馬曉曉，馮彩肖

(華能山東電力設(shè)計(jì)有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

當(dāng)前市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了更快速的發(fā)展，供熱體系在當(dāng)前應(yīng)用市場(chǎng)當(dāng)中也逐漸向著節(jié)能化、擴(kuò)大化的方向發(fā)展。在這樣的發(fā)展趨勢(shì)下，熱力資源已經(jīng)逐漸與水資源和電資源并稱(chēng)為人類(lèi)生存的基礎(chǔ)資源。在熱力站供電系統(tǒng)集中供熱時(shí)，其供熱效果會(huì)受到諸多因素的影響，造成無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際預(yù)期的問(wèn)題[1]。同時(shí)，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(duì)這一問(wèn)題，為了確保集中供熱能夠?qū)崿F(xiàn)更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，本文下述將開(kāi)展針對(duì)集中供熱系統(tǒng)熱力站的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(xiàng)功能的相互協(xié)作促使熱能資源能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地傳輸，以滿(mǎn)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(yùn)行，必須針對(duì)熱力站中的二次供熱管網(wǎng)進(jìn)行熱力與水力的平衡控制[2]。同時(shí)，為了確保實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站運(yùn)行前情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)多項(xiàng)參數(shù)的顯示，如供熱溫度、變頻器運(yùn)行參數(shù)、循環(huán)泵運(yùn)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(dāng)配備合理的傳感器裝置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類(lèi)參數(shù)的采集。針對(duì)電氣控制柜當(dāng)中的可編輯邏輯控制機(jī)器，也要求其能夠按照設(shè)定的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)[4]。對(duì)于集中供熱熱力站系統(tǒng)中本地控制功能模塊，其在實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站中電動(dòng)閥門(mén)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(guò)本地控制功能模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱力站中補(bǔ)水泵裝置補(bǔ)水和循環(huán)泵變頻器運(yùn)行的調(diào)節(jié)，從而確保熱力站的運(yùn)行始終在合理范圍內(nèi)，確保各項(xiàng)功能的穩(wěn)定運(yùn)行，并使熱力站最終達(dá)到供熱需求標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2 集中供熱熱力站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 集中供熱熱力站系統(tǒng)規(guī)模調(diào)整

根據(jù)近年來(lái)有關(guān)單位開(kāi)展的大量實(shí)踐與市場(chǎng)調(diào)研，提出在進(jìn)行集中供熱系統(tǒng)中熱力站的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，將一個(gè)單獨(dú)的熱力站運(yùn)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(mǎn)足<1.0 km的需求，否則所建的熱力站將無(wú)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(duì)系統(tǒng)熱力站的規(guī)模進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并在調(diào)整與設(shè)計(jì)時(shí)，從下述幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。

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

當(dāng)熱力站的供熱范圍設(shè)置得過(guò)小時(shí)(預(yù)設(shè)供熱面積<5.0×104m2)，為了滿(mǎn)足所有終端用戶(hù)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(yùn)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(wú)論是過(guò)大還是過(guò)小，都會(huì)對(duì)供熱系統(tǒng)與終端用戶(hù)的用水體驗(yàn)造成負(fù)面影響。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站的全面優(yōu)化，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)熱力站的建設(shè)規(guī)模進(jìn)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(jī)組生產(chǎn)安裝方式優(yōu)化

為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站的完善，應(yīng)從換熱機(jī)組的安裝入手，進(jìn)行此方面工作的優(yōu)化。

目前，針對(duì)熱力站換熱機(jī)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(bǔ)水壓力泵、循環(huán)水泵等裝置以集成化的方式進(jìn)行組裝，在生產(chǎn)車(chē)間將其拼裝成一個(gè)完整的機(jī)組，再將此機(jī)組運(yùn)輸?shù)秸緝?nèi)，將其與預(yù)留的管網(wǎng)接口進(jìn)行拼接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場(chǎng)，在熱力站運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝或組裝。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際需求，進(jìn)行此方面工作的設(shè)計(jì)。以某地區(qū)大型集中供熱系統(tǒng)為例，當(dāng)供熱系統(tǒng)的終端與前端均為同一個(gè)公司組織運(yùn)營(yíng)時(shí)，根據(jù)熱力站運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行安裝方式的選擇。

當(dāng)供熱熱力站系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為常規(guī)環(huán)境或非嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)，應(yīng)明確機(jī)組設(shè)備故障更換與構(gòu)件安裝時(shí)不需要考慮內(nèi)部設(shè)備是否存在凍壞的危險(xiǎn)，因此，站內(nèi)工作人員也有足夠的時(shí)間進(jìn)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(yùn)行空間有限，為此選擇上文提出的第一種安裝方式進(jìn)行機(jī)組更換。圖1為換熱機(jī)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(mén)、“Y”形過(guò)濾裝置、蝶形閥門(mén)、熱量計(jì)量表、換熱裝置、流量計(jì)量器、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、軟銜接、循環(huán)加壓泵、減壓閥、電磁閥門(mén)、安全閥門(mén)。

