智慧供热基础上大型热网安全运行保障

摘要：大型供热系统服务热用户众多，其安全稳定运行至关重要。以太原市大型热网实际案例为基础，对热网故障主要类型及可能存在的安全隐患进行分析，并总结出大型热网在故障工况下应急响应和处置的特点。探讨了如何在智慧供热基础上保障大型热网安全运行，并浅析如何利用信息化措施及智慧诊断技术判断并消除热网安全隐患。

0热网概况

目前，太原市热力集团有限责任公司供热面积达到1.82亿平方米，在充分考虑热网运行安全、工况优化、经济节能等的前提下，实际运行中采用“一源一网”“一源多片区”，以及“多源一网”等多种方式并存的模式，可对热网进行较为灵活的切换调整。2021年~2022年采暖季，初、末寒期运行基础热源共9处，包括8处热电联产、1座自有热源厂、5座大型调峰热源厂。初、末寒期9处基础热源形成10个热网，严寒期调峰热源启动后部分调峰热源与基础热源并网运行，共形成13个热网。其中最大的热网在初、末寒期服务供热面积超过7000万平方米，服务热用户超40万户。该大型热网供热负荷较大，管网规模大，尤其在严寒期热源紧张时，若出现故障，抢修及供热系统恢复时间较长，对供热系统及社会面影响极大，因此热网安全运行至关重要。

1影响热网安全运行因素分析

热网故障常见类型主要有热源故障、供热管网故障。此外，有可能引发故障的潜在安全隐患也是热网安全的影响因素。

1.1热源故障

根据2021年~2022年采暖季热网生产运行档案，热源共发生故障16次，对持续稳定运行造成了一定影响。热源发生故障主要会导致供热能力降低，供热参数变化并影响供热质量。各热源故障次数及主要原因见表1。需强调的是，热源故障若处置不当，会间接引发管网故障，从而影响管网设施设备的安全和供热的稳定性。

表1各热源故障次数及主要原因

1.2管网故障

该采暖季集中供热系统共发生一级网热网故障31次，其中涉及主管线和对系统运行影响大的管网故障共计5次，另外26次为热力站分支、管网支线管道和设备故障。采暖季因热网存在动态调整变化，表2为按照相对固定的分公司产权区域所统计的11个供热区域发生的管网故障。

表2管网较大故障次数及主要原因

从表2可以得出，管道老化破裂是热力管网发生故障的主要原因，其主要影响因素为管道服役时间即管龄，同时也受到施工等外力破坏、补偿器设备失效等的影响。采暖季31次此类故障，对热网安全稳定运行构成较大的威胁。管网故障对热力系统安全运行的影响主要在于管网泄漏引发系统压力降低甚至失压，严重时供热系统将被动停运。管网泄漏主要分为以下两种情况：

（1）管道破裂引发泄漏，因管道腐蚀、应力集中、疲劳等导致承压能力下降，或遭到施工机械等外力破坏；

（2）补偿器泄漏，补偿器保养不到位或热网参数变化过快。

1.3热网运行安全隐患

运行故障常由安全隐患发展而来，热网运行存在的安全隐患主要有以下类型：

（1）系统超压，存在泄漏或爆管风险；

（2）工况失衡造成的次生安全隐患，如系统超压等；

（3）补偿器等设备保养不到位，带病运行；

（4）管网及附属设备老旧，未及时进行更新改造；

（5）对于太原市某大型热网，若一级网回水温度过高，会间接导致高温网回水温度超出设计温度，补偿器存在位移量超出设计值的风险。

2热网故障工况下的安全运行应急响应

为了确保供热系统安全运行，在热网发生故障的情况下，常规的应急响应是对热网进行相关调整，如并网及解列运行方式的切换、热网之间的负荷切换、参数调整等。根据某采暖季各热网调整统计，热网较大调整共计39次，涉及热网之间的切换操作共80项，其中涉及热源故障的被动调整占比为51%，涉及管网故障的被动调整占比为5%，即超过50%的热网较大调整是因热源或管网故障而进行的被动调整。热网调整原因分布见图1。需要强调的是，虽然在运行档案中，管网故障涉及的应急响应调整次数低于热源故障，但管网故障直接关系到系统压力，严重时供热系统甚至有停运风险，因此必须重视其危害性。

