太古一級網集中降溫負荷消納及聯網水力分析

姬克丹

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030000)

1 概述

太原市現狀已形成以熱電聯產、燃煤熱源廠、燃氣熱源廠等構成的“多源”“多能”的能源方式。實際運行面臨以下幾方面問題：一是燃氣供熱成本較高，年供熱面積1 000萬m2燃氣基礎熱源廠的供熱成本與6 600萬m2的熱電聯產供熱成本相當；二是燃煤熱源廠受環保限制，無法按需啟動；三是熱網間負荷切換頻繁，影響管網系統的運行安全以及使用壽命。現狀太古一級網供熱面積占太原市總供熱面積的1/3，采用回水集中降溫，充分利用電廠乏汽余熱，具有供熱成本低、清潔低碳等特點。提升該熱網供熱能力，可擴大現狀供熱負荷區域，替代原燃氣基礎熱源供熱區域，降低全網綜合供熱成本，同時提升熱網運行的穩定性及可靠性。太古一級網采用主循環泵+分布式變頻泵的運行方式，負荷區域擴大后全網水力工況發生變化，需重新配備分布式變頻泵為用戶提供用戶資用壓頭，本文將對太古一級網進行水力分析，合理優化管網、更換/增設分布式變頻泵[1]。

2 太古一級網負荷平衡分析

太古一級網現狀供熱面積6 664萬m2，共計699座熱力站，大機組配備比例為65%，該熱網區域設置有城西熱源廠調峰熱源。當采用集中降溫進一步提取現狀回水溫度熱量，太古一級網供熱能力可提升600 MW，供熱能力達到2 665 MW，按照實際區域氣象參數及熱用戶供熱效果核算的熱指標41.87 W/m2考慮，嚴寒期最大供熱面積為6 365萬m2。城西熱源廠調峰熱源最大供熱能力為348 MW，嚴寒期最大可供831萬m2。太古一級網初末寒期可擴大/調整供熱區域[2-4]。

太原市全網圖如圖1所示，由圖1可知，太古一級網與二電熱網、嘉節熱網、南部熱網、城南熱網相連接，可進行負荷切換。除城南熱網為燃氣基礎熱源及燃煤應急備用熱源外，其余熱網均為熱電聯產熱源。為此，從解決現狀供熱成本過高及充分發揮熱電聯產供熱能力來看，太古一級網將切換城南熱網負荷來實現負荷消納。

原城南熱網供熱面積1 202萬m2，嚴寒期熱指標42.37 W/m2，最大供熱負荷需求為509 MW。該區域初末寒期可切換至太古熱網的供熱面積131萬m2，800萬m2，1 202萬m2。切換后，太古一級網面積分別為6 795萬m2，7 464萬m2，7 866萬m2，在上述三類負荷切換情況下，熱負荷平衡分析見表1。

表1 熱負荷平衡分析

3 初末寒期單熱源運行負荷消納分析

3.1 單熱源運行負荷消納對比分析

單熱源運行負荷消納按照切換區域，分為4種工況，熱力站參數設置綜合考慮大機組、板換、節能建筑等因素，進行差異化設置，節能建筑：大機組3.8 t/(h·萬m2)、板換4 t/(h·萬m2)，非節能建筑：大機組5 t/(h·萬m2)、板換5.6 t/(h·萬m2)，熱源資用壓差設置為55 mH2O。結合歷年實際運行參數，各基礎參數設置及水力分析結果見表2。

表2 水力分析結果

從資用壓差來看：工況一和工況二最不利工況點均位于體育路支線，隨河東區域城南供熱面積進一步擴大，工況三和工況四的最不利工況點逐漸東移至雙塔南路末端，且河東區域的水力平衡點由原水西關南街南移至康樂街，這從北中環管線流量增加可以證實。系統零壓差點(即圖中紅色和綠色的交接區域)逐步向河西區域偏移(圖中圓圈(紅色)標記處)(見圖2，圖3)。此外，由于城南部分負荷管網路由經過雙塔西街，導致雙塔西街循環流量增加，尤其是該管線為DN800變徑至DN600，比摩阻最高增加至108 Pa/m，超過經濟比摩阻70 Pa/m，局部資用壓差降幅達10 mH2O。從運行壓力來看，全網最高壓力區域發生變化。工況一和工況二最高壓力為供水壓力，達1.36 MPa，主要集中在長風商務區；工況三和工況四，最高壓力為回水壓力，達1.49 MPa，主要集中在長治路附近，這與該區域管網連通性較差有關。從分布式變頻泵來看，工況三和工況四的分布式變頻泵啟泵范圍廣，消耗功率提升10倍以上，且現狀加壓泵更換數量較多，工況三為105座，工況四為176座。雙塔西街水力工況圖見圖4。

在最大發揮基礎熱源的供熱能力的前提下，考慮運行的經濟性及分布式變頻泵的更換，實際初末寒期可按照工況三的方式運行[5]。

3.2 負荷消納優化分析

為進一步降低熱網運行壓力，改善水力工況，建議對雙塔西街管線進行優化，將現狀DN800-DN700-DN600變徑管線全部更換為DN800管線，同時將現狀濱河東路管線南延，新增雙塔西街至南內環DN1000管線，將該DN1000管線與原南內環街DN700管線連通，為借用此段管線，全網需要增加原嘉節熱網南內環街(濱河東路至長治路)84萬m2負荷，以上述優化條件對工況三調整。新增濱河路管線有優化對比結果見表3，優化前后水壓圖變化見圖5。

