集中供熱熱力站系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計研究

馬曉曉，馮彩肖

(華能山東電力設(shè)計有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

當前市場經(jīng)濟實現(xiàn)了更快速的發(fā)展，供熱體系在當前應(yīng)用市場當中也逐漸向著節(jié)能化、擴大化的方向發(fā)展。在這樣的發(fā)展趨勢下，熱力資源已經(jīng)逐漸與水資源和電資源并稱為人類生存的基礎(chǔ)資源。在熱力站供電系統(tǒng)集中供熱時，其供熱效果會受到諸多因素的影響，造成無法滿足實際預(yù)期的問題[1]。同時，集中供熱的方式與以往天然氣和電采暖相比受到一定排擠。針對這一問題，為了確保集中供熱能夠?qū)崿F(xiàn)更長遠的發(fā)展，本文下述將開展針對集中供熱系統(tǒng)熱力站的優(yōu)化設(shè)計研究。

1 集中供熱熱力站系統(tǒng)的功能

集中供熱熱力站系統(tǒng)包含了多種不同功能，各項功能的相互協(xié)作促使熱能資源能夠準確、及時地傳輸，以滿足人們的供熱需求。為了確保熱力站整體的穩(wěn)定和安全運行，必須針對熱力站中的二次供熱管網(wǎng)進行熱力與水力的平衡控制[2]。同時，為了確保實現(xiàn)對熱力站運行前情況的實時監(jiān)測，還需要實現(xiàn)對多項參數(shù)的顯示，如供熱溫度、變頻器運行參數(shù)、循環(huán)泵運行狀態(tài)等[3]。除此之外，集中供熱熱力站系統(tǒng)中還應(yīng)當配備合理的傳感器裝置，用于實現(xiàn)對現(xiàn)場各類參數(shù)的采集。針對電氣控制柜當中的可編輯邏輯控制機器，也要求其能夠按照設(shè)定的方式實現(xiàn)對各個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的監(jiān)測[4]。對于集中供熱熱力站系統(tǒng)中本地控制功能模塊，其在實際應(yīng)用中是根據(jù)上述可編輯邏輯控制器獲取到的數(shù)據(jù)信息以及室內(nèi)外溫度信息，實現(xiàn)對熱力站中電動閥門大小的調(diào)節(jié)，以此在確保供熱需求的基礎(chǔ)上，降低能源的損耗[5]。除此之外，通過本地控制功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對熱力站中補水泵裝置補水和循環(huán)泵變頻器運行的調(diào)節(jié)，從而確保熱力站的運行始終在合理范圍內(nèi)，確保各項功能的穩(wěn)定運行，并使熱力站最終達到供熱需求標準[6]。

2 集中供熱熱力站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 集中供熱熱力站系統(tǒng)規(guī)模調(diào)整

根據(jù)近年來有關(guān)單位開展的大量實踐與市場調(diào)研，提出在進行集中供熱系統(tǒng)中熱力站的優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)實際需求，將一個單獨的熱力站運行有效供熱面積控制在(5.0～10.0)×104m2范圍內(nèi)，有效供熱半徑應(yīng)滿足<1.0 km的需求，否則所建的熱力站將無法在供熱系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的效果。為此，可將上述提出的內(nèi)容作為參照與依據(jù)，對系統(tǒng)熱力站的規(guī)模進行優(yōu)化調(diào)整，并在調(diào)整與設(shè)計時，從下述幾個方面進行綜合考慮。

當熱力站的供熱半徑或供熱范圍設(shè)置得過大時(預(yù)設(shè)供熱面積>10.0×104m2，半徑>1.0 km)，會導(dǎo)致供熱系統(tǒng)中二次管網(wǎng)水利工況運行異常，用戶會感覺到用水溫度變化不均[7]。當終端水力發(fā)生失調(diào)現(xiàn)象時，供熱單位為了解決此種問題，會采用加大系統(tǒng)循環(huán)泵單位時間內(nèi)循環(huán)流量的方式，進行水溫的調(diào)整，盡管此種處理方式會在一定程度上解決或改善用戶用水溫度問題，但也會增加供熱系統(tǒng)在運行中的耗電量與熱量[8]。同時，當用戶用水溫度不均勻時，用戶通常會采用大量放水的方式進行水溫調(diào)整，此種方式不僅會對前端系統(tǒng)熱力站的安全、穩(wěn)定運行造成影響，也會增加熱力站的補水量。

當熱力站的供熱范圍設(shè)置得過小時(預(yù)設(shè)供熱面積<5.0×104m2)，為了滿足所有終端用戶的用水需求，供熱單位不得不增加熱力站的建設(shè)數(shù)量。隨著熱力站建設(shè)數(shù)量和規(guī)模的增加，熱力站的后續(xù)運行管理、維修檢修等成本也隨之提升。

