论文石兆玉在多热源联网中分布式输

欢迎同行加入“城镇供热 　　近几年来，业内人员，对分布式输配供热系统在消除冷热不均，节电，节能方面的巨大优势，有了越来越清晰的认识。年7月，中国建筑标准设计院已将《分布式冷热输配系统用户装置设计与安装》[1]正式作为国家建筑标准设计图集（13K）颁布实施。这一举措，必将加速该技术在供热行业内的推广、应用。目前在实际工程的推广、应用中，除了积极总结，完善某些技术细节外，还有一些技术质疑需要进一步探讨，如分布式输配供热系统可否在大型供热系统中应用？在多热源联网系统中是否可行？作者在本文中，拟就这些问题作一些技术探讨，通过如下技术分析，可以明确作出结论：分布式输配供热系统完全适用于多热源联网运行，在大型供热系统中，分布式输配系统的优势更加明显。

　　关于多热源联网的一些基本技术问题，作者在《供热系统运行调节与控制》[2]、“供热系统多热源联网运行再认识”[3]中均有具体论述，此处不再赘述。本文主要阐述分布式输配系统在多热源联网中的一些技术要点，以期业内人员展开讨论。

　　1、环状管网中的应用

　　在多热源联网中，为了提高系统的可靠性，大多数应采用环状管网，其基本结构是将主干线设置成环状管网，有的大型供热系统，除了主干线外，重要支线也设计为环状管网。图1.1为一典型的多热源环状管网示意图。现就该供热系统分布式循环水泵的设计方法，表述如下：

图1.1多热源分布式输配供热系统示意图

I~III—热源编号1~8—热用户编号

　　1.1热源循环泵的设置

　　由图1.1所示：多热源环网供热系统由Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ热源组成，设Ⅰ为主热源。当供热规模较大时，管网还可以有主环，分环之分。为了提高系统的运行可靠性，环网（特别是主环网）通常采用同管径设置。为方便起见，主环表出了1-6六个热用户（含热力站），分环表出了7-8两个热用户（含热力站）。

　　在文献[2]、[3]中，作者指出：在整个供热期间，应根据热量平衡的运行原则，制定各热源有序协调运行方案。在不同的室外温度下，热源（含锅炉的台数）的运行数量不同，与之相对应的，各热源在主环上分片包干的供热范围也不同。各热源分片包干的供热范围通常由水力汇交点确定。一般情况下，水力汇交点的数量与热源运行的数量相等。在初寒期，当只有主热源运行时，只有一个水力汇交点，系统全由主热源供热。当进入中寒期，若有了二个热源运行，此时将有二个水力汇交点，把主环网分成二个供热区，各由Ⅰ，Ⅱ热源供热。当处严寒期，需要所有热源启动运行（图1.1为3个热源），这样，3个水力汇交点将把主环网分成3个供热区，分别由Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ热源供热。图1.1只画了二个水力汇交点，即热用户2和5，同时也绘制出了相应的水压图（图1.1中的实线部分为主环网在三个热源同时运行时的部分水压图）。从图1.1可以看出：在三个热源同时运行时，由于2、5热用户为水力汇交点，同时，此时Ⅰ热源分管的供热范围为2、3、4、5热用户。从水压图上也可明示，热用户2、5的供水压力最低。回水压力最高。显然，2、5热用户为水力汇交点。

　　通过上述分析，清楚了多热源的基本运行工况以后，环网的热源循环水泵的设置方法也就一目了然了。在分布式输配供热系统中，与传统供热系统相比较，最大的区别是热源循环泵不再承担管网和热用户的输配功能。对于环网多热源供热系统，由于各热源在主环网之间，没有热用户分流，易于空载运行，因此，从节电的角度出发，热源循环泵除负责热源内部水循环外还应承担热源至主环网之间的输配功能。其扬程应包括热源内部（主要含锅炉）的系统压降和至主环网的输送压降。其中特别要考虑当热源运行数量不同时，各热源循环泵的扬程差别。因此，在确定不同外温条件下的各热源循环泵的扬程时，必须与不同运行工况下各热源分管的不同供热范围同时考虑。当不同工况下的扬程差别不大时，可选同型号的水泵通过变频调速来调整；当扬程差别过大时，可选不同型号的水泵，分别在不同的工况下运行。

