鄭忠海，張雯，康輝，趙思遠，田包云，薛藝輝

（1.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系，北京100084；2.西安高新區(qū)熱力有限公司，西安710000）

0 引言

我國北方城鎮(zhèn)集中供熱形成以熱電聯(lián)產(chǎn)為主、區(qū)域鍋爐房為輔、其他方式為補充的格局，供熱管網(wǎng)長度近30 萬km，是區(qū)別于歐美國家的寶貴城市基礎(chǔ)設(shè)施。集中供熱系統(tǒng)是由很多熱源系統(tǒng)、管道、換熱器、暖氣片和建筑物構(gòu)成的，其設(shè)計方法、系統(tǒng)型式、拓撲結(jié)構(gòu)、運行方式和建筑物特性千差萬別，加上外界環(huán)境和氣象條件變化多端，是一個龐大、復(fù)雜、耦合性很強的“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”［1］。

近年來，我國城鎮(zhèn)供熱呈現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展（1 000萬m2至上億m2），具有大管徑（DN 1 400 以上）、長距離（30 km 以上）、大高差等復(fù)雜特征，以及多級泵站、環(huán)狀管網(wǎng)和多熱源聯(lián)網(wǎng)等運行模式，熱網(wǎng)的水力熱力工況分析和應(yīng)用越來越廣泛［2-15］。然而，集中供熱系統(tǒng)日益復(fù)雜化、多元化，其信息化、智能化相對滯后。

熱網(wǎng)系統(tǒng)水力工況分析可對系統(tǒng)安全運行、多工況運行調(diào)節(jié)、區(qū)域劃分的合理性以及水泵等關(guān)鍵設(shè)備效率等提供一定的技術(shù)依據(jù)。從時間維度上講，隨著采暖季的室外氣象條件變化，存在著多個運行調(diào)節(jié)工況，水力計算用于單支路、單工況的設(shè)計已不滿足熱力公司運行調(diào)度需求，歷年熱力公司動態(tài)規(guī)劃發(fā)展也需要熱網(wǎng)系統(tǒng)存在一定的“靈活性、適應(yīng)性”；從空間維度上講，傳統(tǒng)的“最不利用戶”局部分析已不適合日益復(fù)雜化的熱網(wǎng)，進行供熱管網(wǎng)的全網(wǎng)、全局、全工況分析，找出管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)自身的“優(yōu)勢、均衡、瓶頸、缺陷”，實現(xiàn)自動化、智能化多工況分析模擬和“演習(xí)”，對于熱網(wǎng)運行的安全、節(jié)能和經(jīng)濟成本至為重要。本文將以西安高新區(qū)熱力的一級網(wǎng)水力分析為案例，通過現(xiàn)狀熱網(wǎng)診斷、多熱源聯(lián)網(wǎng)或切網(wǎng)運行、分布式變頻輸配等多工況進行全網(wǎng)時空分析，為熱網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟運行提供指導(dǎo)建議。

1 供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀校核分析

1.1 供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀

本次水力分析涉西安高新區(qū)熱力公司4座熱源廠的供熱區(qū)域，入網(wǎng)總面積為1 813 萬m2，熱力站243座，區(qū)域高程約391～441 m。區(qū)域熱網(wǎng)之間設(shè)有隔斷閥，其中，魚化與西戶路兩熱源緊鄰，其主管連通運行，西戶路燃煤鍋爐已由魚化燃氣鍋爐替代供應(yīng)；紫薇田園熱源廠、融鑫路熱源廠為燃氣鍋爐供應(yīng)，區(qū)域隔斷閥關(guān)閉，形成3個獨立運行的區(qū)域。熱源熱網(wǎng)現(xiàn)狀的拓撲圖如圖1 所示，供熱現(xiàn)狀分析見表1。

圖1 熱源熱網(wǎng)現(xiàn)狀的拓撲圖Fig.1 Topological diagram of the current heating network

表1 供熱現(xiàn)狀Tab.1 Current status of the heating system

現(xiàn)狀系統(tǒng)主要運行參數(shù)見表2。綜合建筑熱指標為：31 W/m2；供水/回水溫差：西戶/魚化熱源為37 ℃、紫薇田園熱源為42 ℃、融鑫路熱源為36 ℃；循環(huán)流量一級網(wǎng)平均循環(huán)流量為7.0 t/（h·萬m2）；供回水壓頭差為39～60 m；回水定壓壓力為0.28 MPa。低溫低壓運行時供水溫度普遍小于100 ℃，運行壓力1.0～1.2 MPa。

