關于多熱源聯網供熱系統的探索

袁春明

(山東和光智慧能源科技有限公司，山東 濟南 250000)

多熱源聯網供熱是一種集中供熱形式，其關鍵是在保證用戶供熱質量的前提下，實現各熱源供熱的靈活調度。新一輪科技革命背景下，多熱源聯網供熱系統利用智能化、自動化和信息化技術可以實現供熱的實時調度、自動監控和信息管，故障條件下無需停運維修，只需合理調度即可滿足用戶用熱需要，能有效提高工人各系統的可靠性與穩定性。

1 多熱源聯網供熱系統組成

多熱源聯網供熱系統是指具有兩個或兩個以上熱源采用同一熱網進行聯合集中供熱的系統。相較于單一熱源供熱系統而言，該系統運行不僅可以有效節約能源，還能提高供暖可靠性，實現水利工況優化，平衡供熱效果。系統示意圖如圖1所示。

圖1 多熱源聯網供熱系統

1.1 熱用戶

熱用戶是多熱源聯網供熱的終端，也是熱源服務的最終用戶。多熱源聯網供熱的根本目的是滿足我國大部分地區居民用暖需求，為其提供穩定、可靠的高品質熱源。而由于不同地區居民對采暖需求的不同，多熱源聯網供熱系統中可以為居民用戶提供自行調節的工具，讓用戶結合自身需求進行調節。

1.2 熱網

熱網是指多熱源聯網供熱系統的供熱管網，是多熱源聯網供熱的輸配環節。熱源入網前應裝設入網調節閥，入網后兩側的主干線必須安裝調節閥，以調節兩側流量，實現管網的阻力平衡。主干線的分支需安裝分支調節閥，以消耗用戶多余的壓差，實現管網的平衡。隨著我國加快市政基礎設施建設，我國大部分地區供熱管網不斷完善，能有效協助熱力公司加強多熱源聯網供熱集中管理和調度，提高能源利用效率。目前我國供熱管網的主要結構由環狀管網和樹狀管網兩種，具體結構需結合實際情況而定。熱網優化的主要目的是在保證滿足不同地區熱用戶對供暖需求的基礎上，實現熱源輸配能耗最小。目前熱網優化的主要工作在設計階段和運行階段，設計階段重點優化熱網結構，包括熱網走向和管徑大小，現在越來越多地區的熱網結構開始由環裝管網轉變為樹狀管網，以提高供熱效率和熱網運行可靠性、穩定性。運行階段主要探討管網上流量優化配置，以實現對整個熱網的合理調節，滿足其熱量均勻和水力平衡的要求。

而且多熱源聯網供熱系統熱網與單熱源聯網供熱系統熱網存在較大不同，前者設計時需要結合調峰熱源全部啟動、全系統由主熱源供熱、全系統由調峰熱源在事故狀態下供熱等運行狀態下的水力工況做校核計算，再確定熱網主干線及其管徑。后者熱網主干線首末端均為大管徑，且首末端分別為基本熱源、調峰熱源的出口，彼此間的管線即為主干線。

1.3 熱源

1.3.1 熱源的概念和分類

熱源是多熱源聯網供熱系統的供熱來源，是符合將人造或是天然的能源裝置轉化為符合供熱系統基本要求的裝置的總稱。常見的熱源有熱電廠、區域鍋爐房、熱泵和太陽能、地熱能等設備。

熱電廠是聯合生產電能和熱能的發電廠，其供熱原理可概括為“熱電聯產”，具體如下：加熱鍋爐水，得到高溫高壓蒸汽-驅動汽輪機發電-汽輪機高溫蒸汽冷卻得到凝結水-凝結水進入鍋爐被加熱蒸發。“熱電聯產”的供熱方式不僅可以實現能量的梯級利用，還能提高能源利用效率。現階段，熱電廠供熱依據供熱汽輪機的形式可劃分為三種“熱電聯產”系統。第一，凝汽式汽輪機供熱系統。通過導汽管開孔抽汽或低真空串聯運行和拆除部分葉輪進行改裝得到的汽輪機組來為系統供熱。第二，抽氣式汽輪機供熱系統。將汽輪機組提供的高溫熱水需經過換熱裝置進行換熱，經過循環放熱后再返回熱電廠。第三，壓式汽輪機供熱系統。使用排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機組進行供熱。

