一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)應(yīng)用

臨汾市熱力供應(yīng)有限公司 張國(guó)棟 張寶宙 陳正鵬 張 帥

軍委機(jī)關(guān)事務(wù)管理總局特種設(shè)備檢驗(yàn)所 樊萬強(qiáng)

0 引言

隨著我國(guó)城市化的迅猛發(fā)展，北方城市集中供熱面積不斷增加。由于主管網(wǎng)設(shè)計(jì)年代早、舊城區(qū)建筑較為密集，管網(wǎng)改造困難甚至不具備改造條件，不同年代逐年擴(kuò)容，系統(tǒng)水力失調(diào)問題嚴(yán)重。為滿足最不利熱網(wǎng)子站的供熱需求，往往需要大幅提高主循環(huán)水泵揚(yáng)程，而其他阻力小的支線則依賴調(diào)整閥門開度，實(shí)現(xiàn)與最不利環(huán)路的水力平衡，由此造成循環(huán)泵能耗偏大、熱網(wǎng)運(yùn)行壓力較高，一方面能量浪費(fèi)嚴(yán)重，另一方面增加了系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

分布式輸配系統(tǒng)，是指為各換熱站一次網(wǎng)加裝循環(huán)水泵，代替熱源主循環(huán)水泵作為供熱系統(tǒng)主循環(huán)動(dòng)力的一種輸配方式。采用分布式供熱輸配系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：一是各熱網(wǎng)子站根據(jù)實(shí)際運(yùn)行需求調(diào)節(jié)分布式水泵運(yùn)行參數(shù)，可以有效改善一次網(wǎng)水力工況，解決老舊管網(wǎng)局部運(yùn)行阻力大、水力失調(diào)嚴(yán)重等問題；二是可以降低熱源主循環(huán)水泵揚(yáng)程，減小水泵裝機(jī)容量，既可顯著降低管網(wǎng)整體運(yùn)行壓力，又可帶來顯著的節(jié)電效果[1]。因此，近年來，分布式供熱輸配系統(tǒng)成為供熱輸配環(huán)節(jié)效能提升的重要方向[2]。

1 一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)建立

1.1 基本改造原理

分布式輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是在熱源處設(shè)計(jì)揚(yáng)程適宜的主熱源循環(huán)水泵，在一次網(wǎng)支線供水管道設(shè)置分布式變頻水泵，并保留原有調(diào)節(jié)閥，水泵運(yùn)行時(shí)閥門處于全開狀態(tài)。分布式供熱輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與集中式設(shè)計(jì)方案的基本水壓圖見圖1～6。

圖1 分布式輸配系統(tǒng)工藝圖

圖2 集中式輸配系統(tǒng)水壓圖

圖3 集中式水泵做功堆積圖

圖4 分布式輸配系統(tǒng)水壓圖

圖5 分布式水泵功率堆積圖

圖1中，每個(gè)用戶需要循環(huán)水量10 t/h，換熱站需用壓頭10 m，各用戶之間主管道阻力損失相同。

根據(jù)特勒根定理：

N0=∑GiΔHi

(1)

(2)

式(1)、(2)中N0為由特勒根定理計(jì)算的循環(huán)水泵理論總功率，kW；Gi為供熱系統(tǒng)各管段流量，t/h；ΔHi為供熱系統(tǒng)各管段的壓頭損失，m；N為循環(huán)水泵總功率，kW；η為水泵效率。

計(jì)算總的水泵功耗降低量(各支線節(jié)流ΔHi之和)，通過對(duì)比水泵功率堆積圖可發(fā)現(xiàn)，相比于集中方式，分布式輸配系統(tǒng)的循環(huán)水泵總裝機(jī)功率降低約30%[2]。

