集中供熱系統(tǒng)低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行研究

惠 荷 任 礦 田 波 郭文雄

（西安中創(chuàng)區(qū)綜合能源股份有限公司 陜西西安 710118）

引言

城市集中供熱是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，集中供熱普及率、熱化率是現(xiàn)代化城市的重要標(biāo)志。集中供熱是改善城市環(huán)境、改善城市大氣質(zhì)量、提高城市現(xiàn)代化水平的重要措施，具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，是國家產(chǎn)業(yè)政策重點(diǎn)支持發(fā)展的行業(yè)。

熱源及管網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)模按照區(qū)域規(guī)劃熱負(fù)荷確定，但供熱區(qū)域的開發(fā)建設(shè)有一定的發(fā)展階段，對(duì)于初始階段，熱用戶數(shù)量少，但熱源及管網(wǎng)管徑規(guī)模大，供能面積和管網(wǎng)管徑兩者存在嚴(yán)重不匹配，因此各大熱力公司在初期建成階段均存在供熱系統(tǒng)低負(fù)荷運(yùn)行情況。為保障小面積用戶供熱，在運(yùn)行初期大部分公司采用大流量小溫差的方式運(yùn)行，循環(huán)水泵處于大流量狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高，為供熱系統(tǒng)低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行改造的應(yīng)用提供了條件。

1 傳統(tǒng)供熱

1.1 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)

集中供熱是以集中熱源所產(chǎn)生的熱水作為熱媒，通過熱網(wǎng)向一個(gè)較大區(qū)域的熱用戶供熱的方式。集中供熱具有熱負(fù)荷大、熱源規(guī)模大、熱效率高、節(jié)約燃料和勞動(dòng)力、占地面積少等優(yōu)點(diǎn)。集中供熱系統(tǒng)是由熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三部分組成的。集中供熱系統(tǒng)向許多不同的熱用戶供給熱能，供應(yīng)范圍廣[1]。傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)流程圖

1.2 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行策略

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)采用“推式”供熱模式，熱源產(chǎn)生的高溫?zé)崴ㄟ^能源站內(nèi)的循環(huán)水泵推向用能用戶側(cè)，用戶側(cè)被動(dòng)接受熱源輸送來的高溫?zé)崴?，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)水力平衡通過用戶一網(wǎng)分支上加裝的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)控，通過閥門節(jié)流實(shí)現(xiàn)。

供熱系統(tǒng)內(nèi)鍋爐房循環(huán)泵揚(yáng)程參數(shù)的選擇必須滿足4 個(gè)條件[2]，即①鍋爐的流阻壓力降；②鍋爐房內(nèi)循環(huán)水管道系統(tǒng)的壓力損失；③室外系統(tǒng)最不利環(huán)路供、回水管道系統(tǒng)的壓力損失；④最不利熱用戶內(nèi)部循環(huán)水系統(tǒng)壓力損失。

傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)通過鍋爐房內(nèi)設(shè)置的循環(huán)泵克服整個(gè)系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，將高溫?zé)崴ㄟ^供水管道送往熱用戶，散熱后的低溫回水通過回水管道送至鍋爐再加熱，如此循環(huán)，源源不斷地向熱用戶提供熱量。與圖1 對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行水壓圖見圖2[3]。

圖2 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行水壓圖

1.3 存在問題

在供熱初期運(yùn)行階段，鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，供熱鍋爐循環(huán)泵需克服系統(tǒng)最不利環(huán)路的阻力損失，因此導(dǎo)致為保證最不利用戶的資用壓力，系統(tǒng)在供熱運(yùn)行期間一直“大馬拉小車”，鍋爐循環(huán)泵也一直在推動(dòng)大管網(wǎng)內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)，系統(tǒng)耗水量巨大，且近端熱用戶存在節(jié)流損失，整個(gè)系統(tǒng)的能量消耗很大，電耗也巨大[4]。

2 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱

2.1 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)

