認識多熱源聯網供熱建環10203110218喬世嘉摘要：敘述了多熱源聯網供熱技術的概念、國內外研究現狀、特點、構成以及各種工況下多熱源的運行調節等，提出了多熱源聯網供熱技術在我國存在的問題和可能的解決方法。指出了多熱源聯網技術在多方面的優勢和其在我國的發展前景。關鍵詞:多熱源聯網，環狀管網,優越性，運行調節0.引言目前，集中供熱主要采用單熱源枝狀管網的布置形式。這種系統形式主要存在如下缺點：（1） 管網供熱的可擴展能力差。對于一個供熱系統，隨著其熱用戶負荷逐年的擴大，枝狀管網無法滿足后期負荷的不斷增加；（2） 系統安全可靠性差。系統采用單熱源運行，當熱源發生故障時，整個管網都處于癱瘓狀態;當管網主干線某管段發生故障時，其后部用戶均不能正常運行；（3） 經濟性較差。在供熱初期和末期，熱源的供熱量不能得到充分利用，從而浪費了許多能量,經濟性較差。近年來，隨著我國城鎮供熱事業的不斷發展,供熱管網的規模在逐漸擴大，多熱源聯網運行自然也就成為集中供熱系統發展的方向。多熱源聯網技術是供熱先進國家為節約能源、降低系統運行成本、提高經濟效益，在合理調配熱源運行綜合運用水泵調速技術和控制技術的基礎上發展起來的一項先進的熱水管網運行技術。多熱源聯網運行模式到目前為止，大型熱源聯網運行模式主要有聯絡管式供熱管網、串聯熱源供熱管網、多熱源環狀管網3種形式。1.1聯絡管式供熱管網聯絡管式供熱管網是在單一熱源供熱管網的基礎上，在管網間鄰近處設置聯絡管而構成的，這是最早提出的一種聯絡形式。由于聯絡管一般處于各管網接近末端的地方，是管徑最小、管道阻力數最大的地方，因此，當某一熱源發生故障時,流過聯絡管的救急流量實際上是非常小的，水力工況也非常差，引起各節點的資用壓頭嚴重失調，末端用戶的供熱流量甚至難以滿足管道防凍的要求，這也是這種方案未能推廣的原因。1.2串聯熱源供熱管網對于串聯熱源供熱管網，它是通過熱網中的熱源相互間加熱回水而串聯起來的,一旦某一熱源或某一管段發生故障，整個管網的供熱能力就處于癱瘓狀態，所以其安全可靠性極差。1.3多熱源環狀管網對于多熱源環狀管網，熱網的主干部分為一環狀管道，管徑沿程不發生變化，為一特定值。各熱源的熱量都傳遞到該環網，用戶通過供、回水環網壓差獲得流量（熱量）。多熱源環狀管網不僅可以實現供熱系統經濟運行，又可使各熱源有效地互為備用，提高供熱系統的可靠性。多熱源環狀管網的優越性多熱源環狀管網是目前應用最多的一種供熱方式，是一種值得推薦的供熱模式，其優越性主要體現在以下幾個方面：2.1提高了整個供熱系統運行可靠性與安全性采用多熱源環狀管網，當熱網中某一熱源發生事故或停止對外供熱時，其他熱源能將一部分熱量分配給故障熱源所在的熱用戶，從而各熱源間可以相互補充,避免了因熱源事故而造成對用戶停止供熱的影響；而當某一管段發生故障時，可將該管段兩端的分段閥關閉，除分段閥之間的用戶無法供熱外，其他的用戶仍可從管網的另一側供熱，因此極大地提高了整個供熱系統運行的可靠性與安全性。2.2充分發揮節能優勢，提高供熱經濟性相對于單熱源的枝狀管網來說，多熱源環狀管網不但可以減少龐大設備和管網的初投資，而且實現聯網運行后，可以使低熱價的熱源（如熱電廠）在整個采暖期盡量做到滿負荷運行，從而壓縮高熱價熱源的供熱量，則熱力公司就可大幅度地減少熱量購入費用，而獲得可觀的經濟效益，這樣有利于各熱源的競價上網，優勝劣汰，促進供熱系統優化，降低運行成本,從而提高供熱系統運行的經濟性。2.3系統的水力穩定性好由系統水力穩定性的定義可知，提高系統水力穩定性的主要方法是相對地減少網路干管的壓降，或相對地增大用戶系統的壓降。