1.2 零壓差點(diǎn)的確定

水壓圖中，熱源主循環(huán)水泵提供的輸配動(dòng)能消耗完后，主干線的供水壓線和回水壓線相交，交點(diǎn)即“零差壓點(diǎn)”，見圖6。在分布式輸配系統(tǒng)中，這意味著，熱源主循環(huán)水泵只需克服熱源內(nèi)部的熱水循環(huán)阻力和靠近熱源的主干線循環(huán)阻力，而遠(yuǎn)離熱源(近用戶)主干線和支線的循環(huán)阻力由設(shè)置于熱網(wǎng)子站的分布式水泵來克服[3]，零差壓點(diǎn)后供水壓力低于其回水壓力。

圖6 零壓差點(diǎn)選取圖

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于熱源與供熱負(fù)荷中心距離較遠(yuǎn)的情況，零壓差點(diǎn)位置選取在集中度較高的熱用戶之前。

1.3 供熱系統(tǒng)的水力工況分析

分布式水泵根據(jù)其承擔(dān)的循環(huán)流量和揚(yáng)程來選型。流量根據(jù)水泵承擔(dān)的供熱負(fù)荷確定；揚(yáng)程以零壓差點(diǎn)為計(jì)算起點(diǎn)，根據(jù)水泵需克服的主干線及支線的循環(huán)阻力確定[4]。水泵選型不僅需要基于設(shè)計(jì)工況，還需綜合考慮實(shí)際運(yùn)行中的典型工況來確定，需要采用水力模擬分析軟件(本文采用GeoPipe軟件)建模并進(jìn)行一次工況模擬計(jì)算分析。

1.4 運(yùn)行調(diào)節(jié)

由于用戶熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)存在誤差、管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況與理論工況存在差異等原因，其分布式水泵的流量、揚(yáng)程無法完全達(dá)到工程設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中仍存在各熱網(wǎng)子站流量分配不均的水力失調(diào)問題[5]。此外，一次網(wǎng)運(yùn)行通常根據(jù)室外溫度變化采用質(zhì)、量并調(diào)，在供熱的初、末期時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)流量降低幅度較大，分布式水泵的變頻運(yùn)行仍可能無法滿足運(yùn)行需求。

上述兩點(diǎn)問題的解決，需要研發(fā)先進(jìn)的基于水泵變頻調(diào)速優(yōu)化運(yùn)行的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以確保分布式供熱輸配系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行。該系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)各熱網(wǎng)子站的熱負(fù)荷變化，自動(dòng)優(yōu)化各分布式水泵輸出功率，進(jìn)行變流量調(diào)節(jié)以準(zhǔn)確適應(yīng)供熱需求。

2 實(shí)際案例分析

2.1 臨汾市供熱基本情況

臨汾市境內(nèi)地勢(shì)北高南低，具有山地、丘陵、盆地等多種地貌類型，山地丘陵面積約占全市總面積的80%。臨汾盆地縱貫全市中部，把整體隆起的高原分為東西兩部分，使境內(nèi)總體輪廓呈“凹”字型分布。

臨汾市大型集中熱源有：山西大唐國(guó)際臨汾熱電有限公司熱電廠(大唐熱電)、山西臨汾熱電有限公司熱電廠(臨汾熱電)、靳家莊熱源廠、趙下熱源廠。如圖7所示，大唐熱電、臨汾熱電位于城市西側(cè)，靳家莊、趙下鍋爐房位于城市東側(cè)，大型集中熱源均處于地勢(shì)較高區(qū)域。入網(wǎng)面積4 000萬m2，實(shí)際供熱面積2 900萬m2，換熱站總數(shù)510座。各主力熱源供熱情況見表1。

圖7 臨汾市城市集中供熱系統(tǒng)示意圖

表1 臨汾市城市集中供熱情況表

2.2 一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)改造問題的提出

由于臨汾市城區(qū)的快速發(fā)展，主城區(qū)建筑供暖用戶迅速增加，原有供熱規(guī)劃的集中熱網(wǎng)無法應(yīng)對(duì)現(xiàn)有供熱運(yùn)行需求，存在以下問題：