為了解決傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)在供熱初期低負(fù)荷階段電耗大的問題，研究提出一種低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)，即在原供熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在初期熱用戶的換熱站一次回水管道上增加用戶變頻循環(huán)泵，用戶根據(jù)自身熱需求從主管中取熱，同時(shí)將熱源站內(nèi)循環(huán)泵的揚(yáng)程降低，不僅解決負(fù)責(zé)能源站內(nèi)設(shè)備及管道系統(tǒng)的阻力，還能降低能源站側(cè)電力消耗。但低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)內(nèi)鍋爐房循環(huán)泵揚(yáng)程參數(shù)的選擇必須滿足鍋爐的流阻壓力降、鍋爐房內(nèi)循環(huán)水管道系統(tǒng)的壓力損失2個(gè)條件。

低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)供熱系統(tǒng)通過鍋爐房內(nèi)設(shè)置的循環(huán)泵克服鍋爐房內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)阻力，將高溫?zé)崴ㄟ^供水管道送往供熱主管網(wǎng)，熱用戶通過用戶循環(huán)泵從主管網(wǎng)中抽取熱水進(jìn)行供熱，并將散熱后的低溫回水通過回水支網(wǎng)送至回水主管網(wǎng)后進(jìn)入鍋爐再加熱，如此循環(huán)，源源不斷地向熱用戶提供熱量。

低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)采用“拉式”供熱模式，用戶通過用戶側(cè)循環(huán)水泵將熱源產(chǎn)生的高溫?zé)崴ㄟ^供熱主管網(wǎng)拉向用能用戶側(cè)，用戶側(cè)主動(dòng)從供熱主管網(wǎng)中抽取所需高溫?zé)崴５拓?fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)見圖3。

圖3 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)流程圖

2.2 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)運(yùn)行策略

低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)分別在管網(wǎng)加熱過程、系統(tǒng)用熱過程2 種工況運(yùn)行。

2.2.1 管網(wǎng)加熱過程

在集中供熱初期，系統(tǒng)熱負(fù)荷較低時(shí)，鍋爐供水母管溫度降低至設(shè)定溫度后，開啟鍋爐循環(huán)泵，供熱鍋爐采用滿負(fù)荷運(yùn)行的方式使得鍋爐供水母管的溫度升至目標(biāo)溫度，關(guān)閉用戶循環(huán)泵，在管網(wǎng)升溫過程中通過鍋爐循環(huán)泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力，將高溫?zé)崴屯鶡嵊脩暨M(jìn)行散熱，散熱結(jié)束后通過回水管和鍋爐循環(huán)泵將熱水送至鍋爐進(jìn)行再加熱。

2.2.2 系統(tǒng)用熱過程

在鍋爐供水母管達(dá)到設(shè)定溫度后，關(guān)閉鍋爐循環(huán)泵，開啟用戶循環(huán)泵，避免鍋爐循環(huán)泵持續(xù)工作導(dǎo)致運(yùn)行電耗過多的現(xiàn)象發(fā)生。在系統(tǒng)用熱過程中，鍋爐房循環(huán)泵關(guān)閉，用戶循環(huán)泵在用戶循環(huán)泵變頻器的調(diào)解下根據(jù)用戶自身的用熱需求，從主管網(wǎng)中抽取所需流量的熱水，并使各用戶的壓頭剛好等于該用戶所要求的資用壓頭，避免節(jié)流損失，輸熱系統(tǒng)運(yùn)行功耗大大降低，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

集中供熱低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，周而復(fù)始地進(jìn)行“鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行-鍋爐循環(huán)泵開啟-升溫至設(shè)計(jì)溫度-鍋爐循環(huán)泵關(guān)閉-用戶循環(huán)泵開啟-系統(tǒng)管網(wǎng)溫度降低-用戶循環(huán)泵關(guān)閉-鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行”，通過此運(yùn)行方式達(dá)到節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的目的。與圖3 對(duì)應(yīng)的低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)用熱過程水壓圖見圖4。

圖4 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)用熱過程水壓圖

由以上分析可知，低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)熱源側(cè)為間斷運(yùn)行，即在主管網(wǎng)溫度低于溫度設(shè)定值時(shí)開啟鍋爐及熱源循環(huán)泵，提高供熱系統(tǒng)水溫；在主管網(wǎng)達(dá)到設(shè)定溫度后，關(guān)閉鍋爐循環(huán)泵，開啟用戶循環(huán)泵，由用戶根據(jù)自己的用能需求進(jìn)行熱水循環(huán)。

