本发明属于长输供热管网规划设计，具体涉及一种考虑变流量安全运行的长输供热管网设施规划设计方法。
背景技术：
1、随着城市化进程加快和城市规模扩大，集中供热称为解决居民冬季取暖和企业生产用热的重要途径，而长输供热管网可以跨越较远距离，打破地域限制，为更多的热用户提供供热服务。长输供热管网主要是将远离城市的大型热源，例如火力发电厂、工业余热等产生的热量高效输送至城市中心或周边地区，实现能源的梯级利用，减少单独燃烧化石燃料造成的大气污染和碳排放。
2、长输供热管网通常采用变流量安全运行策略，即为在满足用户热负荷变化需求的情况下，通过对长输供热管网中的热水流量进行调节，同时还能避免出现超压、汽化、水击、泄漏等安全风险问题，确保在各种运行工况下都能安全稳定地运行。长输供热管网的结构通常包括热网首站、中继泵站和隔压站，以及各个站配置的调控部件，例如循环水泵、调节阀、加热器等，优选出的设施规划设计方案对于后续各个站和调控部件的变流量安全运行有着关键性影响，影响变流量调控的策略和长输供热管网的压力、温度和流量参数分布情况。然而，目前对于长输供热管网设施的规划设计研究较少，多为长输供热管网布局优化和管径优化，没有考虑到后续长输供热管网调控部件的规划设计，也没有与变流量安全运行结合起来。
3、基于上述技术问题，需要设计一种新的考虑变流量安全运行的长输供热管网设施规划设计方法。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种考虑变流量安全运行的长输供热管网设施规划设计方法。
2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
3、本发明提供了一种考虑变流量安全运行的长输供热管网设施规划设计方法，它包括：
4、s1、考虑长输供热管网区域内热源位置、用户分布、地形地貌和地质条件信息，进行长输供热管网各站点和管道初步规划，以最小化投资成本为目标，设置供热能力约束、供回水压力约束、供回水温度约束和热网循环水量约束，建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型，迭代优化确定长输供热管网各站点和管道规划方案，包括热网首站、中继泵站、隔压站的位置和台数，以及供热管道的走向和管径；
5、s2、在长输供热管网各站点和管道规划方案的基础上，考虑各站点的运行特性，初步设置各站点需配置的调控部件，进行长输供热管网调控部件的初步规划；所述调控部件至少包括水泵、调节阀、加热器和板式换热器；
6、s3、考虑供热管网安全运行需求，建立长输供热管网水力和热力模型，并设置长输供热管网变流量安全运行策略，通过仿真分析获得变流量安全运行策略下各站点和管网节点的供热参数设定值；
7、s4、建立长输供热管网调控部件规划设计模型，包括投资经济最优模型、能耗最优模型和管网波动最优模型；
8、s5、将长输供热管网的模拟运行数据和供热参数设定值输入至长输供热管网调控部件规划设计仿真模型中，迭代优化确定长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案，包括变流量安全运行策略下各调控部件台数和型号性能参数；
9、s6、依据长输供热管网各站点和管道规划方案，以及变流量安全运行策略下部件台数和型号性能参数，获得最终的长输供热管网设施规划设计方案。
10、进一步，所述s1中，考虑长输供热管网区域内热源位置、用户分布、地形地貌和地质条件信息，进行长输供热管网各站点和管道初步规划，具体包括：
11、获取长输供热管网区域内热源位置、用户分布、地形地貌和地质条件信息；
12、获取长输供热管网输送距离、沿途为管网设备供电的各电厂位置信息；
13、依据获取的长输供热管网信息，初步确定长输供热管道的主干线路走向；
14、分析长输供热管网二级网末端热用户分布特性和供暖期热负荷变化趋势，以及计算管道阻力损失结果；
15、进行各站点初步选址：依据获取的长输供热管网信息，将热网首站初步选址于热源附近，便于连接热源设备和主管网，提供满足压力和流量的热网水；依据获取的长输供热管网信息，并结合热用户分布、热负荷变化趋势以及管道阻力损失计算结果，对用于多级加压分配沿程压力的中继泵站进行初步选址；依据获取的长输供热管网信息，结合隔压站位于高程落差大或远距离输送后的区域，对用于降低供热介质压力的隔压站进行初步选址；
16、进行管网管径初步确定：依据热负荷变化趋势、供热介质流动特性和管网阻力损失理论计算每段管道的流量需求，初步确定满足流量需求的管径参数。
