長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)論述

楊兆林，陳 龍，史建軍，張 敏，楊文涵，王云龍

（1.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司撫順熱電分公司，遼寧 撫順 113009；2.國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110623；3.中電投東北能源科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，冬季所需的供熱量逐年增大，我國(guó)北方城市的熱源緊缺、大氣污染等問題日益顯現(xiàn)。根據(jù)《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021年）》的指示精神：到2019年，北方地區(qū)清潔取暖率達(dá)到50%；到2021 年，北方地區(qū)清潔取暖率達(dá)到70%。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，各地紛紛進(jìn)行“煤改氣”或“煤改電”改造。但由于燃?xì)夤岢杀靖?，供氣保障不穩(wěn)定，電鍋爐的能源利用率低，電熱泵受當(dāng)?shù)責(zé)嵩礂l件限制，初投資高等問題，該方案尚未大規(guī)模推廣［1-2］。長(zhǎng)輸供熱技術(shù)充分整合遠(yuǎn)離城區(qū)的熱源，以熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、煙氣和乏氣的余熱、工業(yè)余熱等承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，燃?xì)獾瘸袚?dān)尖峰負(fù)荷，與區(qū)域熱源互聯(lián)互通，互為備用，成為北方地區(qū)實(shí)現(xiàn)清潔供熱的新模式，逐步在各地進(jìn)行推廣和應(yīng)用。但長(zhǎng)輸供熱熱源大、輸熱距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)龐大復(fù)雜，正常運(yùn)行時(shí)需多熱源、熱網(wǎng)、換熱站等設(shè)施加以保障。因此，如何提高其安全性、穩(wěn)定性、節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性成為相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯康闹攸c(diǎn)。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸供熱應(yīng)用情況，從熱源、管網(wǎng)、運(yùn)行調(diào)節(jié)及智慧供熱信息平臺(tái)建設(shè)方面分析了長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目的技術(shù)應(yīng)用，探討當(dāng)前存在的技術(shù)瓶頸并提出建議。

1 長(zhǎng)輸供熱發(fā)展應(yīng)用情況

北歐國(guó)家通過制定供熱法案，不斷優(yōu)化供熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行精細(xì)化管理，成為高能效、低排放供熱的典范。長(zhǎng)距離輸熱在北歐應(yīng)用已有幾十年，其特點(diǎn)是供熱距離遠(yuǎn)、供熱負(fù)荷較小。相比之下，我國(guó)供熱情況較為復(fù)雜，龐大的熱源規(guī)模和密集的熱負(fù)荷，以及國(guó)家清潔供暖的政策，在安全、穩(wěn)定、清潔、高效、低成本方面對(duì)長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)提出了更高的要求。

傳統(tǒng)的集中供熱管網(wǎng)的最遠(yuǎn)供熱距離一般不超過20 km。長(zhǎng)輸供熱管網(wǎng)指管網(wǎng)輸送供熱距離超過20 km，并具有中繼泵站或隔壓站的供熱系統(tǒng)，其供熱面積通常在1 500 萬(wàn)m2以上（管道公稱直徑≥DN1200）。

目前，國(guó)內(nèi)正在推進(jìn)實(shí)施的長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目城市的具體情況如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目匯總［3-4］

2 長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目工程規(guī)模大，輸送距離遠(yuǎn)，運(yùn)行設(shè)備多，整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要所有供熱設(shè)施協(xié)同配合，所以各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需進(jìn)行一體化考慮，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 熱源

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)城市對(duì)供熱的需求逐年增多，霧霾問題嚴(yán)重，國(guó)家出臺(tái)相應(yīng)政策取締中小型高能耗燃煤供熱機(jī)組，如何高效利用現(xiàn)有熱源滿足供熱量成為關(guān)鍵。我國(guó)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要分布在遠(yuǎn)離城市的位置，直接向城市供熱的成本高昂，而電廠乏氣余熱和煙氣余熱占燃煤熱電廠總熱量的50%，并且尚未加以利用，具有很大的回收利用價(jià)值［5］。在目前實(shí)施的長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目中，以遠(yuǎn)郊熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組作為基礎(chǔ)熱源，充分利用乏氣余熱和煙氣余熱，以燃?xì)鉄嵩醋鳛檎{(diào)峰熱源，提升了火力發(fā)電的靈活性，使長(zhǎng)輸供熱技術(shù)廣泛推行成為可能。

2.2 熱網(wǎng)

