通过备用液压设计方法确保循环式区域供热网络的限量供应合规性

《Energy》：Ensuring Limited-Supply Compliance through a Standby Hydraulic Design Method for Looped District Heating Networks

区域供暖网络（DHN）的备用水力设计框架研究，提出整合正常与重大故障场景的定量方法，定义管径和系统功率调整系数，建立典型单源单环模型，通过变量分析揭示负荷密度、负荷模式与可靠性参数对水力瓶颈的影响规律，推导调整系数与限供系数的定量关系式，并基于实际案例验证设计图表的适用性及误差范围（2.84%-35.94%）。

　　

丁茂|徐赛|何志钊|何伟

合肥工业大学建筑环境与设备系，中国合肥230009

摘要

区域供热网络（DHNs）为寒冷气候的城市提供低碳、大规模的热能，但其规模的不断扩大、基础设施的老化以及需求的增加使得液压系统的可靠性变得日益关键。在这项研究中，我们为单源单环DHNs开发了一个定量的备用液压设计框架，该框架综合考虑了正常运行和重大故障两种情况。引入了一对冗余指标——管道直径调整系数和系统功率调整系数，以协调管道直径和泵扬程的液压冗余。随后，我们建立了一个典型的单源单环DHNs模型，并应用了该备用液压设计框架。通过改变负荷密度、负荷模式和可靠性参数，研究了它们对液压瓶颈和备用需求的影响。结果表明，当用户热负荷从热源向流动汇聚点逐渐减少，以及相邻用户之间的距离在同一方向上增加时，液压备用性能得到提升。我们推导出了调整系数与有限供应系数之间的定量关系（例如，对于n > 5且管道长度分布均匀的情况，[x] = 0.305a_h^0.5a_d^2.625），从而能够创建出实用的工程设计图表。一个涉及十三种理想化和实际配置的真实DHN案例研究验证了该方法及实用设计图表的有效性，推荐值与计算值之间的相对偏差在2.84%到35.94%之间，且在大多数情况下保持在20%以内。所提出的框架为以可靠性为导向的DHN规划提供了可扩展且实用的基础，并为提高未来城市供热系统的韧性提供了指导。

引言

快速的城市化进程加剧了现代城市对大规模基础设施网络的依赖[1]。特别是城市能源系统，正在经历由脱碳、数字化以及对服务可靠性日益提高的期望所驱动的深刻变革[2]、[3]。随着这些系统规模和复杂性的增加，它们面临自然灾害、老化和意外故障的风险也在增加[4]。因此，确保可靠性不仅是运营管理的问题，也是应该在设计阶段就考虑的基本要求。

在城市能源基础设施中，区域供热网络（DHNs）对于寒冷气候的城市来说已成为不可或缺的部分[5]。它们提供集中、高效的热能供应，支持可再生能源和废热的大规模整合，并对低碳城市发展做出重要贡献[6]、[7]。在中国，近几十年来DHNs的扩张速度加快。到2023年，城市DHN管道的总长度达到了5.24×10^6公里，总供热面积超过了115.5亿平方米[8]。DHN由众多相互连接的组件组成，如管道、阀门、泵和补偿器，它们的协调运行决定了热能输送的稳定性。随着网络的老化，组件故障的频率急剧增加，实际事件表明，局部管道破裂或堵塞可能会中断数千用户的供热[9]。值得注意的是，2024年12月北京丰台区一条供热主干管的老化破裂导致741户家庭断暖，经济损失约28万元[10]。2025年2月，山西省阳泉市一条热水管道因焊接缺陷破裂，造成三人烧伤，间接损失超过500万元[11]。因此，提高DHN的可靠性对于保障社会福利和维持寒冷地区的经济活动至关重要。

已经开展了大量关于DHN故障机制和可靠性特性的研究。长期运行统计数据显示，管道是最容易发生故障的组件，其故障率与使用寿命、腐蚀情况、壁厚减薄以及运行条件密切相关[12]。Hlebnikov分析了塔林DHN十多年的故障数据，发现管道故障的数量远超过其他组件的故障[13]。Rimkevi?ius等人观察到使用年限超过30年的管道损坏频率显著增加[14]，而Sharapov等人识别出由老化驱动的三阶段故障率模式[15]。Valin?ius进一步应用概率数学方法对DHN管道的故障概率进行了综合评估[16]。

同时，学者们提出了各种可靠性指标，如无故障概率、可用性和功能可靠性，以评估系统在故障情况下的性能。Myrefelt基于室内温度变化引入了一个功能可用性指标[17]。Stennikov评估了供暖期间的温度偏差概率[18]，Babiarz采用概率框架分析运行状态[19]。Shan等人分析了不同室外温度下供热系统的功能可靠性[20]。除了可靠性之外，脆弱性研究也作为一个补充视角出现。例如，Ding等人开发了一个全面的DHN脆弱性评估框架[21]，结合了拓扑、功能和经济后果[22]，以确定有效的脆弱性降低措施[23]。