綜上所述，熱力站建設(shè)規(guī)模無論是過大還是過小，都會對供熱系統(tǒng)與終端用戶的用水體驗造成負面影響。因此，要實現(xiàn)對熱力站的全面優(yōu)化，應(yīng)結(jié)合實際情況，對熱力站的建設(shè)規(guī)模進行調(diào)整，保證熱力站的供熱面積與供熱半徑在最優(yōu)范圍內(nèi)。

2.2 換熱機組生產(chǎn)安裝方式優(yōu)化

為進一步實現(xiàn)對熱力站的完善，應(yīng)從換熱機組的安裝入手，進行此方面工作的優(yōu)化。

目前，針對熱力站換熱機組的安裝方式主要有兩種，分別為整裝安裝與分裝安裝。第一種安裝方式為：將熱力站中的板式結(jié)構(gòu)換熱裝置、補水壓力泵、循環(huán)水泵等裝置以集成化的方式進行組裝，在生產(chǎn)車間將其拼裝成一個完整的機組，再將此機組運輸?shù)秸緝?nèi)，將其與預(yù)留的管網(wǎng)接口進行拼接，從而實現(xiàn)對熱力站的安裝。第二種安裝方式為：將上述提出的多種裝置與構(gòu)件直接運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，在熱力站運行現(xiàn)場進行拼裝或組裝。

為實現(xiàn)對其安裝方式的全面優(yōu)化，應(yīng)在安裝前，結(jié)合熱力站的作業(yè)環(huán)境與實際需求，進行此方面工作的設(shè)計。以某地區(qū)大型集中供熱系統(tǒng)為例，當供熱系統(tǒng)的終端與前端均為同一個公司組織運營時，根據(jù)熱力站運行環(huán)境進行安裝方式的選擇。

當供熱熱力站系統(tǒng)的運行環(huán)境為常規(guī)環(huán)境或非嚴寒地區(qū)時，應(yīng)明確機組設(shè)備故障更換與構(gòu)件安裝時不需要考慮內(nèi)部設(shè)備是否存在凍壞的危險，因此，站內(nèi)工作人員也有足夠的時間進行站內(nèi)設(shè)備的檢修與更換?？紤]到大部分供熱系統(tǒng)熱力站的運行空間有限，為此選擇上文提出的第一種安裝方式進行機組更換。圖1為換熱機組整裝安裝工藝流程示意圖。

圖1 供熱系統(tǒng)熱力站整裝安裝工藝流程示意圖

圖1中，1～12分別為球形閥門、“Y”形過濾裝置、蝶形閥門、熱量計量表、換熱裝置、流量計量器、自動調(diào)節(jié)閥、軟銜接、循環(huán)加壓泵、減壓閥、電磁閥門、安全閥門。

此種安裝方式在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢十分顯著，包括：不需要考慮現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境與空間的限制；可以在場外結(jié)合熱力站更換需求進行機組不同模塊功能的標準化與優(yōu)化設(shè)計。同時，將控制柜直接集成在機組中進行協(xié)同安裝，也簡化了熱力站在運行中的調(diào)試作業(yè)環(huán)節(jié)。

但此種安裝方式也存在不足，如無法實現(xiàn)故障構(gòu)件的及時更換，如果熱力站的運行已經(jīng)出現(xiàn)故障或異常時，采用此種安裝方式，可能會出現(xiàn)大規(guī)模停熱事故。

因此，可在安裝作業(yè)現(xiàn)場，排除此安裝方法后，選擇熱力站組裝/拼裝安裝方式。具體工藝流程如圖2所示。

圖2 供熱系統(tǒng)熱力站組裝/拼裝安裝工藝流程

圖2中，1～16分別為球形閥門、蝶形閥門、漩渦式除污裝置、熱量計量表、換熱裝置、流量計量器、自動調(diào)節(jié)閥、止回閥門、軟銜接、循環(huán)加壓泵、安全閥門、減壓閥、過濾裝置、電磁閥門、補水箱、補水加壓泵。

相比上文提出的整裝安裝方式，此種安裝方式具有進場難度低、占地空間小、操作便捷等優(yōu)勢。

為滿足對熱力站的全面優(yōu)化，應(yīng)結(jié)合實際情況，選擇科學(xué)、合理的安裝方式，保證熱力站可以在系統(tǒng)中發(fā)揮更高的效能。

2.3 集中供熱熱力站系統(tǒng)中設(shè)備與管道附件優(yōu)化選型

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對供熱系統(tǒng)中熱力站的管道三通方式進行優(yōu)化。目前大部分站內(nèi)管道三通方式為直角式三通，優(yōu)化后的三通形式為斜角式三通，兩種三通方式結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 供熱系統(tǒng)熱力站中管道三通形式