與傳統(tǒng)的集中熱網(wǎng)相比，長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目在管道上的投資大大增加。為了提高整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，需要降低回水溫度，增大供回水溫差，提高管網(wǎng)輸熱能力［1］。為此，清華大學(xué)提出了基于吸收式換熱的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱新技術(shù)［6］，在不改變二次網(wǎng)供回水溫度的前提下，通過吸收式熱泵和水-水換熱器組成的大溫差機(jī)組，使一次網(wǎng)回水溫度大幅降低至20～30 ℃，供回水溫差達(dá)到100 ℃，這一技術(shù)也為電廠余熱利用提供了條件，大大提高了經(jīng)濟(jì)供熱半徑。同時(shí)，很好地解決了供熱源側(cè)熱網(wǎng)大溫差、末端熱網(wǎng)小溫差的矛盾。

長(zhǎng)輸供熱管道長(zhǎng)、高差大、流速快，需多級(jí)加壓，對(duì)系統(tǒng)的水力動(dòng)態(tài)安全形成了極大的考驗(yàn)，需充分考慮事故狀態(tài)的動(dòng)態(tài)安全性［1］，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采取相應(yīng)的預(yù)防措施。當(dāng)管網(wǎng)中某個(gè)部件快速變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水擊，對(duì)管道造成嚴(yán)重破壞，通過設(shè)置大小閥的方式可以起到緩解作用。針對(duì)可能出現(xiàn)的汽化現(xiàn)象，采取首站開式水塔定壓，首站、中繼能源站設(shè)置整體旁通等措施加以預(yù)防［7］。除了采取防范措施外，也要考慮系統(tǒng)出現(xiàn)停電、設(shè)備故障、通信故障時(shí)，如何迅速、正確響應(yīng)，減小對(duì)系統(tǒng)造成的影響。石光輝［8］提出在建立水泵聯(lián)動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，建設(shè)更加完善可靠的智能保護(hù)系統(tǒng)，兼顧熱源和熱網(wǎng)各部分，形成整體綜合性連鎖保護(hù)。

2.3 運(yùn)行調(diào)節(jié)方式

在長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)中，泵組耗電量在總耗電量中占據(jù)相當(dāng)大的比重，而泵功率與流量的三次方成正比。因此，在保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上需要采用合理的運(yùn)行調(diào)度模式來(lái)降低能耗。太原太古長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸供熱工程的先河，目前已投運(yùn)5 個(gè)供暖季，采用的運(yùn)行調(diào)節(jié)方式為初期及嚴(yán)寒期運(yùn)行流量保持不變，進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)，末寒期進(jìn)行質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)。王林文［9］提出了一種綜合調(diào)節(jié)方式：當(dāng)負(fù)荷比不超過60%時(shí)，為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，使其流量比保持60%不變；當(dāng)負(fù)荷比大于60%時(shí)，使流量比與負(fù)荷比相同，進(jìn)行質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)。通過計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，此方式可節(jié)電21.5%，耗電輸熱比可降低18.7%。陳鵬等［10］提出在長(zhǎng)輸管線中采用質(zhì)調(diào)節(jié)溫度響應(yīng)需要較長(zhǎng)時(shí)間，以太古長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目為例，調(diào)整電廠溫度后，最遠(yuǎn)端用戶需要10 h以上才能發(fā)生相應(yīng)變化，需要根據(jù)以往的數(shù)據(jù)采用前置調(diào)整的方式進(jìn)行提前調(diào)整，才能保證系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

2.4 智慧供熱信息平臺(tái)