3 實(shí)例分析

3.1 項(xiàng)目概況

某區(qū)域規(guī)劃供熱面積約為160 萬m2，集中鍋爐房容量為1×70MW 燃?xì)鉄崴仩t，供暖期天數(shù)為120d，每天供暖時(shí)間為24h，供暖熱指標(biāo)為43.75W/m2。區(qū)域供熱管道單線長度5km，熱源出口管徑為DN500。

項(xiàng)目初期熱負(fù)荷增長緩慢，在項(xiàng)目供熱第1年供暖面積為12.8 萬m2，熱負(fù)荷為5.6MW，占總負(fù)荷比例為8%；第2 年供暖面積為28.8 萬m2，熱負(fù)荷為12.6MW，占總負(fù)荷比例為18%；第3年供暖面積為44.8 萬m2，熱負(fù)荷為19.6MW，占總負(fù)荷比例為28%；第4 年供暖面積為60.8 萬m2，熱負(fù)荷為26.6MW，占總負(fù)荷比例為38%；第5年供暖面積為76.8 萬m2，熱負(fù)荷為33.6MW，占總負(fù)荷比例為48%。

3.2 初投資分析

以傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)初投資為基準(zhǔn)0 元，低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)增加了用戶循環(huán)泵，新增加的用戶循環(huán)泵初投資費(fèi)用見表1。5個(gè)采暖季低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)投資增加21.6 萬元。

表1 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)改造初投資表

3.3 運(yùn)行費(fèi)用分析

供熱管網(wǎng)總水容量為1960m3，按照5.6MW熱負(fù)荷計(jì)算，管網(wǎng)供回水溫度100℃/70℃,管網(wǎng)初次溫升至100℃，滿足全天使用12.3h。待溫降至70℃時(shí)燃?xì)忮仩t開啟，運(yùn)行1h 至100 ℃。第1 個(gè)采暖季，鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長為217h，管網(wǎng)蓄熱式供熱時(shí)長為2663h。其他供暖季鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算見表3。經(jīng)過計(jì)算可知，5 個(gè)采暖季低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)比傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用減少94.6 萬元。

表2 低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長表

表3 供熱系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

3.4 投資對(duì)比

低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)和傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相比，補(bǔ)水系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)相同，區(qū)別只在于循環(huán)系統(tǒng)，因此本次只對(duì)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，其投資對(duì)比分析見表4。對(duì)本工程而言，前5 個(gè)采暖季低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)總的投資為66.2 萬元，傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)總的投資為139.1 萬元，節(jié)約投資72.9 萬元，5 個(gè)采暖季全周期費(fèi)用節(jié)約率為52.4%。

表4 傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)投資表

結(jié)論

由于城市集中供熱的發(fā)展都要經(jīng)歷幾年不等的低負(fù)荷運(yùn)行期，因而若按照傳統(tǒng)供熱運(yùn)行模式，在運(yùn)行初期采用大流量小溫差的方式運(yùn)行，循環(huán)水泵處于大流量狀態(tài)持續(xù)運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行能耗較大，運(yùn)行費(fèi)用較高，就導(dǎo)致了“大馬拉小車”的情況，能源浪費(fèi)非常嚴(yán)重。因此，在供熱初期低負(fù)荷運(yùn)行階段，建議采用低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)。

低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)有3 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。①熱用戶根據(jù)自己的用熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶側(cè)循環(huán)水泵的流量，新增加的用戶側(cè)循環(huán)水泵當(dāng)年的改造投入當(dāng)年就能收回，經(jīng)濟(jì)效益顯著。②低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)在運(yùn)行階段鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行，提高鍋爐的運(yùn)行效率，減少鍋爐長時(shí)間的低負(fù)荷運(yùn)行工況對(duì)設(shè)備使用壽命的影響。③低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)在用戶側(cè)通過用戶側(cè)循環(huán)泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)供熱系統(tǒng)中的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，變頻泵的調(diào)節(jié)性能優(yōu)于閥門的調(diào)節(jié)性能，更加有利于整個(gè)供熱系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)。

綜上所述，低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行供熱系統(tǒng)節(jié)約用電量、節(jié)約能源，且便于系統(tǒng)水力平衡調(diào)節(jié)，具有很大的使用空間和推廣價(jià)值。