优化运行参数确定最佳经济运行方式

辛奇云 赵侠

摘要：本文通过对一次网运行流量、温度的研究，给出了供热管网耗电量及散热损失的理论计算方法，并将复杂的散热损失计算形成成果，并用excel编制计算程序，便于今后查询使用。以承德热力集团市区供热管网的运行情况为例，给出了大温差小流量、小温差大流量两种运行方式的最佳经济运行参数的确定方法。

关键词：一次网 流量 温度 耗电量 散热损失

1 背景及目的

1.1 背景

在供热管网运行过程中，电、热是最主要的能耗指标。合理匹配运行参数，降低管网的电耗、热耗是除管网平衡调节之外，最重要的两项运行管理工作。与电、热能耗息息相关的两个运行参数是循环流量和供回水温度。根据这两个参数，有两种运行方式与之匹配，一个是大温差小流量运行方式，一个是小温差大流量运行方式。大温差运行方式可以降低循环流量，达到节电的目的，但大温差必然要高温运行，管网高温运行必然要带来管网散热损失的增加。小温差运行可以通过降低管网运行温度减少管网散热损失，但小温差运行必然会增加循环流量，循环流量的增加必然带来耗电量的增加。只有找到两者的最佳结合点，才能实现管网的经济、节能运行。

1.2 目的

1.2.1 给出一次网运行耗电量、管道散热损失的理论计算方法。

1.2.2 通过计算，将复杂的散热损失计算形成成果，并用excel编制计算程序，便于今后查询使用。

1.2.3 经过理论计算对大温差小流量和小温差大流量两种运行方式进行经济对比。

2 一次网运行参数对运行经济性的影响

一次网运行参数主要包括温度、压力、流量等。其中一次网运行压力受地形影响较大，且对管网的经济运行影响较小。

因此，在分析一次网运行参数时暂不考虑压力因素。

2.1 一次网流量对经济运行的影响

供热管网系统中的耗电设备主要是各种泵。供热用水泵均为离心泵，离心泵的流量Q、扬程H、功率P、转速N、频率F的关系式如下：

Q/Qm=N/Nm=F/Fm； （1）

H/Hm=（N/Nm）2=（F/Fm）2 （2）

P/Pm=（N/Nm）3=（F/Fm）3 =（Q/Qm）3 （3）

泵的流量与功率增长关系如下图1：

由上述关系式可以看出，泵的功率与流量的三次方成正比。在输送相同热量的情况下，流量增加10%，则功率增加33%。

水泵的功率随流量增加陡增。

2.2 一次网运行温度对经济运行的影响

一次网热损失的大小与两个因素有关，一是一次网运行温度，运行温度越高，管道热损失越大，反之，越小；二是一次网管径，在相同运行温度下，管径越大，管道热损失越大，反之，越小。

针对DN300管道在不同温度下的热损失情况，绘制了下图2：

2.3 分析

经过对一次网运行流量、温度的分析，可以看出，一次网大温差小流量运行时，管网耗电量减少，管道热损失增加；一次网小温差大流量运行时，管网耗电量增加，管道热损失减少。

因此，不论采用哪种运行方式，对供热管网的节能运行影响并不是绝对的，需要根据不同的运行方式进行核算后确定。

3 最佳参数计算方法

3.1 耗电量计算方法

水泵轴功率与流量、扬程的关系式为：

P=2.73HQ/η

其中：

H为扬程，单位m；扬程的确定：需对整网通过水力计算确定管网阻力。

Q为流量，单位为m3/h；流量确定：根据管网热负荷及运行参数进行计算。

η为泵的效率，η=0.7。

P为轴功率，单位w。

3.2 散热损失计算方法

由于一次网管道的供回水温度及管道的保温形式对管道的散热损失影响较大，特针对承德热力集团选用的保温管的保温结构和直埋的敷设方式，对不同管径和供回水温度分别进行了散热损失计算。

计算公式如下：

①散热损失计算公式：

Q=1+β

式中：Rb——保温热阻，m℃/w。

Rt——土壤热阻，m℃/w。

T——蒸汽平均温度，℃。

Tdb——土壤地表温度（取-5℃）。

β——附加散热系数（取0.15）。

②土壤热阻计算公式：

Rt=

式中：H——管道折算埋深，m。

Dz——保温管与土壤接触的保护层外径，m。

λt——土壤导热系数（取2w/m℃）。

③保温层热阻计算公式：

Rb=

式中：Rb——保温层热阻，m℃/w。

Dz——保温管与土壤接触的保护层外径，m。

Dw——管道外径，m。

λb——保温层导热系数，w/m℃。

④管道折算埋深计算公式：

H=h+

式中：H——管道折算埋深，m。

h——从地表面到管中心线的埋设深度，m。

λt——土壤导热系数，取2w/m℃。

αk——土壤放热系数，取13w/m℃。

由于采用上述公式进行理论计算比较复杂，为方便大家使用，本论文根据承德热力集团公司保温管情况，对不同管径的保温管散热量进行逐一核算，并将计算结果汇总到下表中。计算结果见下表1：

