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【培訓】城鎮(zhèn)智慧供熱技術暨供熱管網(wǎng)運行調(diào)控技術培訓班將于2017年3月3—5日在廈門市舉辦。報名電話：010-88372004 在多熱源聯(lián)網(wǎng)中分布式輸配供熱系統(tǒng)的應用 清華大學 石兆玉 摘 要：本文重點講述多熱源供熱系統(tǒng)中分布式輸配動力裝置的設計方法，分別介紹了環(huán)網(wǎng)與樹枝狀網(wǎng)的設計特點，還就分布式輸配系統(tǒng)的特點，探究了調(diào)峰熱源的設置方法。 關鍵詞：多熱源供熱系統(tǒng)，環(huán)形管網(wǎng)，枝狀管網(wǎng)，分布式輸配系統(tǒng)，主熱源，調(diào)峰熱源 近幾年來，業(yè)內(nèi)人員，對分布式輸配供熱系統(tǒng)在消除冷熱不均，節(jié)電，節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢，有了越來越清晰的認識。2013年7月，中國建筑標準設計院已將《分布式冷熱輸配系統(tǒng)用戶裝置設計與安裝》[1]正式作為國家建筑標準設計圖集（13K511）頒布實施。這一舉措，必將加速該技術在供熱行業(yè)內(nèi)的推廣、應用。目前在實際工程的推廣、應用中，除了積極總結，完善某些技術細節(jié)外，還有一些技術質(zhì)疑需要進一步探討，如分布式輸配供熱系統(tǒng)可否在大型供熱系統(tǒng)中應用？在多熱源聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中是否可行？作者在本文中，擬就這些問題作一些技術探討，通過如下技術分析，可以明確作出結論：分布式輸配供熱系統(tǒng)完全適用于多熱源聯(lián)網(wǎng)運行，在大型供熱系統(tǒng)中，分布式輸配系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。 關于多熱源聯(lián)網(wǎng)的一些基本技術問題，作者在《供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制》[2]、“供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行再認識” [3]中均有具體論述，此處不再贅述。本文主要闡述分布式輸配系統(tǒng)在多熱源聯(lián)網(wǎng)中的一些技術要點，以期業(yè)內(nèi)人員展開討論。 1、環(huán)狀管網(wǎng)中的應用 在多熱源聯(lián)網(wǎng)中，為了提高系統(tǒng)的可靠性，大多數(shù)應采用環(huán)狀管網(wǎng)，其基本結構是將主干線設置成環(huán)狀管網(wǎng)，有的大型供熱系統(tǒng)，除了主干線外，重要支線也設計為環(huán)狀管網(wǎng)。圖1.1為一典型的多熱源環(huán)狀管網(wǎng)示意圖?，F(xiàn)就該供熱系統(tǒng)分布式循環(huán)水泵的設計方法，表述如下：
圖1.1多熱源分布式輸配供熱系統(tǒng)示意圖 I~III—熱源編號 1~8—熱用戶編號 1.1熱源循環(huán)泵的設置 由圖1.1所示：多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)由Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ熱源組成，設Ⅰ為主熱源。當供熱規(guī)模較大時，管網(wǎng)還可以有主環(huán)，分環(huán)之分。為了提高系統(tǒng)的運行可靠性，環(huán)網(wǎng)（特別是主環(huán)網(wǎng)）通常采用同管徑設置。為方便起見，主環(huán)表出了1-6六個熱用戶（含熱力站），分環(huán)表出了7-8兩個熱用戶（含熱力站）。 在文獻[2]、[3]中，作者指出：在整個供熱期間，應根據(jù)熱量平衡的運行原則，制定各熱源有序協(xié)調(diào)運行方案。在不同的室外溫度下，熱源（含鍋爐的臺數(shù)）的運行數(shù)量不同，與之相對應的，各熱源在主環(huán)上分片包干的供熱范圍也不同。各熱源分片包干的供熱范圍通常由水力匯交點確定。一般情況下，水力匯交點的數(shù)量與熱源運行的數(shù)量相等。在初寒期，當只有主熱源運行時，只有一個水力匯交點，系統(tǒng)全由主熱源供熱。