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1、热电系统的热网变量与设计陈恭毅(浙江城建煤气热电设计院有限公司，浙江，杭州，310012)【摘要】集中供热系统已经成为现代化城市的重要基础设施，在世界范围内得到迅速的发展和广泛的应用。供热管网作为供热系统的重要组成部分。具有规模大、结构复杂，投资巨大的特点。本文依据线性系统理论分析供热系统运行特点，建立了用“周期供热量”管理供热系统热力平衡的理论体系。通过应用说明了这种新理论体系具有好的可操作性。【关键调】熬网；变量；优化设计；周期供热量；热力平衡目前热网的有关技术的研究不断深入但是热网的优化设计、可靠性分析、参数辨识和热网的故障诊断等方面的研究仍旧是热网研究中的薄弱环节。目前的热网研究中。基
2、本上都是将热网中的物理量如管道阻力数、热用户负荷等作为确定性变量进行研究，但实际上熟网中的物理量大部分都具有不确定的特点，这些物理量的不确定性会影响热网的设计计算和运行工况分析的结果，目前在热网中尚没有开展这方面的研究。本文着重研究热网中的管段阻力数和热用户负荷的随机性导致的其他变最的不确定性问题，以及研究考虑热用，、负荷、熟用户资用压头和管段阻力数的随机性热网优化设计方法。基于概率论和网络图论的有关理论本文首先求解热网中管段流量和节点压力对管段阻力数一阶导数矩阵。这是进行随机性影响分析的基础。利用Taylor一阶近似的方法研究管段阻力数的随机性所导致的管段流量和节点压力的随机性问题，研究表明
3、采用Taylor一阶近似的情况下，管段流量和节点压力服从正态分布。求解管段流量和节点压力的方差和数学期望，并给出在一定置信度条件的管段流量和节点压力的置信区间。结合算例分析了管段阻力数的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。为了提高热网变量随机性影响分析的精度，利用Taylor二阶近似的方法分析管段阻力数的随机性引起的管段流量和节点压力的随机性问题。首先在热网管段流量和节点压力对管段阻力数的一阶导数矩阵基础上。推导出二阶导数矩阵的表达式。利用蒙特卡洛方法对各管段流量和各节点压力进行随机抽样，并使用SPSS软件和偏度、峰度方法对其进行正态性检验。结合算例研究了Taylor一阶近似与二阶近似的差别
4、。除研究热网管段阻力数的随机性影响外，本文研究了用户熟负荷的随机性对管段流量和节点压力的影响。求解管段流量和节点压力对节点流量的一阶导数矩阵，利用1-aylor一阶近似的方法分析由于热用户流量的随机性所导致的热网管段流量和节点压力的随机性问题。结果表明在TayIor一阶近似时，各管段流量和节点压力服从正态分布。在此基础上求解他们的方差、数学期望及在定置信度条件的置信区间。结合算例分析热用户负荷的随机性对管段流量和节点压力的具体影响。在混沌理论和传统的遗传模拟退火算法基础上，提出一种基于混沌理论的改进模拟退火算法，用于进行热网确定性优化设计计算。结合算例的分析表明，与传统模拟退火算法相比较，新算
5、法在保证算法性能的同时。大大减少算法的运行时间，提高了效率。考虑单个变量随机性的热网优化设计方法，以热网的年折算费用为目标函数，分别建立考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数的随机性的热网优化设计模型，并分别给山了模型具体的求解方法。利用模糊综合评价的方法确定了考虑热用户负荷随机性的热网优化设计的最优置信度水平。利用所提出的考虑单个变量随机性的热网优化方法对算例热网进行优化设计，并与确定性优化设计结果进行比较，分析了影响热网优化设计方案的因素。本文最后研究同时考虑热用户负荷、热用户资用压头和管段阻力数三个变量随机性的热网优化设计方法，建立优化模型并进行求解。结合算例热网，研究考虑多种随机性