對于多熱源環狀管網，由于環形管網的允許比摩阻較小，相對地減少了網路干管的壓降，而且各換熱站的資用壓頭大，增強了系統的水力穩定性，同時多熱源環狀管網并網運行具有自動優化水力工況的特殊功能，可改善系統中最不利環路的供熱效果，使各換熱站的供熱效果趨于一致，因此環狀管網可以提高系統的穩定性。2.4促進高新技術的應用，提高運行管理水平國外發達的集中供熱系統已實現自動化，隨著我國集中供熱事業的飛速發展及計算機應用的日益普及，如何克服粗放經營，提高運行管理水平，進而提高市場經濟的競爭能力，唯一的出路就是從設計、施工安裝到運行管理加大供熱系統的技術含量。當前緊迫的任務就是大型集中供熱系統應盡快實現多熱源聯網運行，只有在此基礎上實行計算機自動監控、變頻調速、信息管理、優化調度、計量收費等高新技術，我國的供熱事業才能在經濟、可靠和有效的目標中健康發展。協調運行的基本原則對于多熱源聯網的供熱系統，往往都是比較大型的，其供熱面積常常在幾百萬平方米以上。一般系統構成也比較復雜。除多個熱源外，常有多種類型熱負荷的需求；在連接方式上，可能既有間接連接，也有直接連接，還有不同功能的增壓泵、混水泵。在這種情況下，為供熱系統的合理運行提出了許多新課題：各熱源是同時啟動，還是遞序啟動？是聯網運行還是摘網運行？同樣，各泵站中水泵何時啟動、何時關停？是起增壓作用還是混水作用？在熱源、水泵的不同工作狀態下，系統的運行工況能不能滿足用熱的需求？所有這些問題，都應該通過管理層的協調運行來解決。根據這些年國內外運行實踐，我認為在制定系統協調運行方案時，必須遵循以下三條基本原則。3.1熱量平衡制定各熱源協調運行方案，主要目的是確定哪個熱源是主熱源？哪些熱源是調峰熱源？各熱源承擔的供熱量是多少？以及各熱源的啟動時間和運行時間。確定多熱源協調運行方案的基本依據是熱量平衡，這里所說的熱量平衡，應該包括三個涵義：1）在供熱期間，各熱源總供熱量應等于熱用戶總需熱量；2）在各個不同外溫區段，各熱源的小時供熱量之和應等于同一時段內熱用戶的小時需熱量之和；3）在同一時段，每個熱源的小時供熱量應等于該熱源所承擔的用戶的小時需熱量。在進行熱量平衡的過程中，應詳細繪制當地的供熱負荷延續圖。根據各熱源的產熱設備（熱電廠的供熱站或鍋爐房的鍋爐）的供熱能力，結合供熱負荷延續圖給出的不同外溫下的需熱量，制定協調運行方案。總的原則是主熱源承擔基本熱負荷，并在整個運行期間，力爭全時滿負荷運行。無論是主熱源，還是調峰熱源，各個產熱設備，凡是成本低、能耗少、效率高的應優先投運，并盡可能地延長其運行時間，以提高其經濟性。為了更科學更有效地進行協調運行，通常借助優化理論編制的軟件完成優化計算。我們采用遺傳算法，編制了多熱源聯網優化運行軟件，取得了很好效果。這種遺傳算法，是近年來國內外得到迅速發展的一種最優化理論，它屬于并行算法，即在同一時刻，可從多個方向進行搜索，不但尋優速度快，而且避免了繁雜的數學建模。將這種優化算法，移植于多熱源聯網的運行方案制定上，一定有廣闊前景。多熱源的產熱設備其供熱量常常與熱用戶的需熱量不相匹配，特別是在初寒期，即在供暖初期和末期，經常出現供熱量多于需熱量的情形，造成不必要的能源浪費。在這種情況下，國外多采用儲熱罐，將多余熱量儲存起來，在用熱需求增加時，添補熱源的供熱量。這種儲熱罐，在儲熱時相當于一個熱用戶；在對外供熱時，又相當于一個熱源。因此，儲熱罐的運行方式，應該在多熱源協調運行方案的制定過程中一并考慮。