關(guān)于多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的探索

袁春明

(山東和光智慧能源科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱是一種集中供熱形式，其關(guān)鍵是在保證用戶供熱質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)各熱源供熱的靈活調(diào)度。新一輪科技革命背景下，多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)利用智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)供熱的實(shí)時(shí)調(diào)度、自動(dòng)監(jiān)控和信息管，故障條件下無(wú)需停運(yùn)維修，只需合理調(diào)度即可滿足用戶用熱需要，能有效提高工人各系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)組成

多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)是指具有兩個(gè)或兩個(gè)以上熱源采用同一熱網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)合集中供熱的系統(tǒng)。相較于單一熱源供熱系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)運(yùn)行不僅可以有效節(jié)約能源，還能提高供暖可靠性，實(shí)現(xiàn)水利工況優(yōu)化，平衡供熱效果。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)

1.1 熱用戶

熱用戶是多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的終端，也是熱源服務(wù)的最終用戶。多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的根本目的是滿足我國(guó)大部分地區(qū)居民用暖需求，為其提供穩(wěn)定、可靠的高品質(zhì)熱源。而由于不同地區(qū)居民對(duì)采暖需求的不同，多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)中可以為居民用戶提供自行調(diào)節(jié)的工具，讓用戶結(jié)合自身需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.2 熱網(wǎng)

熱網(wǎng)是指多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的供熱管網(wǎng)，是多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的輸配環(huán)節(jié)。熱源入網(wǎng)前應(yīng)裝設(shè)入網(wǎng)調(diào)節(jié)閥，入網(wǎng)后兩側(cè)的主干線必須安裝調(diào)節(jié)閥，以調(diào)節(jié)兩側(cè)流量，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的阻力平衡。主干線的分支需安裝分支調(diào)節(jié)閥，以消耗用戶多余的壓差，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的平衡。隨著我國(guó)加快市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國(guó)大部分地區(qū)供熱管網(wǎng)不斷完善，能有效協(xié)助熱力公司加強(qiáng)多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱集中管理和調(diào)度，提高能源利用效率。目前我國(guó)供熱管網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)由環(huán)狀管網(wǎng)和樹(shù)狀管網(wǎng)兩種，具體結(jié)構(gòu)需結(jié)合實(shí)際情況而定。熱網(wǎng)優(yōu)化的主要目的是在保證滿足不同地區(qū)熱用戶對(duì)供暖需求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)熱源輸配能耗最小。目前熱網(wǎng)優(yōu)化的主要工作在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段，設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)優(yōu)化熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)，包括熱網(wǎng)走向和管徑大小，現(xiàn)在越來(lái)越多地區(qū)的熱網(wǎng)結(jié)構(gòu)開(kāi)始由環(huán)裝管網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?shù)狀管網(wǎng)，以提高供熱效率和熱網(wǎng)運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性。運(yùn)行階段主要探討管網(wǎng)上流量?jī)?yōu)化配置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)熱網(wǎng)的合理調(diào)節(jié)，滿足其熱量均勻和水力平衡的要求。

而且多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)與單熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)存在較大不同，前者設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合調(diào)峰熱源全部啟動(dòng)、全系統(tǒng)由主熱源供熱、全系統(tǒng)由調(diào)峰熱源在事故狀態(tài)下供熱等運(yùn)行狀態(tài)下的水力工況做校核計(jì)算，再確定熱網(wǎng)主干線及其管徑。后者熱網(wǎng)主干線首末端均為大管徑，且首末端分別為基本熱源、調(diào)峰熱源的出口，彼此間的管線即為主干線。

1.3 熱源

1.3.1 熱源的概念和分類

熱源是多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的供熱來(lái)源，是符合將人造或是天然的能源裝置轉(zhuǎn)化為符合供熱系統(tǒng)基本要求的裝置的總稱。常見(jiàn)的熱源有熱電廠、區(qū)域鍋爐房、熱泵和太陽(yáng)能、地?zé)崮艿仍O(shè)備。