　　各热源循环泵的流量应严格按锅炉的设计流量选取，最好一台锅炉对应一台热源循环泵，以提高运行中的灵活性。应严防按外网循环流量的大小选择热源循环泵。这样作，通常外网循环流量远大于锅炉循环流量，为减少锅炉的循环压降，势必采取旁通混水降温运行，这是变相的大流量小温差运行方案，是不节能的落后技术，应尽量避免。为均衡热源循环流量和外网循环流量的不一致，在各热源处仍可设均压管，并在均压管上设置变频调速旁通定压装置，具体做法可见“供热系统分布式混水连接方式的选优”[4]。

　　1.2末端循环泵的设置

　　供热系统末端统指热力站，楼栋和热用户。对多热源环网供热系统，主要指主环网以远的系统。首先讨论热力站中一级网分布式循环泵的选型。其选择方法见“供热系统分布式变频循环水泵的设计”[5]一文。分布式循环水泵的流量按该热力站一级网的设计流量确定。其扬程应为该热力站至主环网之间的循环环路的压降之和。当循环环路包括系统的分环管网时（如图1.1中与分环环路相连接的7，8热力站），应选择可能的最大压差（正常工况时，从最短回路抽水，事故工况时，可能从最长回路抽水）。

　　从图1.1的水压图中看出，主环网的水压图（实线部分），是由各热源的循环水泵建立的。由于各热源循环泵，是将热水，热量由热源“推向”主环网的，因此，主环网的水压图必定是供水压力大于回水压力，而且在水力汇交点处（为2、5热用户），供水压力最低，回水压力最高。由于采用相同管径布局，因此，主环网存在一定的正资用压头（最小值在水力汇交点），且水力坡线比较平缓，资用压头的最大值与最小值相差不大，如果设计合理，可将其差值保持在5~10米水柱之间。在一级网分布式循环水泵的扬程设计时，应将这部分正的资用压头计算在内，可适当降低待选水泵的扬程，以利节能。当然，在不同的运行工况下，主环网上供回水之间的上述压差其值是不同的，但不宜过细计算，一般按5~10米水柱考虑即可，实际偏差，将由水泵变频调速自动找齐。

　　在图1.1的水压图虚线中，表明了主环网至热力站一级网之间的压力分布状况。须要重点说明的是，其零压力汇交点设计在该热力站之前（见2用户），目的是让主环网的资用压头全部变为一级网循环的输出动力，而防止数值过大，因节流造成能量损失。由此可见，主环网上供回水资用压头，只要设计合理，完全能够避免无效电耗的产生。

　　2、枝状管网中的应用

　　图2.1中绘出了多热源枝状管网供热系统示意图。图中Ⅰ，Ⅱ为二个热源。1，2，3……为若干热用户（含热力站）。对于单热源的枝状供热系统，零压力汇交点设在热源出口处是最节电的，此时不存在无效电能消耗。对于多热源枝状供热系统，如图2.1所示：

