长输供热项目系统设计论述

杨兆林，陈 龙，史建军，张 敏，杨文涵，王云龙

（1.国家电投集团东北电力有限公司抚顺热电分公司，辽宁 抚顺 113009；2.国家电投集团东北电力有限公司，辽宁 沈阳 110623；3.中电投东北能源科技有限公司，辽宁 沈阳 110179）

近年来，随着城市建设的不断发展，冬季所需的供热量逐年增大，我国北方城市的热源紧缺、大气污染等问题日益显现。根据《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》的指示精神：到2019年，北方地区清洁取暖率达到50%；到2021 年，北方地区清洁取暖率达到70%。为实现这一目标，各地纷纷进行“煤改气”或“煤改电”改造。但由于燃气供热成本高，供气保障不稳定，电锅炉的能源利用率低，电热泵受当地热源条件限制，初投资高等问题，该方案尚未大规模推广［1-2］。长输供热技术充分整合远离城区的热源，以热电联产机组、烟气和乏气的余热、工业余热等承担基础负荷，燃气等承担尖峰负荷，与区域热源互联互通，互为备用，成为北方地区实现清洁供热的新模式，逐步在各地进行推广和应用。但长输供热热源大、输热距离远、系统庞大复杂，正常运行时需多热源、热网、换热站等设施加以保障。因此，如何提高其安全性、稳定性、节能性和经济性成为相关领域专家研究的重点。

本文总结了国内外长输供热应用情况，从热源、管网、运行调节及智慧供热信息平台建设方面分析了长输供热项目的技术应用，探讨当前存在的技术瓶颈并提出建议。

1 长输供热发展应用情况

北欧国家通过制定供热法案，不断优化供热结构，进行精细化管理，成为高能效、低排放供热的典范。长距离输热在北欧应用已有几十年，其特点是供热距离远、供热负荷较小。相比之下，我国供热情况较为复杂，庞大的热源规模和密集的热负荷，以及国家清洁供暖的政策，在安全、稳定、清洁、高效、低成本方面对长输供热系统提出了更高的要求。

传统的集中供热管网的最远供热距离一般不超过20 km。长输供热管网指管网输送供热距离超过20 km，并具有中继泵站或隔压站的供热系统，其供热面积通常在1 500 万m2以上（管道公称直径≥DN1200）。

目前，国内正在推进实施的长输供热项目城市的具体情况如表1所示。

表1 国内长输供热项目汇总［3-4］

2 长输供热项目系统设计

长输供热项目工程规模大，输送距离远，运行设备多，整个系统的正常运行需要所有供热设施协同配合，所以各环节的设计需进行一体化考虑，以实现系统的安全、高效、稳定运行。

2.1 热源

近年来，国内城市对供热的需求逐年增多，雾霾问题严重，国家出台相应政策取缔中小型高能耗燃煤供热机组，如何高效利用现有热源满足供热量成为关键。我国的热电联产机组主要分布在远离城市的位置，直接向城市供热的成本高昂，而电厂乏气余热和烟气余热占燃煤热电厂总热量的50%，并且尚未加以利用，具有很大的回收利用价值［5］。在目前实施的长输供热项目中，以远郊热电联产机组作为基础热源，充分利用乏气余热和烟气余热，以燃气热源作为调峰热源，提升了火力发电的灵活性，使长输供热技术广泛推行成为可能。

2.2 热网

与传统的集中热网相比，长输供热项目在管道上的投资大大增加。为了提高整体运行的经济性，需要降低回水温度，增大供回水温差，提高管网输热能力［1］。为此，清华大学提出了基于吸收式换热的热电联产集中供热新技术［6］，在不改变二次网供回水温度的前提下，通过吸收式热泵和水-水换热器组成的大温差机组，使一次网回水温度大幅降低至20～30 ℃，供回水温差达到100 ℃，这一技术也为电厂余热利用提供了条件，大大提高了经济供热半径。同时，很好地解决了供热源侧热网大温差、末端热网小温差的矛盾。

长输供热管道长、高差大、流速快，需多级加压，对系统的水力动态安全形成了极大的考验，需充分考虑事故状态的动态安全性［1］，在进行系统设计时需采取相应的预防措施。当管网中某个部件快速变化时，会产生水击，对管道造成严重破坏，通过设置大小阀的方式可以起到缓解作用。针对可能出现的汽化现象，采取首站开式水塔定压，首站、中继能源站设置整体旁通等措施加以预防［7］。除了采取防范措施外，也要考虑系统出现停电、设备故障、通信故障时，如何迅速、正确响应，减小对系统造成的影响。石光辉［8］提出在建立水泵联动机制的基础上，建设更加完善可靠的智能保护系统，兼顾热源和热网各部分，形成整体综合性连锁保护。