北京熱力集團，基于上述原因，正在多熱源的供熱系統上增設一個6000立方米的儲熱罐，屆時，節能的方式又將增加一種新的手段。3.2流量平衡多熱源在協調運行方案的指導下運行，供熱系統的總供熱量與總需熱量和小時總供熱量與小時總需熱量的平衡比較容易實現，但各熱用戶的小時供熱量與小時需熱量的平衡卻比較難實現，這里存在一個總供熱量與總需熱量平衡時，各熱用戶還要完成一個供熱量再分配的問題。一般情況下，各熱用戶的供水溫度是相等的（忽略管網溫降），這時決定供熱量是否滿足需熱量，主要取決供水量。因此，要想全面實現熱量平衡，還必須進行流量平衡。這里所說流量平衡，應該包括兩層涵義1） 供熱系統各區段總實際循環流量應該等于該區段的理想流量；2） 各熱用戶的實際循環流量應該等于該熱用戶的理想流量。我們所說的理想流量，在設計工況下即為設計流量；在非設計工況下，則是最佳循環流量。對于多熱源聯網供熱系統，實現各區段的實際循環流量與理想循環流量的平衡，其目的是有效劃分各熱源的供熱區段或供熱范圍。核心技術手段是確定供熱系統的水力匯交點。水力匯交點，一般有兩種情況：一種情況是該點流體處于靜止狀態（通常為某一干管）；一種情況是該點成為兩股流體相向流動的匯交點（一般在干管三通處）。對于均勻流動的單環供熱系統，一般幾個熱源聯網就有幾個匯交點（對于多環網，每個環網至少有一個匯交點）。匯交點類似于關斷閥門，相當于把一個多熱源的聯網系統解列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。因此，在多熱源聯網時，總供熱量與總需熱量平衡的條件下，只要水力匯交點能按設計意圖選取，那么各熱源所承擔的區段供熱量一定會與該區段的需熱量相平衡。熱用戶實際循環流量與理想流量的平衡，要通過流量調節來實現：在設計工況，通過初調節實現;在非設計工況，則要通過中央和局部的變流量調節來完成。3.3壓力平衡在現實的供熱系統中，不可能在各環路、各支線都安裝流量計，因此，用流量計的測試數據判斷是否達到流量平衡是困難的。但是，流量和壓力二個參數，存在著確定的函數關系，而且其變化值的反映速度非常快，等于聲音在水中的傳播速度，即流量、壓力的變化，可以在1秒鐘內傳遞到1公里遠的距離。因此，采用壓力平衡，間接判斷流量是否平衡，不但直觀、有效而且快速，是非常理想的。多熱源聯網供熱系統，實現壓力平衡要完成的主要內容為：1） 使設定匯交點處的區段供水壓力最低，回水壓力最高；熱用戶（含熱力站）的實際資用壓頭等于其理想資用壓頭；2） 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。上述的第一條，是企圖說明采用壓力平衡，尋找系統匯交點的方法；第二條是借用滿足用戶資用壓頭平衡來實現熱用戶流量的平衡；第三條則是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。多點補水與多點定壓對于單熱源供熱系統，一般只有一個補水點，一個定壓點；對于多熱源聯網供熱系統，情況比較復雜：最常見的是有幾個熱源運行，就有幾個補水點補水，幾個定壓點定壓；當主熱源單獨運行時，常因其自身的補水量不足，需要其他熱源同時補水定壓。因此，多熱源聯網運行，一個重要特點是多點補水和多點定壓。當然，也有特殊情況，當主熱源補水量充足時，只主熱源單點補水、單點定壓的情形。對于多熱源的單點補水、單點定壓，其操作方法和單熱源的單點補水單點定壓基本上沒有什么區別。這里主要討論多點補水和多點定壓的情況。