6、变量条件下的热网优化设计方案与确定性优化设计、考虑单个随机性变量条件下的热网优化设计方案的异同，分析了各随机变量对热网优化方案的影响程度。本课题主要结合图论研究热网变量随机性及热网的随机规划理论。是一项基础性的研究，该研究内容不单纯为热网的水力工况分析、优化设计服务，而且为热网系统辨识的研究提供了条件。把计算机监控系统技术应用于城市热网的运行管理搭建了具有时代特征的科学化管理平台。在这个平台上，既可以实时总览热网当前运行参数的全局分布又可以利用采集数据计算分析室外温度及系统供热量变化趋势，定期作出整体运行规划，指导运行并实现自动控制。因此，建立适应这个平台的理论方法和具体操作方法就成了有效利用
7、这个平台的关键。本文提出依据“周期供热量”调节热网平衡的方法，就是利用这个平台，依据及时、丰富、可靠的数据信息，对全网进行随时的量化分析，系统而准确的把握供热的规律并行之有效的实施科学管理。然而，困扰热网运行管理的难题是全网的热力平衡问题即热量平衡问题。一个热力严重不平衡的系统会导致大面积的过冷和过热现象发生，并进而演化成为供热部门在承受社会投诉巨大压力的同时，还要承受不计成本通过加大热源投入解决过冷带来的巨大经济压力。因此，城市供热首先就是要解决好热网的平衡管理。分析我国目前约15亿平方米集中供热的现状，其中大系统供热的特点非常突出，每一座供热系统，供热面积动辄数百万平方米，并且拥有数十个热
8、力站。因此，管理这种大系统的热网就不能简单套用那些来自北欧先进供热国家在其小系统上创造的经验。更不能套用小系统热力站目前使用的独立运行管理方法。依据“周期供热量”调节热网的管理方法足一个针对由热源热网热力站一热用户组成的大型热网的全网统一规划管理的方法。它在强调了依据“周期供热量”调节各热力站实现全网热力平衡大局稳定的同时，实际上也明确了：在实现各热力站热力平衡大局稳定的基础上，各热力站的局部问题局部解决，实现热源跟随室外天气变化的趋势动态调节的科学供热，做到层次分明，运筹有致，进而达到经济运行的目标。用“周期供热量”调节热网平衡方法的原理，首先基于线性系统理论的城市供热过程分析。城市供热的基
9、本特点是它的周期性。气温是日复一日的昼升夜降的循环变化过程。除冷、暖气流突然侵袭的短暂气温突变过程，整个取暖季的气温变化是一个一天天缓慢变冷又逐渐转暖的平稳降温和升温过程。因此，由宏观环境条件决定，供热过程在任何一段相邻的几天里都可以近似认为是一个周期供热过程，并且其供热量调整幅度主要是依据昼夜温差的变化。而初末寒期到严寒期的室外温度变化是以渐变的形式调整着这个周期过程平均值的变化。因此我国城市集中供热最显著的特点就是它的建设规模巨大，一座供热面积数百万平方米的中型热网，通常拥有数十个热力站和复杂而庞大的地下和地上管网连接千家万户。但是由于供热依靠热水流动传送热量，因此热网规模巨大的特点就导致
10、了距离热源远近不同的热力站和熟用户接收到热源供热量变化过程存在着明显的延迟时间差别。给定的供热量变化过程有可能在长达数小时后才能转变为末端热用户的室内采暖过程。当然，由于供热的连续进行和热用户室温的热惯性，用户可能没有觉察到这个过程的发生。根据线性系统理论分析供热过程，只要确定了描述热源到每个热用户间传热系统的性能，就可以在已知熟源供热情况后确定对每个热用户的供热效果。在整个供热过程中，供热系统的作用就是热量的传输和交换两个主要内容。其中热量传输包括热源到热力站的传输和热力站到热用户的传输，这是一个依赖于热水在管道中流动速度的过程。表现为对远、近不同热用户具有不同延时时间的传热过程。而换热过程
11、除管路上的微量分布散热外，主要是热力站的水水换热和热用户家中暖气片的散热这两个集中换热过程。因此。在不计换热器配置不合理、管网设计不合理及管道沿程散失热量等次要影响因素后，认真比较缓慢的传送热量过程和快速的换热过程就可以得出：传送热量过程主导了整个供热过程。分析全部热力站和热用户就可以得出：热网规模巨大的特点演化成了各热力站(热用户)接收热源供热过程的时延量存在显著时间差异的特点。更进一步，当最大时延量和最小时延量之差增大到足够大时，各热力站之间的瞬时供热量就失去了可比性。冈此依据瞬时热量平衡理念分析和管理各热力站(热用户)的热力平衡就难于操作，只能依靠温度平衡或流量平衡等单参数管理的办法间接