此種安裝方式在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)十分顯著，包括：不需要考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境與空間的限制；可以在場(chǎng)外結(jié)合熱力站更換需求進(jìn)行機(jī)組不同模塊功能的標(biāo)準(zhǔn)化與優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，將控制柜直接集成在機(jī)組中進(jìn)行協(xié)同安裝，也簡(jiǎn)化了熱力站在運(yùn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)故障構(gòu)件的及時(shí)更換，如果熱力站的運(yùn)行已經(jīng)出現(xiàn)故障或異常時(shí)，采用此種安裝方式，可能會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模停熱事故。

因此，可在安裝作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(mén)、蝶形閥門(mén)、漩渦式除污裝置、熱量計(jì)量表、換熱裝置、流量計(jì)量器、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、止回閥門(mén)、軟銜接、循環(huán)加壓泵、安全閥門(mén)、減壓閥、過(guò)濾裝置、電磁閥門(mén)、補(bǔ)水箱、補(bǔ)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(jìn)場(chǎng)難度低、占地空間小、操作便捷等優(yōu)勢(shì)。

為滿(mǎn)足對(duì)熱力站的全面優(yōu)化，應(yīng)結(jié)合實(shí)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(duì)供熱系統(tǒng)中熱力站的管道三通方式進(jìn)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(guò)計(jì)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(guò)計(jì)算約為0.5。因此，可以認(rèn)為在實(shí)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(shí)際應(yīng)用中更加適用。

3 對(duì)比分析

在本文上述優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，為了驗(yàn)證優(yōu)化思路的合理性，針對(duì)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(shí)際應(yīng)用中的效果進(jìn)行對(duì)比。將優(yōu)化前后的集中供熱熱力站系統(tǒng)應(yīng)用到真實(shí)供熱企業(yè)的運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，針對(duì)兩種熱力站在實(shí)際使用過(guò)程中的供熱面積進(jìn)行測(cè)定。結(jié)合熱力站運(yùn)行要求，單座熱力站的供熱面積不得小于5×104m2，同時(shí)也不得超過(guò)10×104m2，以此在避免供熱資源浪費(fèi)的情況下，滿(mǎn)足供熱需要。為了初步驗(yàn)證兩種熱力站設(shè)計(jì)方案的合理性，首先將供熱面積作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)多熱力站設(shè)計(jì)合理性的量化評(píng)價(jià)。供熱面積的計(jì)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(shí)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(jì)算得出熱力站優(yōu)化前后的供熱面積，并將計(jì)算結(jié)果繪制成表1。

表1 熱力站優(yōu)化前后供熱面積對(duì)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(biāo)準(zhǔn)范圍，最接近的供熱面積也比標(biāo)準(zhǔn)供熱面積下限還小0.8×104m2。而按照本文上述優(yōu)化設(shè)計(jì)思路優(yōu)化后，熱力站的供熱面積均在上述供熱面積標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。因此，通過(guò)上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠初步證明，優(yōu)化后熱力站的供熱面積條件滿(mǎn)足熱力站建設(shè)要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理。

在完成對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案合理性的驗(yàn)證后，再針對(duì)優(yōu)化后熱力站的供熱穩(wěn)定性進(jìn)行探究，選擇將一段時(shí)間內(nèi)熱力站的供熱數(shù)據(jù)作為依據(jù)，針對(duì)數(shù)據(jù)的變化，對(duì)其供熱是否穩(wěn)定的判斷。熱力站在日常運(yùn)行過(guò)程中需要提供的熱量應(yīng)當(dāng)在2 600 kW～3 000 kW范圍內(nèi)，以此才能滿(mǎn)足用戶(hù)的供熱需求。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，將一段時(shí)間內(nèi)熱力站的供熱量進(jìn)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(shí)段中，熱力站的供熱量始終為2 800 kW，差值始終為0，說(shuō)明供熱穩(wěn)定，且符合熱力站供熱要求。同時(shí)，在11:30:00—16:30:00時(shí)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(shí)際運(yùn)行環(huán)境當(dāng)中，能夠保證集中供熱系統(tǒng)中各設(shè)備機(jī)組的正常運(yùn)行，滿(mǎn)足用戶(hù)需要，促進(jìn)供熱效果的提升，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)供熱資源的合理使用，降低資源的損耗，從而達(dá)到滿(mǎn)足綠色可持續(xù)發(fā)展需求的供熱效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從三個(gè)方面，開(kāi)展了熱力站的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的熱力站更加合理，在單位時(shí)間內(nèi)的供熱量更高。盡管此次設(shè)計(jì)的成果經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)后證明了具有可行性，但在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行熱力站中彎頭的優(yōu)化。例如，根據(jù)熱力站的實(shí)際需求，選擇長(zhǎng)半徑的彎頭代替早期使用的短半徑彎頭，以此種方式，進(jìn)一步降低局部阻力。為避免在供熱過(guò)程中水泵運(yùn)行出現(xiàn)短路故障，可以在設(shè)計(jì)中進(jìn)行止水閥門(mén)與泵頭供貨商與生產(chǎn)商的綜合評(píng)估，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力站的優(yōu)化設(shè)計(jì)。