同方股份有限公司      秦 冰 秦緒忠
中國市政工程華北設計研究院 陳 泓 胥津生
大同市熱力有限責任公司   楊曉和 梁 文

     【摘 要】分布式變頻泵系統(tǒng)作為一種較新的熱網(wǎng)型式，有減少管網(wǎng)輸送費用、降低管網(wǎng)運行壓力、增強管網(wǎng)水力穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點，在我國正得以不斷的推廣應用。本文以某大型分布式變頻泵管網(wǎng)系統(tǒng)為例，討論了在多熱源聯(lián)合供熱的條件下，不同的熱源運行方式和熱網(wǎng)運行方式對分布式變頻泵管網(wǎng)系統(tǒng)的影響。
     【關鍵詞】供熱 管網(wǎng) 分布式變頻泵 多熱源 聯(lián)合供熱

     1.概述
     2006年采暖季，在原有設計能力基礎上，某市集中供熱管網(wǎng)規(guī)劃新增供熱負荷約30％，總供熱規(guī)模將超過1000萬平米，如此大幅度的負荷擴展，熱源和熱網(wǎng)均需作較大調整：
     1）熱源方面
     該市原有兩個熱電廠的熱源的供熱能力已經(jīng)不能滿足集中供熱負荷發(fā)展的需求，目前正在兩個熱源附近新建新的熱電廠，利用該熱電廠發(fā)電后的抽汽供熱。三個熱源均位于該市城西，三個熱源相互間距離很近，但距離城區(qū)較遠，約為7kM。三個熱源基本情況如下：
?誗 1＃熱源，有兩臺200MW供熱機組，總供熱能力472MW，主要供應市區(qū)東南區(qū)域；
?誗 2＃熱源：有兩臺50MW單抽機組，總供熱能力204MW，主要供應市區(qū)西北區(qū)域；
?誗 3＃熱源：在建的135MW和50MW供熱機組各一臺，總供熱能力240MW。 
     新建的3＃熱源需要利用已有的兩條主管道實現(xiàn)三熱源的聯(lián)合供熱，其供熱流量分為兩部分，一部分與1＃熱源匯合后供應市區(qū)東南區(qū)域，一部分與2＃熱源匯合后供應市區(qū)西北區(qū)域?？紤]到1＃、2＃熱源主循環(huán)泵揚程、流量、臺數(shù)等參數(shù)并不相同，以及相對應供熱區(qū)域的管網(wǎng)特性也不相同，為便于聯(lián)網(wǎng)，正常運行時3＃熱源的循環(huán)水泵及加熱器分為相互獨立的兩部分，首站內的兩套循環(huán)水系統(tǒng)母管分別與1＃熱源和2＃熱源的主管道連接。
     故3＃熱源建設完成后，原有的兩個熱源分別利用各自主管道在城區(qū)分區(qū)供熱的局面將打破，三熱源將利用已有的兩條主管道共同供熱，熱源聯(lián)網(wǎng)供熱成為定局。
     2）熱網(wǎng)方面
     2005年采暖季，在原有兩個熱源主循環(huán)泵基本滿出力的運轉條件下，管網(wǎng)最不利端熱力站的資用壓頭剛剛能滿足要求。但由于城市集中供熱熱負荷的增加，且已建的主管道已經(jīng)占據(jù)從熱源至城區(qū)的兩條道路的路由，再覆設一條新管道從電廠進市已相當困難，而且投資也很高，故只考慮利用原有供熱主管道把熱量輸送進市區(qū)的方案，在資用壓頭不能滿足要求的各熱力站內增加回水加壓變頻泵，即將系統(tǒng)設計為分布式變頻泵供熱系統(tǒng)［1］。
     所謂分布式變頻泵系統(tǒng)，是指在熱力站中采用回水加壓變頻泵代替閥門來完成流量的調節(jié)的系統(tǒng)。如下圖所示：
     綜合熱源、熱網(wǎng)的以上變化，2006年采暖季該市集中供熱水力工況將發(fā)生根本性改變，熱網(wǎng)方面的分布式變頻泵系統(tǒng)和熱源方面多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱問題也會相互影響。本文中以該市集中供熱網(wǎng)為例，分析了多熱源聯(lián)合供熱熱源運行方式的不同和熱網(wǎng)枝狀、環(huán)狀網(wǎng)兩種運行方式的不同對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響［2］。
     2.熱源運行方式及對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響
     三熱源聯(lián)合供熱，其熱源運行調節(jié)方式可有以下兩種方案：
     1）第一方案：根據(jù)一次能源消耗量最小的原則進行調節(jié)
     三個熱源廠六臺供熱機組，投產(chǎn)時間和運行參數(shù)各不相同，以機組供熱發(fā)電的熱耗的大小為調節(jié)依據(jù)可達到最大的節(jié)能。