图2.1多热源枝状网分布式输配供热系统示意图

Ⅰ，Ⅱ—热源编号1~6—热用户编号

　　若依然将零压力汇交点设置在热源出口处，则须要对不同运行工况进行实际分析：先考虑开始供热的初寒期，只起动Ⅰ热源（设为主热源），此时1热力站的一级网分布式循环泵扬程最小，而4热力站（系统最末端）的一级网分布式循环扬程最大。此时系统符合分布式输配的最佳设计理念，因而最节电。但当气温逐渐变冷，热负荷增大，需要起动Ⅱ热源时，运行工况将发生变化，特别当各热源的供热能力不同时，一级网的各分布式循环泵的适应能力将存在困难。如图2.1所示的两个热源的供热系统，若在设计外温下，主热源Ⅰ可承当2/3的热负荷，Ⅱ热源承担剩下的1/3热负荷。在理想的情况下，热源Ⅰ分包2/3的热力范围，热源Ⅱ分包其余的1/3供热范围。这样一定会发生离热源Ⅱ近的热用户（如6热用户）必须抽取离热源Ⅰ远的热水热量。然而这在现实工程实例中是很难做到的。因为离热源Ⅰ越远的热用户，其扬程必须越大，转速必须越快，才能抽取越多的热量，但这样配置的结果是适得其反，是事与愿违的大量抢走了Ⅱ热源的热量。因为该热用户的供热半径离热源Ⅱ更近，由于其抽力大，必然搅乱热源Ⅱ的供热范围，达不到预期的供热目标。由上分析，说明在热源出口处设置零压力汇交点对于树枝状的多热源系统是不适宜的。

　　对于树枝状多热源供热系统，合理的设计方法，同环状网一样，热源循环泵的扬程仍然应承担热源内部的循环功能以及系统主干线的输配功能。热力站一级网的分布式循环泵则承担一级网（不含系统主干线）的输配功能。为适应不同外温下各热源分片包干供热的灵活性，系统主干线最好设计成同径的。若为旧系统的改造工程，如主干线全部改造为同管径的，工程量大，但此时必须进行系统流量可及性计算，在此基础上对主干线的管径进行局部调整。

　　图2.1还给出了多热源运行下的水压图，实线部分为主干线水压图，虚线部分为一级网水压图。零压力汇交点应在主干线与热力站之间，这样，才能避免无效电耗的发生。主干线供回水压差（即主干线资用压头）最好和环网一样，保持在5~10m水柱左右，以防止主干线资用压头过大，导致零压力汇交点移至热力站之后，造成不必要的节流（加装调节阀）损失（见图2.1中1用户）。对于枝状管网，当主干线供热半径过长时，特别在不同管径的情况下，主干线压力将势必过大，更容易导致热源近端资用压头超量，零压力汇交点后移的现象。基于上述原因，对于大型多热源供热系统，应该尽量设计成环状管网，以利分布式输配系统的实施。

　　3、调峰热源的设置

　　在大型多热源环网供热系统中，一般设置有主热源，调峰热源。通常主热源设置一个，在整个供热期，都满负荷运行。在初寒期，即供热的起始，终了阶段，只主热源一个热源运行，就能满足全网的供热需求。一般情况下，都是大型热电联产机组组成的热电厂承担主热源。为了发电供热负荷的稳定性，热化系数宜采用0.5~0.6。目前在实际工程中，不少热电厂随外温的变化，不断调整供电，供热负荷。有时还投入减温加湿装置，这说明热化系数取值过大，会严重影响主热源的正常运行。随着我国城镇化进程的加快，不久的将来，国内百万人口以上的大城市，可能出现二百多个，届时供热规模的主热源可能需要2~3个热电厂共同承担，此时每个热电厂的热化系数，依然应该严格控制在要求范围之内。

　　在大型多热源环网供热系统中，除了主热源外，经常还设置大型区域锅炉房作为调峰热源，供热规模一般有几百万平方米供热建筑面积。这种大型调峰热源，在整个供热期，运行时间比较长，通常1~2个月。对于这样大型调峰热源，在供热专项规划中应有预见的设计安排。为了适应分布式输配系统的设计，这样大型调峰热源应与主热源一起进行统一规划，分散布置在靠近主环网的周围。规划布局的原则：一是有利于主环网上供热负荷的均匀分片包干；二是各热力站应尽量靠近主环网，借以减少热源循环泵的扬程。这样的设计原则，可以大大简化相关的设计程序。对于热源，只考虑该热源至主环网的输配功能，不再考虑主环网至一级管网的配置状况，同样，对于主环网以后的管网设计，不再考虑热源的输配状况，既加快了并行设计的进度，又提高了工艺设计的先进性。