熱電廠是聯(lián)合生產(chǎn)電能和熱能的發(fā)電廠，其供熱原理可概括為“熱電聯(lián)產(chǎn)”，具體如下：加熱鍋爐水，得到高溫高壓蒸汽-驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電-汽輪機(jī)高溫蒸汽冷卻得到凝結(jié)水-凝結(jié)水進(jìn)入鍋爐被加熱蒸發(fā)?！盁犭娐?lián)產(chǎn)”的供熱方式不僅可以實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，還能提高能源利用效率。現(xiàn)階段，熱電廠供熱依據(jù)供熱汽輪機(jī)的形式可劃分為三種“熱電聯(lián)產(chǎn)”系統(tǒng)。第一，凝汽式汽輪機(jī)供熱系統(tǒng)。通過(guò)導(dǎo)汽管開(kāi)孔抽汽或低真空串聯(lián)運(yùn)行和拆除部分葉輪進(jìn)行改裝得到的汽輪機(jī)組來(lái)為系統(tǒng)供熱。第二，抽氣式汽輪機(jī)供熱系統(tǒng)。將汽輪機(jī)組提供的高溫?zé)崴杞?jīng)過(guò)換熱裝置進(jìn)行換熱，經(jīng)過(guò)循環(huán)放熱后再返回?zé)犭姀S。第三，壓式汽輪機(jī)供熱系統(tǒng)。使用排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機(jī)組進(jìn)行供熱。

區(qū)域鍋爐房是給兩個(gè)或兩個(gè)以上單位熱用戶供熱的鍋爐房。其供熱基本原理是利用燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，將循環(huán)水加熱成為高溫?zé)崴蛘羝?，之后通過(guò)熱網(wǎng)將高溫的熱水或蒸汽輸送到熱用戶用熱設(shè)施中，滿足其生活、工作用熱。區(qū)域鍋爐房具有投資小、占地小的優(yōu)勢(shì)，而且熱效率高。

1.3.2 熱源選擇

通常情況下，多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)熱源結(jié)構(gòu)有兩種，其一，以一大型鍋爐房為基本熱源，其余幾個(gè)小型鍋爐房為峰荷熱源。其二，以一個(gè)或幾個(gè)熱電廠為基本熱源，其余幾個(gè)小型鍋爐房為峰荷熱源。合理選擇熱源是多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。一般情況下，選擇熱源需滿足如下要求：第一，并網(wǎng)熱源選擇時(shí)要保證供熱參數(shù)一致。第二，系統(tǒng)中主熱源的供熱能力不得超過(guò)系多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)供熱能力的30%。第三，熱源盡量處于熱用戶分布的中心位置。

1.3.3 熱源的結(jié)構(gòu)

熱源構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 熱源構(gòu)造圖

由圖2可知，調(diào)峰熱源在循環(huán)水泵一旁設(shè)置通管Ⅰ，熱源總供水干管間旁設(shè)置通管Ⅱ。前者可以在調(diào)峰熱源停運(yùn)時(shí)，將熱網(wǎng)管道中的水由供水干管導(dǎo)入調(diào)峰熱源，經(jīng)過(guò)散熱后再由回水干管流入熱網(wǎng)。并且在調(diào)峰熱源啟動(dòng)時(shí)，將熱網(wǎng)管道中的水由總回水管導(dǎo)入調(diào)峰熱源，加熱后再導(dǎo)入熱網(wǎng)的總供水管中。而后者可以調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的循環(huán)水量、供回水溫度和供回水壓差，保證多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1.3.4 熱源設(shè)計(jì)

第一，系統(tǒng)定壓。結(jié)合熱用戶分布確定系統(tǒng)定壓點(diǎn)壓力，具體位置一般選擇在循環(huán)水泵吸入口處；第二，確定回水入網(wǎng)壓力。保證各熱源回水入網(wǎng)壓力一致或在一定限值內(nèi)；第三，確定熱源循環(huán)水泵。宜選用變速泵，配合多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)靈活調(diào)度，以降低損耗；第四，選擇事故工況加壓泵。依據(jù)相鄰熱源事故工況水力計(jì)算結(jié)果確定加壓泵；第五，閥門(mén)設(shè)置。熱源入網(wǎng)前后需要在供回水干線上安裝調(diào)節(jié)閥、關(guān)斷閥和分段閥。

2 多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)調(diào)度依據(jù)