2.3 运行调节方式

在长输供热系统中，泵组耗电量在总耗电量中占据相当大的比重，而泵功率与流量的三次方成正比。因此，在保证系统安全运行的基础上需要采用合理的运行调度模式来降低能耗。太原太古长输供热项目开创了国内长输供热工程的先河，目前已投运5 个供暖季，采用的运行调节方式为初期及严寒期运行流量保持不变，进行质调节，末寒期进行质量-流量调节。王林文［9］提出了一种综合调节方式：当负荷比不超过60%时，为保证系统安全运行，使其流量比保持60%不变；当负荷比大于60%时，使流量比与负荷比相同，进行质量-流量调节。通过计算对比发现，此方式可节电21.5%，耗电输热比可降低18.7%。陈鹏等［10］提出在长输管线中采用质调节温度响应需要较长时间，以太古长输供热项目为例，调整电厂温度后，最远端用户需要10 h以上才能发生相应变化，需要根据以往的数据采用前置调整的方式进行提前调整，才能保证系统的高效运行。

2.4 智慧供热信息平台

长输供热项目规模大、系统复杂、数据繁多，需要建设一个综合、全面、智慧的信息服务平台来采集、分析、显示各类数据，才能保证系统高效、稳定、有序地运行，实现精细化管理。目前，智慧平台建设已被纳入长输供热项目中，并占据重要地位。石光辉［11］针对基础数据体系提出信息物理网需形成“热源—一级网—热力站—二级网—用户”五级热力要素信息全覆盖的基础信息体系；基于地图可视化、二维码及调度指令执行状态可视化来辅助设备管理，并提高审批及执行指令的效率和准确度。在智慧平台建设上，部分长输供热项目已完成生产经营、调度巡检、能源管理等模块的部署，基础数据的采集整合和能耗的分层管理，并在后续建设中加强数据深化处理，优化应急模块管理，建设综合数据中心。钟崴等［12］探讨了智慧供热的内涵：系统全过程的信息互联、供热调控的智能性、基于模型和数据的科学决策，在智慧供热项目实践中进行全过程、高精度仿真建模及在线仿真，基于数据和模型预测对管网平衡进行预调控，采用智能算法和高性能计算集群对多热源负荷调度方案进行实时寻优，显著提高系统的生产管理水平。

3 结语

长输供热能够有效降低大气污染物的排放、提高能源利用率、解决热源与热负荷空间分布不匹配的问题，近年来已成为我国北方城镇清洁供暖的主要方式。为了进一步提高长输供热系统的安全性、经济性和节能性，需要进行整体统筹一体化考虑：

1）政策制度是顶层设计，根据地区总的热负荷及能源情况合理规划可采取的清洁供热形式。推行合理的制度来协调电厂和热力公司的关系，充分考虑热网回水温度降低和不同品位热量，利用各方投入的成本和产出，使各方能够采取相关调节措施，降低整体的成本和能耗。

2）因地制宜，除利用电厂余热外，充分整合当地的其他热源（天然气、核能）、工业余热和可再生能源（太阳能、风能、地热能、生物质能等），形成多热源互联网络，提高系统的节能性、安全可靠性及适应供热面积扩大的可拓展性。借助储热技术来抵消可再生能源的不稳定性，同时配合热源进行热电调节，减小电网高峰期的供电压力，降低用电费用。

3）保证管网的经济性和安全性。确定各部分管道具有合理的保温形式和厚度，减小局部散热损失，采用减阻技术减小管道的比摩阻，充分考虑系统中各环节出现故障时的连锁反应。根据运行经验设定具体的故障判断原则，建立相应的连锁保护机制，减小局部故障造成的损失。

4）传统的分阶段改变流量的质调节将供暖期粗略的划分为初寒期、严寒期、末寒期，易造成阶段内供热介质的流量偏高，导致循环泵能耗上升。因此，需根据当地典型年供暖期气象资料对供暖期进行细分，在保证管网平衡、安全运行、水泵处于较高效率运行区的基础上，建立以循环水泵耗电量为目标函数的理论计算模型，确定最佳流量比。在满足用户供暖需求的阶段采用最小安全流量，在室外温度相近的几个阶段保持最小安全流量进行质调节。在室外温度较低阶段且最小安全流量无法满足需求时，根据热负荷比确定流量比，对流量进行调节，保证供水温度不变，在此阶段采用量调节的方式相对于质调节末端有更快的响应速度。同时，结合储能装置，依据峰谷电价，在保证水力安全的基础上，在峰电价时段将流量调至较低的水平，在谷电价时段将流量调至较高的水平，减少系统电耗费用。

5）打破信息不对称的壁垒，采集的信息覆盖并依次连接热源、热网、热力站、供热末端整个供热系统及政府、企业（热源供应企业和热力公司等）和用户各相关利益群体。根据能效、环境、经济的最优化目标对系统的运行进行预测、分析、优化、执行等综合处理。随着运行时间的积累，不断优化，使调整的方法更加合理。