長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜、數(shù)據(jù)繁多，需要建設(shè)一個(gè)綜合、全面、智慧的信息服務(wù)平臺(tái)來(lái)采集、分析、顯示各類數(shù)據(jù)，才能保證系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、有序地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。目前，智慧平臺(tái)建設(shè)已被納入長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目中，并占據(jù)重要地位。石光輝［11］針對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)體系提出信息物理網(wǎng)需形成“熱源—一級(jí)網(wǎng)—熱力站—二級(jí)網(wǎng)—用戶”五級(jí)熱力要素信息全覆蓋的基礎(chǔ)信息體系；基于地圖可視化、二維碼及調(diào)度指令執(zhí)行狀態(tài)可視化來(lái)輔助設(shè)備管理，并提高審批及執(zhí)行指令的效率和準(zhǔn)確度。在智慧平臺(tái)建設(shè)上，部分長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目已完成生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、調(diào)度巡檢、能源管理等模塊的部署，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集整合和能耗的分層管理，并在后續(xù)建設(shè)中加強(qiáng)數(shù)據(jù)深化處理，優(yōu)化應(yīng)急模塊管理，建設(shè)綜合數(shù)據(jù)中心。鐘崴等［12］探討了智慧供熱的內(nèi)涵：系統(tǒng)全過程的信息互聯(lián)、供熱調(diào)控的智能性、基于模型和數(shù)據(jù)的科學(xué)決策，在智慧供熱項(xiàng)目實(shí)踐中進(jìn)行全過程、高精度仿真建模及在線仿真，基于數(shù)據(jù)和模型預(yù)測(cè)對(duì)管網(wǎng)平衡進(jìn)行預(yù)調(diào)控，采用智能算法和高性能計(jì)算集群對(duì)多熱源負(fù)荷調(diào)度方案進(jìn)行實(shí)時(shí)尋優(yōu)，顯著提高系統(tǒng)的生產(chǎn)管理水平。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)輸供熱能夠有效降低大氣污染物的排放、提高能源利用率、解決熱源與熱負(fù)荷空間分布不匹配的問題，近年來(lái)已成為我國(guó)北方城鎮(zhèn)清潔供暖的主要方式。為了進(jìn)一步提高長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，需要進(jìn)行整體統(tǒng)籌一體化考慮：

1）政策制度是頂層設(shè)計(jì)，根據(jù)地區(qū)總的熱負(fù)荷及能源情況合理規(guī)劃可采取的清潔供熱形式。推行合理的制度來(lái)協(xié)調(diào)電廠和熱力公司的關(guān)系，充分考慮熱網(wǎng)回水溫度降低和不同品位熱量，利用各方投入的成本和產(chǎn)出，使各方能夠采取相關(guān)調(diào)節(jié)措施，降低整體的成本和能耗。

2）因地制宜，除利用電廠余熱外，充分整合當(dāng)?shù)氐钠渌麩嵩矗ㄌ烊粴狻⒑四埽?、工業(yè)余熱和可再生能源（太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等），形成多熱源互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的節(jié)能性、安全可靠性及適應(yīng)供熱面積擴(kuò)大的可拓展性。借助儲(chǔ)熱技術(shù)來(lái)抵消可再生能源的不穩(wěn)定性，同時(shí)配合熱源進(jìn)行熱電調(diào)節(jié)，減小電網(wǎng)高峰期的供電壓力，降低用電費(fèi)用。

3）保證管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。確定各部分管道具有合理的保溫形式和厚度，減小局部散熱損失，采用減阻技術(shù)減小管道的比摩阻，充分考慮系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)的連鎖反應(yīng)。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)定具體的故障判斷原則，建立相應(yīng)的連鎖保護(hù)機(jī)制，減小局部故障造成的損失。

4）傳統(tǒng)的分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)將供暖期粗略的劃分為初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期，易造成階段內(nèi)供熱介質(zhì)的流量偏高，導(dǎo)致循環(huán)泵能耗上升。因此，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐湫湍旯┡跉庀筚Y料對(duì)供暖期進(jìn)行細(xì)分，在保證管網(wǎng)平衡、安全運(yùn)行、水泵處于較高效率運(yùn)行區(qū)的基礎(chǔ)上，建立以循環(huán)水泵耗電量為目標(biāo)函數(shù)的理論計(jì)算模型，確定最佳流量比。在滿足用戶供暖需求的階段采用最小安全流量，在室外溫度相近的幾個(gè)階段保持最小安全流量進(jìn)行質(zhì)調(diào)節(jié)。在室外溫度較低階段且最小安全流量無(wú)法滿足需求時(shí)，根據(jù)熱負(fù)荷比確定流量比，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證供水溫度不變，在此階段采用量調(diào)節(jié)的方式相對(duì)于質(zhì)調(diào)節(jié)末端有更快的響應(yīng)速度。同時(shí)，結(jié)合儲(chǔ)能裝置，依據(jù)峰谷電價(jià)，在保證水力安全的基礎(chǔ)上，在峰電價(jià)時(shí)段將流量調(diào)至較低的水平，在谷電價(jià)時(shí)段將流量調(diào)至較高的水平，減少系統(tǒng)電耗費(fèi)用。

5）打破信息不對(duì)稱的壁壘，采集的信息覆蓋并依次連接熱源、熱網(wǎng)、熱力站、供熱末端整個(gè)供熱系統(tǒng)及政府、企業(yè)（熱源供應(yīng)企業(yè)和熱力公司等）和用戶各相關(guān)利益群體。根據(jù)能效、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、優(yōu)化、執(zhí)行等綜合處理。隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，不斷優(yōu)化，使調(diào)整的方法更加合理。