3.3 一次网最佳运行参数的核定办法

3.3.1 拟定管网运行调节方式，制定管网运行调节曲线图。（如图3、4）

3.3.2 根据不同工况进行管网耗电量、散热损失计算，并根据计算结果确定管网最佳运行工况。

4 实例分析

市区2012-2013运行期的运行工况，对大温差小流量、小温差大流量两种运行工况下的管网热损失及耗电量进行了计算。

4.1 两种运行调节方式的确定

2012-2013年运行期，热力集团市区供热面积1060万平米，一次网平均热指标43w/m2。

根据大温差小流量及小温差大流量两种运行调节方式，分别制定管网运行调节表。（见表2、3）

4.2 典型运行工况选取

针对管网运行温度调节曲线表，选取运行期平均气温时间较长的-2℃天气为例，进行理论计算。

大温差小流量运行方式：一次网流量3987m3/h。供水温度101℃，回水温度41℃，平均温度71℃。

小温差大流量运行方式：一次网流量5103m3/h。供水温度88℃，回水温度41℃，平均温度65℃。

4.3 管网耗电量计算

针对大温差小流量、小温差大流量两种运行方式进行管网水力计算，得出管网的实际比摩阻，由循环流量、比摩阻及管网长度计算出循环泵扬程、功率、耗电量：

大温差小流量运行方式：扬程62m；功率956kw；耗电量22952kwh/天；电费1.6万元/天。

大温差小流量运行方式：扬程83m；功率1639kw；耗电量39326kwh/天；电费2.7万元/天。

4.4 管网散热损失计算

根据拟定运行工况，对两种运行方式的散热损失进行理论计算：大温差小流量运行方式：供水温度101℃，回水温度41℃，平均温度71℃，管网散热损失356GJ/天，热损失率3.6%，散热损失成本1万元/天。

小温差大流量运行方式：供水温度88℃，回水温度41℃，平均温度71℃，管网散热损失334GJ/天，热损失率2.8%，散热损失成本0.9万元/天。

详见计算表4：

4.5 能耗综合分析

根据上述理论计算，两种运行方式结果汇总如下表5：

4.6 理论分析结论

经过对市区管网两种运行工况理论计算，大温差小流量运行方式一次网电费及散热损失热费合计2.6万元；小温差大流量运行方式一次网电费及散热损失热费合计3.6万元。

若采用大温差小流量运行方式每天可节省1万元。

因此，采用大温差小流量运行方式更节能、更经济。

5 实际效果分析

在市区实际运行调节中，按照供热管网温度调节曲线对市区管网采取了尽量拉大一次网供回水温差的变流量运行方式，节电效果显著，一次网网电单耗降低0.14kwh/m2。

具体数据见下表6：

6 结论与建议

6.1 采用大流量小温差的管网运行调节方式，在市区集中供热管网中降低市区供热管网电耗效果显著，建议继续推广使用。

6.2 目前，燃煤锅炉房的运行方式与市区运行方式存在较大差异。

6.2.1 燃煤锅炉房采用燃煤锅炉房进行集中供热，产热成本较高，一次网管网散热损失对管网运行经济性影响较大。

6.2.2 目前，燃煤锅炉房管网余量较大，管网阻力较市区管网而言相对较小，因此一次网循环水量对耗电量影响相对较小。同时，一次网循环水量还受锅炉最低循环流量限制，不能无限制降低。

建议燃煤锅炉房根据上述计算方法及上述因素对管网运行方式进行科学计算，确定最节能、经济的运行方式。

6.3 对于二次网而言，无论采用哪种运行方式，管网运行温度变化不大。管网节能、经济运行关键在于如何降低电耗，建议二次网继续推广小温差大流量运行方式。

6.4 根据理论计算对两种运行方式进行对比。实际运行过程中，由于保温质量、施工质量、管道周围土质不同等因素，管网的散热损失与理论计算存在差异，但该课题给出的对比分析结果可以借鉴、应用。

参考文献：

[1]贺平，孙刚，王飞，吴华新.《供热工程》（第四版）[M].中国建筑工业出版社.

[2]吕德齐，蒋有彩.《动力管道设计手册》[M].机械工业出版社.

[3]黄辉，王为，任勇.管道及设备保温 98R418.中国建筑标准设计研究所出版.