在以往多熱源聯網運行時，往往各熱源的分系統循環流量出現過大的不平衡現象（有的熱源循環流量過大，有的熱源循環流量過小）以及系統倒空、串氣現象。這些故障的發生，基本上都是因為多點補水、多點定壓的設計不合理或運行操作不當造成的。因此，多點補水與多點定壓的正確設計、合理運行對于多熱源聯網實現流量平衡具有重要意義。4.1多熱源聯網系統具有多個恒壓點對于單熱源供熱系統，具有唯一的恒壓點，其位置在最靠近熱源的最高建筑物的回水干管連接點上［1］。該恒壓點的壓力值即靜水壓線值應等于最高建筑物高度與供水溫度相對應的飽和壓力之和。對于多熱源聯網供熱系統，由于水力匯交點的存在，實際上以匯交點為界，把多熱源供熱系統分成了若干個（由熱源個數確定）單熱源供熱系統，這樣，原來的最高建筑，現在只屬于其中的一個單熱源供熱系統，而其他的單熱源供熱系統，將各有一個新的最高建筑。由于每一個單熱源供熱系統有一個唯一的恒壓點，從而導致多熱源聯網系統有若干個恒壓點。雖然各個單熱源供熱系統都具有相同的靜水壓線即同值恒壓點壓力，但在運行過程中，每個分系統都以各自的恒壓點為軸心，呈現不同的水壓分布（即水壓圖，見圖1所示）從圖1中看出，只主熱源（熱源1）運行時，水壓圖為實線（只畫出熱源1、2之間的水壓圖），這時的恒壓點為O］；當熱源1、2同時運行時，水壓圖由虛線表示，則此時有二個恒壓點。】和O」由此說明，在整個運行季節，隨著室外溫度的變化，供熱系統聯網運行的熱源數目也隨著變化，系統恒壓點的數目也跟著變化，導致系統水力工況的變化更加繁雜。在多熱源聯網供熱系統中，了解其具有多個恒壓點這一特性，對于正確分析水力工況和正確確定多點補水定壓方式顯得至關重要。4.2多點旁通定壓通常人們把供熱系統循環水泵的入口點作為系統恒壓點，然而這是不對的。只要細致觀察循環水泵入口點，在循環泵運行與停止狀態下，其壓力值不是定值就是證明。基于這種誤解，把循環水泵入口點作為系統定壓點定壓也是不對的。對于供熱規模較小，熱用戶建筑簡單的單熱源供熱系統，上述作法可能不致造成太多故障，但對于多熱源聯網的供熱系統，就必須謹慎處理了。因為由圖1可知，在所有熱源循環水泵停運狀態下，各個循環水泵入口點的壓力都相等，即為靜水壓線值;此時熱源1循環水泵入口點壓力值由氣表示；當只有熱源1（即主熱源）啟動運行時，該循環泵入口點的壓力值降低變為*；當熱源1、2聯網運行時，熱源1循環水泵入口點的壓力變為氣，此時氣壓力值大于壓力值，熱源2循環水泵入口點壓力為b，其值低于靜水壓線值。從這里可以看出：不同的運行工2況，各個熱源循環水泵入口點的壓力值不同，其值，首先決定于該系統恒壓點的位置距熱源的距離，其次決定于該恒壓點至熱源回水干線的壓力降。對于多熱源的聯網運行，由于運行的熱源數目和恒壓點數目、位置以及管網流量分布都是變數，導致各熱源循環水泵入口點的壓力，隨時都是變動的，因此，采用該入口點進行定壓點定壓，勢必造成定壓的失真、失控，對系統的安全性形成嚴重威脅。熱源2 匯交點1 熱源1 匯交點2正丁熱源3圖1多熱源聯網的多個恒壓點（注：右端水壓圖略）對于多熱源聯網運行的供熱系統，正確的方法應該采用多點旁通同值定壓。具體作法是：在各熱源循環水泵的進出口設置旁通測壓管（直徑在DN25?DN40之間），檢測旁通測壓管上安裝的壓力傳感器，通過對系統補水量的控制（補水泵最好選用變頻調速控制），使旁通測壓管上的壓力傳感器的壓力始終保持靜水壓線值。這種定壓方式的優點，是在旁通測壓管上控制系統恒壓點壓力，從而回避了熱源運行數目不同進而引起系統恒壓點變動的復雜性，不但準確、簡便而且安全可靠。