表2 熱源現(xiàn)狀供熱參數(shù)Tab.2 Current heat supply parameters

該分區(qū)工況下，運行調(diào)度發(fā)現(xiàn)，西戶路和魚化熱源廠片區(qū)熱力站間的平衡調(diào)節(jié)難，而融鑫路熱源廠和紫薇田園熱源廠供熱區(qū)域的末端用戶供熱質(zhì)量普遍無法滿足。

1.2 熱網(wǎng)水力模型

圖論適用于市政基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)［16-18］，對于熱網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，滿足以下方程

AGB=0 N個方程（基爾霍夫流量定律），

BfΔH=0 B-N個方程（基爾霍夫壓降定律），

ATPN=ΔH B個方程（壓力與壓差關(guān)系式），

ΔH=S|GB|GB-DH B個方程（流量與壓差關(guān)系式），

式中：A 為關(guān)聯(lián)矩陣；Bf為基本回路矩陣；GB為流量列向量；ΔH 為支路壓降列向量；PN為節(jié)點壓力列向量；DH為泵揚程列向量。

建立該熱力公司的熱網(wǎng)模型，全網(wǎng)流量、管徑和用戶規(guī)模的空間分布如圖2—4所示。

圖2 熱網(wǎng)水力分析模型Fig.2 Hydraulic analysis model of the heating network

本文采用國內(nèi)自主開發(fā)水力計算軟件GeoPipe建模分析，該軟件結(jié)合城市地理信息系統(tǒng)空間分析方法，大規(guī)模熱網(wǎng)的計算速度為毫秒級，滿足多工況的時間動態(tài)在線計算。

圖3 全網(wǎng)管徑拓撲分析Fig.3 Diameter of the current pipes in the whole network

圖4 全網(wǎng)流量分配和熱力站規(guī)模分布Fig.4 Distribution of flow and scale of heat exchange stations in the whole network

為滿足熱網(wǎng)發(fā)展需求，下一個采暖季新增熱力站10 座，新增供熱面積215 萬m2。則入網(wǎng)規(guī)模達到2 028萬m2，總流量14 171 t/h，熱力站總數(shù)253座。

1.3 現(xiàn)狀管網(wǎng)診斷

熱網(wǎng)可及性意為在給定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、泵及用戶需求條件下，向用戶提供的資用壓頭大于用戶所需資用壓頭，熱網(wǎng)可及是基本條件，可及之后才可調(diào)節(jié)，但是可及的方案不一定是最優(yōu)的方案。值得注意的是，對全網(wǎng)進行可及性計算，并與現(xiàn)狀主要數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠的運行參數(shù)校核對比。

與傳統(tǒng)的水力計算均選取統(tǒng)一的估算系數(shù)αj局部阻力系數(shù)不同，本熱網(wǎng)模型通過與實際運行數(shù)據(jù)對比，綜合考慮管徑、管網(wǎng)使用年限、管網(wǎng)密集程度等因素，選取局部阻力系數(shù)，本案例為0.1～0.2，依據(jù)局部情況調(diào)整取值；管道粗糙度取0.5 mm；熱力站的資用壓頭取10 m計算。

全網(wǎng)比摩阻空間分析可知，類似“交通流堵車”工況，西戶路/魚化供熱區(qū)域的輸送能力過剩，最低資用壓頭超過30 m，資用壓頭過大，造成很多熱力站的閥門調(diào)節(jié)“失靈”，調(diào)節(jié)困難；紫薇田園熱源廠出口主管網(wǎng)阻力小，但在輸送主管處出現(xiàn)瓶頸（如圖5中“紫薇熱源廠”虛線范圍所示），造成供熱區(qū)域的末端用戶資用壓頭普遍不足，最小資用壓頭不足5 m，融鑫路熱源廠的輸送主干管阻力大，管徑偏小，輸送能力受限，最小資用壓頭9.8 m。即使紫薇熱源供回水溫差（42 ℃）高于其他兩熱源（37 ℃），也造成末端壓頭不足，供熱質(zhì)量無法滿足。最不利用戶水壓圖如圖6—7所示也反應(yīng)出類似問題。

圖5 全網(wǎng)比摩阻分布Fig.5 Specific friction distribution of the whole network

圖6 全網(wǎng)資用壓頭分布Fig.6 Distribution of pressure head in the whole network

圖7 最不利用戶壓頭Fig.7 Pressure head of the most unfavorable users

同時，還需要注意忽略部分熱力站用戶的支線管徑小，阻力大，與供熱面積不相匹配的問題，由于空間的位置不同，可造成一個支線用戶多消耗10 m壓頭，全網(wǎng)循環(huán)水泵需要提升10 m的情況。