其他研究探索了通过材料选择、网络拓扑、热储存、运行监控和应急修复策略来提高DHN可靠性的方法。这些措施可以分为三个阶段：设计、运行和维护。在设计阶段，选择耐腐蚀材料[24]、确定适当的壁厚[25]以及采用环形或多源拓扑[26]对于防止故障至关重要。热储存[27]、冗余热源[28]和备用泵[29]也能提高故障容忍度。阀门可以隔离故障区域，但过度或位置不当的阀门可能会降低可靠性并增加成本[30]、[31]。在运行期间，持续监控和及时检查是必不可少的[32]、[33]、[34]。在维护阶段，有效的阀门关闭策略和快速的应急修复计划有助于最小化停机时间和受影响范围。

尽管付出了这些努力，仍存在两个重要限制。首先，大多数现有的可靠性研究集中在故障概率或故障后的性能上，而很少有研究探讨液压设计本身如何影响网络在故障期间的热能输送能力。与应急修复措施相比，在设计阶段嵌入足够的备用传输能力是一种更直接且更具成本效益的方法来防止大规模热能中断。虽然增加管道直径或泵扬程可以帮助在故障期间满足流量需求，但目前还没有系统的方法来确定需要多少冗余。其次，现有的DHN设计标准通常基于正常运行条件，没有严格的方法来确定避免管道故障期间瓶颈所需的备用液压容量。在单源环状DHN中，管道故障期间的流量重新分配可能会显著增加局部流速和扬程损失。如果没有明确设计的冗余，下游用户可能无法获得所需的最低流量。因此，管道和泵的冗余分配往往基于工程经验而非定量分析。

这些差距突显了需要一个统一的理论和实践框架来确保DHN在最不利的故障条件下仍能满足供热需求。这样的框架必须明确：（1）用户负荷分布、管道长度分布和网络规模如何影响液压瓶颈；（2）如何协调管道直径冗余和泵扬程冗余；以及（3）如何确定平衡可靠性和成本的冗余程度。在中国许多北方城市，DHN通常作为由单一热源供应的大规模集中系统进行建设，环形干线布局在城市主干网中广泛采用。同时，基础设施的老化和故障风险的增加使得以可靠性为导向的备用液压设计在实践中尤为重要。为了解决这些问题，本研究重点关注单源单环DHN，这是中国城市中常见的配置，也是理解环形网络液压韧性的关键原型。在整个工作中，仅考虑了一个热源，并且所有备用设计规则和故障场景验证都是在单源运行条件下制定的。主要贡献如下：（1）提出了一种同时考虑正常和故障运行条件的备用液压设计方法，适用于环形DHN。（2）定义了两个备用调整系数，以支持管道和泵备用的协调尺寸确定。（3）开发了设计图表和经验规则，以指导实际的备用液压设计。最后，通过一个真实的DHN案例研究验证了所提出方法的适用性和准确性。

章节片段

环形DHN的备用液压设计方法

传统的DHN液压设计仅关注正常、无故障的运行。设计完成后，通常会进行单独的故障条件检查。这种“先设计后检查”的方法往往导致反复调整和不必要的计算工作。为了确保在故障发生时能够持续供热，本研究提出了一种从一开始就考虑正常和故障条件的统一设计框架。该方法整合了流量分布和管道尺寸确定

备用设计的流量确定方法和性能评估

有效的DHN备用液压设计需要一种严谨的方法来确定设计参数，以及一个结构化的评估框架。前者为管道尺寸确定和泵配置提供了可靠的输入数据，而后者为验证和优化设计结果提供了定量标准。本章介绍了环形DHN备用液压设计的核心方法和评估指标。

单源单环DHN的备用液压设计模型

DHN的液压行为受到管道几何形状（长度和直径）、材料属性、局部阻力元件（如阀门位置和三通接头）以及泵特性的影响。为了重点研究与管道直径和系统功率备用相关的关键机制，本章构建了一个简化但具有代表性的单源单环DHN模型。典型的单源单环DHN模型使得备用液压设计能够得到控制性的探索

典型DHN模型的备用液压设计结果

基于第4章建立的设计模型，本章应用第2.3节描述的备用液压设计方法，评估单源单环DHN内的备用液压性能变化情况。

案例研究

为了验证第5节提出的备用液压设计和调整规则的正确性和有效性，本章将液压备用设计应用于位于中国黑龙江省的一个实际单源单环DHN。

结论

本研究调查了单源单环DHN的备用液压性能，并提出了一种系统的设计和调整方法，以确保在最不利的故障情况下仍能满足有限的供应需求。通过分析环形网络在正常和重大故障条件下的液压行为，引入了两个调整参数（管道直径调整系数和系统功率调整系数）来进行量化

CRediT作者贡献声明

何伟：撰写——审稿与编辑，监督。何志钊：验证，正式分析，概念化。徐赛：软件开发，正式分析。丁茂：撰写——初稿，验证，方法论，概念化

利益冲突声明

无。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国安徽省自然科学基金（项目编号2508085QE153）和中央高校基本科研业务费（编号JZ2024HGQA0620）的支持。