區域鍋爐房是給兩個或兩個以上單位熱用戶供熱的鍋爐房。其供熱基本原理是利用燃料燃燒所產生的熱量，將循環水加熱成為高溫熱水或蒸汽，之后通過熱網將高溫的熱水或蒸汽輸送到熱用戶用熱設施中，滿足其生活、工作用熱。區域鍋爐房具有投資小、占地小的優勢，而且熱效率高。

1.3.2 熱源選擇

通常情況下，多熱源聯網供熱系統熱源結構有兩種，其一，以一大型鍋爐房為基本熱源，其余幾個小型鍋爐房為峰荷熱源。其二，以一個或幾個熱電廠為基本熱源，其余幾個小型鍋爐房為峰荷熱源。合理選擇熱源是多熱源聯網供熱系統設計的重要內容。一般情況下，選擇熱源需滿足如下要求：第一，并網熱源選擇時要保證供熱參數一致。第二，系統中主熱源的供熱能力不得超過系多熱源聯網供熱系統供熱能力的30%。第三，熱源盡量處于熱用戶分布的中心位置。

1.3.3 熱源的結構

熱源構造圖如圖2所示。

圖2 熱源構造圖

由圖2可知，調峰熱源在循環水泵一旁設置通管Ⅰ，熱源總供水干管間旁設置通管Ⅱ。前者可以在調峰熱源停運時，將熱網管道中的水由供水干管導入調峰熱源，經過散熱后再由回水干管流入熱網。并且在調峰熱源啟動時，將熱網管道中的水由總回水管導入調峰熱源，加熱后再導入熱網的總供水管中。而后者可以調節熱網的循環水量、供回水溫度和供回水壓差，保證多熱源聯網供熱系統協調運行。

1.3.4 熱源設計

第一，系統定壓。結合熱用戶分布確定系統定壓點壓力，具體位置一般選擇在循環水泵吸入口處；第二，確定回水入網壓力。保證各熱源回水入網壓力一致或在一定限值內；第三，確定熱源循環水泵。宜選用變速泵，配合多熱源聯網供熱系統靈活調度，以降低損耗；第四，選擇事故工況加壓泵。依據相鄰熱源事故工況水力計算結果確定加壓泵；第五，閥門設置。熱源入網前后需要在供回水干線上安裝調節閥、關斷閥和分段閥。

2 多熱源聯網供熱系統調度依據

2.1 熱量平衡

熱量平衡是確保多熱源聯網供熱系統穩定運行的基本保障。熱量平衡要求供熱期間內各熱源總供熱量應等于熱用戶總需熱量。簡單來說，在一定時間段內，各熱源的小時供熱量與該熱源承擔的供熱用戶小時需熱量一致。或是在一定供熱區域內，各熱源的小時供熱量總和與該區域內同時間段的熱用戶需熱量總和相等。在多熱源聯網供熱系統工作期間，為保證系統供熱的穩定性、可靠性，需要結合各熱源供熱能力繪制熱負荷延續時間曲線，進而確定不同外溫下的熱用戶需熱量，為工作人員系統調度提供可靠依據。圖3為熱負荷延續時間曲線圖。

圖3 熱負荷延續時間曲線圖

2.2 流量平衡

流量平衡是熱量平衡的前提條件。流量平衡要求供熱系統各區段實際循環總流量應該等于該區段的設計流量，且各熱用戶的實際循環流量應該等于該熱用戶的設計流量。多熱源聯網供熱的突出優勢是可以改善熱網供熱冷卻不均的情況，提高系供熱穩定性。而熱網供熱負荷與熱網循環水量密切相關，調度熱網循環水量相當于重新分配熱用戶供熱量。由此可見，流量平衡對多熱源聯網供熱穩定至關重要。

在多熱源聯網供熱系統運行時，如果該熱用戶設計流量等于其實際循環流量，則相當于各熱源供熱范圍、大小和區段均在理想工況條件下，此時系統供熱個流量平衡。當設計流量大于實際循環量時，系統內流量平衡被破壞，則需要采用恰當的手段在保證干線流量不變的前提下，增加用戶流量，使系統流量平衡。水利交匯點是劃分各熱源供熱范圍的關鍵。其相當于把一個多熱源的聯網系統解裂為多個單熱源供熱系統，每個熱源承擔一定范圍的供熱面積。由此可見，確定水利交匯點是解決流量平衡的關鍵。水利交匯點一般有兩種情況，其一是該點流體處于靜止狀態，其二是該點成為兩股流體相向流動的匯交點。而且水利交匯點與熱源數量、容量和熱網管道結構密切相關。其數學表達式如下。

