王鼎力，徐平平，孫洪治，劉銳

(1.國(guó)能寧夏供熱有限公司，寧夏 銀川 750001；2.同方節(jié)能工程技術(shù)有限公司，北京 100000)

0 引言

隨著碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，作為用能大戶的城市供熱也出現(xiàn)了一些長(zhǎng)距離或超長(zhǎng)距離供熱項(xiàng)目，如：銀川、太原和呼和浩特等城市[1]。形成了長(zhǎng)距離小溫差、長(zhǎng)距離大溫差、長(zhǎng)距離多熱源聯(lián)網(wǎng)等系統(tǒng)模式。

對(duì)于這些新出現(xiàn)的供熱模式，普遍運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，如：太原古交項(xiàng)目開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間為2016年11月、呼和浩特市京能盛樂(lè)項(xiàng)目為2017年11月、銀川項(xiàng)目為2018年11月。管網(wǎng)輸配送距離的增加，供熱時(shí)調(diào)節(jié)的滯后性明顯、時(shí)效性較差[2]。為了保障人民群眾的生活品質(zhì)，有必要研究新型供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，努力打造高效輸配送熱網(wǎng)。

銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目是由國(guó)能寧夏靈武電廠向銀川市供熱，電廠距銀川市主城區(qū)約41 km[3]。設(shè)計(jì)負(fù)荷下，供熱介質(zhì)攜帶的熱量約6 h到達(dá)隔壓站，然后再經(jīng)過(guò)約8 h到達(dá)水力工程最差的中心站。也就是說(shuō)由電廠來(lái)的熱量需大約14 h后，才能到達(dá)末端的最不利中心站。再考慮到熱量傳遞給最末端熱用戶的環(huán)節(jié)，滯后時(shí)間甚至?xí)哌_(dá)18 h以上。所以采取傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方法顯然不利于供熱質(zhì)量的保障。

因此，本文以寧夏銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目為對(duì)象，研究長(zhǎng)輸供熱工程熱網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式，并探索出適合大溫差長(zhǎng)輸供熱系統(tǒng)的新調(diào)節(jié)方式。

1 長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目概況

銀川市采用距城市邊緣約41 km的電廠，進(jìn)行長(zhǎng)距離、跨黃河、大溫差熱泵技術(shù)為市區(qū)進(jìn)行集中供熱。工程一期項(xiàng)目工程于2017年10月開(kāi)始興建，于2018年10月投入運(yùn)行，當(dāng)年實(shí)現(xiàn)供熱面積約3658×104m2。一級(jí)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫度為130 ℃/30 ℃，管徑為DN1400 mm。

在銀川市邊緣建有一座大型隔壓站，隔壓站選擇配置50 臺(tái)換熱器，共25組，每組二臺(tái)串聯(lián)運(yùn)行。二級(jí)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)供回水溫度為125/25 ℃，主管網(wǎng)管徑為DN1400 mm。共建有73座吸收式大溫差熱泵中心站。

2 熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式選擇

供熱系統(tǒng)需根據(jù)室外氣象條件的變化，調(diào)節(jié)供熱量以滿足建筑物熱負(fù)荷的變化，從而達(dá)到熱量供需平衡，保證室內(nèi)溫度滿足用戶要求。

供熱系統(tǒng)的供熱量調(diào)節(jié)參數(shù)主要是流量和溫度。常見(jiàn)的供熱調(diào)節(jié)方法有：(1)質(zhì)調(diào)節(jié)；(2)量調(diào)節(jié)；(3)間歇調(diào)節(jié)；(4)分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)；(5)質(zhì)量-流量調(diào)節(jié)；(6)熱量調(diào)節(jié)等。

質(zhì)調(diào)節(jié)是保持熱用戶的循環(huán)水量不變，只改變供暖系統(tǒng)的供水溫度。量調(diào)節(jié)與之相反，保持供暖系統(tǒng)的供水溫度不變，只改變熱用戶的循環(huán)水量。其他方法是綜合了質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)。

圖1為銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目熱網(wǎng)平面圖。如圖1所示，銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目為復(fù)雜的四環(huán)間聯(lián)系統(tǒng)。管網(wǎng)調(diào)節(jié)如采用量調(diào)節(jié)，管網(wǎng)穩(wěn)定性很差，且運(yùn)行管理復(fù)雜。如采用質(zhì)調(diào)節(jié)，則存在以下問(wèn)題。

圖1 銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目熱網(wǎng)平面圖

(1)超長(zhǎng)延遲性

表1為各二級(jí)網(wǎng)中心站的延時(shí)。如表1所示，最長(zhǎng)延時(shí)為熱網(wǎng)的交通廳中心站，延時(shí)為7小時(shí)58分。其他如海寶小區(qū)延時(shí)也在6小時(shí)34分。且2個(gè)小時(shí)以上延時(shí)的中心站占據(jù)絕大多數(shù)。

表1 部分二級(jí)網(wǎng)中心站的延時(shí)時(shí)間

(2)大溫差熱泵機(jī)組的效率波動(dòng)

銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目采用三種規(guī)格型號(hào)的吸收式熱泵機(jī)組，分別為清華同方RBH-15-125/25-70/45、華源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6和清華同方RBH-13-130/30-60/40型號(hào)。其設(shè)計(jì)的機(jī)組性能如表2、表3、表4所示。

表2 清華同方RBH-13-130/30-60/40機(jī)組性能

表3 華源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6機(jī)組性能

表4 清華同方RBH-15-125/25-70/45機(jī)組性能

從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)一級(jí)網(wǎng)供水溫度低于100 ℃時(shí)，清華同方RBH-13-130/30-60/40熱泵機(jī)組的回水溫度高于41.3 ℃，而華源泰盟熱泵AHEX-005H-Ⅰ/1.6熱泵機(jī)組的回水溫度則為33.6 ℃。而且各機(jī)組的變化幅度也不一樣。

同時(shí)，隨著熱泵驅(qū)動(dòng)熱源的溫度降低，回水溫度也隨之上升。高的回水溫度，表明熱網(wǎng)的供熱量降低。所以從熱泵機(jī)組的性能參數(shù)可以看出，要保持低溫回水大溫差運(yùn)行，需盡量維持較高的驅(qū)動(dòng)溫度。

(3)在初、末寒期階段管道應(yīng)力受到影響

國(guó)能寧夏供熱有限公司一級(jí)網(wǎng)DN1400管道采用冷安裝無(wú)補(bǔ)償方式安裝。其中有1.8 km盾構(gòu)隧道和三處架空管道跨越安裝，穿黃盾構(gòu)隧道內(nèi)供水管有12個(gè)套筒補(bǔ)償器。

當(dāng)采用質(zhì)調(diào)節(jié)時(shí)，除了調(diào)節(jié)滯后性外，環(huán)境氣溫的劇烈變化引起供熱管網(wǎng)溫度的波動(dòng)，較大的波動(dòng)對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行安全造成威脅。溫度的反復(fù)變化，在盾構(gòu)隧道各套筒補(bǔ)償及架空管道的固定支架中產(chǎn)生反復(fù)交變應(yīng)力，降低了套筒補(bǔ)償器和固定支架的使用壽命。根據(jù)銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目第一個(gè)采暖季管網(wǎng)運(yùn)行缺陷統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)隧道內(nèi)#2、#9、#10套筒補(bǔ)償器多次發(fā)生泄漏。

管網(wǎng)的熱膨脹量按式 (1)計(jì)算：

式中：ΔL為管道的膨脹量(mm)；α為管材膨脹系數(shù)(m/(m·℃)，對(duì)于一般碳鋼材質(zhì)，α=12×10-6m/(m·℃))；L為管道長(zhǎng)度(m)；ΔT為管網(wǎng)變化溫差(℃)。

管道發(fā)生溫度變化時(shí)，應(yīng)力大小可按式 (2)計(jì)算：

式中：σ為管道應(yīng)力(kg/cm2)；E為管道的彈性模量(kg/cm2)。常用鋼材的彈性模量為 2×106kg/cm2；ε為管道相對(duì)形變量，即ΔL/L。

根據(jù)式 (2)，對(duì)于Φ1420 供熱管網(wǎng)，每變化 5 ℃，單位管網(wǎng)的應(yīng)力σ=120 kg/cm2。管網(wǎng)的軸向推力P=σF，則軸向推力P=48 t。

從上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)熱源參數(shù)發(fā)生反復(fù)變化時(shí)，供熱管網(wǎng)將承受較大的應(yīng)力。特別對(duì)長(zhǎng)輸管網(wǎng)補(bǔ)償器及架空管段有較大影響，將對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行安全造成威脅。特別是對(duì)于外圍熱源長(zhǎng)輸管網(wǎng)，當(dāng)長(zhǎng)輸管線發(fā)生較大故障時(shí)，可能造成主管線被迫停運(yùn)，將對(duì)集中供熱造成嚴(yán)重影響。

綜合考慮目前常見(jiàn)的熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，最后決定采用“分階段定溫度的變流量調(diào)節(jié)方式”。這種調(diào)節(jié)方式是在質(zhì)調(diào)節(jié)以及量調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)進(jìn)行的改進(jìn)。

即按室外環(huán)境溫度的高低把整個(gè)供暖期分成多個(gè)階段：初寒期、嚴(yán)寒期、末寒期或更多的供熱期。在每個(gè)采暖季初末期，直接將一級(jí)網(wǎng)供水溫度升至110 ℃以上，保持供水溫度110～130 ℃運(yùn)行，使熱泵一直在高效區(qū)運(yùn)行，在每一個(gè)階段，熱網(wǎng)只可以采用一個(gè)溫度值不變，同時(shí)由于室外溫度變化，長(zhǎng)輸主管網(wǎng)相應(yīng)采用量調(diào)節(jié)改變大網(wǎng)流量。

