同方股份有限公司 秦 冰 秦绪忠
中国市政工程华北设计研究院 陈 泓 胥津生
大同市热力有限责任公司 杨晓和 梁 文
【摘 要】分布式变频泵系统作为一种较新的热网型式，有减少管网输送费用、降低管网运行压力、增强管网水力稳定性等诸多优点，在我国正得以不断的推广应用。本文以某大型分布式变频泵管网系统为例，讨论了在多热源联合供热的条件下，不同的热源运行方式和热网运行方式对分布式变频泵管网系统的影响。
【关键词】供热 管网 分布式变频泵 多热源 联合供热
1.概述
2006年采暖季，在原有设计能力基础上，某市集中供热管网规划新增供热负荷约30％，总供热规模将超过1000万平米，如此大幅度的负荷扩展，热源和热网均需作较大调整：
1）热源方面
该市原有两个热电厂的热源的供热能力已经不能满足集中供热负荷发展的需求，目前正在两个热源附近新建新的热电厂，利用该热电厂发电后的抽汽供热。三个热源均位于该市城西，三个热源相互间距离很近，但距离城区较远，约为7kM。三个热源基本情况如下：
?誗 1＃热源，有两台200MW供热机组，总供热能力472MW，主要供应市区东南区域；
?誗 2＃热源：有两台50MW单抽机组，总供热能力204MW，主要供应市区西北区域；
?誗 3＃热源：在建的135MW和50MW供热机组各一台，总供热能力240MW。
新建的3＃热源需要利用已有的两条主管道实现三热源的联合供热，其供热流量分为两部分，一部分与1＃热源汇合后供应市区东南区域，一部分与2＃热源汇合后供应市区西北区域。考虑到1＃、2＃热源主循环泵扬程、流量、台数等参数并不相同，以及相对应供热区域的管网特性也不相同，为便于联网，正常运行时3＃热源的循环水泵及加热器分为相互独立的两部分，首站内的两套循环水系统母管分别与1＃热源和2＃热源的主管道连接。
故3＃热源建设完成后，原有的两个热源分别利用各自主管道在城区分区供热的局面将打破，三热源将利用已有的两条主管道共同供热，热源联网供热成为定局。
2）热网方面
2005年采暖季，在原有两个热源主循环泵基本满出力的运转条件下，管网最不利端热力站的资用压头刚刚能满足要求。但由于城市集中供热热负荷的增加，且已建的主管道已经占据从热源至城区的两条道路的路由，再覆设一条新管道从电厂进市已相当困难，而且投资也很高，故只考虑利用原有供热主管道把热量输送进市区的方案，在资用压头不能满足要求的各热力站内增加回水加压变频泵，即将系统设计为分布式变频泵供热系统［1］。
所谓分布式变频泵系统，是指在热力站中采用回水加压变频泵代替阀门来完成流量的调节的系统。如下图所示：
综合热源、热网的以上变化，2006年采暖季该市集中供热水力工况将发生根本性改变，热网方面的分布式变频泵系统和热源方面多热源联网供热问题也会相互影响。本文中以该市集中供热网为例，分析了多热源联合供热热源运行方式的不同和热网枝状、环状网两种运行方式的不同对分布式变频泵系统的影响［2］。
2.热源运行方式及对分布式变频泵系统的影响
三热源联合供热，其热源运行调节方式可有以下两种方案：
1）第一方案：根据一次能源消耗量最小的原则进行调节
三个热源厂六台供热机组，投产时间和运行参数各不相同，以机组供热发电的热耗的大小为调节依据可达到最大的节能。
2）第二方案：按热源供热量的固定比例进行调节
随着气温变化，管网总需热量不断变化，而供热机组的供热量均可在额定供热量的37%至100%范围内变化，此时各热源按大致相同的比例进行供热。
以下就这两种多热源联合供热的两种运行方式对分布式变频泵系统的影响进行分析。
2.1 根据一次能源消耗量最小的原则进行调节的运行方式
从热源上看，三个热源的六台供热机组投产时间和运行参数各不相同，各热源间热耗不同，供热成本也有一定的差距，同时，热力企业也有选择低成本热源供热的利益驱动力。因此，有可能会采用根据一次能源消耗量最小的原则进行调节的运行方式。
根据各机组热耗的不同，可初步定1＃热源为基本热源，3＃热源为腰荷热源，2＃热源则作为调峰热源。根据这个原则，可基本确定在整个采暖季中三个热源的供热量变化的基本情况，如图2所示为整个集中供热系统的热负荷延时曲线和各热源的供热量的分配图。
从热负荷延时曲线图中可以看出，采暖初期只运行1＃热源即可满足热网供热需求，1＃热源的供热流量通过1＃热源的主管道先输送至市内南区，再通过分支管道输送至市内北区。由于缺乏2＃热源主管道从市区西北方向的支持，管网不利端也主要分布在市区西北方向。如图3中平行四边形区所示。随着室外温度的降低，当管网需热量超过472MW时，需启动3＃热源供热，3＃热源的供热流量首先利用向西北方向供热的2＃热源主管道进行供热，不足部分再通过1＃热源主管道供热，管网不利端也从市区西北方向向东北方向推移。随着外温进一步降低，当管网需热量超过712MW时，需启动2＃热源供热。2＃热源供热流量均通过2＃热源的主管道供热，管网不利端继续从市区西北方向向东北方向推移。直至设计工况下，最不利区位于管网正北方向，如图3中长方形区域所示。