1) 需要根據(jù)城市實(shí)際發(fā)展調(diào)整集中供熱規(guī)劃，根據(jù)供熱用戶分布情況，優(yōu)化城區(qū)集中熱網(wǎng)布局，以應(yīng)對(duì)近期、遠(yuǎn)期供熱負(fù)荷協(xié)調(diào)發(fā)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熱源與熱用戶的匹配。

2) 根據(jù)前幾個(gè)供暖季熱網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，臨汾熱電供往主城區(qū)和鐵東區(qū)的部分主干線及支線管網(wǎng)均存在超負(fù)荷、超壓運(yùn)行的現(xiàn)象，存在管網(wǎng)安全性隱患，亟待適當(dāng)降低管網(wǎng)運(yùn)行壓力，提高供熱安全性。

3) 隨供熱負(fù)荷增大、供熱半徑增大，采用單級(jí)主熱源循環(huán)水泵的熱網(wǎng)輸配方式，為確保部分主干線不超壓，會(huì)出現(xiàn)末端部分熱網(wǎng)子站資用壓頭不足的問題。

4) 臨汾4個(gè)主熱源處于彼此隔斷獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，事故及極端天氣等應(yīng)急情況時(shí)無法互作支援，一次網(wǎng)供熱的保障性差。

針對(duì)上述問題，基于分布式供熱輸配系統(tǒng)構(gòu)建理論與環(huán)形集中熱網(wǎng)的水力計(jì)算方法，建立臨汾市一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及運(yùn)行調(diào)節(jié)策略，并以此為基礎(chǔ)，通過南城DN1200-DN900供熱主線、北城DN1200-DN900-DN500-DN700供熱主線，連通4個(gè)熱源，實(shí)現(xiàn)環(huán)狀網(wǎng)架構(gòu)及多熱源聯(lián)合供熱，進(jìn)而構(gòu)建以熱電聯(lián)產(chǎn)為主熱源，燃?xì)忮仩t為調(diào)峰熱源的高效集中供熱系統(tǒng)。

2.3 分布式供熱輸配系統(tǒng)方案的確定

2.3.1臨汾供熱管網(wǎng)零壓差點(diǎn)的確定

臨汾市熱電聯(lián)產(chǎn)熱源距離城區(qū)較遠(yuǎn)(均為5 km以上)，熱源至市區(qū)的主干線無熱用戶。由于設(shè)置于熱電聯(lián)產(chǎn)主熱源的大型循環(huán)水泵的運(yùn)行效率高于設(shè)置于支線上的小型分布式水泵，同時(shí)，由于臨汾市地勢(shì)特點(diǎn)，主干線在入城處的高程最低，為均衡上、下游壓力，供、回水零壓差點(diǎn)選在該處。

2.3.2分布式供熱輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.3.2.1分布式水泵的選型

本文采用GeoPipe水力模擬分析軟件進(jìn)行熱網(wǎng)建模模擬計(jì)算，通過對(duì)多種工況模擬分析，確定熱源主循環(huán)水泵及分布式水泵的參數(shù)及選型。在電廠主循環(huán)水泵揚(yáng)程一定時(shí)，對(duì)不同流量下的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，根據(jù)流量和熱網(wǎng)子站處資用壓頭需求，結(jié)合高效區(qū)工作點(diǎn)要求選擇分布式水泵，以適應(yīng)多種工況下的工作需求。臨汾市2座電廠均采用2臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，在模擬分析時(shí)還需考慮當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)的運(yùn)行工況，此時(shí)零壓差點(diǎn)會(huì)發(fā)生遷移。根據(jù)不同階段(包括初、末寒期及嚴(yán)寒期等)的典型運(yùn)行工況要求，校核水泵的選型。

2.3.2.2水泵出口閥門設(shè)置

在分布式水泵聯(lián)合運(yùn)行中，水泵的工作特性曲線與管網(wǎng)阻力曲線也是變化的，需要及時(shí)掌握水泵工作點(diǎn)的變化，并采取相應(yīng)的調(diào)控措施。在實(shí)際運(yùn)行中，除采用水泵變頻調(diào)節(jié)，還應(yīng)通過調(diào)節(jié)保留的原有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，一般情況下，零壓差點(diǎn)前主要采用閥門調(diào)節(jié)，零壓差點(diǎn)后主要采用水泵調(diào)節(jié)。