2.1 熱量平衡

熱量平衡是確保多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障。熱量平衡要求供熱期間內(nèi)各熱源總供熱量應(yīng)等于熱用戶總需熱量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在一定時(shí)間段內(nèi)，各熱源的小時(shí)供熱量與該熱源承擔(dān)的供熱用戶小時(shí)需熱量一致?；蚴窃谝欢ü釁^(qū)域內(nèi)，各熱源的小時(shí)供熱量總和與該區(qū)域內(nèi)同時(shí)間段的熱用戶需熱量總和相等。在多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)工作期間，為保證系統(tǒng)供熱的穩(wěn)定性、可靠性，需要結(jié)合各熱源供熱能力繪制熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間曲線，進(jìn)而確定不同外溫下的熱用戶需熱量，為工作人員系統(tǒng)調(diào)度提供可靠依據(jù)。圖3為熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間曲線圖。

圖3 熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間曲線圖

2.2 流量平衡

流量平衡是熱量平衡的前提條件。流量平衡要求供熱系統(tǒng)各區(qū)段實(shí)際循環(huán)總流量應(yīng)該等于該區(qū)段的設(shè)計(jì)流量，且各熱用戶的實(shí)際循環(huán)流量應(yīng)該等于該熱用戶的設(shè)計(jì)流量。多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的突出優(yōu)勢(shì)是可以改善熱網(wǎng)供熱冷卻不均的情況，提高系供熱穩(wěn)定性。而熱網(wǎng)供熱負(fù)荷與熱網(wǎng)循環(huán)水量密切相關(guān)，調(diào)度熱網(wǎng)循環(huán)水量相當(dāng)于重新分配熱用戶供熱量。由此可見(jiàn)，流量平衡對(duì)多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱穩(wěn)定至關(guān)重要。

在多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果該熱用戶設(shè)計(jì)流量等于其實(shí)際循環(huán)流量，則相當(dāng)于各熱源供熱范圍、大小和區(qū)段均在理想工況條件下，此時(shí)系統(tǒng)供熱個(gè)流量平衡。當(dāng)設(shè)計(jì)流量大于實(shí)際循環(huán)量時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)流量平衡被破壞，則需要采用恰當(dāng)?shù)氖侄卧诒ＷC干線流量不變的前提下，增加用戶流量，使系統(tǒng)流量平衡。水利交匯點(diǎn)是劃分各熱源供熱范圍的關(guān)鍵。其相當(dāng)于把一個(gè)多熱源的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)解裂為多個(gè)單熱源供熱系統(tǒng)，每個(gè)熱源承擔(dān)一定范圍的供熱面積。由此可見(jiàn)，確定水利交匯點(diǎn)是解決流量平衡的關(guān)鍵。水利交匯點(diǎn)一般有兩種情況，其一是該點(diǎn)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)，其二是該點(diǎn)成為兩股流體相向流動(dòng)的匯交點(diǎn)。而且水利交匯點(diǎn)與熱源數(shù)量、容量和熱網(wǎng)管道結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

1≤≥+-1

上式中表示熱源數(shù)量；表示水利交匯點(diǎn)的數(shù)量；表示熱網(wǎng)環(huán)路的數(shù)量。結(jié)合上述公式不難看出，隨著熱網(wǎng)環(huán)路的增加，系統(tǒng)水利交匯點(diǎn)的數(shù)目也逐漸增多，且當(dāng)熱負(fù)荷分布均勻且熱源與熱負(fù)荷供需平衡時(shí)，水利交匯點(diǎn)個(gè)數(shù)最多。為此，在設(shè)計(jì)階段，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙選取水利交匯點(diǎn)，并通過(guò)流量調(diào)節(jié)手段保證理想流量和實(shí)際循環(huán)流量的平衡，進(jìn)而保證該熱源區(qū)域供需平衡。

2.3 壓力平衡

流量和壓力密切相關(guān)，兩者間存在確定的函數(shù)關(guān)系。通常情況下，通過(guò)壓力檢測(cè)和壓力平衡等手段可以間接判斷流量平衡。多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力平衡的主要辦法如下：第一，借用滿足用戶資用壓頭平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)熱用戶流量的平衡。第二，各熱源承擔(dān)的分區(qū)供熱系統(tǒng)，其各個(gè)恒壓點(diǎn)壓力必須在設(shè)定的數(shù)值下運(yùn)行，保證全網(wǎng)壓力穩(wěn)定進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各熱源間流量均勻分配的重要措施。第三，使設(shè)定匯交點(diǎn)處的區(qū)段供水壓力最低，回水壓力最高。