     2）第二方案：按熱源供熱量的固定比例進行調節(jié)
     隨著氣溫變化，管網(wǎng)總需熱量不斷變化，而供熱機組的供熱量均可在額定供熱量的37%至100%范圍內變化，此時各熱源按大致相同的比例進行供熱。
以下就這兩種多熱源聯(lián)合供熱的兩種運行方式對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響進行分析。
     2.1 根據(jù)一次能源消耗量最小的原則進行調節(jié)的運行方式
     從熱源上看，三個熱源的六臺供熱機組投產(chǎn)時間和運行參數(shù)各不相同，各熱源間熱耗不同，供熱成本也有一定的差距，同時，熱力企業(yè)也有選擇低成本熱源供熱的利益驅動力。因此，有可能會采用根據(jù)一次能源消耗量最小的原則進行調節(jié)的運行方式。
     根據(jù)各機組熱耗的不同，可初步定1＃熱源為基本熱源，3＃熱源為腰荷熱源，2＃熱源則作為調峰熱源。根據(jù)這個原則，可基本確定在整個采暖季中三個熱源的供熱量變化的基本情況，如圖2所示為整個集中供熱系統(tǒng)的熱負荷延時曲線和各熱源的供熱量的分配圖。
     從熱負荷延時曲線圖中可以看出，采暖初期只運行1＃熱源即可滿足熱網(wǎng)供熱需求，1＃熱源的供熱流量通過1＃熱源的主管道先輸送至市內南區(qū)，再通過分支管道輸送至市內北區(qū)。由于缺乏2＃熱源主管道從市區(qū)西北方向的支持，管網(wǎng)不利端也主要分布在市區(qū)西北方向。如圖3中平行四邊形區(qū)所示。隨著室外溫度的降低，當管網(wǎng)需熱量超過472MW時，需啟動3＃熱源供熱，3＃熱源的供熱流量首先利用向西北方向供熱的2＃熱源主管道進行供熱，不足部分再通過1＃熱源主管道供熱，管網(wǎng)不利端也從市區(qū)西北方向向東北方向推移。隨著外溫進一步降低，當管網(wǎng)需熱量超過712MW時，需啟動2＃熱源供熱。2＃熱源供熱流量均通過2＃熱源的主管道供熱，管網(wǎng)不利端繼續(xù)從市區(qū)西北方向向東北方向推移。直至設計工況下，最不利區(qū)位于管網(wǎng)正北方向，如圖3中長方形區(qū)域所示。
     通過水力工況分析可知，采用根據(jù)一次能源消耗量最小的原則進行調節(jié)的運行方式，管網(wǎng)在整個采暖季水力工況變化較大，管網(wǎng)最不利端隨熱源的調度變化也較大。故管網(wǎng)中，許多換熱站在采暖初期需要采用閥門調節(jié)，而末寒期就需要采用回水加壓泵進行調節(jié)，而另一部分換熱站則相反。故采用這種熱源運行方式時，系統(tǒng)中所有熱力站的閥門開度和泵轉速隨系統(tǒng)總流量而不斷變化，熱網(wǎng)調節(jié)過程相對較為復雜，對系統(tǒng)運行調節(jié)人員素質和城市熱網(wǎng)微機監(jiān)控系統(tǒng)要求也較高。
     2.2 按熱源供熱量的固定比例進行調節(jié)的運行方式
     第一方案從宏觀上看能起到節(jié)能作用，熱耗低的機組多供，帶基本熱負荷，熱耗高的少供，起調峰作用。這種方式適用于各個機組為統(tǒng)一的整體。但目前三個熱源隸屬于三個不同的系統(tǒng)，各自對機組的熱電比都有要求，另一方面在煤價、電價、熱價未反映市場的真實情況下，供熱與發(fā)電之間的關系尚待協(xié)調，供熱發(fā)電的多少直接影響各電廠的經(jīng)濟效益，且熱耗高的機組越少供熱，能耗越高，造成惡性循環(huán)。因此在目前電廠隸屬關系不變的情況下，仍須采用以按相同的供熱比例調節(jié)為好，即為按熱源供熱量的固定比例進行調節(jié)的運行方式。待條件成熟時，可轉為采用第一方案。
     采用這種運行方式時，三個熱源供熱量比例基本不變，在管網(wǎng)調節(jié)中，也可保持兩條主管道的供熱流量比例基本不變，若此時分布式變頻泵管網(wǎng)系統(tǒng)采用定“零壓點”的運行調節(jié)方式時，可實現(xiàn)熱網(wǎng)運行基本處于相似工況狀態(tài)［3］。
     所謂相似工況，是指兩個不同的工況，如果各熱力站的流量和資用壓頭等比變化，就稱這兩個工況為相似工況。當系統(tǒng)調節(jié)平衡后，相似工況之間的變換，無需調節(jié)熱力站的閥門開度，系統(tǒng)仍處于平衡狀態(tài)［4］，簡化了熱網(wǎng)調節(jié)過程。
     3.環(huán)網(wǎng)運行方式及對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響
