大高差多熱源供熱管網回水壓力低的解決方案

摘 要

某大高差、多熱源環狀供熱管網水力計算中，個別地形較高的調峰熱源廠回水壓力過低。針對這一問題，提出兩種解決方案：一是提高基本熱源定壓點壓力，二是在水力交匯點基本熱源一
摘要：某大高差、多熱源環狀供熱管網水力計算中，個別地形較高的調峰熱源廠回水壓力過低。針對這一問題，提出兩種解決方案：一是提高基本熱源定壓點壓力，二是在水力交匯點基本熱源一側的回水干管上設置調節閥。
關鍵詞：大高差；多熱源；環狀供熱管網；聯網運行；水力計算
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
   我國北方某市熱電廠一期建設2×300MW熱電聯產機組，供熱面積為1100×104m2。管網輸送距離長，地形復雜，需穿越高速公路、鐵路、河流。熱電廠首站處于系統最高點，地面高程為794m，系統最低點高程為681m，最大高差達113m。熱力公司原3個熱源廠(分別是東區熱源廠、西區熱源廠和三期熱源廠)作為調峰熱源和熱電廠聯網運行，3個調峰熱源廠地面高程為：東區熱源廠749m，西區熱源廠718m，三期熱源廠685m。系統在輸送干線設中繼泵站1座，其地面高程為714m。
    熱網在市區內成環網敷設，嚴寒期擬由多熱源聯網運行。由于各個熱源及熱用戶之間高差大、距離遠，為了保證各個熱源及熱用戶不超壓、不汽化、不倒空，水力計算及水力工況分析時出現平原地區不曾遇到的問題。
2 多熱源環狀管網建設的優點
    多熱源環狀管網是集中供熱系統的一個發展趨勢。首先，多熱源聯網供熱能在保證供熱質量的條件下，讓效率高、污染低的熱電廠盡量滿負荷運行；把效率低、污染重的鍋爐房作為調峰熱源，減少其運行時間，達到節能減排的目的。其次，多個熱源共同為用戶供熱，能做到互為備用，提高了熱網的可靠性。另外，對于環網而言，城市管網可以一次設計、分布實施，條件具備后再連接成多熱源聯網的大型供熱系統，有利于供熱系統的遠、近期結合[1]。
3 熱網的水力工況分析
3.1 環狀管網水力計算基本原理及計算軟件
    環狀管網水力計算主要根據節點流量平衡和獨立回路壓力平衡方程進行管網平差計算。計算過程較為繁瑣，需借助計算機求解。常用的計算軟件有國外某公司的Flowra和國內開發的HacNet。
3.2 聯網運行水力計算中存在的問題
    初步設計的一個方案為在回水干管上設中繼泵站。熱電廠和調峰熱源廠聯網運行后，西區熱源廠和三期熱源廠工況均比較正常，唯獨東區熱源廠回水壓力過低，經水力計算，最低水頭為0.8m。聯網后熱電廠至東區熱源廠水壓圖見圖1。
 

    由圖1可見，中繼泵站和熱電廠之間回水壓力有一段高于供水壓力。這是因為中繼泵裝在回水管道上并且揚程較高。中繼泵站位于輸送干線上，中繼泵站和熱電廠之間沒有熱用戶，因此不影響系統正常運行。
    由于東區熱源廠回水壓力過低，運行中可能存在東區熱源廠循環泵氣蝕及回水管倒空等問題。設計中應避免此類問題出現。
3.3 水力工況問題分析
    分析東區熱源廠回水壓力低的原因：東區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熱源廠的水力交匯點基本固定。東區熱源廠地面高程為749m，水力交匯點位置地面高程為730m，東區熱源廠比水力交匯點位置高19m。系統定壓點在熱電廠首站循環水泵入口處，在定壓點和中繼泵站水泵揚程確定后，電廠供、回水壓力線基本確定。水力交匯點回水壓力也相應為定值。因此，在東區熱源廠地勢比水力交匯點高的情況下，可能發生東區熱源廠回水壓力過低，造成的后果是東區熱源廠水泵氣蝕和管網倒空等。
    解決該問題的基本思路是提高東區熱源廠回水壓力。經水力分析，可采用兩種解決方法：
    方法一：提高熱電廠首站定壓點壓力，此時水壓圖見圖2。
    方法二：在水力交匯點熱電廠一側的回水管道上安裝調節閥，安裝調節閥后水壓圖見圖3。
 