2.4 運(yùn)行效果分析

2.4.1改造前

改造前一次網(wǎng)系統(tǒng)水壓圖見圖8。

圖8 改造前水壓圖

由圖8分析可知，采用分布式供熱輸配系統(tǒng)改造前，為保障末端熱網(wǎng)子站充足的資用壓頭，熱源主循環(huán)水泵必須設(shè)置較高的揚(yáng)程，由于臨汾市主熱源地勢(shì)較高，造成整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行壓力較高，地勢(shì)較低點(diǎn)運(yùn)行壓力接近設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa。

以大唐熱電為例，熱源首站進(jìn)出口壓差0.95 MPa，考慮熱源內(nèi)部阻力損失15 MPa，主循環(huán)水泵揚(yáng)程110 m。熱源總循環(huán)水量7 000 t/h。水泵效率取75%，計(jì)算水泵功率：

(3)

式中N′為水泵軸功率，kW。

采用集中式熱源單組水泵運(yùn)行方式，水泵總功率2 780 kW。

2.4.2改造后

改造后一次網(wǎng)系統(tǒng)水壓圖見圖9。

圖9 改造后水壓圖

分析圖9得出，采用分布式供熱輸配系統(tǒng)改造后，熱源主循環(huán)水泵的揚(yáng)程大幅降低，水泵裝機(jī)功率和運(yùn)行功率降低，同時(shí)，整個(gè)熱網(wǎng)運(yùn)行壓力降低，對(duì)提高地勢(shì)低點(diǎn)的管網(wǎng)運(yùn)行安全尤為重要。

電廠首站進(jìn)出口壓差0.3 MPa，站內(nèi)阻力壓頭損失15 m，因此主熱源循環(huán)水泵揚(yáng)程取45 m，循環(huán)流量保持7 000 t/h不變，經(jīng)計(jì)算電廠主循環(huán)水泵功率為1 150 kW。

分布式供熱輸配系統(tǒng)水泵裝機(jī)總功率：

N0=∑Ni

(4)

式中Ni為第i臺(tái)水泵的功率，kW。

通過GeoPipe軟件模擬計(jì)算，確定各熱網(wǎng)子站資用壓頭，選取分布式水泵。各分布式水泵的裝機(jī)功率總和為790 kW。

綜上，改造后實(shí)際熱網(wǎng)水泵總功率由2 780 kW降低至1 940 kW，降幅30%。管網(wǎng)運(yùn)行壓力降低0.3 MPa。

2.5 分布式供熱輸配系統(tǒng)一次網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的實(shí)現(xiàn)

臨汾市熱力公司于2017—2018年實(shí)施了分布式供熱輸配系統(tǒng)的改造工作，在303座熱網(wǎng)子站上安裝了分布式變頻水泵。為實(shí)現(xiàn)分布式供熱輸配系統(tǒng)一次網(wǎng)分布式變頻水泵局部調(diào)節(jié)和一次網(wǎng)水力平衡的統(tǒng)一調(diào)度，公司開發(fā)了供熱檢測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行效果分析、異常數(shù)據(jù)報(bào)警、數(shù)據(jù)報(bào)表生成、數(shù)據(jù)可視化展示，以及根據(jù)室外溫度及熱負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)整水泵工作點(diǎn)。

供熱初、末期，系統(tǒng)熱負(fù)荷較小，零壓差點(diǎn)向遠(yuǎn)離熱源方向偏移。零壓差點(diǎn)之前換熱站無需啟動(dòng)分布式水泵，利用原調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。零壓差點(diǎn)之后換熱站用分布式水泵調(diào)節(jié)。

