一次网分布式供热输配系统应用

临汾市热力供应有限公司 张国栋 张宝宙 陈正鹏 张 帅

军委机关事务管理总局特种设备检验所 樊万强

0 引言

随着我国城市化的迅猛发展，北方城市集中供热面积不断增加。由于主管网设计年代早、旧城区建筑较为密集，管网改造困难甚至不具备改造条件，不同年代逐年扩容，系统水力失调问题严重。为满足最不利热网子站的供热需求，往往需要大幅提高主循环水泵扬程，而其他阻力小的支线则依赖调整阀门开度，实现与最不利环路的水力平衡，由此造成循环泵能耗偏大、热网运行压力较高，一方面能量浪费严重，另一方面增加了系统运行风险。

分布式输配系统，是指为各换热站一次网加装循环水泵，代替热源主循环水泵作为供热系统主循环动力的一种输配方式。采用分布式供热输配系统的优势在于：一是各热网子站根据实际运行需求调节分布式水泵运行参数，可以有效改善一次网水力工况，解决老旧管网局部运行阻力大、水力失调严重等问题；二是可以降低热源主循环水泵扬程，减小水泵装机容量，既可显著降低管网整体运行压力，又可带来显著的节电效果[1]。因此，近年来，分布式供热输配系统成为供热输配环节效能提升的重要方向[2]。

1 一次网分布式供热输配系统建立

1.1 基本改造原理

分布式输配系统设计，是在热源处设计扬程适宜的主热源循环水泵，在一次网支线供水管道设置分布式变频水泵，并保留原有调节阀，水泵运行时阀门处于全开状态。分布式供热输配系统设计方案与集中式设计方案的基本水压图见图1～6。

图1 分布式输配系统工艺图

图2 集中式输配系统水压图

图3 集中式水泵做功堆积图

图4 分布式输配系统水压图

图5 分布式水泵功率堆积图

图1中，每个用户需要循环水量10 t/h，换热站需用压头10 m，各用户之间主管道阻力损失相同。

根据特勒根定理：

N0=∑GiΔHi

(1)

(2)

式(1)、(2)中N0为由特勒根定理计算的循环水泵理论总功率，kW；Gi为供热系统各管段流量，t/h；ΔHi为供热系统各管段的压头损失，m；N为循环水泵总功率，kW；η为水泵效率。

计算总的水泵功耗降低量(各支线节流ΔHi之和)，通过对比水泵功率堆积图可发现，相比于集中方式，分布式输配系统的循环水泵总装机功率降低约30%[2]。

1.2 零压差点的确定

水压图中，热源主循环水泵提供的输配动能消耗完后，主干线的供水压线和回水压线相交，交点即“零差压点”，见图6。在分布式输配系统中，这意味着，热源主循环水泵只需克服热源内部的热水循环阻力和靠近热源的主干线循环阻力，而远离热源(近用户)主干线和支线的循环阻力由设置于热网子站的分布式水泵来克服[3]，零差压点后供水压力低于其回水压力。

图6 零压差点选取图

经验表明，对于热源与供热负荷中心距离较远的情况，零压差点位置选取在集中度较高的热用户之前。

1.3 供热系统的水力工况分析

分布式水泵根据其承担的循环流量和扬程来选型。流量根据水泵承担的供热负荷确定；扬程以零压差点为计算起点，根据水泵需克服的主干线及支线的循环阻力确定[4]。水泵选型不仅需要基于设计工况，还需综合考虑实际运行中的典型工况来确定，需要采用水力模拟分析软件(本文采用GeoPipe软件)建模并进行一次工况模拟计算分析。

1.4 运行调节

由于用户热负荷统计存在误差、管网实际运行工况与理论工况存在差异等原因，其分布式水泵的流量、扬程无法完全达到工程设计要求，导致实际运行中仍存在各热网子站流量分配不均的水力失调问题[5]。此外，一次网运行通常根据室外温度变化采用质、量并调，在供热的初、末期时，热网循环流量降低幅度较大，分布式水泵的变频运行仍可能无法满足运行需求。

上述两点问题的解决，需要研发先进的基于水泵变频调速优化运行的自动化控制系统，以确保分布式供热输配系统稳定、高效运行。该系统能够根据系统各热网子站的热负荷变化，自动优化各分布式水泵输出功率，进行变流量调节以准确适应供热需求。

