采用遗传算法对系统进行水力优化研究，提出了一种基于适当正交分解结合径向基函数的简化模型(POD-RBF模型)。该方法在保持极高准确度的情况下，使得计算时间减少了80%以上。将POD-RBF模型应用于某大型多热源集中供热系统，发现输配能耗减少约20%，能够有效管理故障，并最终形成水力优化调度策略，为系统优化运行提供理论指导。

2017年，ZHOU S J等[18]基于仿真建模理论、方法以及相应的可执行文件，采用MATLAB GUI软件开发了一种新型多热源多环供热管网水力仿真平台，模拟平台可以模拟3种典型的运行和调整情况网络拓扑，包括单热源双环、双热源双环变工况、三热源三环。每种管网都包含初始流量分配、水力调节和水力模拟界面。该仿真平台不仅可以对3种供热方式的设计工况和变量工况进行模拟研究，还可以将模拟数据与SQL数据库中相应的试验数据进行对比分析，结合在线监测系统，模拟平台可通过网络实时读取运行数据，实现仿真与运行数据的实时对比分析。该模拟平台系统性地提高多热源环状热网水力工况的研究效率。水力调节模拟界面如图1所示。

2019年，高鑫磊[19]基于多热源联网系统采用量调节的方式研究了环路调节在水力优化方面的应用。首先，通过建立函数关系对管网水力优化问题进行了研究；
其次，总结了管网水力计算方法(流量法和水压法)的特点；
再次，建立多热源环状管网水力模型，采用不同计算方法进行求解和数据分析，从而确定最优的求解方法即基本回路分析法；
最后，对管网水力计算进行优化，同时运用粒子群优化算法(PSO)和遗传算法(GA)对各个参数进行寻优，通过对两种环路调节方式下的管网水力优化结果进行对比分析，结果表明，环路调节后够显著提高多热源环状供热管网节能效果。

2017年，WANG Y R等[20]基于运行优化是集中供热系统(DH)节能的关键，集中供热管网的水力工况差将大大增加能源消耗。然而对于大部分多热源联网系统通常无法实现最佳水力工况的情况提出了优化方法，采用既约广度梯度法(GRG)通过计算非线性水力优化问题的既约梯度，沿负梯度方向对泵频率和换热站阀门开度等参数进行调节，使系统输送功率降低。将基于GRG算法的最优控制策略(OC)的水力性能与传统的恒压差控制(CPDC)和恒速控制策略(CSC)进行比较。结果表明，在相同供热需求下，OC策略下的供回水管压力差小于传统的CPDC和CSC策略。这意味着OC可以有效降低集中供热管网的压力损失；
在不同供热需求下，水力工况的优化调节导致水力交汇点的移动，多热源联网运行的水力交汇点是可变的，即热源改变其供热区域以优化输送功率；
与CPDC和CSC策略相比，运用OC策略时输送功率可分别降低20%和65%；
随着供热负荷的增加，控制阀开度和泵频率的裕度变小。因此，OC策略的能量减少率随着负荷的增加而降低；
尽管OC策略的泵输送效率与CPDC、CSC策略相比不是最高的，但OC策略的泵总输送功率最小。这说明着在忽略整个管网的水力约束的同时提高泵的效率可能不会导致最佳的水力性能；
CSC策略不适用于多热源集中供热管网的数量调节。因为CSC策略在某些特定条件下可能会导致泵电机效率低和过载。

2.2 运行调节及优化调度

2000年，王耕田等[21]针对我国多热源联网集中供热的情况，开发出了热力站自控系统、热源自控(调度)系统、热网自动化SCADA系统、综合管理系统，通过对比分析该系统能够保证供热质量且节约能源、具有稳定性强、灵敏度高等优点，为多热源联网运行的控制调节提供参考。

2001年，秦绪忠等[22]对某市集中供热多热源环状管网的运行调节进行了研究，发现对于多热源环状管网而言，在干管适当位置安装调节阀，通过调整阀门不仅不会降低管网的输送能力，反而可以提高输送能力，改善系统的水力工况，使得各个热源相互匹配，以达到最优运行工况。当然并不是所有的多热源环状管网都需要在干管上设置调节阀，是否需要以及安装位置的确定需要在具体工程优化调度分析的基础上做出决策。另外，针对不同系统提出了优化调度的分析和运行调节方法。

2011年，赵岩[23]研究了多热源联网运行调节，建立了多热源联网运行自动控制系统，该系统包括供热参数集中监测模块、联网运行工况的阻力特性模块、联网运行泵、调节阀门控制模块、热力站自动控制模块、监控中心远程控制块等。该系统可进行多热源联合供热系统在线仿真及优化模型的研究，包括制定多热源联网运行的热源投入方案、热源的锅炉及水泵运行方案、联网运行热网水力、热力工况优化模型。以各热力站二次网供、回水平均温度一致为调节目标，对各热站供水阀进行调节，保证各热力站均匀供热，各热力站尽量避免各自独立调节，而由调度中心统一指令，进而实现系统总热量的合理分配，达到供热管网的水力平衡。通过表2的运行调节方式可充分利用建筑的热惯性，获取较长的调控周期，稳定水力工况。