2 多工況運行分析

2.1 供熱區(qū)域獨立運行

規(guī)劃總供熱面積為2 028 萬m2，若按照原有的供熱區(qū)域劃分，西戶路/魚化供熱區(qū)域資用壓頭充足，最低資用壓頭為仍達26.7 m；融鑫路供熱區(qū)域最低資用壓頭5.0 m；紫薇田園供熱區(qū)域，“創(chuàng)匯A”支線用戶負荷增加，變?yōu)樽畈焕Ь€，該支線最低資用壓頭變?yōu)?8.7 m，如圖8所示。

圖8 規(guī)劃工況全網(wǎng)資用壓頭分布Fig.8 Distribution of pressure difference for the whole network under the planning condition

因此，首先是隔斷閥門重新合理劃分供熱區(qū)域，避免末端幾十萬平方米熱用戶造成幾百萬平方米全網(wǎng)呈現(xiàn)輸送瓶頸和大范圍的供熱質(zhì)量問題，將紫薇區(qū)域和融鑫路區(qū)域的部分負荷切至西戶路/魚化供熱；其次，優(yōu)化管網(wǎng)運行參數(shù)，將運行溫差、壓力工況優(yōu)化；再者，管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)本身問題，例如水泵或者主管徑、支管徑偏小，可以局部改造管徑或者分布式變頻泵輸配解決；再者，多熱源聯(lián)網(wǎng)運行優(yōu)化，最后，才是考慮通過新敷設(shè)輸配主干管解決。

2.2 優(yōu)化分區(qū)獨立運行

依據(jù)現(xiàn)有隔斷閥門，進行負荷劃分，主動尋優(yōu)?？蓛?yōu)化分區(qū)獨立運行方案，如圖9所示。

紫薇田園區(qū)域可切出負荷方案：切出最不利支線，創(chuàng)匯A/618 所支線，169 萬m2；切出面積較少支線，116 萬m2；切出“海棠別館”以西負荷，203 萬m2。融鑫路熱源供熱區(qū)域可切換負荷方案：切出禾盛京廣支線，31萬m2；切支線，62萬m2。

以紫薇田園和融鑫路片區(qū)面積盡可能多且最不利支線切出為例，通過水壓圖對比，紫薇田園和融鑫路田園區(qū)域水力工況明顯優(yōu)化，如圖10所示。

圖9 規(guī)劃工況切網(wǎng)方案Fig.9 Network-cutting schemes under the planning condition

為控制供熱成本，則應(yīng)發(fā)揮西戶路燃煤熱源（擬規(guī)劃對接燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)熱源）的供熱能力和熱網(wǎng)輸送能力，則可將圖11中支線區(qū)域全部切至西戶路熱源區(qū)域。此時，西戶路熱源總供熱面積為1 312萬m2，外網(wǎng)水力工況得以明顯改善，西戶路區(qū)域最低資用壓頭15.2 m，紫薇田園供熱區(qū)域最低資用壓頭38.3 m，熱力站的資用壓頭均可滿足需用。但此時主循環(huán)泵需增設(shè)1 臺備用循環(huán)泵，或?qū)⑽鲬袈窡嵩吹墓┗厮疁夭顝?7 ℃提升至56 ℃。

2.3 聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運行

3 個熱源聯(lián)網(wǎng)后自動分配流量，但流量分配應(yīng)盡量發(fā)揮低成本熱源能力。聯(lián)網(wǎng)應(yīng)注意定壓參數(shù)的設(shè)置，為避免局部回水壓力過低，或供水壓力過高的風(fēng)險，聯(lián)網(wǎng)定壓選擇0.28 MPa。

如圖12 所示，閥門①②③④⑤均開啟，三熱源聯(lián)網(wǎng)，最低資用壓頭為15.2 m，全網(wǎng)最高供水壓力接近1.3 MPa，熱源現(xiàn)行循環(huán)泵揚程不能滿足要求，融鑫路所需循環(huán)泵揚程93 m，紫薇所需循環(huán)泵揚程45 m均已超出循環(huán)泵額定揚程。

圖10 規(guī)劃工況切網(wǎng)水壓圖Fig.10 Network-cutting pressure head under the planning condition

圖11 規(guī)劃工況切網(wǎng)優(yōu)化方案Fig.11 Optimized network-cutting scheme under the planning condition

圖12 全網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方案一及供水壓力分布Fig.12 Networking scheme 1 and its water-supply pressure distribution

