基于氣象因素的供熱機(jī)組熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的改進(jìn)

周振起，王盛華

(東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

中國(guó)“三北”地區(qū)風(fēng)電機(jī)組棄風(fēng)嚴(yán)重[1～2].針對(duì)“三北”地區(qū)實(shí)際情況，研究供熱機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，對(duì)電網(wǎng)消納風(fēng)電具有重要意義[3].研究供熱機(jī)組的調(diào)峰范圍，首先應(yīng)比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷.通常在設(shè)計(jì)熱網(wǎng)采暖熱負(fù)荷時(shí)，采用面積熱指標(biāo)法，但實(shí)際供熱過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，這導(dǎo)致熱負(fù)荷的實(shí)際值與理論值偏差較大.即使?jié)M足一定的標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)溫度仍然不能達(dá)標(biāo)[4]，供熱機(jī)組難以實(shí)現(xiàn)按需供熱，當(dāng)機(jī)組強(qiáng)迫出力大時(shí)，電網(wǎng)消納風(fēng)電的能力進(jìn)一步降低.本文通過(guò)建立采暖熱負(fù)荷與氣象因素之間的關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)熱負(fù)荷，為研究供熱機(jī)組調(diào)峰能力、消納風(fēng)電、節(jié)能減排工作做出有力的支持.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采暖熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)做了大量的研究.石兆玉[5]認(rèn)為：采暖熱負(fù)荷，不但與當(dāng)日的室外溫度、供回水溫度、流量、日照、風(fēng)速有關(guān)，而且還與往日的上述參數(shù)有關(guān).Werner S[6]研究了瑞典多個(gè)區(qū)域供熱系統(tǒng)，將影響采暖熱負(fù)荷的氣象因素進(jìn)行大量統(tǒng)計(jì)分析，得出影響熱負(fù)荷的主要因素是室外溫度、太陽(yáng)輻射、自然風(fēng).蔡麒[7]利用回歸分析法，研究氣象因素與某個(gè)換熱站熱負(fù)荷之間的關(guān)系，通過(guò)太陽(yáng)輻射與風(fēng)速對(duì)室外溫度的修正，提高室外溫度與采暖熱負(fù)荷擬合優(yōu)度.

為了使預(yù)測(cè)熱負(fù)荷的工作盡可能簡(jiǎn)便，在預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷時(shí)，不能如石兆玉[5]那樣考慮所有影響熱負(fù)荷的因素，只需考慮對(duì)熱負(fù)荷產(chǎn)生影響的主要因素，對(duì)影響當(dāng)日熱負(fù)荷的過(guò)去天數(shù)考慮也有限.蔡麒[7]提供了利用太陽(yáng)輻射與風(fēng)速對(duì)室外溫度修正以提高室外溫度與換熱站熱負(fù)荷擬合優(yōu)度的方法，但對(duì)于預(yù)測(cè)供熱機(jī)組采暖熱負(fù)荷，精度提高有限.在此基礎(chǔ)上，提出了一種給往日氣象因素對(duì)當(dāng)日室外溫度影響賦予權(quán)重的方法，此方法使度量室外溫度與采暖熱負(fù)荷擬合優(yōu)度的可決性系數(shù)R2值進(jìn)一步提高.

1 樣本數(shù)據(jù)的處理

為了使本文提供的預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷方法具有代表性，本文隨機(jī)選取了哈爾濱某供熱機(jī)組3個(gè)月，共90天的采暖熱負(fù)荷歷史數(shù)據(jù)為樣本數(shù)據(jù).采暖熱負(fù)荷值、溫度值、風(fēng)速與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度值均為日平均值.

歷史熱負(fù)荷數(shù)據(jù)中不可避免的包含一些不良數(shù)據(jù)或偽數(shù)據(jù)，這是由于記錄歷史采暖熱負(fù)荷時(shí)，可能存在人為、數(shù)據(jù)傳輸、系統(tǒng)故障、測(cè)量設(shè)備誤差等因素.可用歷史熱負(fù)荷數(shù)據(jù)的前一時(shí)刻和后一時(shí)刻的均值來(lái)替代該數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成對(duì)歷史熱負(fù)荷中不良數(shù)據(jù)的修正[8].

