供热系统多热源联网运行的再认识

1 供热系统多热源联网运行的再认识

Review of combined operation in heating systems with multi -sources

清华大学 石兆玉

Tsinghua University shi Zhaoyu

摘 要：本文讨论了大型供热系统实现多热源联网运行的必要性。并就其运行调节的基本原则、多点补水定压以及工况调节的特殊性进行了论述。

Abstract: This is a thesis about the requirement of combined operation in heating

systems with multi-sources. Several situation are introduced including

principle of operational regulation, stabilizing pressure with multi-point,

particular of conditional regulation.

关键词：供热系统 多热源联网 平衡 多点补水定压 工况调节

key words: heating systems, combined operation of multi-sources, balance, stabilizing

pressure with multi-point, conditional regulation.

国外，特别是北欧，供热系统多热源联网运行已有比较成熟的经验。我国，自20世纪，七十年代末八十年代初以来，沈阳、牡丹江、北京、赤峰、包头、山东浮山等市县，也陆续开始进行多热源联网运行的尝试，取得了不少可贵的经验；在供热界，对一些共同关注的有关技术问题，也进行了许多有益的探讨。在这期间，我参与过沈阳、赤峰、山东浮山多热源联网的运行，对北京、牡丹江多热源系统作过一些技术上的分析。有些研究成果反映在有关的论文里，有的写进了《供热系统运行调节与控制》一书中。

今天，在我国经济建设持续发展，供热事业突飞猛进，能源供应面临紧迫形势下，对供热系统多热源联网运行再进行深化认识是很有必要的。

一、多热源联网的必要性

这些年，由于对生态、环保的重视以及能源供应的紧张，人们在探讨各种能源利用的同时，在供热界展开了何种供热方式最好的争论。我认为：在我国，只要以煤为主的能源格局不改变，那么就全国范围而言，集中供热显然应该是供热的主要方式，这是不言而喻的。但我同时以为，现在的当务之急，应该把更多的注意力放在“如何保持和提高集中供热在市场经济中”的竞争优势上，因为“龙头老大”的地位是“争来的”不是“封下的”。提高集中供热的竞争优势，可以有很多措施，多热源联网就是其中的一项重要措施。

1．充分发挥节能优势、提高供热的经济性

供热负荷通常分为基本负荷和尖峰负荷。我国三北地区，供热天数大致在3个月至6个月左右，其中大部分时间运行在基本负荷下，只有一个月左右的时间运行在尖峰负荷下。虽然尖峰负荷全年的运行时间少，但它的小时热负荷值却很大，一般要占到设计热负荷（即最大热负荷）的20~50%左右。对于单热源的供 2 热系统，为了保证尖峰热负荷的需要，通常供热设备要设置相当大的装机容量，这是集中供热投资大的一条重要原因。

如果把单热源供热系统改造为多热源联网系统，由主热源担负基本热负荷，尖峰热源承担尖峰热负荷，这样不但可以减少庞大设备进而减少初投资，而且可以使更多的设备在满负荷下亦即高效率下运行，其节能效果、降低运行成本的效果是非常显著的。特别对于以热电厂为主的多热网联网供热系统，一般热电厂承担基本负荷，（热化系数多为0.5~0.8），更能充分发挥其高效节能的优势，多年运行实践，都证明了这一点。

北京市是全国最大的供热系统，2000年开始实行多热源联网运行[8]。东区，华能热电厂为主热源，供暖季全时运行，担负728Gcal/h的基本负荷，左家庄、方庄为二个调峰供热厂，分别担负300Gcal/h、250Gcal/h热负荷；西区，京能（石景山）热电厂为主热源，担负615.7Gcal/h基本负荷，双榆树供热厂为调峰热源，担负300Gcal/h的调峰负荷。自从多热源联网运行以来，左家庄、方庄、双榆树三个调峰供热厂不再全供暖季运行，只是室外温度低于-4℃启动。全年运行一个多月时间。上述主热源是热电厂，烧煤高效，热力集团购进热价12.8元/GJ，而三个调峰供热厂，均燃天然气，生产成本近80元/GJ，可见多热源联网的节能效益、经济效益是非常可观的。

2．提高了供热系统的可调性和可靠性，改善了供热效果。多热源联网的供热系统，由于系统规模大，通常多设计为环形网，并在环网干线上配置调节阀门，这样无论热源还是管网，都增加了互补性，一旦出现故障甚至事故，都不必停运维修，只要通过正确的适时协调、调节调度，就可以达到供热需要，这种通过提高供热系统的可调性和可靠性，进而改善供热效果，是多热源联网的独特优势。

北京市东部地区的热源供热量相对比较充足，而西部地区热源比较紧张，再加过去的供热干线基本上都是树支状分布，地处市中心部位的热力站（如市政管委）始终地处东西热源的最末端，长期供热效果不理想，往往需要增设回水加压泵维持运行。自从市中心供热管网改造为环形管网，并实行多热源联网运行以来，非常理想地实现了“东热西送”，最不利的末端热力站供回水压差都能保持在0.15Mpa以上，供热效果明显改善。这是多热源环网运行提高系统可调性的有力证明[8]。

包头热力公司所属的供热系统，为双热源联网供热[7]。主热源为热电厂，调峰热源为2台29MW的热水锅炉。他们多年的运行经验，很好地说明了多热源联网能有效提高供热系统的可靠性。1995年12月12日至16日，调峰热源一台锅炉除渣机发生事故，停炉检修，此时正值室外温度-12.3~13.5℃的寒冷天气，供热厂的供水温度只能送出53~55℃（要求实际供水温度为73℃），近75万m2的热用户达不到室温要求，居民反映强烈。这时进行紧急协调调度，使热电厂的运行流量由3350t/h，增加到3540t/h，调峰供热厂的循环流量从910t/h降为720t/h，这样使热电厂的供水温度始终保持在73℃左右，而调峰热源供水温度提高到63~65℃，延伸热电厂的供热面积，保证了热用户的基本供热需求，赢得了必要 3 的抢修时间。

