姬克丹

(太原市熱力集團有限責任公司，山西 太原 030000)

1 概述

太原市現(xiàn)狀已形成以熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤熱源廠、燃氣熱源廠等構(gòu)成的“多源”“多能”的能源方式。實際運行面臨以下幾方面問題：一是燃氣供熱成本較高，年供熱面積1 000萬m2燃氣基礎熱源廠的供熱成本與6 600萬m2的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本相當；二是燃煤熱源廠受環(huán)保限制，無法按需啟動；三是熱網(wǎng)間負荷切換頻繁，影響管網(wǎng)系統(tǒng)的運行安全以及使用壽命?，F(xiàn)狀太古一級網(wǎng)供熱面積占太原市總供熱面積的1/3，采用回水集中降溫，充分利用電廠乏汽余熱，具有供熱成本低、清潔低碳等特點。提升該熱網(wǎng)供熱能力，可擴大現(xiàn)狀供熱負荷區(qū)域，替代原燃氣基礎熱源供熱區(qū)域，降低全網(wǎng)綜合供熱成本，同時提升熱網(wǎng)運行的穩(wěn)定性及可靠性。太古一級網(wǎng)采用主循環(huán)泵+分布式變頻泵的運行方式，負荷區(qū)域擴大后全網(wǎng)水力工況發(fā)生變化，需重新配備分布式變頻泵為用戶提供用戶資用壓頭，本文將對太古一級網(wǎng)進行水力分析，合理優(yōu)化管網(wǎng)、更換/增設分布式變頻泵[1]。

2 太古一級網(wǎng)負荷平衡分析

太古一級網(wǎng)現(xiàn)狀供熱面積6 664萬m2，共計699座熱力站，大機組配備比例為65%，該熱網(wǎng)區(qū)域設置有城西熱源廠調(diào)峰熱源。當采用集中降溫進一步提取現(xiàn)狀回水溫度熱量，太古一級網(wǎng)供熱能力可提升600 MW，供熱能力達到2 665 MW，按照實際區(qū)域氣象參數(shù)及熱用戶供熱效果核算的熱指標41.87 W/m2考慮，嚴寒期最大供熱面積為6 365萬m2。城西熱源廠調(diào)峰熱源最大供熱能力為348 MW，嚴寒期最大可供831萬m2。太古一級網(wǎng)初末寒期可擴大/調(diào)整供熱區(qū)域[2-4]。

太原市全網(wǎng)圖如圖1所示，由圖1可知，太古一級網(wǎng)與二電熱網(wǎng)、嘉節(jié)熱網(wǎng)、南部熱網(wǎng)、城南熱網(wǎng)相連接，可進行負荷切換。除城南熱網(wǎng)為燃氣基礎熱源及燃煤應急備用熱源外，其余熱網(wǎng)均為熱電聯(lián)產(chǎn)熱源。為此，從解決現(xiàn)狀供熱成本過高及充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)供熱能力來看，太古一級網(wǎng)將切換城南熱網(wǎng)負荷來實現(xiàn)負荷消納。

原城南熱網(wǎng)供熱面積1 202萬m2，嚴寒期熱指標42.37 W/m2，最大供熱負荷需求為509 MW。該區(qū)域初末寒期可切換至太古熱網(wǎng)的供熱面積131萬m2，800萬m2，1 202萬m2。切換后，太古一級網(wǎng)面積分別為6 795萬m2，7 464萬m2，7 866萬m2，在上述三類負荷切換情況下，熱負荷平衡分析見表1。

表1 熱負荷平衡分析

3 初末寒期單熱源運行負荷消納分析

3.1 單熱源運行負荷消納對比分析

單熱源運行負荷消納按照切換區(qū)域，分為4種工況，熱力站參數(shù)設置綜合考慮大機組、板換、節(jié)能建筑等因素，進行差異化設置，節(jié)能建筑：大機組3.8 t/(h·萬m2)、板換4 t/(h·萬m2)，非節(jié)能建筑：大機組5 t/(h·萬m2)、板換5.6 t/(h·萬m2)，熱源資用壓差設置為55 mH2O。結(jié)合歷年實際運行參數(shù)，各基礎參數(shù)設置及水力分析結(jié)果見表2。

