大高差多熱源供熱管網(wǎng)回水壓力低的解決方案

摘 要

某大高差、多熱源環(huán)狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算中，個(gè)別地形較高的調(diào)峰熱源廠回水壓力過(guò)低。針對(duì)這一問(wèn)題，提出兩種解決方案：一是提高基本熱源定壓點(diǎn)壓力，二是在水力交匯點(diǎn)基本熱源一
摘要：某大高差、多熱源環(huán)狀供熱管網(wǎng)水力計(jì)算中，個(gè)別地形較高的調(diào)峰熱源廠回水壓力過(guò)低。針對(duì)這一問(wèn)題，提出兩種解決方案：一是提高基本熱源定壓點(diǎn)壓力，二是在水力交匯點(diǎn)基本熱源一側(cè)的回水干管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥。
關(guān)鍵詞：大高差；多熱源；環(huán)狀供熱管網(wǎng)；聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；水力計(jì)算
Solution of Low Return Water Pressure of Heat-supply Network with Large Difference in Elevation and Multiple Heat Sources
MA Peigen，CHEN Kaining，XU Yun，JIANG Jianzhi，LIAO Rongping
Abstract：The retum water pressure in individual peak shaving heat source plants where the terrain is higher is excessively low in a hydraulic calculation of ring heat-supply network with large difference in elevation and multiple heat sources. In order to solve this problem，two solutions are proposed，the first one is to increase Dressure at the pressurization point of basic heat source，and the second oue is to install a regulating valve on return water main near the basic heat source namely the hydraulic catchment.
Key words：large difference in elevation；multiple heat sources；ring heat-supply network；networking operation；hydraulic calculation
1 工程概況
   我國(guó)北方某市熱電廠一期建設(shè)2×300MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，供熱面積為1100×104m2。管網(wǎng)輸送距離長(zhǎng)，地形復(fù)雜，需穿越高速公路、鐵路、河流。熱電廠首站處于系統(tǒng)最高點(diǎn)，地面高程為794m，系統(tǒng)最低點(diǎn)高程為681m，最大高差達(dá)113m。熱力公司原3個(gè)熱源廠(分別是東區(qū)熱源廠、西區(qū)熱源廠和三期熱源廠)作為調(diào)峰熱源和熱電廠聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，3個(gè)調(diào)峰熱源廠地面高程為：東區(qū)熱源廠749m，西區(qū)熱源廠718m，三期熱源廠685m。系統(tǒng)在輸送干線設(shè)中繼泵站1座，其地面高程為714m。
    熱網(wǎng)在市區(qū)內(nèi)成環(huán)網(wǎng)敷設(shè)，嚴(yán)寒期擬由多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于各個(gè)熱源及熱用戶(hù)之間高差大、距離遠(yuǎn)，為了保證各個(gè)熱源及熱用戶(hù)不超壓、不汽化、不倒空，水力計(jì)算及水力工況分析時(shí)出現(xiàn)平原地區(qū)不曾遇到的問(wèn)題。
2 多熱源環(huán)狀管網(wǎng)建設(shè)的優(yōu)點(diǎn)
    多熱源環(huán)狀管網(wǎng)是集中供熱系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。首先，多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱能在保證供熱質(zhì)量的條件下，讓效率高、污染低的熱電廠盡量滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行；把效率低、污染重的鍋爐房作為調(diào)峰熱源，減少其運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)能減排的目的。其次，多個(gè)熱源共同為用戶(hù)供熱，能做到互為備用，提高了熱網(wǎng)的可靠性。另外，對(duì)于環(huán)網(wǎng)而言，城市管網(wǎng)可以一次設(shè)計(jì)、分布實(shí)施，條件具備后再連接成多熱源聯(lián)網(wǎng)的大型供熱系統(tǒng)，有利于供熱系統(tǒng)的遠(yuǎn)、近期結(jié)合[1]。
3 熱網(wǎng)的水力工況分析
3.1 環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算基本原理及計(jì)算軟件
    環(huán)狀管網(wǎng)水力計(jì)算主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量平衡和獨(dú)立回路壓力平衡方程進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算。計(jì)算過(guò)程較為繁瑣，需借助計(jì)算機(jī)求解。常用的計(jì)算軟件有國(guó)外某公司的Flowra和國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的HacNet。
3.2 聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行水力計(jì)算中存在的問(wèn)題
    初步設(shè)計(jì)的一個(gè)方案為在回水干管上設(shè)中繼泵站。熱電廠和調(diào)峰熱源廠聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后，西區(qū)熱源廠和三期熱源廠工況均比較正常，唯獨(dú)東區(qū)熱源廠回水壓力過(guò)低，經(jīng)水力計(jì)算，最低水頭為0.8m。聯(lián)網(wǎng)后熱電廠至東區(qū)熱源廠水壓圖見(jiàn)圖1。
 