2 氣象因素與供熱負(fù)荷

2.1 當(dāng)日室外溫度與熱負(fù)荷

圖1 室外溫度與采暖熱負(fù)荷擬合效果圖

將采暖熱負(fù)荷數(shù)據(jù)與室外溫度進(jìn)行線性擬合，得到室外溫度與采暖熱負(fù)荷擬合效果圖，如圖1所示.相應(yīng)的室外溫度與采暖熱負(fù)荷之間的關(guān)系式

Q=217.0-8.934Tout，

(1)

式中：Tout為室外溫度值，℃；Q為供熱機(jī)組的日平均熱負(fù)荷，MW.

采暖熱負(fù)荷與室外溫度線性擬合優(yōu)度R2的值為0.834，這表明室外溫度與機(jī)組采暖熱負(fù)荷近似呈線性關(guān)系，但是利用此關(guān)系式預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷，精度有待提高.

2.2 考慮當(dāng)日風(fēng)速與太陽(yáng)輻射影響后當(dāng)日室外溫度與供熱負(fù)荷

風(fēng)速、太陽(yáng)輻射是影響采暖熱負(fù)荷的主導(dǎo)因素，風(fēng)速對(duì)于室外溫度的修正，可以折算出一個(gè)等效的降溫溫度.徐大海[9]提出了考慮風(fēng)速影響的等效降溫溫度公式為

ΔTwind=0.0246(lg(7.23Wwind))3-0.4525(lg(7.23Wwind))2+3.2398lg(7.23Wwind)，

(2)

式中：Wwind為外界風(fēng)速值，m/s；ΔTwind為風(fēng)速降溫等效溫度，℃.

太陽(yáng)輻射對(duì)于室外溫度的修正，可以折算出一個(gè)等效升溫溫度[5]

ΔTsolar=Ssolar/Sk，

(3)

式中：Ssolar為外界光照值，W/m2；Sk為光照折算系數(shù)，W/(m2℃)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，取100 W/(m2℃).

圖2 室外溫度(經(jīng)當(dāng)日風(fēng)速與太陽(yáng)輻射修正)與采暖熱負(fù)荷擬合效果圖

當(dāng)同時(shí)考慮當(dāng)日室外風(fēng)速與太陽(yáng)輻射影響時(shí)，室外溫度Tw.s計(jì)算公式為

Tw.s=Tout+ΔTsolar-ΔTwind，

(4)

將其與采暖熱負(fù)荷進(jìn)行線性擬合，其效果如圖2所示，擬合公式為

Q=196.5-8.937Tw.s，

(5)

其中：擬合優(yōu)度R2的值為0.846，擬合優(yōu)度有一定的提高.結(jié)果表明，考慮當(dāng)日風(fēng)速與太陽(yáng)輻射對(duì)室外溫度影響后，二者相關(guān)性增強(qiáng).

2.3 考慮往日風(fēng)速與太陽(yáng)輻射影響后室外溫度與采暖熱負(fù)荷

為了提高預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷精度，本文在2.2的方法上做出改進(jìn).本文不但考慮當(dāng)日的風(fēng)速、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)室外溫度的影響，而且也考慮往日的風(fēng)速、太陽(yáng)輻射對(duì)當(dāng)日室外溫度的影響，本文分別給往日氣象因素對(duì)當(dāng)日室外溫度影響賦予權(quán)重，以此修正室外溫度，將其與采暖熱負(fù)荷進(jìn)行線性擬合，使二者擬合優(yōu)度進(jìn)一步提高.

根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)可知，往日氣象因素對(duì)當(dāng)日室外溫度的影響隨天數(shù)增加而遞減.為了使預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷的方法簡(jiǎn)便，不能考慮過(guò)去所有天的氣象因素對(duì)當(dāng)日室外溫度的影響，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果表明，采暖熱負(fù)荷與前4 d～5 d的氣象因素有關(guān)[7].通過(guò)MATLAB編程，尋找最優(yōu)的考慮天數(shù)，并給需要考慮的往日的氣象因素賦予合理的權(quán)重來(lái)修正當(dāng)日的室外溫度，使室外溫度與供暖熱負(fù)荷進(jìn)行線性擬合時(shí)，擬合優(yōu)度R2值是極大值.即當(dāng)考慮天數(shù)為n天時(shí)，當(dāng)日室外溫度為

Tw.i.e=aiTw.i+a(i-1)Tw.(i-1)+a(i-2)Tw.(i-2)+……+a(i-n)Tw.(i-n)，

(6)

式中：ai、a(i-1)、a(i-2)、……、a(i-n)為權(quán)重值，ai>a(i-1)>a(i-2)>……>a(i-n)，且權(quán)重值之和為1；Tw.i.e為當(dāng)日室外溫度；Tw.(i-n)為前n天經(jīng)太陽(yáng)輻射與風(fēng)速修正后的室外溫度.