當地形平坦時，只要壓力條件允許，不管有多少定壓點和補水點，最理想的是采用同值定壓，即各個定壓點都維持同一數值的靜水壓線值。當地形高差大，不能實現同值定壓時，可采用異值定壓，即建立二個或二個以上的靜壓區，其方法見參考［1］。為了便于控制，補水點應靠近定壓點。由于循環水泵的入口點，通常是系統壓力的最低點，為便于補水，補水點常常設在該點的附近。但必須注意：循環水泵入口點的壓力不宜過低，除防止系統倒空外，還應避免其壓力值低于補水箱的高度，進而造成補水失控。預防的措施是，調整旁通測壓管上的調節閥門（前提是壓力傳感器的壓力值不變），使循環水泵入口點壓力保持在允許范圍內。這種調節是在供熱系統試運行期間完成的，不必在運行過程頻繁操作，因而簡單方便。系統的運行調節在多熱源聯網的供熱系統中，運行調節，包括水力工況運行調節和熱力工況運行調節。水力工況運行調節，指的是在各種工況下實現系統的流量平衡，亦即壓力平衡。熱力工況運行調節，是指在各種工況下，實現系統熱量平衡。供熱系統的運行工況，主要包括設計工況、調節工況和事故工況。在多熱源聯網運行中，隨著室外溫度的不斷變化，熱源的運行數目（包括機組的臺數）也跟著變化，因此，工況的變動將更加復雜。在這種情況下，正確掌握工況變動規律，實施合理的調節，滿足供熱需求，顯得更為重要。5.1水力工況調節水力工況調節的目的，是實現不同調節工況下的系統流量平衡，亦即壓力平衡。可采取以下步驟進行運行調節。（1） 首先制訂全年運行方案。最理想的方法是通過優化調度程序軟件進行。如果條件不具備，可在工程設計的基礎上，盡量做到量化性的估算。（2） 調整系統工況，按既定的水力平衡點運行。在進行這一步的現場操作前，系統的定壓必須正常，各循環水泵和其他功能水泵其運行臺數和主要參數必須和預先制訂的運行方案相一致。（3） 調整熱用戶流量，實現供需平衡。在系統水力平衡點的調整工作完成后，把若干個單熱源的樹枝狀供熱分系統組合成一個多熱源聯網環形供熱系統，進行水利工況調節。5.2熱力工況調節熱力工況調節，實際上是通過對供熱系統供、回水溫度和系統循環流量的調節，實現供熱量的調節，達到供熱量與需熱量的平衡。在實際運行中，著重進行熱源和熱力站（或熱用戶入口）2級調節。只要供水溫度按照設計的調節曲線運行，在熱用戶系統只進行局部的流量平衡調節，即可實現供熱量調節的目的。對于多熱源聯網，各熱源應采用同一種調節方法，即采用相同的溫度流量調節曲線，保證在同一室外溫度下，各熱源都有相同的供水溫度。為實現這點，除鍋爐實行燃燒自動控制外，在熱源處通過旁通管進行供回水的混合也不失為一種適用的供水溫度調節方法。實現各熱源供水溫度的一致性，主要為了便于運行管理。當各熱源供水溫度出現不一致時，系統的聯網同樣能安全運行。如果系統作到了流量平衡，則各熱源的總回水溫度也出現不一致，但各熱源的供回水溫差將相同。出現事故工況，當某一熱源或某一干管不能正常運行時，將按事故工況進行調節。此時，常常采取提高某個熱源（無事故）的供水溫度，以最大限度減少供熱量的不足，這種措施，往往能收到理想的效果。國內多熱源聯網技術存在的問題及可能的解決方法（1）我國多熱源發展緩慢，工作阻力較大。有些城市雖然采用了多熱源聯網技術，但是在實際運行期間又人為把管道隔斷，變成了單熱源支狀管網供熱系統。解決方法：對聯網運行以及聯網后如何運行操作進行系統和深入的了解，加強實踐中理論方面的指導設計和運行調節等方面知識的運用。充分認識聯網運行在經濟性和可靠性方面的優勢。（