图2为某大型管网发生泄漏后及应急处置过程中的系统压力变化图。该大型管网发生泄漏后及应急处置过程的特点是：（1）系统压力快速下降，对应急响应时间要求高；（2）组织７个供热单位紧急查找漏点；（3）启动补水点多达10个；（4）系统工况恢复时间长达5个小时；（5）为隔离漏点，涉及操作的阀门较多，共操作8处阀门；（6）应急处置涉及的隔压站、高温网等联动操作较多。

图1热网调整原因占比 

图2某管网失压及应急处置恢复

常规应急处置操作依靠人工分析和处置的环节较多，效率相对偏低，应急持续时间和系统恢复时间长，对安全稳定供热造成的影响较为明显。根据实际运行案例，对于管网快速失水的工况，如不能高效快速处置，有可能导致系统失压停运。为提高大型热网在故障工况下的应急效率，进而提高运行的安全性，从智慧供热的角度考虑，可由程序替代部分环节的人工工作

3智慧供热基础上安全运行保障响应

智慧的安全运行保障响应通过调度决策指挥平台实现，具体是由地理信息系统（GIS）、实时数据监控及能耗分析系统、调度决策支持系统、调度指挥系统所构成的信息物理系统来实现。其中应急管理系统应作为系统的重要功能之一，在热网故障时发挥其快速高效应急响应的作用。

3.1热源故障

热源故障直接表现为运行参数波动，从而触发监控系统的预警，基于在线水力计算的预测分析能力，模拟多种可选供热调度方案下的热网预期运行状态，进而结合优化算法对热源故障工况下的运行调控策略进行寻优。本文不再对该部分展开论述。

3.2管网泄漏

（1）管网破裂智慧应急响应

对于爆管等突发管网故障，将应用管网泄漏监测子系统、热力站泄漏监测子系统、故障区域快速解列子系统、爆管分析子系统、分布式协同应急补水调度子系统等有机组成的应急调整系统。见图3。

当管网系统发生影响安全运行的较大泄漏时，由于系统压力快速下降，触发自控系统设定的阈值而产生报警信号。此时应通过热网泄漏监测系统或人工查找漏点锁定发生泄漏的大致区域或准确位置，分布式协同应急补水系统按照内置的预设策略有序启动。在失水量较大、补水不能满足系统压力稳定的情况下，通过由可远程操作的电动阀门组成的热网远程快速隔离系统，实现漏点所在区域的快速隔离，稳定系统压力。本系统的作用在于避免热网因失压而停运，保障热网可运行部分区域能够继续维持运行，利用爆管分析子系统，由系统给出最小化隔离面积的需关闭的阀门，实现最小化精准隔离，将影响降至最小。

图3管网泄漏智慧应急响应及系统构成

管网泄漏应急保障的关键环节在于锁定泄漏点位置。根据文献资料，热网泄漏监测有多种方式，但多数不适合在爆管工况下锁定泄漏位置的实践中采用。利用负压波与小波分析定位供热管道泄漏的方法目前已取得初步的试验成果，测试工况下，泄漏点定位误差在1km范围内，基本可满足快速大范围远程隔离条件，适合在实践中采用。

协同补水系统由多个分布式补水点组成，按照统一的系统定压点设置阶梯式补水启停触发阈值，为确保在应急工况下所有补水点均可投入使用，正常工况下将各补水点设为自动轮动补水，使各补水点在日常工况下间断性工作，提高补水系统的可靠性。

爆管分析子系统由管网模型及连通性分析、拓扑关系分析、缓冲区分析等程序组成，当爆管位置确定后，系统可快速分析得出隔离该漏点的最小影响区域以及需要关闭的阀门，可代替人工分析，提高判断效率。爆管分析系统示意图见图4。

3.3热力站一级侧泄漏

当热力站站内一级网侧发生泄漏时，若泄漏量较大，热网压力降至设定阈值，触发分布式协同应急补水系统按照内置的预设策略有序启动。热力站站内泄漏监测系统快速锁定相关热力站，并触发热力站快速关断系统，将相应热力站隔离。