    方法一在提高熱電廠首站定壓點壓力后，水力交匯點回水壓力升高，系統回水動壓線升高，東區熱源廠回水壓力隨之升高，壓力升高值等于首站定壓點壓力升高值。
    由于該系統中熱電廠首站處在最高點，系統高差較大。根據CJJ 34—2010《城鎮供熱管網設計規范》第7.2.9條的規定，對熱網進行動態水力分析時，應對輸送干線主閥門非正常關閉等非正常操作發生時的壓力進行分析。提高首站定壓點壓力后，在供、回水干管上分段閥門誤操作非正常關閉時，系統水不再流動，沒有沿程阻力和局部阻力，此時靜水壓力如圖2中虛線所示，系統中地勢較低點可能會超壓，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，或提高定壓點壓力后，系統最低點不應超壓。
    采用方法二在水力交匯點熱電廠一側的回水干管上安裝調節閥后，東區熱源廠回水水頭相比之前升高。經HacNet軟件計算，安裝調節閥后，東源廠回水水頭從0.8m變為約7.7m。東區熱循環水泵揚程從39m降低為32m。由于水力點幾乎不變，東區熱源廠循環水泵流量不變，供熱范圍與加調節閥前相同。安裝調節閥后降低了東區熱源廠循環水泵的電耗。安裝調節閥的原因是因為調峰熱源廠開啟前，調峰熱源廠所在的位置是熱電廠的供熱末端，熱電廠水泵設計揚程較大。在嚴寒期隨著熱負荷的增大，當熱電廠供熱能力不能滿足要求時，開啟調峰熱源廠。而此時熱電廠供熱負荷和水泵流量不變，因此熱電廠和中繼泵站水泵揚程不變，仍然較高。調峰熱源廠為了適應熱電廠和中繼泵站水泵揚程，需要較高的揚程與之匹配。因此，為了消耗熱電廠和中繼泵站循環泵過多的揚程，需在水力交匯點熱電廠一側的干管上安裝調節閥。調節閥的位置可以根據工程具體需要，選擇安裝在供水管上或回水管上。本工程為了提高調峰熱源廠回水壓力，選擇了安裝在回水管上。
   有時候熱電廠和調峰熱源廠聯網運行時，熱電廠地面高程較高，調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荷時，系統沒什么問題。而嚴寒期開啟調峰熱源廠后，調峰熱源廠供水壓力會超壓，此時需在水力交匯點熱電廠一側的供水管上安裝調節閥。圖4為在供水管安裝調節閥的例子。熱源1為主熱源，熱源2為調峰熱源。從圖4可以看出，為保證熱源1所供范圍內最不利用戶的資用壓頭，熱源1循環水泵的揚程至少為H1，此時水力交匯點處用戶的剩余壓頭較大。由于是并網運行，如果僅僅通過調整熱源2處的循環水泵揚程，根據循環水泵揚程的高低確定水力交匯點位置來達到兩熱源流量分配比例的要求，熱源2的揚程應該調整到H2,1。熱源2供熱范圍很小可循環水泵揚程卻很大，這顯然是不合理的，其原因是受到主熱源循環水泵的制約。此時可在水力交匯點熱源1一側的供水干管上安裝調節閥，將交匯點處熱源1的剩余壓頭在該干管上消耗掉，熱源2的水泵揚程就可大幅度下降(如圖4中可降為H2,2)。

    從圖4的例子可以看出，對于多熱源管網的運行調節，在主熱源循環水泵揚程無法調節的情況下，在干管的適當位置安裝調節閥并對之進行調整，可以減小調峰熱源廠循環水泵揚程，提高系統的輸送能力，減少循環水泵的電耗。對于現有的多熱源供熱系統，圖4的例子有一定的普遍性，只要交匯點處的用戶不是全網的最不利用戶，總是可以通過關小或調整交匯點某一側的干管閥門來得到最優水力工況，減少循環泵的動力消耗。
4 結論
    對于本工程的大高差、多熱源聯網運行的供熱系統，在發生調峰熱源廠回水壓力過低甚至為負值時，可以根據系統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壓力；
    方法二：在水力交匯點熱電廠一側回水管道上安裝調節閥。
    方法一適用于高差不太大的系統，或提高定壓點壓力后，系統最低點不超壓。
    方法二對系統高差無要求，但由于方法二在干管上安裝了調節閥，根據測試的調峰熱源回水壓力控制調節閥的開度，系統控制比方法一復雜。
參考文獻：
[1] 張巖，劉永風，張蓉.多熱源供熱系統聯網運行技術[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.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)