表3 管網優化對比結果

由上述結果可知，優化后系統最高運行壓力降低，由1.43 MPa降低至1.36 MPa，且原四供熱區域因南內環管線的聯通，運行壓力高于1.3 MPa熱力站由72座降低至20座。因新增南內環管線承擔1 700 t/h的流量，雙塔西街管線循環流量相對降低，管線比摩阻也降低67 Pa/m，資用壓差由20 mH2O降低至4 mH2O，水力工況明顯改善，系統最不利工況點壓差由35 mH2O降低至23 mH2O。熱網系統需啟動分布式變頻泵數量增加，但運行頻率相對降低，功率下降，電耗減少15%。

4 嚴寒期多熱源負荷消納運行分析

4.1 多熱源運行可行性及運行方式確定分析

現狀太古一級網嚴寒期主要是采用太古熱網和城西熱網解列運行的方式，2020—2021采暖季末寒期，實施了太古一級網、城西熱網聯網運行[1-6]，聯網供熱面積為聯網試驗操作閥門期間，中繼能源站、城西熱源廠壓力、流量無明顯波動。熱源廠因高程較中繼能源站偏低，供回壓力由0.8 MPa/0.33 MPa升至1.12 MPa/0.55 MPa，中繼能源站供回壓力維持在0.8 MPa/0.2 MPa，熱網壓力較高區域未改變，最不利熱力站分布式變頻泵運行頻率由45 Hz降至37 Hz，水力工況得到改善。聯網升流量試驗期間，提升輔熱源流量，僅增加輔熱源的資用壓差(增加7 mH2O)和流量(增加15%)，主熱源資用壓差基本不變、流量降低1%；提升主熱源流量對輔熱源壓差影響較大，在主熱源資用壓差增加4 mH2O、流量增加7%的情況下，輔熱源資用壓差減少6 mH2O、流量降低2.5%。此次試驗證明聯網運行期間，新熱源的并入不會造成熱網系統波動，主熱源對熱網系統的運行流量、壓差起決定性作用[6]。

根據現狀太古一級網和城西熱源廠嚴寒期供熱能力，嚴寒期最高可供7 196萬m2負荷，太古一級網初末寒期供熱面積為7 548萬m2時，嚴寒期城西熱源廠作為二電熱網的調峰，還需要切換二電熱網286萬m2，切換后太古熱網供熱面積為7 835萬m2。若采用聯網運行方式，可根據實際負荷情況，逐臺啟動城西熱源廠4臺鍋爐，在供熱能力欠缺后，啟動城南熱源廠，切換負荷至城南熱網(見表4)。

表4 負荷調整

4.2 輔熱源運行工況對聯網運行影響

分別分析城西熱源廠在不同鍋爐運行臺數下的聯網運行工況，熱源設計參數如下。城西熱源廠共有6臺泵，參數如下：Q=1 800 t/h，H=146 m；太古一級網中繼能源站設有10臺泵，參數如下：Q=3 500 t/h，H=120 m。系統在不同鍋爐運行臺數的水力工況如表5所示。

表5 輔熱源負荷對系統水力工況影響

從水力交匯區域和系統循環流量來看，城西熱源廠啟動鍋爐臺數超過2臺以上時，系統的水力交匯區域逐漸河西區域擴大至河東區域的水西關街(見圖6)。鍋爐運行臺數為1臺～2臺，對系統整體水力工況影響較小。城西熱源廠主要是影響中繼能源站北中環管線的出線流量，普國路和西中環流量基本維持在10 000 t/h以上，流量比為1.05∶1。

從運行壓力來看，采用聯網運行方式，系統運行壓力較高，尤其是城西區域，其處于熱源前端，在鍋爐運行臺數超過2臺時，供水壓力整體偏高，4臺爐運行方式下，運行壓力達1.6 MPa。在高負荷運行工況下，聯網運行超壓較嚴重，建議嚴寒期城西熱源廠啟動3臺爐及以上時，按照解列運行的方式，同時分布式變頻泵選型也按照解列運行考慮。供水壓力分布圖見圖7，資用壓差分布圖見圖8。

5 分布式變頻泵選型分析

根據上述各類水力工況分析，初末寒期，熱網系統的分布式變頻泵可按照城西熱源廠啟動2臺爐運行方式進行選擇，供熱面積7 548萬m2；嚴寒期可按照解列運行選擇，將北中環至漪汾街負荷599萬m2切換至城西熱源廠，同時將并州路以東、雙塔西街以南628萬m2切換至城南熱網，切換后，嚴寒期供熱面積為6 321萬m2。具體分布式變頻泵選型結果如表6所示。初末寒期有195座熱力站需要更換/增設，嚴寒期有61座需要更換/增設。

表6 分布式變頻泵選型

6 結論與建議

1)太古一級網集中降溫后，可充分利用電廠余熱，發揮電廠余熱這一零碳能源優勢，實現供熱能力提升，初末寒期太古一級網供熱面積可達到1億m2以上，較現狀供熱面積提升33%，太古一級網循環流量較現狀提升12%以上，對于以分布式變頻泵+主循環為主的運行方式，在實現余熱的充分利用的同時，還需考慮水力工況的最優運行及分布式變頻泵的設置，提高全網運行的經濟性。經對比，合理的消納區域是替代高成本的燃氣熱源區域800萬m2，優化管網系統后，可實現太古一級網最大供熱面積為7 548萬m2。

2)太古一級網與城西熱源廠聯網運行方式下，因系統運行壓力較高且DN1200北中環主干線流量降低未得到充分利用，嚴寒期暫不考慮聯網，仍按照解列方式運行。太古一級網的多熱源聯網運行，僅適合初末寒期低負荷工況。

3)分布式變頻泵選型按照初末寒期供熱面積為7 548萬m2，195座熱力站需要更換/增設分布式變頻泵；嚴寒期解列運行供熱面積為6 321萬m2，61座需要更換/增設分布式變頻泵。