表2 水力分析結(jié)果

從資用壓差來看：工況一和工況二最不利工況點均位于體育路支線，隨河東區(qū)域城南供熱面積進一步擴大，工況三和工況四的最不利工況點逐漸東移至雙塔南路末端，且河東區(qū)域的水力平衡點由原水西關南街南移至康樂街，這從北中環(huán)管線流量增加可以證實。系統(tǒng)零壓差點(即圖中紅色和綠色的交接區(qū)域)逐步向河西區(qū)域偏移(圖中圓圈(紅色)標記處)(見圖2，圖3)。此外，由于城南部分負荷管網(wǎng)路由經(jīng)過雙塔西街，導致雙塔西街循環(huán)流量增加，尤其是該管線為DN800變徑至DN600，比摩阻最高增加至108 Pa/m，超過經(jīng)濟比摩阻70 Pa/m，局部資用壓差降幅達10 mH2O。從運行壓力來看，全網(wǎng)最高壓力區(qū)域發(fā)生變化。工況一和工況二最高壓力為供水壓力，達1.36 MPa，主要集中在長風商務區(qū)；工況三和工況四，最高壓力為回水壓力，達1.49 MPa，主要集中在長治路附近，這與該區(qū)域管網(wǎng)連通性較差有關。從分布式變頻泵來看，工況三和工況四的分布式變頻泵啟泵范圍廣，消耗功率提升10倍以上，且現(xiàn)狀加壓泵更換數(shù)量較多，工況三為105座，工況四為176座。雙塔西街水力工況圖見圖4。

在最大發(fā)揮基礎熱源的供熱能力的前提下，考慮運行的經(jīng)濟性及分布式變頻泵的更換，實際初末寒期可按照工況三的方式運行[5]。

3.2 負荷消納優(yōu)化分析

為進一步降低熱網(wǎng)運行壓力，改善水力工況，建議對雙塔西街管線進行優(yōu)化，將現(xiàn)狀DN800-DN700-DN600變徑管線全部更換為DN800管線，同時將現(xiàn)狀濱河東路管線南延，新增雙塔西街至南內(nèi)環(huán)DN1000管線，將該DN1000管線與原南內(nèi)環(huán)街DN700管線連通，為借用此段管線，全網(wǎng)需要增加原嘉節(jié)熱網(wǎng)南內(nèi)環(huán)街(濱河東路至長治路)84萬m2負荷，以上述優(yōu)化條件對工況三調(diào)整。新增濱河路管線有優(yōu)化對比結(jié)果見表3，優(yōu)化前后水壓圖變化見圖5。

表3 管網(wǎng)優(yōu)化對比結(jié)果

由上述結(jié)果可知，優(yōu)化后系統(tǒng)最高運行壓力降低，由1.43 MPa降低至1.36 MPa，且原四供熱區(qū)域因南內(nèi)環(huán)管線的聯(lián)通，運行壓力高于1.3 MPa熱力站由72座降低至20座。因新增南內(nèi)環(huán)管線承擔1 700 t/h的流量，雙塔西街管線循環(huán)流量相對降低，管線比摩阻也降低67 Pa/m，資用壓差由20 mH2O降低至4 mH2O，水力工況明顯改善，系統(tǒng)最不利工況點壓差由35 mH2O降低至23 mH2O。熱網(wǎng)系統(tǒng)需啟動分布式變頻泵數(shù)量增加，但運行頻率相對降低，功率下降，電耗減少15%。

4 嚴寒期多熱源負荷消納運行分析

4.1 多熱源運行可行性及運行方式確定分析

現(xiàn)狀太古一級網(wǎng)嚴寒期主要是采用太古熱網(wǎng)和城西熱網(wǎng)解列運行的方式，2020—2021采暖季末寒期，實施了太古一級網(wǎng)、城西熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行[1-6]，聯(lián)網(wǎng)供熱面積為聯(lián)網(wǎng)試驗操作閥門期間，中繼能源站、城西熱源廠壓力、流量無明顯波動。熱源廠因高程較中繼能源站偏低，供回壓力由0.8 MPa/0.33 MPa升至1.12 MPa/0.55 MPa，中繼能源站供回壓力維持在0.8 MPa/0.2 MPa，熱網(wǎng)壓力較高區(qū)域未改變，最不利熱力站分布式變頻泵運行頻率由45 Hz降至37 Hz，水力工況得到改善。聯(lián)網(wǎng)升流量試驗期間，提升輔熱源流量，僅增加輔熱源的資用壓差(增加7 mH2O)和流量(增加15%)，主熱源資用壓差基本不變、流量降低1%；提升主熱源流量對輔熱源壓差影響較大，在主熱源資用壓差增加4 mH2O、流量增加7%的情況下，輔熱源資用壓差減少6 mH2O、流量降低2.5%。此次試驗證明聯(lián)網(wǎng)運行期間，新熱源的并入不會造成熱網(wǎng)系統(tǒng)波動，主熱源對熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行流量、壓差起決定性作用[6]。