17、进一步，所述s1中，以最小化投资成本为目标，设置供热能力约束、供回水压力约束、供回水温度约束和热网循环水量约束，建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型，具体包括：
18、以最小化投资成本为目标函数，表示为：
19、min z＝c首站+c中继泵站(n中继泵站,p中继泵站)+c隔压站(n隔压站,p隔压站)+c管道(l,d)；
20、c首站为热网首站建设成本；c中继泵站(n中继泵站,p中继泵站)为中继泵站建设成本；n中继泵站为中继泵站数量；p中继泵站为单个中继泵站建设成本；c隔压站(n隔压站,p隔压站)为隔压站建设成本；n隔压站为隔压站数量；p隔压站为单个隔压站建设成本；c管道(l,d)为供热管道的总成本；l为管道总长度；d为管道直径；
21、设置约束条件，包括：
22、供热能力约束：长输供热管网设计能满足区域内热用户的热负荷需求；
23、供回水压力约束：长输供热管网各节点处供回水压力的上下限；
24、供回水温度约束：在满足用户舒适度下的供回水温度范围；
25、热网循环水量约束：在满足节能降耗要求和热网热交换效率的热网循环水量范围；
26、依据最小化投资成本目标函数和设置的约束条件，建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型。
27、进一步，所述s1中，迭代优化确定长输供热管网各站点和管道规划方案，具体包括：
28、通过求解算法寻找长输供热管网各站点和管道规划设计模型的全局最优解或近似最优解；
29、迭代优化：根据模型求解结果，不断调整站点位置、设备台数以及管道走向和管径参数，再次进行求解，直至满足预定的优化目标函数和约束条件，获得最终的长输供热管网各站点和管道规划方案，包括热网首站、中继泵站、隔压站的位置和台数，以及供热管道的走向和管径。
30、进一步，所述s2中，考虑各站点的运行特性，初步设置各站点需配置的调控部件，进行长输供热管网调控部件的初步规划，具体包括：
31、为适应热负荷变化时的流量调节需求，在热网首站循环水子系统中配置循环水泵，循环水泵入口与长输管网回水连接，循环水泵出口与首站加热器连接，长输供热管网回水经过过滤器过滤后，经循环水泵加压再经加热器加热后由长输供热供水管路进行输送；循环水泵入口和出口处配置调节阀，以及循环水泵旁路管道上配置止回阀，进行旁路泄压；
32、当热源提供的热媒温度不足时，在热网首站加热子系统中配置基本加热器和尖峰加热器；所述基本加热器将热网循环水从低温升为第一预设温度，所述尖峰加热器将热网循环水从第一预设温度提升为第二预设温度；在加热器连接的管道上配置有电动闸阀，用于在加热器故障时关闭电动闸阀，将加热器隔离；
33、为排除加热过程产生的冷凝水，在热网首站疏水子系统中配置疏水泵，疏水泵出口总管设循环管道，控制疏水泵的最小流量，疏水泵再循环回到疏水泵入口母管；
34、为补充热网循环水，在热网首站补水系统中的低压除氧器下方配置补水定压泵；
35、在中继泵站内配置供水加压泵和回水加压泵，在供水加压泵和回水加压泵的入口、出口处分别配置调节阀；以及在供水加压泵和回水加压泵旁路管道上配置止回阀，进行旁路泄压；
36、在隔压站内配置板式换热器，并在长输供热管网供水管路与板式换热器连接处配置电调阀，控制流量和换热量；以及在长输供热管网回水管路上配置循环水泵，循环水泵入口和出口处配置调节阀，并在循环水泵旁路管道上配置止回阀，进行旁路泄压；
37、依据热网首站、中继泵站和隔压站配置的调控部件，进行长输供热管网调控部件的初步规划，包括配置的调控部件类型、型号和台数。
38、进一步，所述s3，具体包括：
39、获取长输供热管网的数据信息，包括管网结构、长度、管径、各站点位置、边界条件及管网运行数据；
40、通过连续性方程和动量守恒方程描述管网中水的流动情况；建立网络图，每个节点代表连接管道的交汇点，根据质量守恒和能量守恒原理在节点上设置流量平衡方程，建立水力模型；
41、根据傅里叶传热定律，描述长输供热管网内热量传递过程，同时考虑管道的导热性能、水流的对流换热和热量损失，以及热负荷需求变化，建立热力模型；
42、对水力模型和热力模型求解获得各个节点的压力、流量和温度分布阈值；
43、建立长输供热管网安全运行策略：基于热负荷变化趋势设置供暖季不同时期的流量，形成各时段的变流量运行方案；先从热网首站低流量运行方案进行仿真模拟，启动部分调控部件，分析各节点的压力、流量和温度分布情况是否超出阈值，若超出则有事故风险，长输供热管网运行处于不安全运行状态；若未超出则由低流量运行逐级增加流量，并增加调控部件的运行参数，直至启动的部分调控部件无法满足运行条件，则逐级分步启用热网首站剩余的调控部件和中继泵站、隔压站的调控部件，持续分析各节点的压力分布情况是否超出阈值，各节点的压力、流量和温度分布情况是否超出阈值，若超出则有事故风险，长输供热管网运行处于不安全运行状态；