    由圖1可見(jiàn)，中繼泵站和熱電廠之間回水壓力有一段高于供水壓力。這是因?yàn)橹欣^泵裝在回水管道上并且揚(yáng)程較高。中繼泵站位于輸送干線上，中繼泵站和熱電廠之間沒(méi)有熱用戶(hù)，因此不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。
    由于東區(qū)熱源廠回水壓力過(guò)低，運(yùn)行中可能存在東區(qū)熱源廠循環(huán)泵氣蝕及回水管倒空等問(wèn)題。設(shè)計(jì)中應(yīng)避免此類(lèi)問(wèn)題出現(xiàn)。
3.3 水力工況問(wèn)題分析
    分析東區(qū)熱源廠回水壓力低的原因：東區(qū)熱源廠供熱量為確定值，在額定供、回水溫差下，供熱范圍固定，因此熱電廠首站和東區(qū)熱源廠的水力交匯點(diǎn)基本固定。東區(qū)熱源廠地面高程為749m，水力交匯點(diǎn)位置地面高程為730m，東區(qū)熱源廠比水力交匯點(diǎn)位置高19m。系統(tǒng)定壓點(diǎn)在熱電廠首站循環(huán)水泵入口處，在定壓點(diǎn)和中繼泵站水泵揚(yáng)程確定后，電廠供、回水壓力線基本確定。水力交匯點(diǎn)回水壓力也相應(yīng)為定值。因此，在東區(qū)熱源廠地勢(shì)比水力交匯點(diǎn)高的情況下，可能發(fā)生東區(qū)熱源廠回水壓力過(guò)低，造成的后果是東區(qū)熱源廠水泵氣蝕和管網(wǎng)倒空等。
    解決該問(wèn)題的基本思路是提高東區(qū)熱源廠回水壓力。經(jīng)水力分析，可采用兩種解決方法：
    方法一：提高熱電廠首站定壓點(diǎn)壓力，此時(shí)水壓圖見(jiàn)圖2。
    方法二：在水力交匯點(diǎn)熱電廠一側(cè)的回水管道上安裝調(diào)節(jié)閥，安裝調(diào)節(jié)閥后水壓圖見(jiàn)圖3。
 