根據(jù)現(xiàn)狀太古一級網(wǎng)和城西熱源廠嚴寒期供熱能力，嚴寒期最高可供7 196萬m2負荷，太古一級網(wǎng)初末寒期供熱面積為7 548萬m2時，嚴寒期城西熱源廠作為二電熱網(wǎng)的調(diào)峰，還需要切換二電熱網(wǎng)286萬m2，切換后太古熱網(wǎng)供熱面積為7 835萬m2。若采用聯(lián)網(wǎng)運行方式，可根據(jù)實際負荷情況，逐臺啟動城西熱源廠4臺鍋爐，在供熱能力欠缺后，啟動城南熱源廠，切換負荷至城南熱網(wǎng)(見表4)。

表4 負荷調(diào)整

4.2 輔熱源運行工況對聯(lián)網(wǎng)運行影響

分別分析城西熱源廠在不同鍋爐運行臺數(shù)下的聯(lián)網(wǎng)運行工況，熱源設計參數(shù)如下。城西熱源廠共有6臺泵，參數(shù)如下：Q=1 800 t/h，H=146 m；太古一級網(wǎng)中繼能源站設有10臺泵，參數(shù)如下：Q=3 500 t/h，H=120 m。系統(tǒng)在不同鍋爐運行臺數(shù)的水力工況如表5所示。

表5 輔熱源負荷對系統(tǒng)水力工況影響

從水力交匯區(qū)域和系統(tǒng)循環(huán)流量來看，城西熱源廠啟動鍋爐臺數(shù)超過2臺以上時，系統(tǒng)的水力交匯區(qū)域逐漸河西區(qū)域擴大至河東區(qū)域的水西關街(見圖6)。鍋爐運行臺數(shù)為1臺～2臺，對系統(tǒng)整體水力工況影響較小。城西熱源廠主要是影響中繼能源站北中環(huán)管線的出線流量，普國路和西中環(huán)流量基本維持在10 000 t/h以上，流量比為1.05∶1。

從運行壓力來看，采用聯(lián)網(wǎng)運行方式，系統(tǒng)運行壓力較高，尤其是城西區(qū)域，其處于熱源前端，在鍋爐運行臺數(shù)超過2臺時，供水壓力整體偏高，4臺爐運行方式下，運行壓力達1.6 MPa。在高負荷運行工況下，聯(lián)網(wǎng)運行超壓較嚴重，建議嚴寒期城西熱源廠啟動3臺爐及以上時，按照解列運行的方式，同時分布式變頻泵選型也按照解列運行考慮。供水壓力分布圖見圖7，資用壓差分布圖見圖8。

5 分布式變頻泵選型分析

根據(jù)上述各類水力工況分析，初末寒期，熱網(wǎng)系統(tǒng)的分布式變頻泵可按照城西熱源廠啟動2臺爐運行方式進行選擇，供熱面積7 548萬m2；嚴寒期可按照解列運行選擇，將北中環(huán)至漪汾街負荷599萬m2切換至城西熱源廠，同時將并州路以東、雙塔西街以南628萬m2切換至城南熱網(wǎng)，切換后，嚴寒期供熱面積為6 321萬m2。具體分布式變頻泵選型結(jié)果如表6所示。初末寒期有195座熱力站需要更換/增設，嚴寒期有61座需要更換/增設。

表6 分布式變頻泵選型

6 結(jié)論與建議

1)太古一級網(wǎng)集中降溫后，可充分利用電廠余熱，發(fā)揮電廠余熱這一零碳能源優(yōu)勢，實現(xiàn)供熱能力提升，初末寒期太古一級網(wǎng)供熱面積可達到1億m2以上，較現(xiàn)狀供熱面積提升33%，太古一級網(wǎng)循環(huán)流量較現(xiàn)狀提升12%以上，對于以分布式變頻泵+主循環(huán)為主的運行方式，在實現(xiàn)余熱的充分利用的同時，還需考慮水力工況的最優(yōu)運行及分布式變頻泵的設置，提高全網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。經(jīng)對比，合理的消納區(qū)域是替代高成本的燃氣熱源區(qū)域800萬m2，優(yōu)化管網(wǎng)系統(tǒng)后，可實現(xiàn)太古一級網(wǎng)最大供熱面積為7 548萬m2。

2)太古一級網(wǎng)與城西熱源廠聯(lián)網(wǎng)運行方式下，因系統(tǒng)運行壓力較高且DN1200北中環(huán)主干線流量降低未得到充分利用，嚴寒期暫不考慮聯(lián)網(wǎng)，仍按照解列方式運行。太古一級網(wǎng)的多熱源聯(lián)網(wǎng)運行，僅適合初末寒期低負荷工況。

3)分布式變頻泵選型按照初末寒期供熱面積為7 548萬m2，195座熱力站需要更換/增設分布式變頻泵；嚴寒期解列運行供熱面積為6 321萬m2，61座需要更換/增設分布式變頻泵。