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】分布式變頻泵系統作為一種較新的熱網型式，有減少管網輸送費用、降低管網運行壓力、增強管網水力穩定性等諸多優點，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系統為例，討論了在多熱源聯合供熱的條件下，不同的熱源運行方式和熱網運行方式對分布式變頻泵管網系統的影響。
     【關鍵詞】供熱 管網 分布式變頻泵 多熱源 聯合供熱

     1.概述
     2006年采暖季，在原有設計能力基礎上，某市集中供熱管網規劃新增供熱負荷約30％，總供熱規模將超過1000萬平米，如此大幅度的負荷擴展，熱源和熱網均需作較大調整：
     1）熱源方面
     該市原有兩個熱電廠的熱源的供熱能力已經不能滿足集中供熱負荷發展的需求，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，主要供應市區東南區域；
?誗 2＃熱源：有兩臺50MW單抽機組，總供熱能力204MW，主要供應市區西北區域；
?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三熱源的聯合供熱，其供熱流量分為兩部分，一部分與1＃熱源匯合后供應市區東南區域，一部分與2＃熱源匯合后供應市區西北區域。考慮到1＃、2＃熱源主循環泵揚程、流量、臺數等參數并不相同，以及相對應供熱區域的管網特性也不相同，為便于聯網，正常運行時3＃熱源的循環水泵及加熱器分為相互獨立的兩部分，首站內的兩套循環水系統母管分別與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分區供熱的局面將打破，三熱源將利用已有的兩條主管道共同供熱，熱源聯網供熱成為定局。
     2）熱網方面
     2005年采暖季，在原有兩個熱源主循環泵基本滿出力的運轉條件下，管網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占據從熱源至城區的兩條道路的路由，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，即將系統設計為分布式變頻泵供熱系統［1］。
     所謂分布式變頻泵系統，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的系統。如下圖所示：
     綜合熱源、熱網的以上變化，2006年采暖季該市集中供熱水力工況將發生根本性改變，熱網方面的分布式變頻泵系統和熱源方面多熱源聯網供熱問題也會相互影響。本文中以該市集中供熱網為例，分析了多熱源聯合供熱熱源運行方式的不同和熱網枝狀、環狀網兩種運行方式的不同對分布式變頻泵系統的影響［2］。
     2.熱源運行方式及對分布式變頻泵系統的影響
     三熱源聯合供熱，其熱源運行調節方式可有以下兩種方案：
     1）第一方案：根據一次能源消耗量最小的原則進行調節
     三個熱源廠六臺供熱機組，投產時間和運行參數各不相同，以機組供熱發電的熱耗的大小為調節依據可達到最大的節能。
     2）第二方案：按熱源供熱量的固定比例進行調節
     隨著氣溫變化，管網總需熱量不斷變化，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合供熱的兩種運行方式對分布式變頻泵系統的影響進行分析。
     2.1 根據一次能源消耗量最小的原則進行調節的運行方式
     從熱源上看，三個熱源的六臺供熱機組投產時間和運行參數各不相同，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，有可能會采用根據一次能源消耗量最小的原則進行調節的運行方式。
     根據各機組熱耗的不同，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，再通過分支管道輸送至市內北區。由于缺乏2＃熱源主管道從市區西北方向的支持，管網不利端也主要分布在市區西北方向。如圖3中平行四邊形區所示。隨著室外溫度的降低，當管網需熱量超過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，管網不利端也從市區西北方向向東北方向推移。隨著外溫進一步降低，當管網需熱量超過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，管網不利端繼續從市區西北方向向東北方向推移。直至設計工況下，最不利區位于管網正北方向，如圖3中長方形區域所示。
     通過水力工況分析可知，采用根據一次能源消耗量最小的原則進行調節的運行方式，管網在整個采暖季水力工況變化較大，管網最不利端隨熱源的調度變化也較大。故管網中，許多換熱站在采暖初期需要采用閥門調節，而末寒期就需要采用回水加壓泵進行調節，而另一部分換熱站則相反。故采用這種熱源運行方式時，系統中所有熱力站的閥門開度和泵轉速隨系統總流量而不斷變化，熱網調節過程相對較為復雜，對系統運行調節人員素質和城市熱網微機監控系統要求也較高。
     2.2 按熱源供熱量的固定比例進行調節的運行方式
     第一方案從宏觀上看能起到節能作用，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一的整體。但目前三個熱源隸屬于三個不同的系統，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，供熱與發電之間的關系尚待協調，供熱發電的多少直接影響各電廠的經濟效益，且熱耗高的機組越少供熱，能耗越高，造成惡性循環。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為好，即為按熱源供熱量的固定比例進行調節的運行方式。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，在管網調節中，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系統采用定“零壓點”的運行調節方式時，可實現熱網運行基本處于相似工況狀態［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。當系統調節平衡后，相似工況之間的變換，無需調節熱力站的閥門開度，系統仍處于平衡狀態［4］，簡化了熱網調節過程。
     3.環網運行方式及對分布式變頻泵系統的影響
     2005年采暖季，為便于原有兩熱源管理運營和熱量核算，該市集中供熱系統分為兩部分運行：西北供熱區和東南供熱區。兩部分供熱區的聯絡管線僅用于負荷切換和事故應急，同時，集中供熱管網雖然有環網，大部分情況下均用閥門切斷，按枝狀網運行。隨著供熱規模的擴大，熱源聯合供熱運行已勢在必行，熱網的運行方式則有以下兩種方案可供選擇：
     1）枝狀網運行方式
     仍保持現有運行方式，通過聯絡管線閥門將供熱管網分為兩部分，通過環網閥門將熱網切割成枝狀網運行。
     2）環狀網運行方式
     改枝狀網運行方式為環網運行方式，打開聯絡管線閥門，并將環網閥門設置為合理開度以進行水力優化調度。
     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的影響予以計算和分析。
     3.1 枝狀網運行方式
     采用枝狀網運行方式時，管網共有五個切斷閥門，位置如下圖中所繪制閥門位置。經水力計算后可知，管網最不利端位于管網最上端及管網中部，管網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，則管網中多數換熱站資用壓頭均小于該數值，在此類換熱站應設置回水加壓泵。經統計可知，此類換熱站共有73個，占換熱站總數的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 環狀網運行方式
     若該熱網采用環狀網運行方式，經水力優化調度分析可知，上述五個關斷閥門均開至最大即可，此時管網最不利端位于管網最上端，管網中部水力工況得以大大改善，管網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，那么采用環狀網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。較之采用枝狀網運行方式既節省了投資，又減少了運行費用，是一種經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的影響
     采用根據一次能源消耗最小的原則進行調節的熱源運行方式，雖因各熱源供熱量比例的不斷變化導致管網在整個采暖季水力工況變化較大，管網最不利端隨熱源的調度變化也較大。增加了熱網調節過程的復雜程度，但這種運行方式能大大節省三個熱源的一次能源總消耗量，是一種系統最優的運行方式。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的運行方式。這種運行方式可實現熱網運行基本處于相似工況狀態，大大降低分布式變頻泵系統的調節難度。
     2）環網運行方式對分布式變頻泵系統的影響
     隨著供熱規模越來越大，進一步提高運行的安全性、經濟性十分重要，將兩個熱網合為一網的環網運行即為可采取的措施之一，通過環網的水力計算，進行管網優化，可取得最合理最經濟的輸送方式。同時，環網運行也使管網的安全性大大提高。

參考文獻

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