同時，如圖13 所示，“鴻基#23 站”支線管徑（DN 100）過小，比摩阻過大，造成壓損較大，影響了全網(wǎng)循環(huán)泵揚程，造成供熱主管線壓力偏高、熱源電耗增加?？蓪Ⅷ櫥?23 站的DN 100 分支管改為DN 200 來優(yōu)化工況，或在該站增設(shè)分布式變頻泵。優(yōu)化后，西戶路熱源循環(huán)泵揚程大幅降低（降至42 m即可滿足需用壓頭），全網(wǎng)供水壓力大幅降低，熱源所需循環(huán)泵揚程降低（融鑫路76 m，紫薇29 m），均在循環(huán)泵額定揚程范圍內(nèi)，供水壓力除西戶路局部主管因地勢高差＞1.2 MPa 外，其他安全運行壓力<1.2 MPa。

圖13 最不利支線（鴻基#23站支線）水壓Fig.13 Pressure heads of the most unfavorable branch line（branch line of No.23 Hongji Station）

若聯(lián)網(wǎng)熱源按自動分配流量工況，全網(wǎng)供水壓力均降低至1.0 MPa以內(nèi)。如圖14所示。

圖14 全網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)方案二及供水壓力分布Fig.14 Networking scheme 2 and its water-supply pressure distribution

從長遠來看，當三熱源聯(lián)網(wǎng)，無論按照熱源給定流量，還是全網(wǎng)自動分配流量，西戶路熱源廠均有必要提高供回水溫差，提高溫差可進一步降低熱源循環(huán)泵揚程，減少電耗?？梢姡景咐ㄟ^聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化可滿足輸配需求，且熱源循環(huán)泵可降頻運行，節(jié)能省電，相比原新敷設(shè)管網(wǎng)方案來滿足發(fā)展要求，可節(jié)省管網(wǎng)工程投資約2 200萬元。

2.4 分布式變頻泵輸配系統(tǒng)

分布式變頻泵具有降耗、降壓、節(jié)電和“以泵代閥”調(diào)節(jié)等優(yōu)勢，但對水力多工況適應(yīng)性、用戶規(guī)模穩(wěn)定性和泵選型等尤為關(guān)鍵，在熱網(wǎng)發(fā)展規(guī)模不成熟之前，尤其需要合理設(shè)置、精準計算、智能化運行和統(tǒng)籌規(guī)劃。

以西戶路熱源廠為例，熱源揚程可以降低20 m，優(yōu)化改造22座熱力站，如圖15所示，可實現(xiàn)最大幅度節(jié)電42%。但是紫薇田園和融鑫路供熱區(qū)域范圍小，進行分布式變頻泵改造，節(jié)電比例低，約為10%?？梢?，分布式變頻輸配系統(tǒng)應(yīng)該因地制宜設(shè)計和運營，避免陷入選型不準造成運行調(diào)節(jié)反而難，以及如何適應(yīng)“成長中”的熱網(wǎng)。

圖15 規(guī)劃工況分布式變頻泵設(shè)置點位Fig.15 Locations of the distributed variable frequency pumps under the planning condition

3 結(jié)論

由于城市熱網(wǎng)是逐年動態(tài)發(fā)展，規(guī)劃設(shè)計與實際發(fā)展不完全一致，加上已有用戶并網(wǎng)與報停、新增用戶位置和規(guī)模不同，需要制定年度運行調(diào)度和未來發(fā)展規(guī)劃。熱網(wǎng)系統(tǒng)不僅要滿足可及、不汽化、不超壓、不倒空等技術(shù)要求，也需要存在一定的“靈活性、適應(yīng)性”，進行熱網(wǎng)多工況的全網(wǎng)時空分析，對安全生產(chǎn)和運營管理具有重要的實踐指導(dǎo)意義。

（1）為滿足水力熱力工況模擬分析的校核工作，熱力公司監(jiān)控數(shù)據(jù)和生產(chǎn)報表的數(shù)據(jù)準確性和可靠性尤為重要，準確的數(shù)據(jù)用于在線計算修正模型參數(shù)，才能進行多工況的模擬“演習(xí)”和節(jié)能診斷。

（2）運行參數(shù)、管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)本身和運行方案的不合理，是造成熱網(wǎng)投資大、運行調(diào)度難和發(fā)展決策依據(jù)差的主要障礙之一，隨著熱網(wǎng)規(guī)模增大，全網(wǎng)優(yōu)化空間潛力大。

（3）多熱源聯(lián)網(wǎng)、分布式變頻輸配系統(tǒng)應(yīng)因地制宜，從安全、調(diào)節(jié)和經(jīng)濟成本角度進行綜合優(yōu)化。

綜上，集中供熱系統(tǒng)建設(shè)過程中，需要不斷對熱力管網(wǎng)水力工況的統(tǒng)籌規(guī)劃、精心設(shè)計和安全運行優(yōu)化。熱網(wǎng)系統(tǒng)的高效不僅是要水力熱力雙平衡，也需要與合理的熱網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、科學(xué)的運行方案相適應(yīng)。