     2005年采暖季，為便于原有兩熱源管理運營和熱量核算，該市集中供熱系統(tǒng)分為兩部分運行：西北供熱區(qū)和東南供熱區(qū)。兩部分供熱區(qū)的聯(lián)絡管線僅用于負荷切換和事故應急，同時，集中供熱管網(wǎng)雖然有環(huán)網(wǎng)，大部分情況下均用閥門切斷，按枝狀網(wǎng)運行。隨著供熱規(guī)模的擴大，熱源聯(lián)合供熱運行已勢在必行，熱網(wǎng)的運行方式則有以下兩種方案可供選擇：
     1）枝狀網(wǎng)運行方式
     仍保持現(xiàn)有運行方式，通過聯(lián)絡管線閥門將供熱管網(wǎng)分為兩部分，通過環(huán)網(wǎng)閥門將熱網(wǎng)切割成枝狀網(wǎng)運行。
     2）環(huán)狀網(wǎng)運行方式
     改枝狀網(wǎng)運行方式為環(huán)網(wǎng)運行方式，打開聯(lián)絡管線閥門，并將環(huán)網(wǎng)閥門設置為合理開度以進行水力優(yōu)化調度。
     以下以設計工況為例，對這兩種不同運行方式對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響予以計算和分析。
     3.1 枝狀網(wǎng)運行方式
     采用枝狀網(wǎng)運行方式時，管網(wǎng)共有五個切斷閥門，位置如下圖中所繪制閥門位置。經(jīng)水力計算后可知，管網(wǎng)最不利端位于管網(wǎng)最上端及管網(wǎng)中部，管網(wǎng)資用壓頭分布圖如圖4所示：
若設各換熱站克服板換、除污器等站內設備所需壓力為10米水柱，則管網(wǎng)中多數(shù)換熱站資用壓頭均小于該數(shù)值，在此類換熱站應設置回水加壓泵。經(jīng)統(tǒng)計可知，此類換熱站共有73個，占換熱站總數(shù)的60％強。而所需設置站內回水加壓變頻泵總功率達700kW，最大的一個回水加壓變頻泵功率超過30kW。
     3.2 環(huán)狀網(wǎng)運行方式
     若該熱網(wǎng)采用環(huán)狀網(wǎng)運行方式，經(jīng)水力優(yōu)化調度分析可知，上述五個關斷閥門均開至最大即可，此時管網(wǎng)最不利端位于管網(wǎng)最上端，管網(wǎng)中部水力工況得以大大改善，管網(wǎng)資用壓頭分布圖如圖5所示：
     同樣若設各換熱站資用壓頭均小于10米水柱時應設置回水加壓泵，那么采用環(huán)狀網(wǎng)運行方式時此類換熱站減少為53個，所需設置站內回水加壓變頻泵總功率也降低至370kW，大部分熱力站站內回水加壓泵總功率在10kW以內，而最大的回水加壓泵泵總功率也未超過30kW。較之采用枝狀網(wǎng)運行方式既節(jié)省了投資，又減少了運行費用，是一種經(jīng)濟性較好的運行方式。
     4.結論
     通過本文分析，可得出以下結論：
     1）熱源運行方式對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響
     采用根據(jù)一次能源消耗最小的原則進行調節(jié)的熱源運行方式，雖因各熱源供熱量比例的不斷變化導致管網(wǎng)在整個采暖季水力工況變化較大，管網(wǎng)最不利端隨熱源的調度變化也較大。增加了熱網(wǎng)調節(jié)過程的復雜程度，但這種運行方式能大大節(jié)省三個熱源的一次能源總消耗量，是一種系統(tǒng)最優(yōu)的運行方式。待條件成熟時，可采用這一方案。
     由于三個熱源隸屬于三個不同的系統(tǒng)等種種客觀原因，目前仍須采用按熱源供熱量的固定比例進行調節(jié)的運行方式。這種運行方式可實現(xiàn)熱網(wǎng)運行基本處于相似工況狀態(tài)，大大降低分布式變頻泵系統(tǒng)的調節(jié)難度。
     2）環(huán)網(wǎng)運行方式對分布式變頻泵系統(tǒng)的影響
     隨著供熱規(guī)模越來越大，進一步提高運行的安全性、經(jīng)濟性十分重要，將兩個熱網(wǎng)合為一網(wǎng)的環(huán)網(wǎng)運行即為可采取的措施之一，通過環(huán)網(wǎng)的水力計算，進行管網(wǎng)優(yōu)化，可取得最合理最經(jīng)濟的輸送方式。同時，環(huán)網(wǎng)運行也使管網(wǎng)的安全性大大提高。

參考文獻

［1］秦冰. 分布式變頻泵系統(tǒng)實例淺析(二）
［2］秦冰. 集中供熱系統(tǒng)熱動態(tài)特性研究［D］.北京：清華大學，2004年
［3］秦冰. 分布式變頻泵系統(tǒng)的調節(jié)方式
［4］秦緒忠. 區(qū)域供熱供冷輸配系統(tǒng)動力學特性研究（博士學位論文）［D］。北京：清華大學，2000年