當進入中寒期，若有了二個熱源運行，此時將有二個水力匯交點，把主環(huán)網(wǎng)分成二個供熱區(qū)，各由Ⅰ，Ⅱ熱源供熱。當處嚴寒期，需要所有熱源啟動運行（圖1.1為3個熱源），這樣，3個水力匯交點將把主環(huán)網(wǎng)分成3個供熱區(qū)，分別由Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ熱源供熱。圖1.1只畫了二個水力匯交點，即熱用戶2和5，同時也繪制出了相應的水壓圖（圖1.1中的實線部分為主環(huán)網(wǎng)在三個熱源同時運行時的部分水壓圖）。從圖1.1可以看出：在三個熱源同時運行時，由于2、5熱用戶為水力匯交點，同時，此時Ⅰ熱源分管的供熱范圍為2、3、4、5熱用戶。從水壓圖上也可明示，熱用戶2、5的供水壓力最低?；厮畨毫ψ罡摺ｏ@然，2、5熱用戶為水力匯交點。 通過上述分析，清楚了多熱源的基本運行工況以后，環(huán)網(wǎng)的熱源循環(huán)水泵的設置方法也就一目了然了。在分布式輸配供熱系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)相比較，最大的區(qū)別是熱源循環(huán)泵不再承擔管網(wǎng)和熱用戶的輸配功能。對于環(huán)網(wǎng)多熱源供熱系統(tǒng)，由于各熱源在主環(huán)網(wǎng)之間，沒有熱用戶分流，易于空載運行，因此，從節(jié)電的角度出發(fā)，熱源循環(huán)泵除負責熱源內(nèi)部水循環(huán)外還應承擔熱源至主環(huán)網(wǎng)之間的輸配功能。其揚程應包括熱源內(nèi)部（主要含鍋爐）的系統(tǒng)壓降和至主環(huán)網(wǎng)的輸送壓降。其中特別要考慮當熱源運行數(shù)量不同時，各熱源循環(huán)泵的揚程差別。因此，在確定不同外溫條件下的各熱源循環(huán)泵的揚程時，必須與不同運行工況下各熱源分管的不同供熱范圍同時考慮。當不同工況下的揚程差別不大時，可選同型號的水泵通過變頻調(diào)速來調(diào)整；當揚程差別過大時，可選不同型號的水泵，分別在不同的工況下運行。 各熱源循環(huán)泵的流量應嚴格按鍋爐的設計流量選取，最好一臺鍋爐對應一臺熱源循環(huán)泵，以提高運行中的靈活性。應嚴防按外網(wǎng)循環(huán)流量的大小選擇熱源循環(huán)泵。這樣作，通常外網(wǎng)循環(huán)流量遠大于鍋爐循環(huán)流量，為減少鍋爐的循環(huán)壓降，勢必采取旁通混水降溫運行，這是變相的大流量小溫差運行方案，是不節(jié)能的落后技術，應盡量避免。為均衡熱源循環(huán)流量和外網(wǎng)循環(huán)流量的不一致，在各熱源處仍可設均壓管，并在均壓管上設置變頻調(diào)速旁通定壓裝置，具體做法可見“供熱系統(tǒng)分布式混水連接方式的選優(yōu)” [4]。
1.2末端循環(huán)泵的設置 供熱系統(tǒng)末端統(tǒng)指熱力站，樓棟和熱用戶。對多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)，主要指主環(huán)網(wǎng)以遠的系統(tǒng)。首先討論熱力站中一級網(wǎng)分布式循環(huán)泵的選型。其選擇方法見“供熱系統(tǒng)分布式變頻循環(huán)水泵的設計” [5]一文。分布式循環(huán)水泵的流量按該熱力站一級網(wǎng)的設計流量確定。其揚程應為該熱力站至主環(huán)網(wǎng)之間的循環(huán)環(huán)路的壓降之和。當循環(huán)環(huán)路包括系統(tǒng)的分環(huán)管網(wǎng)時（如圖1.1中與分環(huán)環(huán)路相連接的7，8熱力站），應選擇可能的最大壓差（正常工況時，從最短回路抽水，事故工況時，可能從最長回路抽水）。 從圖1.1的水壓圖中看出，主環(huán)網(wǎng)的水壓圖（實線部分），是由各熱源的循環(huán)水泵建立的。由于各熱源循環(huán)泵，是將熱水，熱量由熱源“推向”主環(huán)網(wǎng)的，因此，主環(huán)網(wǎng)的水壓圖必定是供水壓力大于回水壓力，而且在水力匯交點處（為2、5熱用戶），供水壓力最低，回水壓力最高。由于采用相同管徑布局，因此，主環(huán)網(wǎng)存在一定的正資用壓頭（最小值在水力匯交點），且水力坡線比較平緩，資用壓頭的最大值與最小值相差不大，如果設計合理，可將其差值保持在5~10米水柱之間。