图4爆管分析系统示意图

热力站站内泄漏监测及快速关断隔离系统由液位传感器、温湿度传感器、双光谱摄像机、远程电动阀、上位程序等组成，见图5。

图5热力站快速关断系统示意

通过高灵敏度温湿度传感器采集环境数据，此外，采用双光谱摄像机，利用热成像原理及水汽识别算法、上位程序判断热力站存在或突发的较大泄漏，并将执行指令下发至安装在热力站一级网侧的电动阀门，实现快速关断，达到快速识别、高效响应的应急处置目标。图6为热成像摄像机识别泄漏示意图。

3.4热网运行安全隐患

热网突发的爆管、补偿器泄漏等运行故障大多由最初的设备缺陷发展而成，或由不科学的运行调节所致。因此，缺陷管理、智慧诊断、联动联调成为热网安全运行的重要环节。

（1）与生产作业信息库联动的缺陷管理

缺陷管理贯穿供热生产运行期及非运行期，通过智慧巡检系统（见图7）所发现的系统和设备缺陷均需进入缺陷管理信息库，部分直接影响到供热生产的缺陷需在短时间内消缺，另外一部分不宜在供热运行期消除的缺陷，则需在停热之后的供热系统“冬病夏治”期间消缺或优化。将夏季进行的更新改造、维修、保养等生产作业信息库与缺陷信息库产生联动，形成信息闭环管理，通过以上信息交互，目标是对缺陷的“动态清零”，避免因信息遗漏造成消缺工作不到位，为采暖季的供热运行埋下安全隐患。缺陷管理与生产作业信息联动示意图见图8。

图6热成像摄像机识别泄漏示意图

图7智慧巡检子系统

图8缺陷管理与生产作业信息联动示意图

为便于信息管理，以上的缺陷管理、生产作业信息等均通过地理信息方式呈现。

（2）智慧诊断

供热运行智慧诊断是基于供热数据深度挖掘，并分析数据潜在价值与规律的智慧化系统，其诊断对象及目标较为广泛。其中对于供热管网的智慧诊断可判断热网设施设备运行状态是否存在安全隐患，以及热网参数变化是否会引起设施设备产生安全隐患，是否会对供热安全运行构成威胁。常见的热网安全隐患包括系统超压、热网参数波动过大、控制系统之间未协同联动联调等。对于太原市某大型热网，还存在一级网回水温度过高，间接导致位移量超出设计值的风险。

图9为利用小室监测系统采集补偿器位移数据后进行的数据分析，根据采集的介质实际温度，模拟相应工况下补偿器的理论位移量，并通过与实际位移量的对比，分析补偿器工作状态，判断是否存在“卡死”等容易导致局部超应力的风险，确保安全隐患及早消缺，避免隐患继续发展为故障。

图9小室监测补偿器状态分析

4结语

热网安全平稳运行对供热系统的重要性不言而喻，本文分析了热网故障的主要类型，以及大型热网在故障工况下常规应急响应和处置的特点，并对在智慧供热基础上如何保障大型热网安全运行进行了探讨，得出以下结论：

（1）管网泄漏是热力管网发生故障的主要类型，对大型热网安全稳定运行构成较大威胁；

（2）大型热网故障应急处置复杂，对应急响应时间要求高，涉及组织分公司数量多，启动补水点多，涉及操作阀门多，联动操作多，恢复时间长，应急工况下如何提高响应效率需从智慧供热的角度考虑；

（3）大型热网故障工况下的智慧化高效响应系统需由多个子系统有机构成，应包含预警、管网泄漏监测、快速隔离、爆管分析、系统补水等子系统，分别解决故障预警、泄漏点位置锁定、泄漏区域快速隔离、泄漏点精准隔离、热网失水等问题；

（4）通过信息系统实现热网缺陷信息和生产作业信息深入交互，并充分挖掘地理信息系统的价值，结合智慧巡检、小室监测等子系统的应用，确保热网设施设备的点检、运行维护、更新改造等生产作业行为得到科学管理，保障热网及时消缺和安全稳定运行。