44、基于长输供热管网安全运行策略，分析各站点和管网节点的供热参数设定值，包括变流量安全运行策略下的热网首站、中继泵站和隔压站各节点入口、出口处的压力、流量和温度安全设定区间，以及变流量运行策略下对应的调控部件运行参数设定区间和启动台数设定区间。
45、进一步，所述建立长输供热管网安全运行策略的具体实现过程包括：
46、依据热网首站到中继泵站，中继泵站再到隔压站的逐步调控原则，以及由低流量到高流量的逐级安全升流量调控机制，先对热网首站采用低流量运行方案进行仿真模拟，按第一预设数量和第一预设参数运行热网首站内的循环水泵、疏水泵、补水定压泵、基本加热器、尖峰加热器和调节阀；
47、分析各节点的压力、流量和温度分布情况是否超出阈值，若超出则有事故风险，长输供热管网运行处于不安全运行状态；所述事故风险包括超压、汽化、水击、泄漏；
48、若未超出则低流量运行安全，则继续对热网首站逐级增加流量，先按第一预设数量和第二预设参数运行循环水泵、疏水泵、补水定压泵、基本加热器、尖峰加热器和调节阀，随着流量的逐级增加，预设参数也逐级增加，同时分析变流量过程中各节点的压力、流量和温度分布情况，直至无法满足运行条件；再按第二预设数量和第三预设参数启动热网首站调控部件和中继泵站调控部件，逐步增加预设数量和预设参数，启动热网首站、中继泵站和隔压站的调控部件，持续分析各节点的压力分布情况是否超出阈值，各节点的压力、流量和温度分布情况是否超出阈值，若超出则有事故风险，长输供热管网运行处于不安全运行状态。
49、进一步，所述s4中，所述投资经济最优模型表示为：
50、
51、ci为第i种调控部件的购置成本；oi为第i种调控部件的单位时间运营成本；mi为第i种调控部件的单位时间维护成本；t为运行周期；n为调控部件种类数；所述购置成本、运营成本和维护成本与购置安装的调控部件台数、型号和运行参数相关；
52、所述能耗最优模型表示为：
53、
54、pi(ni,θi,t)为第i种调控部件在台数为ni、运行参数为θi、时间为t时的能耗；
55、所述管网波动最优模型表示为：
56、
57、
58、δt(t)、δp(t)分别为在时间t长输供热管网内部的温差、压差。
59、进一步，所述s5中，所述长输供热管网的模拟运行数据包括：依据长输供热管网仿真模型模拟变流量安全运行策略，获取热网首站、中继泵站、隔压站和各管网节点的模拟运行数据，至少包括首站循环水进出口压力、首站循环水进出口温度、首站循环水流量、首站调控部件运行参数，中继泵站水泵入口和出口的压力、温度、循环水流量和中继泵站调控部件运行参数，隔压站水泵入口和出口的压力、温度、循环水流量、板式换热器一次侧回水压力、回水温度和调控部件运行参数，以及管网各节点处压力、温度和流量。
60、进一步，所述s5中，迭代优化确定长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案，包括：运用多目标优化算法求解长输供热管网调控部件规划设计模型，获得最优解集合，并进行评估选择最合适的配置方案，再通过步骤s3中验证配置方案是否满足长输供热管网变流量安全运行策略，若不满足则继续迭代优化，直至满足长输供热管网变流量安全运行策略和长输供热管网调控部件规划设计模型的目标函数，输出长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案。
61、本发明的有益效果是：
62、本发明通过考虑长输供热管网区域内热源位置、用户分布、地形地貌和地质条件信息，进行长输供热管网各站点和管道初步规划，以最小化投资成本为目标，设置供热能力约束、供回水压力约束、供回水温度约束和热网循环水量约束，建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型，迭代优化确定长输供热管网各站点和管道规划方案，包括热网首站、中继泵站、隔压站的位置和台数，以及供热管道的走向和管径；在长输供热管网各站点和管道规划方案的基础上，考虑各站点的运行特性，初步设置各站点需配置的调控部件，进行长输供热管网调控部件的初步规划；所述调控部件至少包括水泵、调节阀、加热器和板式换热器；考虑供热管网安全运行需求，建立长输供热管网水力和热力模型，并设置长输供热管网变流量安全运行策略，通过仿真分析获得变流量安全运行策略下各站点和管网节点的供热参数设定值；建立长输供热管网调控部件规划设计模型，包括投资经济最优模型、能