【培訓(xùn)】城鎮(zhèn)智慧供熱技術(shù)暨供熱管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控技術(shù)培訓(xùn)班將于2017年3月3—5日在廈門(mén)市舉辦。報(bào)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(yīng)用

清華大學(xué)    石兆玉

摘　要：本文重點(diǎn)講述多熱源供熱系統(tǒng)中分布式輸配動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)方法，分別介紹了環(huán)網(wǎng)與樹(shù)枝狀網(wǎng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，還就分布式輸配系統(tǒng)的特點(diǎn)，探究了調(diào)峰熱源的設(shè)置方法。

關(guān)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(lái)，業(yè)內(nèi)人員，對(duì)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(shì)，有了越來(lái)越清晰的認(rèn)識(shí)。2013年7月，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)院已將《分布式冷熱輸配系統(tǒng)用戶裝置設(shè)計(jì)與安裝》[1]正式作為國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集（13K511）頒布實(shí)施。這一舉措，必將加速該技術(shù)在供熱行業(yè)內(nèi)的推廣、應(yīng)用。目前在實(shí)際工程的推廣、應(yīng)用中，除了積極總結(jié)，完善某些技術(shù)細(xì)節(jié)外，還有一些技術(shù)質(zhì)疑需要進(jìn)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(yīng)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(wèn)題作一些技術(shù)探討，通過(guò)如下技術(shù)分析，可以明確作出結(jié)論：分布式輸配供熱系統(tǒng)完全適用于多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，在大型供熱系統(tǒng)中，分布式輸配系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

　　關(guān)于多熱源聯(lián)網(wǎng)的一些基本技術(shù)問(wèn)題，作者在《供熱系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)節(jié)與控制》[2]、“供熱系統(tǒng)多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行再認(rèn)識(shí)” [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(shù)要點(diǎn)，以期業(yè)內(nèi)人員展開(kāi)討論。

　　1、環(huán)狀管網(wǎng)中的應(yīng)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(yīng)采用環(huán)狀管網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)是將主干線設(shè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(hào)     1~8—熱用戶編號(hào)

　　1.1熱源循環(huán)泵的設(shè)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(shè)Ⅰ為主熱源。當(dāng)供熱規(guī)模較大時(shí)，管網(wǎng)還可以有主環(huán)，分環(huán)之分。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，環(huán)網(wǎng)（特別是主環(huán)網(wǎng)）通常采用同管徑設(shè)置。為方便起見(jiàn)，主環(huán)表出了1-6六個(gè)熱用戶（含熱力站），分環(huán)表出了7-8兩個(gè)熱用戶（含熱力站）。

　　在文獻(xiàn)[2]、[3]中，作者指出：在整個(gè)供熱期間，應(yīng)根據(jù)熱量平衡的運(yùn)行原則，制定各熱源有序協(xié)調(diào)運(yùn)行方案。在不同的室外溫度下，熱源（含鍋爐的臺(tái)數(shù)）的運(yùn)行數(shù)量不同，與之相對(duì)應(yīng)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(diǎn)確定。一般情況下，水力匯交點(diǎn)的數(shù)量與熱源運(yùn)行的數(shù)量相等。在初寒期，當(dāng)只有主熱源運(yùn)行時(shí)，只有一個(gè)水力匯交點(diǎn)，系統(tǒng)全由主熱源供熱。當(dāng)進(jìn)入中寒期，若有了二個(gè)熱源運(yùn)行，此時(shí)將有二個(gè)水力匯交點(diǎn)，把主環(huán)網(wǎng)分成二個(gè)供熱區(qū)，各由Ⅰ，Ⅱ熱源供熱。當(dāng)處嚴(yán)寒期，需要所有熱源啟動(dòng)運(yùn)行（圖1.1為3個(gè)熱源），這樣，3個(gè)水力匯交點(diǎn)將把主環(huán)網(wǎng)分成3個(gè)供熱區(qū)，分別由Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ熱源供熱。圖1.1只畫(huà)了二個(gè)水力匯交點(diǎn)，即熱用戶2和5，同時(shí)也繪制出了相應(yīng)的水壓圖（圖1.1中的實(shí)線部分為主環(huán)網(wǎng)在三個(gè)熱源同時(shí)運(yùn)行時(shí)的部分水壓圖）。從圖1.1可以看出：在三個(gè)熱源同時(shí)運(yùn)行時(shí)，由于2、5熱用戶為水力匯交點(diǎn)，同時(shí)，此時(shí)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?。顯然，2、5熱用戶為水力匯交點(diǎn)。

