長輸供熱工程熱網調節方式選擇與效果分析

王鼎力，徐平平，孫洪治，劉銳

(1.國能寧夏供熱有限公司，寧夏 銀川 750001；2.同方節能工程技術有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著碳達峰和碳中和目標的推進，作為用能大戶的城市供熱也出現了一些長距離或超長距離供熱項目，如：銀川、太原和呼和浩特等城市[1]。形成了長距離小溫差、長距離大溫差、長距離多熱源聯網等系統模式。

對于這些新出現的供熱模式，普遍運行時間不長，如：太原古交項目開始運行時間為2016年11月、呼和浩特市京能盛樂項目為2017年11月、銀川項目為2018年11月。管網輸配送距離的增加，供熱時調節的滯后性明顯、時效性較差[2]。為了保障人民群眾的生活品質，有必要研究新型供熱系統的運行調節，努力打造高效輸配送熱網。

銀川長輸供熱項目是由國能寧夏靈武電廠向銀川市供熱，電廠距銀川市主城區約41 km[3]。設計負荷下，供熱介質攜帶的熱量約6 h到達隔壓站，然后再經過約8 h到達水力工程最差的中心站。也就是說由電廠來的熱量需大約14 h后，才能到達末端的最不利中心站。再考慮到熱量傳遞給最末端熱用戶的環節，滯后時間甚至會高達18 h以上。所以采取傳統調節方法顯然不利于供熱質量的保障。

因此，本文以寧夏銀川長輸供熱項目為對象，研究長輸供熱工程熱網的調節方式，并探索出適合大溫差長輸供熱系統的新調節方式。

1 長輸供熱項目概況

銀川市采用距城市邊緣約41 km的電廠，進行長距離、跨黃河、大溫差熱泵技術為市區進行集中供熱。工程一期項目工程于2017年10月開始興建，于2018年10月投入運行，當年實現供熱面積約3658×104m2。一級管網的設計供回水溫度為130 ℃/30 ℃，管徑為DN1400 mm。

在銀川市邊緣建有一座大型隔壓站，隔壓站選擇配置50 臺換熱器，共25組，每組二臺串聯運行。二級管網的設計供回水溫度為125/25 ℃，主管網管徑為DN1400 mm。共建有73座吸收式大溫差熱泵中心站。

2 熱網調節方式選擇

供熱系統需根據室外氣象條件的變化，調節供熱量以滿足建筑物熱負荷的變化，從而達到熱量供需平衡，保證室內溫度滿足用戶要求。

供熱系統的供熱量調節參數主要是流量和溫度。常見的供熱調節方法有：(1)質調節；(2)量調節；(3)間歇調節；(4)分階段改變流量的質調節；(5)質量-流量調節；(6)熱量調節等。

質調節是保持熱用戶的循環水量不變，只改變供暖系統的供水溫度。量調節與之相反，保持供暖系統的供水溫度不變，只改變熱用戶的循環水量。其他方法是綜合了質調節和量調節。

圖1為銀川長輸供熱項目熱網平面圖。如圖1所示，銀川長輸供熱項目為復雜的四環間聯系統。管網調節如采用量調節，管網穩定性很差，且運行管理復雜。如采用質調節，則存在以下問題。

圖1 銀川長輸供熱項目熱網平面圖

(1)超長延遲性

表1為各二級網中心站的延時。如表1所示，最長延時為熱網的交通廳中心站，延時為7小時58分。其他如海寶小區延時也在6小時34分。且2個小時以上延時的中心站占據絕大多數。

表1 部分二級網中心站的延時時間

(2)大溫差熱泵機組的效率波動

銀川長輸供熱項目采用三種規格型號的吸收式熱泵機組，分別為清華同方RBH-15-125/25-70/45、華源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6和清華同方RBH-13-130/30-60/40型號。其設計的機組性能如表2、表3、表4所示。

表2 清華同方RBH-13-130/30-60/40機組性能

表3 華源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6機組性能

表4 清華同方RBH-15-125/25-70/45機組性能

從表中數據可以看出，當一級網供水溫度低于100 ℃時，清華同方RBH-13-130/30-60/40熱泵機組的回水溫度高于41.3 ℃，而華源泰盟熱泵AHEX-005H-Ⅰ/1.6熱泵機組的回水溫度則為33.6 ℃。而且各機組的變化幅度也不一樣。

同時，隨著熱泵驅動熱源的溫度降低，回水溫度也隨之上升。高的回水溫度，表明熱網的供熱量降低。所以從熱泵機組的性能參數可以看出，要保持低溫回水大溫差運行，需盡量維持較高的驅動溫度。

(3)在初、末寒期階段管道應力受到影響

國能寧夏供熱有限公司一級網DN1400管道采用冷安裝無補償方式安裝。其中有1.8 km盾構隧道和三處架空管道跨越安裝，穿黃盾構隧道內供水管有12個套筒補償器。

當采用質調節時，除了調節滯后性外，環境氣溫的劇烈變化引起供熱管網溫度的波動，較大的波動對管網運行安全造成威脅。溫度的反復變化，在盾構隧道各套筒補償及架空管道的固定支架中產生反復交變應力，降低了套筒補償器和固定支架的使用壽命。根據銀川長輸供熱項目第一個采暖季管網運行缺陷統計，盾構隧道內#2、#9、#10套筒補償器多次發生泄漏。