表2 运行调节方式对比

2010年，马琳[24]对多热源环状管网运行调节及定压设置进行了研究，建立环状管网物理模型并用数学方法进行表述，通过理论推导得出多热源环状管网只能采用单点定压的方式进行定压的结论；
建立了两种多热源环状管网的供热模型并制定了相应的运行调节方案，运用MATLAB软件对两种供热模型进行了运行调节多工况下的供水管网和整体耦合管网的计算分析，计算结果表明，两个供热模型的水力汇交点相同、与水力汇交点相关联的用户和供、回水干管阻抗的增加对水力汇交点位置影响较小，且多热源环状管网热源的流量和循环水泵的转速不再成正比等结论。

2015年，Lahdelma等[25]使用遗传算法对多热源联网供热系统的运行调节进行了研究，综合考虑了供热管网输送能耗与供热能耗，该优化基于一个准确且高效的集中供热系统计算模型，该模型根据给定的供热温度、热电厂的循环流量以及智能计量信息计算出热源运行工况，包括流速、温度及热损。供热公司可以根据优化模型来确定不同热电厂的供热量，以最小的成本满足供热需求。优化结果表明，与常规运行工况相比可降低0.6%的输送成本，与最不利工况相比可降低10.6%的输送成本，降低的原因主要是降低了循环泵功率，在密集管网中输送成本在总成本中占主导地位，因而采用高温低流量运行。在稀疏网络中，热损失成本占主导地位，因而采用低温高流量运行，哪种成本在总成本中占主导地位取决于线性热密度。优化确定了不同热电厂的最佳供应温度和电厂之间的最佳负荷分配，该研究能够同时优化位于集中供热系统不同位置的多个热源的运行工况。

2017年，Vesterlund M等[26]针对不同位置热源单位缺乏对多热源网状管网运行的了解，不同地点的供热负荷一般来源于员工经验和一些基本规律的情况，进一步开发了一种集中供热的建模和模拟工具用于研究使热源供热成本以及向输送到末端用户的总运营成本最小化的条件，并将热用户区域的温度、压力以及热源处的供热负荷控制在合理范围。优化结果表明，选用最便宜的热源优于分布式热源，即使某些管道可能超过推荐的热负荷能力。另外，通过限制末端用户的供水温度可以使主热源的供水温度显著降低，因为管网中较低的热损失带来的成本降低不能抵消通过泵来调节流速增加的电耗。

2020年，李昊[27]通过建立基于图论网络的多热源联网集中供热系统模型和热源机理模型。在此基础上，综合考虑供热系统经济性、碳排放和调度成本等因素建立了负荷分配方案目标函数，辅以约束条件，通过智能算法计算出多目标优化的负荷调度方案。在运行中，调度系统要求精准调控、快速响应，基于此提出了新的热源分配方案决策方法。该决策方法一方面考虑经济性和低碳；
另一方面考虑调度系统快速响应，从而整体优化供热系统负荷调度决策流程，将该方法应用于基于某城市供热系统某时段调度所建立的模型中，通过模拟数据与运行数据对比，表明该系统可有效提高综合经济性。

2020年，张雪松[28]对某地区多热源联网运行调节方案进行了研究。根据联网运行调节方案，各片区通过质调节、量调节及制定相应的根据室外气温进行调节等方式进行各个供热范围的调节，根据室外气温变化调整热网的流量及供、回水温度等参数，从而实现对一、二次网的质-量调节方式，从而有效改善供热效果，提高能源利用率。具体调节方式见表3。

表3 一、二次管网运行调节方式表

多热源联网运行系统将会是未来集中供热系统的发展趋势之一。未来针对多热源联网运行供热系统的研究应集中于以下两方面：

(1)针对水力工况的分析主要基于水力计算模型即流体动力学模型的建立，一种途径是选用不同的水力计算方法，通过优化水力计算方法以提高其准确性；
另一种途径是利用函数对水力计算模型进行简化，以获得物理系统的主要特征，且缩短计算时间，通过与运行工况进行对比，以验证模型的准确性，从而应用于水力工况分析。

(2)针对运行调节及优化调度的分析主要基于供热系统模型的建立，一种途径是通过优化供热系统模型，以确定不同热源的最佳供应温度和最佳负荷分配，提高综合经济性；
另一种途径是建立相适应的运行调节策略改善供热效果，提高能源利用率。

综上所述，多热源联网运行系统具有很强的综合性，需要进行大量数据的收集及计算过程，考虑到多热源联网运行系统时水力工况分析的复杂性和运行调节的特殊性，有些内在的关联性和特性还不清楚，因而有必要对多热源联网运行进行持续研究。

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