1≤≥+-1

上式中表示熱源數量；表示水利交匯點的數量；表示熱網環路的數量。結合上述公式不難看出，隨著熱網環路的增加，系統水利交匯點的數目也逐漸增多，且當熱負荷分布均勻且熱源與熱負荷供需平衡時，水利交匯點個數最多。為此，在設計階段，嚴格按照設計圖紙選取水利交匯點，并通過流量調節手段保證理想流量和實際循環流量的平衡，進而保證該熱源區域供需平衡。

2.3 壓力平衡

流量和壓力密切相關，兩者間存在確定的函數關系。通常情況下，通過壓力檢測和壓力平衡等手段可以間接判斷流量平衡。多熱源聯網供熱系統實現壓力平衡的主要辦法如下：第一，借用滿足用戶資用壓頭平衡來實現熱用戶流量的平衡。第二，各熱源承擔的分區供熱系統，其各個恒壓點壓力必須在設定的數值下運行，保證全網壓力穩定進而實現各熱源間流量均勻分配的重要措施。第三，使設定匯交點處的區段供水壓力最低，回水壓力最高。

3 多熱源聯網供熱系統優化調度辦法

3.1 熱用戶優化調度

熱用戶優化調度是實現熱量和流量平衡，保證系統供熱滿足用戶的用熱需求。但由于熱用戶很少主動對熱量進行調節，為此，熱用戶優化調度可看做是熱力站一次調節。同時考慮到熱力站內運行工況和二次網循環水量的不同不能將熱負荷計算結果作為熱力站一次調節的依據。為此，在實踐中，需要通過多熱源聯網供熱系統實時監控各熱力站的運行工況，實時采集各參數數據發送至統一調度中心，經過系統計算分析后，將調節指令發送至各熱力站的電動調節閥門。與此同時，由于部分小型熱力站對整個系統供熱的影響不大，熱力站可以結合室外溫度進行自動調節。即通過自控系統實現供熱量的氣候補償，改變調節閥開度，通過控制用戶側水量實現供熱量的調節。除此之外，太陽能輻射和作息時間在一定程度上也能影響熱負荷，為此，熱力站可以通過環境模擬綜合考慮太陽能輻射和夜間休息時間長短對系統供熱的影響，從而進行自動調節，在滿足用戶用熱需求的前提下節約能源。

3.2 熱網優化調度

熱網優化調度的根本目的是在各種工況下實現系統的流量平衡和熱量平衡，并尋找最優的干管上閥門狀態的組合，使得系統中循環水泵的能耗最小。具體可以通過對系統水力工況和熱力工況調節進行實現，而兩種調節路徑的根本目的是實現流量平衡和熱量平衡。水力工況調節一般步驟如下：第一，結合室外氣溫資料和熱源調度方案，確定熱源優先等級和運行規律，合理制定水泵運行調解方案；第二，找出水利交匯點位置，調整多熱源聯網供熱系統運行工況，改變水力匯交點的位置會使得各個熱源的循環水流量配置發生變化，實現流量平衡。熱力工況調節方法有兩種，分別是質量合并調節和有質調節，前者可以同時調節熱網的供回水溫度和供熱管網的流量。后者則是在定流量條件下調節供熱管網的供、回水溫度。無論何種方法，其調節的主要目的是使供水溫度保持一致。

3.3 熱源優化調度

熱源優化調度的根本目的是確定系統最佳運行方案，實現降本節能，其主要方法是根據熱負荷的特性和其分配的比例進行調度。為此，工作人員需綜合考慮溫度、濕度、通風和太陽輻射等外界環境因素對供熱負荷的影響，實時計算熱負荷，了解熱負荷動態變化。同時應用計算機監控系統并發送和采集信息，以更好地適應熱源的啟運規律。由運行調度中心把控各熱源啟運順序及熱源供熱量，合理預測下個供暖期可能負擔的總供熱量，并制定出各階段隨室外溫度變化的供熱調節表，用來調度整個供熱系統的運行。

4 結語

多熱源聯網供熱是未來城市供熱發展的必然趨勢，是新時期下實現降本增效、節能提質的先進供熱技術。為保證多熱源聯網供熱系統地正常、穩定運行，系統設計、運行階段，要重視“熱量平衡”“流量平衡”“壓力平衡”，同時結合實際情況，合理進行羽化調度，以更好地滿足用戶用戶需求。