管網的熱膨脹量按式 (1)計算：

式中：ΔL為管道的膨脹量(mm)；α為管材膨脹系數(m/(m·℃)，對于一般碳鋼材質，α=12×10-6m/(m·℃))；L為管道長度(m)；ΔT為管網變化溫差(℃)。

管道發生溫度變化時，應力大小可按式 (2)計算：

式中：σ為管道應力(kg/cm2)；E為管道的彈性模量(kg/cm2)。常用鋼材的彈性模量為 2×106kg/cm2；ε為管道相對形變量，即ΔL/L。

根據式 (2)，對于Φ1420 供熱管網，每變化 5 ℃，單位管網的應力σ=120 kg/cm2。管網的軸向推力P=σF，則軸向推力P=48 t。

從上述計算結果可知，當熱源參數發生反復變化時，供熱管網將承受較大的應力。特別對長輸管網補償器及架空管段有較大影響，將對管網運行安全造成威脅。特別是對于外圍熱源長輸管網，當長輸管線發生較大故障時，可能造成主管線被迫停運，將對集中供熱造成嚴重影響。

綜合考慮目前常見的熱網調節方式，最后決定采用“分階段定溫度的變流量調節方式”。這種調節方式是在質調節以及量調節的基礎進行的改進。

即按室外環境溫度的高低把整個供暖期分成多個階段：初寒期、嚴寒期、末寒期或更多的供熱期。在每個采暖季初末期，直接將一級網供水溫度升至110 ℃以上，保持供水溫度110～130 ℃運行，使熱泵一直在高效區運行，在每一個階段，熱網只可以采用一個溫度值不變，同時由于室外溫度變化，長輸主管網相應采用量調節改變大網流量。

3 運行效果分析

通過實際運行，“分階段定溫度的變流量調節方式”具有以下特點。

3.1 經濟節能

國能寧夏供熱有限公司2019—2020年采暖季采用分階段改變溫度的量調節后，2019年11月與2018年11月相同負荷下供水溫度分別是107 ℃和100 ℃，回水溫度分別是33.9 ℃和40 ℃，#1中繼泵站用電量同比下降2046000 kW·h，用電單耗同比下降0.96 kW·h/GJ；#3隔壓站用電量同比下降788480萬 kW·h，用電單耗同比下降0.182 kW·h/GJ，按當地電價0.58 元/kW·h，僅11月份比上采暖季節約電費164.4 萬元。

2019年12月與2018年12月基本相同的負荷下對比，2019年較2018年12月相比#1中繼泵站用電量同比下降2046000 kW·h，用電單耗同比下降0.343 kW·h/GJ； #3隔壓站用電量同比下降1233840萬 kW·h，用電單耗同比下降0.277 kW·h/GJ，僅12月份比上個采暖季節約132.2 萬元，通個調節方式的變化，僅在110 ℃以內分階段定溫量調下，兩個月共節省電費296.6 萬元，且后期通過進一步提高初、末寒期分階段供水溫度，可節能的空間巨大。

3.2 負荷響應速度加快

在整個供熱季，不管將各定溫階段分成“三個”或“四個”“五個”，量調節的負荷響應速度是質調節所不能相比的。隨著環境溫度的變化，一、二級網通過量調節，負荷瞬間可以送至41 km外的各中心站。由于各中心站后的三、四級網基本為質調節，熱負荷到達熱用戶約延遲3 h，已大大改善熱負荷調節速度。2019—2020年采暖季銀川市區域共經歷7次氣溫突降，通過階段量調及時響應，很好地應對各次降溫挑戰。根據室溫采集系統顯示，每次氣溫突降室溫上下波動均控制在1 ℃左右。

3.3 管網安全運行得到加強

2019—2020年采暖季通過合理控制跨階段升溫速度和幅度，每階段升溫基本將溫升率控制在2 ℃/h以內，每次升溫不超過5 ℃，同時要求各級泵站循環水泵在調節頻率時，升頻速率1 Hz/min，每次升頻3 Hz穩定3 min的速度升頻，盡量減小管系軸向推力的增大，通過調節方式，本采暖季盾構隧道、跨越段管道支架、二級網所有套筒井均未發生一次變形或泄漏。

4 結語

隨著管網輸配送距離的增加，供熱時調節的滯后性明顯、時效性也較差。為了保障人民群眾的生活品質，有必要研究新型供熱系統的運行調節。以銀川長輸供熱項目為對象，研究了熱網調節方式的選擇，得到以下結論。

(1)銀川長輸供熱項目存在超長延遲性。銀川長輸供熱項目是四環間聯的系統，最長延時為熱網的交通廳中心站，二級網延時為7小時58分。

(2)純粹質調節還存在大溫差熱泵機組的效率波動，初、末寒期階段管道應力等問題。對于大溫差機組，隨著熱泵驅動熱源的溫度降低，回水溫度也隨之上升。

(3)綜合考慮，決定采用分階段定溫度的變流量調節方式。通過運行，發現該方式具有經濟節能、負荷響應速度加快和加強管網安全運行等方面的特點。

通過運行，取得了一定效果，但也有較大的節能運行提升空間。在后續采暖季的運行中，仍需加強管理，為打造高效輸配送熱網做貢獻。