　　对于大型供热系统，往往还配置一些小型调峰锅炉房。这些小型调峰锅炉房，一般都是由小型锅炉房改造后遗留下来的。如果设计合理，这些小型锅炉房完全可以作为多热源环网供热系统在严寒期的调峰热源使用。当这些小型锅炉房实现煤改气以后，不但燃烧效率大大提高，而且便于起停，易于运行管理，最适合担当尖峰状态（接近设计外温）下的调峰热源。因为这一期间，热负荷增加幅度很大，约为初寒期热负荷的40~50%；然而延续时间又很短，一般只有几天到十几天的时间，如果起动大型调峰热源，不但成本高，而且操作不灵活，这时这种小型调峰热源的投运就更显其突出的优越性了。小型调峰热源的投运，最好采取解列的运行方式。根据整体有序协调运行方案，在小型调峰热源的周围，从大的供热系统上就近解列一部分热用户（热负荷与调峰热源的供热量一致），交由小型的调峰热源供热，使解列出来的供热区，形成一个小型的完全分布式输配的供热系统。这种技术措施，不但能灵活适应热负荷的剧烈变化的特点，而且可使管网的输送动力减少到最小，又不影响大系统的正常运行，其优越性是十分明显的。

参考文献：

[1]《分布式冷热输配系统用户装置设计与安装》，（中国建筑标准设计图集13K），中国建筑标准设计研究院，中国计划出版社，.7

[2]《供热系统运行调节与控制》，石兆玉，清华大学出版社，.1

[3]“供热系统多热源联网运行再认识”，石兆玉，《供热与制冷》，.2

[4]“供热系统分布式混水连接方式的选优”，石兆玉，《区域供热》，.6

[5]“供热系统分布式变频循环水泵的设计”，石兆玉，《暖通空调标准与质检》，年3期

[6]“全网分布式输配供热系统的优越性”，石兆玉，《区域供热》，.4期

第五届城镇智慧供热技术

暨余热暖民工程经验交流研讨会

时间：年12月14—16日

地点：辽宁省葫芦岛市维景大酒店

主办：中国建设科技培训中心

协办：葫芦岛市城市供热管理办公室

　　　中国工业节能与清洁生产协会

　　 　　 　　　余热利用专业委员会

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邮箱：zhihuigongre

会议演讲嘉宾及演讲课题

许文发：中国区域能源协会理事长/原建设部城建院院长/泛华建设集团副总裁

演讲题目：区域能源践行能源变革

李德英：中国建筑节能协会秘书长/北京建筑大学教授/北京市供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室主任

演讲题目：智慧供热运行管理能效提升调控策略

汪思源：大连海事大学教授

演讲题目：供热互联网与大数据思维

王雅珍：北京联合大学教授/通河昱真供热有限公司董事长

演讲题目：节能减排实例介绍——创建碧水蓝天美丽城镇

唐殿辉：大连旺佳新能源科技开发有限公司副总经理　　

演讲题目：治理燃煤锅炉烟气排放新方案——兰炭在治理锅炉烟气排放中的应用

焦崇伟：汇中仪表股份有限公司副总经理

演讲题目：超声测流产品在供热行业上的应用

李勇清：杭州哲达科技股份有限公司市场部经理

演讲题目：集中供热二次网平衡解决方案

张建军：河北同力自控阀门制造有限公司东北区总经理

演讲题目：水力失调的原因及平衡阀的选用——钢制焊接热力入口装置的应用及节能收益

王光第：西安市天源中试机械厂厂长

演讲题目：自动排气阀的选用技巧

王智慧：中国工业节能与清洁生产协会余热利用专业委员会副主任/中益能(北京)技术有限公司董事长

演讲题目：蓄热技术助力余热暖民工程

乔　宇：北京华源泰盟节能设备有限公司市场部部长

演讲题目：余热供暖暨大温差换热技术

未完待续......

参观考察葫芦岛市余热暖民工程

——葫芦岛中益能环保技术有限公司多热源联网运行项目

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