2 实际案例分析

2.1 临汾市供热基本情况

临汾市境内地势北高南低，具有山地、丘陵、盆地等多种地貌类型，山地丘陵面积约占全市总面积的80%。临汾盆地纵贯全市中部，把整体隆起的高原分为东西两部分，使境内总体轮廓呈“凹”字型分布。

临汾市大型集中热源有：山西大唐国际临汾热电有限公司热电厂(大唐热电)、山西临汾热电有限公司热电厂(临汾热电)、靳家庄热源厂、赵下热源厂。如图7所示，大唐热电、临汾热电位于城市西侧，靳家庄、赵下锅炉房位于城市东侧，大型集中热源均处于地势较高区域。入网面积4 000万m2，实际供热面积2 900万m2，换热站总数510座。各主力热源供热情况见表1。

图7 临汾市城市集中供热系统示意图

表1 临汾市城市集中供热情况表

2.2 一次网分布式供热输配系统改造问题的提出

由于临汾市城区的快速发展，主城区建筑供暖用户迅速增加，原有供热规划的集中热网无法应对现有供热运行需求，存在以下问题：

1) 需要根据城市实际发展调整集中供热规划，根据供热用户分布情况，优化城区集中热网布局，以应对近期、远期供热负荷协调发展，进而实现热源与热用户的匹配。

2) 根据前几个供暖季热网运行经验，临汾热电供往主城区和铁东区的部分主干线及支线管网均存在超负荷、超压运行的现象，存在管网安全性隐患，亟待适当降低管网运行压力，提高供热安全性。

3) 随供热负荷增大、供热半径增大，采用单级主热源循环水泵的热网输配方式，为确保部分主干线不超压，会出现末端部分热网子站资用压头不足的问题。

4) 临汾4个主热源处于彼此隔断独立运行状态，事故及极端天气等应急情况时无法互作支援，一次网供热的保障性差。

针对上述问题，基于分布式供热输配系统构建理论与环形集中热网的水力计算方法，建立临汾市一次网分布式供热输配系统设计方案及运行调节策略，并以此为基础，通过南城DN1200-DN900供热主线、北城DN1200-DN900-DN500-DN700供热主线，连通4个热源，实现环状网架构及多热源联合供热，进而构建以热电联产为主热源，燃气锅炉为调峰热源的高效集中供热系统。

2.3 分布式供热输配系统方案的确定

2.3.1临汾供热管网零压差点的确定

临汾市热电联产热源距离城区较远(均为5 km以上)，热源至市区的主干线无热用户。由于设置于热电联产主热源的大型循环水泵的运行效率高于设置于支线上的小型分布式水泵，同时，由于临汾市地势特点，主干线在入城处的高程最低，为均衡上、下游压力，供、回水零压差点选在该处。

2.3.2分布式供热输配系统设计原则

2.3.2.1分布式水泵的选型

本文采用GeoPipe水力模拟分析软件进行热网建模模拟计算，通过对多种工况模拟分析，确定热源主循环水泵及分布式水泵的参数及选型。在电厂主循环水泵扬程一定时，对不同流量下的运行工况进行模拟，根据流量和热网子站处资用压头需求，结合高效区工作点要求选择分布式水泵，以适应多种工况下的工作需求。临汾市2座电厂均采用2台机组运行，在模拟分析时还需考虑当其中一台机组出现故障时的运行工况，此时零压差点会发生迁移。根据不同阶段(包括初、末寒期及严寒期等)的典型运行工况要求，校核水泵的选型。

2.3.2.2水泵出口阀门设置

在分布式水泵联合运行中，水泵的工作特性曲线与管网阻力曲线也是变化的，需要及时掌握水泵工作点的变化，并采取相应的调控措施。在实际运行中，除采用水泵变频调节，还应通过调节保留的原有电动调节阀，一般情况下，零压差点前主要采用阀门调节，零压差点后主要采用水泵调节。

2.4 运行效果分析

2.4.1改造前

改造前一次网系统水压图见图8。

图8 改造前水压图

由图8分析可知，采用分布式供热输配系统改造前，为保障末端热网子站充足的资用压头，热源主循环水泵必须设置较高的扬程，由于临汾市主热源地势较高，造成整个管网运行压力较高，地势较低点运行压力接近设计压力1.6 MPa。

以大唐热电为例，热源首站进出口压差0.95 MPa，考虑热源内部阻力损失15 MPa，主循环水泵扬程110 m。热源总循环水量7 000 t/h。水泵效率取75%，计算水泵功率：

(3)