3 多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度辦法

3.1 熱用戶優(yōu)化調(diào)度

熱用戶優(yōu)化調(diào)度是實(shí)現(xiàn)熱量和流量平衡，保證系統(tǒng)供熱滿足用戶的用熱需求。但由于熱用戶很少主動(dòng)對(duì)熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)，為此，熱用戶優(yōu)化調(diào)度可看做是熱力站一次調(diào)節(jié)。同時(shí)考慮到熱力站內(nèi)運(yùn)行工況和二次網(wǎng)循環(huán)水量的不同不能將熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果作為熱力站一次調(diào)節(jié)的依據(jù)。為此，在實(shí)踐中，需要通過(guò)多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控各熱力站的運(yùn)行工況，實(shí)時(shí)采集各參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送至統(tǒng)一調(diào)度中心，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)計(jì)算分析后，將調(diào)節(jié)指令發(fā)送至各熱力站的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)。與此同時(shí)，由于部分小型熱力站對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供熱的影響不大，熱力站可以結(jié)合室外溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。即通過(guò)自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供熱量的氣候補(bǔ)償，改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，通過(guò)控制用戶側(cè)水量實(shí)現(xiàn)供熱量的調(diào)節(jié)。除此之外，太陽(yáng)能輻射和作息時(shí)間在一定程度上也能影響熱負(fù)荷，為此，熱力站可以通過(guò)環(huán)境模擬綜合考慮太陽(yáng)能輻射和夜間休息時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)系統(tǒng)供熱的影響，從而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在滿足用戶用熱需求的前提下節(jié)約能源。

3.2 熱網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度

熱網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度的根本目的是在各種工況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量平衡和熱量平衡，并尋找最優(yōu)的干管上閥門(mén)狀態(tài)的組合，使得系統(tǒng)中循環(huán)水泵的能耗最小。具體可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)水力工況和熱力工況調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，而兩種調(diào)節(jié)路徑的根本目的是實(shí)現(xiàn)流量平衡和熱量平衡。水力工況調(diào)節(jié)一般步驟如下：第一，結(jié)合室外氣溫資料和熱源調(diào)度方案，確定熱源優(yōu)先等級(jí)和運(yùn)行規(guī)律，合理制定水泵運(yùn)行調(diào)解方案；第二，找出水利交匯點(diǎn)位置，調(diào)整多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)運(yùn)行工況，改變水力匯交點(diǎn)的位置會(huì)使得各個(gè)熱源的循環(huán)水流量配置發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)流量平衡。熱力工況調(diào)節(jié)方法有兩種，分別是質(zhì)量合并調(diào)節(jié)和有質(zhì)調(diào)節(jié)，前者可以同時(shí)調(diào)節(jié)熱網(wǎng)的供回水溫度和供熱管網(wǎng)的流量。后者則是在定流量條件下調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)的供、回水溫度。無(wú)論何種方法，其調(diào)節(jié)的主要目的是使供水溫度保持一致。

3.3 熱源優(yōu)化調(diào)度

熱源優(yōu)化調(diào)度的根本目的是確定系統(tǒng)最佳運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)降本節(jié)能，其主要方法是根據(jù)熱負(fù)荷的特性和其分配的比例進(jìn)行調(diào)度。為此，工作人員需綜合考慮溫度、濕度、通風(fēng)和太陽(yáng)輻射等外界環(huán)境因素對(duì)供熱負(fù)荷的影響，實(shí)時(shí)計(jì)算熱負(fù)荷，了解熱負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化。同時(shí)應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)并發(fā)送和采集信息，以更好地適應(yīng)熱源的啟運(yùn)規(guī)律。由運(yùn)行調(diào)度中心把控各熱源啟運(yùn)順序及熱源供熱量，合理預(yù)測(cè)下個(gè)供暖期可能負(fù)擔(dān)的總供熱量，并制定出各階段隨室外溫度變化的供熱調(diào)節(jié)表，用來(lái)調(diào)度整個(gè)供熱系統(tǒng)的運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱是未來(lái)城市供熱發(fā)展的必然趨勢(shì)，是新時(shí)期下實(shí)現(xiàn)降本增效、節(jié)能提質(zhì)的先進(jìn)供熱技術(shù)。為保證多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)地正常、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行階段，要重視“熱量平衡”“流量平衡”“壓力平衡”，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況，合理進(jìn)行羽化調(diào)度，以更好地滿足用戶用戶需求。