嚴(yán)寒期，室外溫度與氣象局溫度綜合取未來72 h室外溫度加權(quán)平均值作為計(jì)算值。結(jié)合質(zhì)調(diào)節(jié)修正公式，寫入自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)室外溫度變化調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度設(shè)定值。二次網(wǎng)供水溫度設(shè)定值關(guān)聯(lián)分布式運(yùn)行。

在多數(shù)晴好天氣情況下，晝夜溫差較大，且中午時(shí)段光照較強(qiáng)，室內(nèi)得熱量大，室內(nèi)溫度較高，根據(jù)每日室外溫度變化及日照變化規(guī)律，設(shè)置分時(shí)段補(bǔ)償，通過調(diào)整一次網(wǎng)分布式水泵工作點(diǎn)，調(diào)整供熱參數(shù)，保障室內(nèi)溫度舒適穩(wěn)定的同時(shí)，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。具體補(bǔ)償方式為：將質(zhì)調(diào)節(jié)理論公式與實(shí)際情況結(jié)合，下午光照充足室外溫度較高時(shí)間段，根據(jù)光照輻射強(qiáng)度及室外溫度變化調(diào)整(降低)二網(wǎng)供水溫度2～3 ℃，供暖期中除極寒天氣及連續(xù)陰天未補(bǔ)償天數(shù)約30 d，每天平均補(bǔ)償時(shí)段長(zhǎng)約4 h，整個(gè)供暖期啟用分時(shí)段補(bǔ)償可降低能耗約1.28%。供熱初、末期分布式水泵可分時(shí)段啟停。

此外，一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)及數(shù)據(jù)平臺(tái)改造完成后，改善了一次網(wǎng)水力工況，縮短了冷熱不均時(shí)間，降低了能耗。根據(jù)計(jì)量表數(shù)據(jù)，改造前后供暖期平均熱耗由0.351 GJ/m2降低至0.315 GJ/m2，節(jié)能率11%。

圖10、11分別為臨汾市熱力供應(yīng)有限公司供熱調(diào)度中心和數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面。

圖10 臨汾市熱力供應(yīng)有限公司供熱調(diào)度中心實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖11 供熱調(diào)度中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)界面

3 結(jié)論

相比集中式熱源單泵方式，一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)在減少熱網(wǎng)循環(huán)泵電耗、解決熱網(wǎng)水力失調(diào)和降低一次網(wǎng)運(yùn)行壓力等方面優(yōu)勢(shì)顯著。臨汾市熱力供應(yīng)有限公司科研團(tuán)隊(duì)在經(jīng)過系統(tǒng)化的理論分析、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行策略制定等研究工作后，對(duì)臨汾市區(qū)熱網(wǎng)進(jìn)行了分布式供熱輸配系統(tǒng)改造，主要經(jīng)驗(yàn)如下：

1) 設(shè)計(jì)階段，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況影響較大，因此需要借助相關(guān)水力模擬分析軟件對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行校核對(duì)比，然后進(jìn)行多工況分析。

2) 分布式供熱輸配系統(tǒng)的要點(diǎn)是在供熱規(guī)模相對(duì)穩(wěn)定基礎(chǔ)上，因地制宜應(yīng)用，精準(zhǔn)的多工況設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)控的智能化水平尤為關(guān)鍵。

3) 運(yùn)行階段，采用可靠的自控化控制系統(tǒng)，是分布式供熱輸配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要條件，根據(jù)室外溫度及熱負(fù)荷變化，以及管網(wǎng)水力運(yùn)行工況，自動(dòng)調(diào)整水泵工作點(diǎn)，滿足用戶需求。

4) 臨汾市熱力公司經(jīng)過3年的全網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)改造運(yùn)行，有效解決了局部熱網(wǎng)調(diào)節(jié)困難、管網(wǎng)運(yùn)行壓力過高的問題。此外，一次網(wǎng)分布式供熱輸配系統(tǒng)及數(shù)據(jù)平臺(tái)改造完成后，改善了一次網(wǎng)水力工況，縮短了冷熱不均時(shí)間，降低了能耗，本案例運(yùn)行電耗減少30%，熱耗率降低11%。