式中N′为水泵轴功率，kW。

采用集中式热源单组水泵运行方式，水泵总功率2 780 kW。

2.4.2改造后

改造后一次网系统水压图见图9。

图9 改造后水压图

分析图9得出，采用分布式供热输配系统改造后，热源主循环水泵的扬程大幅降低，水泵装机功率和运行功率降低，同时，整个热网运行压力降低，对提高地势低点的管网运行安全尤为重要。

电厂首站进出口压差0.3 MPa，站内阻力压头损失15 m，因此主热源循环水泵扬程取45 m，循环流量保持7 000 t/h不变，经计算电厂主循环水泵功率为1 150 kW。

分布式供热输配系统水泵装机总功率：

N0=∑Ni

(4)

式中Ni为第i台水泵的功率，kW。

通过GeoPipe软件模拟计算，确定各热网子站资用压头，选取分布式水泵。各分布式水泵的装机功率总和为790 kW。

综上，改造后实际热网水泵总功率由2 780 kW降低至1 940 kW，降幅30%。管网运行压力降低0.3 MPa。

2.5 分布式供热输配系统一次网运行调度的实现

临汾市热力公司于2017—2018年实施了分布式供热输配系统的改造工作，在303座热网子站上安装了分布式变频水泵。为实现分布式供热输配系统一次网分布式变频水泵局部调节和一次网水力平衡的统一调度，公司开发了供热检测控制系统，实现了运行效果分析、异常数据报警、数据报表生成、数据可视化展示，以及根据室外温度及热负荷变化自动调整水泵工作点。

供热初、末期，系统热负荷较小，零压差点向远离热源方向偏移。零压差点之前换热站无需启动分布式水泵，利用原调节阀进行调节。零压差点之后换热站用分布式水泵调节。

严寒期，室外温度与气象局温度综合取未来72 h室外温度加权平均值作为计算值。结合质调节修正公式，写入自动控制系统，根据室外温度变化调节二次网供水温度设定值。二次网供水温度设定值关联分布式运行。

在多数晴好天气情况下，昼夜温差较大，且中午时段光照较强，室内得热量大，室内温度较高，根据每日室外温度变化及日照变化规律，设置分时段补偿，通过调整一次网分布式水泵工作点，调整供热参数，保障室内温度舒适稳定的同时，达到节能降耗的效果。具体补偿方式为：将质调节理论公式与实际情况结合，下午光照充足室外温度较高时间段，根据光照辐射强度及室外温度变化调整(降低)二网供水温度2～3 ℃，供暖期中除极寒天气及连续阴天未补偿天数约30 d，每天平均补偿时段长约4 h，整个供暖期启用分时段补偿可降低能耗约1.28%。供热初、末期分布式水泵可分时段启停。

此外，一次网分布式供热输配系统及数据平台改造完成后，改善了一次网水力工况，缩短了冷热不均时间，降低了能耗。根据计量表数据，改造前后供暖期平均热耗由0.351 GJ/m2降低至0.315 GJ/m2，节能率11%。

图10、11分别为临汾市热力供应有限公司供热调度中心和数据系统界面。

图10 临汾市热力供应有限公司供热调度中心实时数据

图11 供热调度中心数据系统界面

3 结论

相比集中式热源单泵方式，一次网分布式供热输配系统在减少热网循环泵电耗、解决热网水力失调和降低一次网运行压力等方面优势显著。临汾市热力供应有限公司科研团队在经过系统化的理论分析、系统集成设计、优化运行策略制定等研究工作后，对临汾市区热网进行了分布式供热输配系统改造，主要经验如下：

1) 设计阶段，计算结果的准确性对系统运行情况影响较大，因此需要借助相关水力模拟分析软件对实际运行工况进行校核对比，然后进行多工况分析。

2) 分布式供热输配系统的要点是在供热规模相对稳定基础上，因地制宜应用，精准的多工况设计及运行调控的智能化水平尤为关键。

3) 运行阶段，采用可靠的自控化控制系统，是分布式供热输配系统实现的重要条件，根据室外温度及热负荷变化，以及管网水力运行工况，自动调整水泵工作点，满足用户需求。

4) 临汾市热力公司经过3年的全网分布式供热输配系统改造运行，有效解决了局部热网调节困难、管网运行压力过高的问题。此外，一次网分布式供热输配系统及数据平台改造完成后，改善了一次网水力工况，缩短了冷热不均时间，降低了能耗，本案例运行电耗减少30%，热耗率降低11%。