　　通過(guò)上述分析，清楚了多熱源的基本運(yùn)行工況以后，環(huán)網(wǎng)的熱源循環(huán)水泵的設(shè)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(dān)管網(wǎng)和熱用戶的輸配功能。對(duì)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(méi)有熱用戶分流，易于空載運(yùn)行，因此，從節(jié)電的角度出發(fā)，熱源循環(huán)泵除負(fù)責(zé)熱源內(nèi)部水循環(huán)外還應(yīng)承擔(dān)熱源至主環(huán)網(wǎng)之間的輸配功能。其揚(yáng)程應(yīng)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(dāng)熱源運(yùn)行數(shù)量不同時(shí)，各熱源循環(huán)泵的揚(yáng)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(yáng)程時(shí)，必須與不同運(yùn)行工況下各熱源分管的不同供熱范圍同時(shí)考慮。當(dāng)不同工況下的揚(yáng)程差別不大時(shí)，可選同型號(hào)的水泵通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)調(diào)整；當(dāng)揚(yáng)程差別過(guò)大時(shí)，可選不同型號(hào)的水泵，分別在不同的工況下運(yùn)行。

　　各熱源循環(huán)泵的流量應(yīng)嚴(yán)格按鍋爐的設(shè)計(jì)流量選取，最好一臺(tái)鍋爐對(duì)應(yīng)一臺(tái)熱源循環(huán)泵，以提高運(yùn)行中的靈活性。應(yīng)嚴(yán)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(yuǎn)大于鍋爐循環(huán)流量，為減少鍋爐的循環(huán)壓降，勢(shì)必采取旁通混水降溫運(yùn)行，這是變相的大流量小溫差運(yùn)行方案，是不節(jié)能的落后技術(shù)，應(yīng)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(shè)均壓管，并在均壓管上設(shè)置變頻調(diào)速旁通定壓裝置，具體做法可見(jiàn)“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(shè)置

　　供熱系統(tǒng)末端統(tǒng)指熱力站，樓棟和熱用戶。對(duì)多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)，主要指主環(huán)網(wǎng)以遠(yuǎn)的系統(tǒng)。首先討論熱力站中一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵的選型。其選擇方法見(jiàn)“供熱系統(tǒng)分布式變頻循環(huán)水泵的設(shè)計(jì)” [5]一文。分布式循環(huán)水泵的流量按該熱力站一級(jí)網(wǎng)的設(shè)計(jì)流量確定。其揚(yáng)程應(yīng)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(dāng)循環(huán)環(huán)路包括系統(tǒng)的分環(huán)管網(wǎng)時(shí)（如圖1.1中與分環(huán)環(huán)路相連接的7，8熱力站），應(yīng)選擇可能的最大壓差（正常工況時(shí)，從最短回路抽水，事故工況時(shí)，可能從最長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)），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(shè)計(jì)合理，可將其差值保持在5~10米水柱之間。在一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)水泵的揚(yáng)程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將這部分正的資用壓頭計(jì)算在內(nèi)，可適當(dāng)降低待選水泵的揚(yáng)程，以利節(jié)能。當(dāng)然，在不同的運(yùn)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(guò)細(xì)計(jì)算，一般按5~10米水柱考慮即可，實(shí)際偏差，將由水泵變頻調(diào)速自動(dòng)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(jí)網(wǎng)之間的壓力分布狀況。須要重點(diǎn)說(shuō)明的是，其零壓力匯交點(diǎn)設(shè)計(jì)在該熱力站之前（見(jiàn)2用戶），目的是讓主環(huán)網(wǎng)的資用壓頭全部變?yōu)橐患?jí)網(wǎng)循環(huán)的輸出動(dòng)力，而防止數(shù)值過(guò)大，因節(jié)流造成能量損失。由此可見(jiàn)，主環(huán)網(wǎng)上供回水資用壓頭，只要設(shè)計(jì)合理，完全能夠避免無(wú)效電耗的產(chǎn)生。