3．促进高新技术的应用，提高管理运行水平

燃煤的集中供热系统，为了提高系统的能效，其发展趋势仍然是我们一贯坚持的——扩大供热规模，提高锅炉热容量，实现大型集中供热。现在，全国范围内，锅炉容量为29MW、56MW，供热面积在几百万平方米以上的供热系统越来越多。在这种情况下，如何克服粗放经营，如何提高管理运行水平？进而提高市场经济的竞争能力？唯一的出路，就是从设计、施工安装到管理运行加大供热系统的技术含量。当前，紧迫的任务，就是大型集中供热系统，应尽快实现多热源联网运行，在此基础上实行计算机自动监控、变频调速、信息管理、优化调度、计量收费等高新技术，我国的供热事业才能在经济、可靠和有效的目标中健康发展。

二、协调运行的基本原则

对于多热源联网的供热系统，往往都是比较大型的，其供热面积常常在几百万平方米以上。一般系统构成也比较复杂。除多个热源外，常有多种类型热负荷的需求；在连接方式上，可能既有间接连接，也有直接连接，还有不同功能的增压泵、混水泵。在这种情况下，为供热系统的合理运行提出了许多新课题：各热源是同时启动，还是递序启动？是联网运行还是摘网运行？同样，各泵站中水泵何时启动、何时关停？是起增压作用还是混水作用？在热源、水泵的不同工作状态下，系统的运行工况能不能满足用热的需求？所有这些问题，都应该通过管理层的协调运行来解决。根据这些年国内外运行实践，我认为在制定系统协调运行方案时，必须遵循以下三条基本原则。

1．热量平衡

制定各热源协调运行方案，主要目的是确定哪个热源是主热源？哪些热源是调峰热源？各热源承担的供热量是多少？以及各热源的启动时间和运行时间。

确定多热源协调运行方案的基本依据是热量平衡，这里所说的热量平衡，应该包括三个涵义：

1）在供热期间，各热源总供热量应等于热用户总需热量；

2）在各个不同外温区段，各热源的小时供热量之和应等于同一时段内热用户的小时需热量之和；

3）在同一时段，每个热源的小时供热量应等于该热源所承担的用户的小时需热量。

在进行热量平衡的过程中，应详细绘制当地的供热负荷延续图。根据各热源的产热设备（热电厂的供热站或锅炉房的锅炉）的供热能力，结合供热负荷延续图给出的不同外温下的需热量，制定协调运行方案。总的原则是主热源承担基本热负荷，并在整个运行期间，力争全时满负荷运行。无论是主热源，还是调峰热源，各个产热设备，凡是成本低、能耗少、效率高的应优先投运，并尽可能地延长其运行时间，以提高其经济性。为了更科学更有效地进行协调运行，通常借助 4 优化理论编制的软件完成优化计算。我们采用遗传算法，编制了多热源联网优化运行软件，取得了很好效果。这种遗传算法，是近年来国内外得到迅速发展的一种最优化理论，它属于并行算法，即在同一时刻，可从多个方向进行搜索，不但寻优速度 快，而且避免了繁杂的数学建模。将这种优化算法，移植于多热源联网的运行方案制定上，一定有广阔前景。

多热源的产热设备其供热量常常与热用户的需热量不相匹配，特别是在初寒期，即在供暖初期和末期，经常出现供热量多于需热量的情形，造成不必要的能源浪费。在这种情况下，国外多采用储热罐，将多余热量储存起来，在用热需求增加时，添补热源的供热量。这种储热罐，在储热时相当于一个热用户；在对外供热时，又相当于一个热源。因此，储热罐的运行方式，应该在多热源协调运行方案的制定过程中一并考虑。北京热力集团，基于上述原因，正在多热源的供热系统上增设一个6000立方米的储热罐，届时，节能的方式又将增加一种新的手段。

2．流量平衡

多热源在协调运行方案的指导下运行，供热系统的总供热量与总需热量和小时总供热量与小时总需热量的平衡比较容易实现，但各热用户的小时供热量与小时需热量的平衡却比较难实现，这里存在一个总供热量与总需热量平衡时，各热用户还要完成一个供热量再分配的问题。一般情况下，各热用户的供水温度是相等的（忽略管网温降），这时决定供热量是否满足需热量，主要取决供水量。因此，要想全面实现热量平衡，还必须进行流量平衡。

这里所说流量平衡，应该包括两层涵义

1）供热系统各区段总实际循环流量应该等于该区段的理想流量；

2）各热用户的实际循环流量应该等于该热用户的理想流量。

我们所说的理想流量，在设计工况下即为设计流量；在非设计工况下，则是最佳循环流量。

对于多热源联网供热系统，实现各区段的实际循环流量与理想循环流量的平衡，其目的是有效划分各热源的供热区段或供热范围。核心技术手段是确定供热系统的水力汇交点。水力汇交点，一般有两种情况：一种情况是该点流体处于静止状态（通常为某一干管）；一种情况是该点成为两股流体相向流动的汇交点（一般在干管三通处）。对于均匀流动的单环供热系统，一般几个热源联网就有几个汇交点（对于多环网，每个环网至少有一个汇交点）。汇交点类似于关断阀门，相当于把一个多热源的联网系统解列为多个单热源供热系统，每个热源承担一定范围的供热面积。因此，在多热源联网时，总供热量与总需热量平衡的条件下，只要水力汇交点能按设计意图选取，那么各热源所承担的区段供热量一定会与该区段的需热量相平衡。