3 運(yùn)行效果分析

通過(guò)實(shí)際運(yùn)行，“分階段定溫度的變流量調(diào)節(jié)方式”具有以下特點(diǎn)。

3.1 經(jīng)濟(jì)節(jié)能

國(guó)能寧夏供熱有限公司2019—2020年采暖季采用分階段改變溫度的量調(diào)節(jié)后，2019年11月與2018年11月相同負(fù)荷下供水溫度分別是107 ℃和100 ℃，回水溫度分別是33.9 ℃和40 ℃，#1中繼泵站用電量同比下降2046000 kW·h，用電單耗同比下降0.96 kW·h/GJ；#3隔壓站用電量同比下降788480萬(wàn) kW·h，用電單耗同比下降0.182 kW·h/GJ，按當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.58 元/kW·h，僅11月份比上采暖季節(jié)約電費(fèi)164.4 萬(wàn)元。

2019年12月與2018年12月基本相同的負(fù)荷下對(duì)比，2019年較2018年12月相比#1中繼泵站用電量同比下降2046000 kW·h，用電單耗同比下降0.343 kW·h/GJ； #3隔壓站用電量同比下降1233840萬(wàn) kW·h，用電單耗同比下降0.277 kW·h/GJ，僅12月份比上個(gè)采暖季節(jié)約132.2 萬(wàn)元，通個(gè)調(diào)節(jié)方式的變化，僅在110 ℃以內(nèi)分階段定溫量調(diào)下，兩個(gè)月共節(jié)省電費(fèi)296.6 萬(wàn)元，且后期通過(guò)進(jìn)一步提高初、末寒期分階段供水溫度，可節(jié)能的空間巨大。

3.2 負(fù)荷響應(yīng)速度加快

在整個(gè)供熱季，不管將各定溫階段分成“三個(gè)”或“四個(gè)”“五個(gè)”，量調(diào)節(jié)的負(fù)荷響應(yīng)速度是質(zhì)調(diào)節(jié)所不能相比的。隨著環(huán)境溫度的變化，一、二級(jí)網(wǎng)通過(guò)量調(diào)節(jié)，負(fù)荷瞬間可以送至41 km外的各中心站。由于各中心站后的三、四級(jí)網(wǎng)基本為質(zhì)調(diào)節(jié)，熱負(fù)荷到達(dá)熱用戶約延遲3 h，已大大改善熱負(fù)荷調(diào)節(jié)速度。2019—2020年采暖季銀川市區(qū)域共經(jīng)歷7次氣溫突降，通過(guò)階段量調(diào)及時(shí)響應(yīng)，很好地應(yīng)對(duì)各次降溫挑戰(zhàn)。根據(jù)室溫采集系統(tǒng)顯示，每次氣溫突降室溫上下波動(dòng)均控制在1 ℃左右。

3.3 管網(wǎng)安全運(yùn)行得到加強(qiáng)

2019—2020年采暖季通過(guò)合理控制跨階段升溫速度和幅度，每階段升溫基本將溫升率控制在2 ℃/h以內(nèi)，每次升溫不超過(guò)5 ℃，同時(shí)要求各級(jí)泵站循環(huán)水泵在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，升頻速率1 Hz/min，每次升頻3 Hz穩(wěn)定3 min的速度升頻，盡量減小管系軸向推力的增大，通過(guò)調(diào)節(jié)方式，本采暖季盾構(gòu)隧道、跨越段管道支架、二級(jí)網(wǎng)所有套筒井均未發(fā)生一次變形或泄漏。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著管網(wǎng)輸配送距離的增加，供熱時(shí)調(diào)節(jié)的滯后性明顯、時(shí)效性也較差。為了保障人民群眾的生活品質(zhì)，有必要研究新型供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)。以銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目為對(duì)象，研究了熱網(wǎng)調(diào)節(jié)方式的選擇，得到以下結(jié)論。

(1)銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目存在超長(zhǎng)延遲性。銀川長(zhǎng)輸供熱項(xiàng)目是四環(huán)間聯(lián)的系統(tǒng)，最長(zhǎng)延時(shí)為熱網(wǎng)的交通廳中心站，二級(jí)網(wǎng)延時(shí)為7小時(shí)58分。

(2)純粹質(zhì)調(diào)節(jié)還存在大溫差熱泵機(jī)組的效率波動(dòng)，初、末寒期階段管道應(yīng)力等問(wèn)題。對(duì)于大溫差機(jī)組，隨著熱泵驅(qū)動(dòng)熱源的溫度降低，回水溫度也隨之上升。

(3)綜合考慮，決定采用分階段定溫度的變流量調(diào)節(jié)方式。通過(guò)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)該方式具有經(jīng)濟(jì)節(jié)能、負(fù)荷響應(yīng)速度加快和加強(qiáng)管網(wǎng)安全運(yùn)行等方面的特點(diǎn)。

通過(guò)運(yùn)行，取得了一定效果，但也有較大的節(jié)能運(yùn)行提升空間。在后續(xù)采暖季的運(yùn)行中，仍需加強(qiáng)管理，為打造高效輸配送熱網(wǎng)做貢獻(xiàn)。