12、管理热网，因而最终形成了大网热力平衡管理的难题。根据热源供热量，以及热用户用热量也具有与热源相同周期函数的基本供热规律，在任何一个供热周期里，可以直接用以下累积量等式表达热源供热量与各热力站用热量的热平衡关系。对于合理设计和使用的供热系统，在任何一个供热周期的T时间段里，各热力站的累积用热量之和与多个热源累积供热量之和相等。该式还表明，这个等式成(下转第395页)当使用H曲变换对虹膜图像进行外边缘检测时，设虹膜外边界的方程为：协一_)+抄一儿厂=矗 (2)其中k，帕)为虹膜外边界的圆心坐标，足是虹膜外边界的半径，b。y)为虹膜外边界上点的坐标。在实际计算时i将ky)取遍图像空间的每一个点，这时
13、式(2)可改写成：lb一而r+D一儿)z一只2ls善 (3)式中于是人为设定的一个较小的阐值。可见。如果直接使用II叫gh变换对虹膜进行边缘检测，那么计算量比较大但是，如果使用有关边缘方向的先验信息。就可以显著地降低计算负担。在实际使用中，可以根据虹膜内边缘的半径估计虹膜外边界的半径范围，不妨令外边缘半径矗为一个常量。不使用边缘方向信息时，在参数空间中如果对应点k。儿)在以像素x为中心的圆上，所有累计单元爿，儿)都要被增大有了边缘方向信息时，只需增大少数的累计单元比如，如果边缘方向量化为8个可能的值，只需要圆的参加增大累计单元当然，估计边缘方向不可能太精确，如果估计边缘方向的误差是形，将需要圆
14、的使累计单元增大。使用边缘方向，参数而和yo可以使用以下的公式来计算：卜副-一曼c?s哆)2 。4，1儿=yI一尺smI烈xI口，b)【口，b)一仍9，b)+列其中矾x)表示像素z的边缘方向，妒是最大的边缘方向估计误差，k，)，。)是像素X的坐标。在参数空间中，只有当参数k，儿)满足式(4)时，才增大累计单元23虹膜编码这一步主要是提取虹膜特征并采取适当的特征记录方法，以此构成虹膜编码，为下一步的比较判决做准备。目前报道的虹膜身份编码识别算法分为3种：(1)D朋舯蛐提出的基于G出甜滤波器的虹膜纹理相位编码算法，该算法利用Gab研滤波器的局部性和方向性对虹膜纹理进行分解编码。(2)、)17ik蛔
15、提出用高斯型滤波器在不同分辨率下分解虹膜图像，并把结果进行存储比较。上述两种算法的性能容易受外界环境影响，眼球表面反光、虹膜的几何变形、睫毛遮挡、噪声等闯题也严重影响识别性能，且实际应用中对测试环境和设备要求较高(3)Boles提出的基于小波变换的虹膜识别方法，它有效地克服了图像平移、旋转、图像缩放等前者未能解决的问题，提高了识别性能。24比较和判决这一步是对上一步获得的虹膜编码同样本库中的样本进行比较，再对两者的不同利用合适的阈值进行判决。不同的虹膜编码方式通常会有不同的比较方法。其阙值的选择一般通过实验获得第3、4步又可合称为虹膜模式匹配(hi8 P蚍l MB扯Ih)为了完成上述的步骤虹膜
16、识别系统由光源、摄像头(ccD)、图像分析系统(计算机)三部分构成，对光源、摄像头、计算机均没有特殊要求图像为8 bit、256级灰度图。可见，系统的硬件构成比较简单，这可以使系统的成本大大降低。光源提供照明，使虹膜可以清晰成像，以获得高信噪比的信号。光源应稳定，因为瞳孔随入射光线强度的变化，会产生收缩或扩张，牵动虹膜变化，增大了匹配时的误差。稳定光源，即稳定了虹膜，可以提高匹配的精度。摄像头将光信号转变为电信号，经AD转换后，送入计算机进行分析。计算机内装有虹膜图像识别的分析软件，计算机内预存有已分割好的虹膜参考图像，参考虹膜图像的半径、中心坐标已规一化，所有虹膜的半径r均相同，所有虹膜的中心，q)坐标值相同。识别过程即将实时捕捉的图像与预存参考图像进行匹配的过程，比较图像之间的相似形，确定图像是否来自同一对象，以确定拒绝或接受。整个虹膜识别的流程图如图3所示：图2虹膜识别流程圈3虹奠识别技术的目内外应用从全球来看，田外的虹膜市场比国内要成熟，并已经在金融系统、飞机场等方面小范围试运行其中美国hidi8n公