在一級網(wǎng)分布式循環(huán)水泵的揚程設計時，應將這部分正的資用壓頭計算在內(nèi)，可適當降低待選水泵的揚程，以利節(jié)能。當然，在不同的運行工況下，主環(huán)網(wǎng)上供回水之間的上述壓差其值是不同的，但不宜過細計算，一般按5~10米水柱考慮即可，實際偏差，將由水泵變頻調(diào)速自動找齊。 在圖1.1的水壓圖虛線中，表明了主環(huán)網(wǎng)至熱力站一級網(wǎng)之間的壓力分布狀況。須要重點說明的是，其零壓力匯交點設計在該熱力站之前（見2用戶），目的是讓主環(huán)網(wǎng)的資用壓頭全部變?yōu)橐患壘W(wǎng)循環(huán)的輸出動力，而防止數(shù)值過大，因節(jié)流造成能量損失。由此可見，主環(huán)網(wǎng)上供回水資用壓頭，只要設計合理，完全能夠避免無效電耗的產(chǎn)生。 2、枝狀管網(wǎng)中的應用 圖2.1中繪出了多熱源枝狀管網(wǎng)供熱系統(tǒng)示意圖。圖中Ⅰ，Ⅱ為二個熱源。1，2，3……為若干熱用戶（含熱力站）。對于單熱源的枝狀供熱系統(tǒng)，零壓力匯交點設在熱源出口處是最節(jié)電的，此時不存在無效電能消耗。對于多熱源枝狀供熱系統(tǒng)，如圖2.1所示：
Ⅰ，Ⅱ—熱源編號 1~6—熱用戶編號 若依然將零壓力匯交點設置在熱源出口處，則須要對不同運行工況進行實際分析：先考慮開始供熱的初寒期，只起動Ⅰ熱源（設為主熱源），此時1熱力站的一級網(wǎng)分布式循環(huán)泵揚程最小，而4熱力站（系統(tǒng)最末端）的一級網(wǎng)分布式循環(huán)揚程最大。此時系統(tǒng)符合分布式輸配的最佳設計理念，因而最節(jié)電。但當氣溫逐漸變冷，熱負荷增大，需要起動Ⅱ熱源時，運行工況將發(fā)生變化，特別當各熱源的供熱能力不同時，一級網(wǎng)的各分布式循環(huán)泵的適應能力將存在困難。如圖2.1所示的兩個熱源的供熱系統(tǒng)，若在設計外溫下，主熱源Ⅰ可承當2/3的熱負荷，Ⅱ熱源承擔剩下的1/3熱負荷。在理想的情況下，熱源Ⅰ分包2/3的熱力范圍，熱源Ⅱ分包其余的1/3供熱范圍。這樣一定會發(fā)生離熱源Ⅱ近的熱用戶（如6熱用戶）必須抽取離熱源Ⅰ遠的熱水熱量。然而這在現(xiàn)實工程實例中是很難做到的。因為離熱源Ⅰ越遠的熱用戶，其揚程必須越大，轉(zhuǎn)速必須越快，才能抽取越多的熱量，但這樣配置的結果是適得其反，是事與愿違的大量搶走了Ⅱ熱源的熱量。因為該熱用戶的供熱半徑離熱源Ⅱ更近，由于其抽力大，必然攪亂熱源Ⅱ的供熱范圍，達不到預期的供熱目標。由上分析，說明在熱源出口處設置零壓力匯交點對于樹枝狀的多熱源系統(tǒng)是不適宜的。 對于樹枝狀多熱源供熱系統(tǒng)，合理的設計方法，同環(huán)狀網(wǎng)一樣，熱源循環(huán)泵的揚程仍然應承擔熱源內(nèi)部的循環(huán)功能以及系統(tǒng)主干線的輸配功能。熱力站一級網(wǎng)的分布式循環(huán)泵則承擔一級網(wǎng)（不含系統(tǒng)主干線）的輸配功能。為適應不同外溫下各熱源分片包干供熱的靈活性，系統(tǒng)主干線最好設計成同徑的。若為舊系統(tǒng)的改造工程，如主干線全部改造為同管徑的，工程量大，但此時必須進行系統(tǒng)流量可及性計算，在此基礎上對主干線的管徑進行局部調(diào)整。 圖2.1還給出了多熱源運行下的水壓圖，實線部分為主干線水壓圖，虛線部分為一級網(wǎng)水壓圖。零壓力匯交點應在主干線與熱力站之間，這樣，才能避免無效電耗的發(fā)生。主干線供回水壓差（即主干線資用壓頭）最好和環(huán)網(wǎng)一樣，保持在5~10m水柱左右，以防止主干線資用壓頭過大，導致零壓力匯交點移至熱力站之后，造成不必要的節(jié)流（加裝調(diào)節(jié)閥）損失（見圖2.1中1用戶）。對于枝狀管網(wǎng)，當主干線供熱半徑過長時，特別在不同管徑的情況下，主干線壓力將勢必過大，更容易導致熱源近端資用壓頭超量，零壓力匯交點后移的現(xiàn)象?；谏鲜鲈?，對于大型多熱源供熱系統(tǒng)，應該盡量設計成環(huán)狀管網(wǎng)，以利分布式輸配系統(tǒng)的實施。 3、調(diào)峰熱源的設置 在大型多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)中，一般設置有主熱源，調(diào)峰熱源。通常主熱源設置一個，在整個供熱期，都滿負荷運行。在初寒期，即供熱的起始，終了階段，只主熱源一個熱源運行，就能滿足全網(wǎng)的供熱需求。