　　2、枝狀管網(wǎng)中的應(yīng)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?yàn)槎€(gè)熱源。1，2，3……為若干熱用戶（含熱力站）。對(duì)于單熱源的枝狀供熱系統(tǒng)，零壓力匯交點(diǎn)設(shè)在熱源出口處是最節(jié)電的，此時(shí)不存在無(wú)效電能消耗。對(duì)于多熱源枝狀供熱系統(tǒng)，如圖2.1所示：

圖2.1多熱源枝狀網(wǎng)分布式輸配供熱系統(tǒng)示意圖

Ⅰ，Ⅱ—熱源編號(hào)     1~6—熱用戶編號(hào)

　　若依然將零壓力匯交點(diǎn)設(shè)置在熱源出口處，則須要對(duì)不同運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)際分析：先考慮開(kāi)始供熱的初寒期，只起動(dòng)Ⅰ熱源（設(shè)為主熱源），此時(shí)1熱力站的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)泵揚(yáng)程最小，而4熱力站（系統(tǒng)最末端）的一級(jí)網(wǎng)分布式循環(huán)揚(yáng)程最大。此時(shí)系統(tǒng)符合分布式輸配的最佳設(shè)計(jì)理念，因而最節(jié)電。但當(dāng)氣溫逐漸變冷，熱負(fù)荷增大，需要起動(dòng)Ⅱ熱源時(shí)，運(yùn)行工況將發(fā)生變化，特別當(dāng)各熱源的供熱能力不同時(shí)，一級(jí)網(wǎng)的各分布式循環(huán)泵的適應(yīng)能力將存在困難。如圖2.1所示的兩個(gè)熱源的供熱系統(tǒng)，若在設(shè)計(jì)外溫下，主熱源Ⅰ可承當(dāng)2/3的熱負(fù)荷，Ⅱ熱源承擔(dān)剩下的1/3熱負(fù)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(huì)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(yuǎn)的熱水熱量。然而這在現(xiàn)實(shí)工程實(shí)例中是很難做到的。因?yàn)殡x熱源Ⅰ越遠(yuǎn)的熱用戶，其揚(yáng)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(jié)果是適得其反，是事與愿違的大量搶走了Ⅱ熱源的熱量。因?yàn)樵摕嵊脩舻墓岚霃诫x熱源Ⅱ更近，由于其抽力大，必然攪亂熱源Ⅱ的供熱范圍，達(dá)不到預(yù)期的供熱目標(biāo)。由上分析，說(shuō)明在熱源出口處設(shè)置零壓力匯交點(diǎn)對(duì)于樹(shù)枝狀的多熱源系統(tǒng)是不適宜的。

　　對(duì)于樹(shù)枝狀多熱源供熱系統(tǒng)，合理的設(shè)計(jì)方法，同環(huán)狀網(wǎng)一樣，熱源循環(huán)泵的揚(yáng)程仍然應(yīng)承擔(dān)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(jí)網(wǎng)的分布式循環(huán)泵則承擔(dān)一級(jí)網(wǎng)（不含系統(tǒng)主干線）的輸配功能。為適應(yīng)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(shè)計(jì)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(shí)必須進(jìn)行系統(tǒng)流量可及性計(jì)算，在此基礎(chǔ)上對(duì)主干線的管徑進(jìn)行局部調(diào)整。

　　圖2.1還給出了多熱源運(yùn)行下的水壓圖，實(shí)線部分為主干線水壓圖，虛線部分為一級(jí)網(wǎng)水壓圖。零壓力匯交點(diǎn)應(yīng)在主干線與熱力站之間，這樣，才能避免無(wú)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(guò)大，導(dǎo)致零壓力匯交點(diǎn)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(jiàn)圖2.1中1用戶）。對(duì)于枝狀管網(wǎng)，當(dāng)主干線供熱半徑過(guò)長(zhǎng)時(shí)，特別在不同管徑的情況下，主干線壓力將勢(shì)必過(guò)大，更容易導(dǎo)致熱源近端資用壓頭超量，零壓力匯交點(diǎn)后移的現(xiàn)象。基于上述原因，對(duì)于大型多熱源供熱系統(tǒng)，應(yīng)該盡量設(shè)計(jì)成環(huán)狀管網(wǎng)，以利分布式輸配系統(tǒng)的實(shí)施。