以DN200的管道為例，直角式三通管道在使用中的局部阻力經(jīng)過計算約為1.5，而斜角式三通管道在使用中的局部阻力經(jīng)過計算約為0.5。因此，可以認為在實際應(yīng)用中，斜角式三通管道的輸水阻力小于直角式三通管道的輸水阻力。綜合熱力站的優(yōu)化需求可知，后者在實際應(yīng)用中更加適用。

3 對比分析

在本文上述優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，為了驗證優(yōu)化思路的合理性，針對按照本文上述內(nèi)容優(yōu)化前后的集中供熱熱力站系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的效果進行對比。將優(yōu)化前后的集中供熱熱力站系統(tǒng)應(yīng)用到真實供熱企業(yè)的運行環(huán)境當中，針對兩種熱力站在實際使用過程中的供熱面積進行測定。結(jié)合熱力站運行要求，單座熱力站的供熱面積不得小于5×104m2，同時也不得超過10×104m2，以此在避免供熱資源浪費的情況下，滿足供熱需要。為了初步驗證兩種熱力站設(shè)計方案的合理性，首先將供熱面積作為評價指標，實現(xiàn)多熱力站設(shè)計合理性的量化評價。供熱面積的計算公式為：

S=s+1/2sl+st

(1)

式中：S為熱力站有效供熱面積；s為熱力站實際供熱面積；sl為共用墻體面積；st為非共用墻體面積。

按照上述公式計算得出熱力站優(yōu)化前后的供熱面積，并將計算結(jié)果繪制成表1。

表1 熱力站優(yōu)化前后供熱面積對比

從表1記錄的優(yōu)化前后熱力站供熱面積結(jié)果可以看出，優(yōu)化前該熱力站的供熱面積在2.8×104～4.2×104m2范圍內(nèi)，不符合上述供熱面積標準范圍，最接近的供熱面積也比標準供熱面積下限還小0.8×104m2。而按照本文上述優(yōu)化設(shè)計思路優(yōu)化后，熱力站的供熱面積均在上述供熱面積標準范圍內(nèi)。因此，通過上述得出的實驗結(jié)果能夠初步證明，優(yōu)化后熱力站的供熱面積條件滿足熱力站建設(shè)要求，優(yōu)化設(shè)計方案合理。

在完成對優(yōu)化設(shè)計方案合理性的驗證后，再針對優(yōu)化后熱力站的供熱穩(wěn)定性進行探究，選擇將一段時間內(nèi)熱力站的供熱數(shù)據(jù)作為依據(jù)，針對數(shù)據(jù)的變化，對其供熱是否穩(wěn)定的判斷。熱力站在日常運行過程中需要提供的熱量應(yīng)當在2 600 kW～3 000 kW范圍內(nèi)，以此才能滿足用戶的供熱需求。根據(jù)這一標準，將一段時間內(nèi)熱力站的供熱量進行記錄，并將其繪制成表2。

表2 優(yōu)化后熱力站供熱量記錄表

從表2可以看出，在11:30:00—16:30:00時段中，熱力站的供熱量始終為2 800 kW，差值始終為0，說明供熱穩(wěn)定，且符合熱力站供熱要求。同時，在11:30:00—16:30:00時段中，外界環(huán)境的溫度變化差距較大，在這樣的情況下熱力站仍然能夠保持穩(wěn)定的供熱狀態(tài)，確保供熱穩(wěn)定。按照本文上述論述，將優(yōu)化后的熱力站應(yīng)用到實際運行環(huán)境當中，能夠保證集中供熱系統(tǒng)中各設(shè)備機組的正常運行，滿足用戶需要，促進供熱效果的提升，并在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對供熱資源的合理使用，降低資源的損耗，從而達到滿足綠色可持續(xù)發(fā)展需求的供熱效果。

4 結(jié)束語

本文從三個方面，開展了熱力站的優(yōu)化設(shè)計，對比實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的熱力站更加合理，在單位時間內(nèi)的供熱量更高。盡管此次設(shè)計的成果經(jīng)過檢驗后證明了具有可行性，但在后續(xù)的設(shè)計中，還應(yīng)當結(jié)合實際情況，進行熱力站中彎頭的優(yōu)化。例如，根據(jù)熱力站的實際需求，選擇長半徑的彎頭代替早期使用的短半徑彎頭，以此種方式，進一步降低局部阻力。為避免在供熱過程中水泵運行出現(xiàn)短路故障，可以在設(shè)計中進行止水閥門與泵頭供貨商與生產(chǎn)商的綜合評估，以進一步實現(xiàn)對熱力站的優(yōu)化設(shè)計。