一般情況下，都是大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組組成的熱電廠承擔主熱源。為了發(fā)電供熱負荷的穩(wěn)定性，熱化系數(shù)宜采用0.5~0.6。目前在實際工程中，不少熱電廠隨外溫的變化，不斷調(diào)整供電，供熱負荷。有時還投入減溫加濕裝置，這說明熱化系數(shù)取值過大，會嚴重影響主熱源的正常運行。隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，不久的將來，國內(nèi)百萬人口以上的大城市，可能出現(xiàn)二百多個，屆時供熱規(guī)模的主熱源可能需要2~3個熱電廠共同承擔，此時每個熱電廠的熱化系數(shù)，依然應該嚴格控制在要求范圍之內(nèi)。 在大型多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)中，除了主熱源外，經(jīng)常還設置大型區(qū)域鍋爐房作為調(diào)峰熱源，供熱規(guī)模一般有幾百萬平方米供熱建筑面積。這種大型調(diào)峰熱源，在整個供熱期，運行時間比較長，通常1~2個月。對于這樣大型調(diào)峰熱源，在供熱專項規(guī)劃中應有預見的設計安排。為了適應分布式輸配系統(tǒng)的設計，這樣大型調(diào)峰熱源應與主熱源一起進行統(tǒng)一規(guī)劃，分散布置在靠近主環(huán)網(wǎng)的周圍。規(guī)劃布局的原則：一是有利于主環(huán)網(wǎng)上供熱負荷的均勻分片包干；二是各熱力站應盡量靠近主環(huán)網(wǎng)，借以減少熱源循環(huán)泵的揚程。這樣的設計原則，可以大大簡化相關的設計程序。對于熱源，只考慮該熱源至主環(huán)網(wǎng)的輸配功能，不再考慮主環(huán)網(wǎng)至一級管網(wǎng)的配置狀況，同樣，對于主環(huán)網(wǎng)以后的管網(wǎng)設計，不再考慮熱源的輸配狀況，既加快了并行設計的進度，又提高了工藝設計的先進性。 對于大型供熱系統(tǒng)，往往還配置一些小型調(diào)峰鍋爐房。這些小型調(diào)峰鍋爐房，一般都是由小型鍋爐房改造后遺留下來的。如果設計合理，這些小型鍋爐房完全可以作為多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)在嚴寒期的調(diào)峰熱源使用。當這些小型鍋爐房實現(xiàn)煤改氣以后，不但燃燒效率大大提高，而且便于起停，易于運行管理，最適合擔當尖峰狀態(tài)（接近設計外溫）下的調(diào)峰熱源。因為這一期間，熱負荷增加幅度很大，約為初寒期熱負荷的40~50%；然而延續(xù)時間又很短，一般只有幾天到十幾天的時間，如果起動大型調(diào)峰熱源，不但成本高，而且操作不靈活，這時這種小型調(diào)峰熱源的投運就更顯其突出的優(yōu)越性了。小型調(diào)峰熱源的投運，最好采取解列的運行方式。根據(jù)整體有序協(xié)調(diào)運行方案，在小型調(diào)峰熱源的周圍，從大的供熱系統(tǒng)上就近解列一部分熱用戶（熱負荷與調(diào)峰熱源的供熱量一致），交由小型的調(diào)峰熱源供熱，使解列出來的供熱區(qū)，形成一個小型的完全分布式輸配的供熱系統(tǒng)。這種技術措施，不但能靈活適應熱負荷的劇烈變化的特點，而且可使管網(wǎng)的輸送動力減少到最小，又不影響大系統(tǒng)的正常運行，其優(yōu)越性是十分明顯的。 參考文獻： [1]《分布式冷熱輸配系統(tǒng)用戶裝置設計與安裝》，（中國建筑標準設計圖集13K511），中國建筑標準設計研究院，中國計劃出版社，2013.7 [2]《供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)與控制》，石兆玉，清華大學出版社，1994.1 [3]“供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行再認識”，石兆玉，《供熱與制冷》，2006.2 [4]“供熱系統(tǒng)分布式混水連接方式的選優(yōu)”，石兆玉，《區(qū)域供熱》，2009.6 [5]“供熱系統(tǒng)分布式變頻循環(huán)水泵的設計”，石兆玉，《暖通空調(diào)標準與質(zhì)檢》，2006年3期 [6]“全網(wǎng)分布式輸配供熱系統(tǒng)的優(yōu)越性”，石兆玉，《區(qū)域供熱》，2013.4期 |
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