耗最优模型和管网波动最优模型；将长输供热管网的模拟运行数据和供热参数设定值输入至长输供热管网调控部件规划设计仿真模型中，迭代优化确定长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案，包括变流量安全运行策略下各调控部件台数和型号性能参数；依据长输供热管网各站点和管道规划方案，以及变流量安全运行策略下部件台数和型号性能参数，获得最终的长输供热管网设施规划设计方案；一方面，通过建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型，能够最大限度节省工程建设和运营维护费用，科学合理地规划管道走向，有效避开不利地质构造，减少建设难度，各站点的合理规划有效解决长距离供热导致的水力失衡和压力下降问题；另一方面，为配合各站点的后续调控，还需要设置各站点需配置的调控部件，在进行调控部件的规划设计时需要考虑变流量安全运行策略，保证调控部件能够满足后续的管网变流量运行；以及，制定变流量安全运行策略，通过逐级对调控部件进行仿真模拟调控，分析长输管网安全性参数，在安全参数范围内进行调控部件的迭代规划设计，能够降低投资成本、节约能源消耗，并减小管网运行过程中的波动，提高整个系统的运行效率。
63、其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
64、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
1.一种考虑变流量安全运行的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，它包括：
2.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s1中，考虑长输供热管网区域内热源位置、用户分布、地形地貌和地质条件信息，进行长输供热管网各站点和管道初步规划，具体包括：
3.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s1中，以最小化投资成本为目标，设置供热能力约束、供回水压力约束、供回水温度约束和热网循环水量约束，建立长输供热管网各站点和管道规划设计模型，具体包括：
4.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s1中，迭代优化确定长输供热管网各站点和管道规划方案，具体包括：
5.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s2中，考虑各站点的运行特性，初步设置各站点需配置的调控部件，进行长输供热管网调控部件的初步规划，具体包括：
6.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s3，具体包括：
7.根据权利要求6所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述建立长输供热管网安全运行策略的具体实现过程包括：
8.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s4中，所述投资经济最优模型表示为：
9.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s5中，所述长输供热管网的模拟运行数据包括：依据长输供热管网仿真模型模拟变流量安全运行策略，获取热网首站、中继泵站、隔压站和各管网节点的模拟运行数据，至少包括首站循环水进出口压力、首站循环水进出口温度、首站循环水流量、首站调控部件运行参数，中继泵站水泵入口和出口的压力、温度、循环水流量和中继泵站调控部件运行参数，隔压站水泵入口和出口的压力、温度、循环水流量、板式换热器一次侧回水压力、回水温度和调控部件运行参数，以及管网各节点处压力、温度和流量。
10.根据权利要求1所述的长输供热管网设施规划设计方法，其特征在于，所述s5中，迭代优化确定长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案，包括：运用多目标优化算法求解长输供热管网调控部件规划设计模型，获得最优解集合，并进行评估选择最合适的配置方案，再通过步骤s3中验证配置方案是否满足长输供热管网变流量安全运行策略，若不满足则继续迭代优化，直至满足长输供热管网变流量安全运行策略和长输供热管网调控部件规划设计模型的目标函数，输出长输供热管网变流量安全运行策略下的调控部件配置方案。