    方法一在提高熱電廠首站定壓點(diǎn)壓力后，水力交匯點(diǎn)回水壓力升高，系統(tǒng)回水動(dòng)壓線升高，東區(qū)熱源廠回水壓力隨之升高，壓力升高值等于首站定壓點(diǎn)壓力升高值。
    由于該系統(tǒng)中熱電廠首站處在最高點(diǎn)，系統(tǒng)高差較大。根據(jù)CJJ 34—2010《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.2.9條的規(guī)定，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力分析時(shí)，應(yīng)對(duì)輸送干線主閥門(mén)非正常關(guān)閉等非正常操作發(fā)生時(shí)的壓力進(jìn)行分析。提高首站定壓點(diǎn)壓力后，在供、回水干管上分段閥門(mén)誤操作非正常關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)水不再流動(dòng)，沒(méi)有沿程阻力和局部阻力，此時(shí)靜水壓力如圖2中虛線所示，系統(tǒng)中地勢(shì)較低點(diǎn)可能會(huì)超壓，如圖2橢圓中位置所示。因此方法一適用于高差不太大的系統(tǒng)，或提高定壓點(diǎn)壓力后，系統(tǒng)最低點(diǎn)不應(yīng)超壓。
    采用方法二在水力交匯點(diǎn)熱電廠一側(cè)的回水干管上安裝調(diào)節(jié)閥后，東區(qū)熱源廠回水水頭相比之前升高。經(jīng)HacNet軟件計(jì)算，安裝調(diào)節(jié)閥后，東源廠回水水頭從0.8m變?yōu)榧s7.7m。東區(qū)熱循環(huán)水泵揚(yáng)程從39m降低為32m。由于水力點(diǎn)幾乎不變，東區(qū)熱源廠循環(huán)水泵流量不變，供熱范圍與加調(diào)節(jié)閥前相同。安裝調(diào)節(jié)閥后降低了東區(qū)熱源廠循環(huán)水泵的電耗。安裝調(diào)節(jié)閥的原因是因?yàn)檎{(diào)峰熱源廠開(kāi)啟前，調(diào)峰熱源廠所在的位置是熱電廠的供熱末端，熱電廠水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程較大。在嚴(yán)寒期隨著熱負(fù)荷的增大，當(dāng)熱電廠供熱能力不能滿(mǎn)足要求時(shí)，開(kāi)啟調(diào)峰熱源廠。而此時(shí)熱電廠供熱負(fù)荷和水泵流量不變，因此熱電廠和中繼泵站水泵揚(yáng)程不變，仍然較高。調(diào)峰熱源廠為了適應(yīng)熱電廠和中繼泵站水泵揚(yáng)程，需要較高的揚(yáng)程與之匹配。因此，為了消耗熱電廠和中繼泵站循環(huán)泵過(guò)多的揚(yáng)程，需在水力交匯點(diǎn)熱電廠一側(cè)的干管上安裝調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的位置可以根據(jù)工程具體需要，選擇安裝在供水管上或回水管上。本工程為了提高調(diào)峰熱源廠回水壓力，選擇了安裝在回水管上。
   有時(shí)候熱電廠和調(diào)峰熱源廠聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，熱電廠地面高程較高，調(diào)峰熱源廠在末端且地面高程較低。在供熱初期和末期熱電廠帶全部負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)沒(méi)什么問(wèn)題。而嚴(yán)寒期開(kāi)啟調(diào)峰熱源廠后，調(diào)峰熱源廠供水壓力會(huì)超壓，此時(shí)需在水力交匯點(diǎn)熱電廠一側(cè)的供水管上安裝調(diào)節(jié)閥。圖4為在供水管安裝調(diào)節(jié)閥的例子。熱源1為主熱源，熱源2為調(diào)峰熱源。從圖4可以看出，為保證熱源1所供范圍內(nèi)最不利用戶(hù)的資用壓頭，熱源1循環(huán)水泵的揚(yáng)程至少為H1，此時(shí)水力交匯點(diǎn)處用戶(hù)的剩余壓頭較大。由于是并網(wǎng)運(yùn)行，如果僅僅通過(guò)調(diào)整熱源2處的循環(huán)水泵揚(yáng)程，根據(jù)循環(huán)水泵揚(yáng)程的高低確定水力交匯點(diǎn)位置來(lái)達(dá)到兩熱源流量分配比例的要求，熱源2的揚(yáng)程應(yīng)該調(diào)整到H2,1。熱源2供熱范圍很小可循環(huán)水泵揚(yáng)程卻很大，這顯然是不合理的，其原因是受到主熱源循環(huán)水泵的制約。此時(shí)可在水力交匯點(diǎn)熱源1一側(cè)的供水干管上安裝調(diào)節(jié)閥，將交匯點(diǎn)處熱源1的剩余壓頭在該干管上消耗掉，熱源2的水泵揚(yáng)程就可大幅度下降(如圖4中可降為H2,2)。

    從圖4的例子可以看出，對(duì)于多熱源管網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，在主熱源循環(huán)水泵揚(yáng)程無(wú)法調(diào)節(jié)的情況下，在干管的適當(dāng)位置安裝調(diào)節(jié)閥并對(duì)之進(jìn)行調(diào)整，可以減小調(diào)峰熱源廠循環(huán)水泵揚(yáng)程，提高系統(tǒng)的輸送能力，減少循環(huán)水泵的電耗。對(duì)于現(xiàn)有的多熱源供熱系統(tǒng)，圖4的例子有一定的普遍性，只要交匯點(diǎn)處的用戶(hù)不是全網(wǎng)的最不利用戶(hù)，總是可以通過(guò)關(guān)小或調(diào)整交匯點(diǎn)某一側(cè)的干管閥門(mén)來(lái)得到最優(yōu)水力工況，減少循環(huán)泵的動(dòng)力消耗。
4 結(jié)論
    對(duì)于本工程的大高差、多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的供熱系統(tǒng)，在發(fā)生調(diào)峰熱源廠回水壓力過(guò)低甚至為負(fù)值時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)情況采用如下兩種解決方法：
    方法一：提高熱電廠首站定壓點(diǎn)壓力；
    方法二：在水力交匯點(diǎn)熱電廠一側(cè)回水管道上安裝調(diào)節(jié)閥。
    方法一適用于高差不太大的系統(tǒng)，或提高定壓點(diǎn)壓力后，系統(tǒng)最低點(diǎn)不超壓。
    方法二對(duì)系統(tǒng)高差無(wú)要求，但由于方法二在干管上安裝了調(diào)節(jié)閥，根據(jù)測(cè)試的調(diào)峰熱源回水壓力控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，系統(tǒng)控制比方法一復(fù)雜。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張巖，劉永風(fēng)，張蓉.多熱源供熱系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)[J].煤氣與熱力，2009，29(7)：A09-A10.
 
(本文作者：馬培根1 陳凱寧2 徐云1 蔣建志2 廖榮平2 1.晉城市熱力公司 山西晉城 048000；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)