　　3、調(diào)峰熱源的設(shè)置

　　在大型多熱源環(huán)網(wǎng)供熱系統(tǒng)中，一般設(shè)置有主熱源，調(diào)峰熱源。通常主熱源設(shè)置一個(gè)，在整個(gè)供熱期，都滿負(fù)荷運(yùn)行。在初寒期，即供熱的起始，終了階段，只主熱源一個(gè)熱源運(yùn)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(jī)組組成的熱電廠承擔(dān)主熱源。為了發(fā)電供熱負(fù)荷的穩(wěn)定性，熱化系數(shù)宜采用0.5~0.6。目前在實(shí)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(fù)荷。有時(shí)還投入減溫加濕裝置，這說(shuō)明熱化系數(shù)取值過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響主熱源的正常運(yùn)行。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，不久的將來(lái)，國(guó)內(nèi)百萬(wàn)人口以上的大城市，可能出現(xiàn)二百多個(gè)，屆時(shí)供熱規(guī)模的主熱源可能需要2~3個(gè)熱電廠共同承擔(dān)，此時(shí)每個(gè)熱電廠的熱化系數(shù)，依然應(yīng)該嚴(yán)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(shè)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(wàn)平方米供熱建筑面積。這種大型調(diào)峰熱源，在整個(gè)供熱期，運(yùn)行時(shí)間比較長(zhǎng)，通常1~2個(gè)月。對(duì)于這樣大型調(diào)峰熱源，在供熱專項(xiàng)規(guī)劃中應(yīng)有預(yù)見(jiàn)的設(shè)計(jì)安排。為了適應(yīng)分布式輸配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這樣大型調(diào)峰熱源應(yīng)與主熱源一起進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，分散布置在靠近主環(huán)網(wǎng)的周?chē)?。?guī)劃布局的原則：一是有利于主環(huán)網(wǎng)上供熱負(fù)荷的均勻分片包干；二是各熱力站應(yīng)盡量靠近主環(huán)網(wǎng)，借以減少熱源循環(huán)泵的揚(yáng)程。這樣的設(shè)計(jì)原則，可以大大簡(jiǎn)化相關(guān)的設(shè)計(jì)程序。對(duì)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(jí)管網(wǎng)的配置狀況，同樣，對(duì)于主環(huán)網(wǎng)以后的管網(wǎng)設(shè)計(jì)，不再考慮熱源的輸配狀況，既加快了并行設(shè)計(jì)的進(jìn)度，又提高了工藝設(shè)計(jì)的先進(jìn)性。

　　對(duì)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(lái)的。如果設(shè)計(jì)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(yán)寒期的調(diào)峰熱源使用。當(dāng)這些小型鍋爐房實(shí)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(yùn)行管理，最適合擔(dān)當(dāng)尖峰狀態(tài)（接近設(shè)計(jì)外溫）下的調(diào)峰熱源。因?yàn)檫@一期間，熱負(fù)荷增加幅度很大，約為初寒期熱負(fù)荷的40~50%；然而延續(xù)時(shí)間又很短，一般只有幾天到十幾天的時(shí)間，如果起動(dòng)大型調(diào)峰熱源，不但成本高，而且操作不靈活，這時(shí)這種小型調(diào)峰熱源的投運(yùn)就更顯其突出的優(yōu)越性了。小型調(diào)峰熱源的投運(yùn)，最好采取解列的運(yùn)行方式。根據(jù)整體有序協(xié)調(diào)運(yùn)行方案，在小型調(diào)峰熱源的周?chē)?，從大的供熱系統(tǒng)上就近解列一部分熱用戶（熱負(fù)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(lái)的供熱區(qū)，形成一個(gè)小型的完全分布式輸配的供熱系統(tǒng)。這種技術(shù)措施，不但能靈活適應(yīng)熱負(fù)荷的劇烈變化的特點(diǎn)，而且可使管網(wǎng)的輸送動(dòng)力減少到最小，又不影響大系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其優(yōu)越性是十分明顯的。

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