通过水力工况分析可知，采用根据一次能源消耗量最小的原则进行调节的运行方式，管网在整个采暖季水力工况变化较大，管网最不利端随热源的调度变化也较大。故管网中，许多换热站在采暖初期需要采用阀门调节，而末寒期就需要采用回水加压泵进行调节，而另一部分换热站则相反。故采用这种热源运行方式时，系统中所有热力站的阀门开度和泵转速随系统总流量而不断变化，热网调节过程相对较为复杂，对系统运行调节人员素质和城市热网微机监控系统要求也较高。
2.2 按热源供热量的固定比例进行调节的运行方式
第一方案从宏观上看能起到节能作用，热耗低的机组多供，带基本热负荷，热耗高的少供，起调峰作用。这种方式适用于各个机组为统一的整体。但目前三个热源隶属于三个不同的系统，各自对机组的热电比都有要求，另一方面在煤价、电价、热价未反映市场的真实情况下，供热与发电之间的关系尚待协调，供热发电的多少直接影响各电厂的经济效益，且热耗高的机组越少供热，能耗越高，造成恶性循环。因此在目前电厂隶属关系不变的情况下，仍须采用以按相同的供热比例调节为好，即为按热源供热量的固定比例进行调节的运行方式。待条件成熟时，可转为采用第一方案。
采用这种运行方式时，三个热源供热量比例基本不变，在管网调节中，也可保持两条主管道的供热流量比例基本不变，若此时分布式变频泵管网系统采用定“零压点”的运行调节方式时，可实现热网运行基本处于相似工况状态［3］。
所谓相似工况，是指两个不同的工况，如果各热力站的流量和资用压头等比变化，就称这两个工况为相似工况。当系统调节平衡后，相似工况之间的变换，无需调节热力站的阀门开度，系统仍处于平衡状态［4］，简化了热网调节过程。
3.环网运行方式及对分布式变频泵系统的影响
2005年采暖季，为便于原有两热源管理运营和热量核算，该市集中供热系统分为两部分运行：西北供热区和东南供热区。两部分供热区的联络管线仅用于负荷切换和事故应急，同时，集中供热管网虽然有环网，大部分情况下均用阀门切断，按枝状网运行。随着供热规模的扩大，热源联合供热运行已势在必行，热网的运行方式则有以下两种方案可供选择：
1）枝状网运行方式
仍保持现有运行方式，通过联络管线阀门将供热管网分为两部分，通过环网阀门将热网切割成枝状网运行。
2）环状网运行方式
改枝状网运行方式为环网运行方式，打开联络管线阀门，并将环网阀门设置为合理开度以进行水力优化调度。
以下以设计工况为例，对这两种不同运行方式对分布式变频泵系统的影响予以计算和分析。
3.1 枝状网运行方式
采用枝状网运行方式时，管网共有五个切断阀门，位置如下图中所绘制阀门位置。经水力计算后可知，管网最不利端位于管网最上端及管网中部，管网资用压头分布图如图4所示：
若设各换热站克服板换、除污器等站内设备所需压力为10米水柱，则管网中多数换热站资用压头均小于该数值，在此类换热站应设置回水加压泵。经统计可知，此类换热站共有73个，占换热站总数的60％强。而所需设置站内回水加压变频泵总功率达700kW，最大的一个回水加压变频泵功率超过30kW。
3.2 环状网运行方式
若该热网采用环状网运行方式，经水力优化调度分析可知，上述五个关断阀门均开至最大即可，此时管网最不利端位于管网最上端，管网中部水力工况得以大大改善，管网资用压头分布图如图5所示：
同样若设各换热站资用压头均小于10米水柱时应设置回水加压泵，那么采用环状网运行方式时此类换热站减少为53个，所需设置站内回水加压变频泵总功率也降低至370kW，大部分热力站站内回水加压泵总功率在10kW以内，而最大的回水加压泵泵总功率也未超过30kW。较之采用枝状网运行方式既节省了投资，又减少了运行费用，是一种经济性较好的运行方式。
4.结论
通过本文分析，可得出以下结论：
1）热源运行方式对分布式变频泵系统的影响
采用根据一次能源消耗最小的原则进行调节的热源运行方式，虽因各热源供热量比例的不断变化导致管网在整个采暖季水力工况变化较大，管网最不利端随热源的调度变化也较大。增加了热网调节过程的复杂程度，但这种运行方式能大大节省三个热源的一次能源总消耗量，是一种系统最优的运行方式。待条件成熟时，可采用这一方案。
由于三个热源隶属于三个不同的系统等种种客观原因，目前仍须采用按热源供热量的固定比例进行调节的运行方式。这种运行方式可实现热网运行基本处于相似工况状态，大大降低分布式变频泵系统的调节难度。
2）环网运行方式对分布式变频泵系统的影响
随着供热规模越来越大，进一步提高运行的安全性、经济性十分重要，将两个热网合为一网的环网运行即为可采取的措施之一，通过环网的水力计算，进行管网优化，可取得最合理最经济的输送方式。同时，环网运行也使管网的安全性大大提高。
参考文献
［1］秦冰. 分布式变频泵系统实例浅析(二）
［2］秦冰. 集中供热系统热动态特性研究［D］.北京：清华大学，2004年
［3］秦冰. 分布式变频泵系统的调节方式
［4］秦绪忠. 区域供热供冷输配系统动力学特性研究（博士学位论文）［D］。北京：清华大学，2000年