在確定權(quán)重時(shí)，可采用“試探”法[10].如令式(6)中的n=2，則分別設(shè)：

αi=m0/(m0+m1+m2)，

(7)

α(i-1)=m1/(m0+m1+m2)，

(8)

α(i-2)=m2/(m0+m1+m2)，

(9)

式(7)、式(8)、式(9)中，m0、m1、m2分別取1～10之間10個(gè)整數(shù).MATLAB程序設(shè)計(jì)框圖，如圖3所示.

通過(guò)MATLAB程序計(jì)算，得到不同的考慮天數(shù)，R2最大值時(shí)，滿足相關(guān)條件的權(quán)重值，計(jì)算結(jié)果如表1所示.

表1 程序計(jì)算結(jié)果

由表(1)可知，考慮過(guò)去四天的氣象因素對(duì)當(dāng)日采暖熱負(fù)荷的影響，當(dāng)日室外溫度經(jīng)氣象因素修正后與采暖熱負(fù)荷進(jìn)行線性擬合，其擬合優(yōu)度R2的值為極大值.

針對(duì)本機(jī)組，可以選擇公式(10)、公式(11)預(yù)測(cè)采暖熱負(fù)荷.

Tw.i.e=0.5Tw.i+0.2Tw，(i-1)+0.15Tw，(i-2)+0.1Tw，(i-3)+0.05Tw.(i-4)，

(10)

Q=186.9-10.06Tw.i.e.

圖4 室外溫度(經(jīng)過(guò)去四天主要?dú)庀笠蛩匦拚?與熱負(fù)荷擬合效果圖

本文方法只考慮影響采暖熱負(fù)荷主要的氣象因素，考慮過(guò)去天數(shù)有限，使用起來(lái)比較簡(jiǎn)便.本文提供的方法與原方法相比，擬合優(yōu)度R2值達(dá)到了0.896.室外溫度與采暖熱負(fù)荷擬合的效果，如圖4所示.

采用本文提供的方法，選取90組數(shù)據(jù)，按照時(shí)間順序排列，采暖熱負(fù)荷實(shí)際值與利用兩種預(yù)測(cè)熱負(fù)荷方法得到的預(yù)測(cè)值比較，如圖5所示.

從圖5可知，兩種方法得到采暖熱負(fù)荷的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值總體趨勢(shì)是一致的.除個(gè)別點(diǎn)外，利用本文提供的熱負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，得到的預(yù)測(cè)值的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差相較于原方法均有一定的降低.

圖3 MATLAB程序設(shè)計(jì)框圖圖5 兩種預(yù)測(cè)熱負(fù)荷方法比較

3 結(jié) 論

(1)擬合當(dāng)日室外溫度與采暖熱負(fù)荷，二者線性相關(guān)；利用當(dāng)日太陽(yáng)輻射和風(fēng)速對(duì)室外溫度修正，擬合修正后的室外溫度與采暖熱負(fù)荷，擬合優(yōu)度R2值在原基礎(chǔ)上提高了0.012，二者相關(guān)性增強(qiáng).

(2)利用MATLAB編程，給過(guò)去四天氣象因素對(duì)當(dāng)日室外溫度影響賦予合理權(quán)重，擬合室外溫度與采暖熱負(fù)荷.此方法與只考慮當(dāng)日氣象因素修正的方法相比，絕對(duì)誤差與相對(duì)誤差均降低，R2值提高了0.05，提高了采暖熱負(fù)荷預(yù)測(cè)精度，對(duì)于供熱機(jī)組實(shí)現(xiàn)按需供熱、提高調(diào)峰能力有重要意義.