长输供热工程热网调节方式选择与效果分析

王鼎力，徐平平，孙洪治，刘锐

(1.国能宁夏供热有限公司，宁夏 银川 750001；2.同方节能工程技术有限公司，北京 100000)

0 引言

随着碳达峰和碳中和目标的推进，作为用能大户的城市供热也出现了一些长距离或超长距离供热项目，如：银川、太原和呼和浩特等城市[1]。形成了长距离小温差、长距离大温差、长距离多热源联网等系统模式。

对于这些新出现的供热模式，普遍运行时间不长，如：太原古交项目开始运行时间为2016年11月、呼和浩特市京能盛乐项目为2017年11月、银川项目为2018年11月。管网输配送距离的增加，供热时调节的滞后性明显、时效性较差[2]。为了保障人民群众的生活品质，有必要研究新型供热系统的运行调节，努力打造高效输配送热网。

银川长输供热项目是由国能宁夏灵武电厂向银川市供热，电厂距银川市主城区约41 km[3]。设计负荷下，供热介质携带的热量约6 h到达隔压站，然后再经过约8 h到达水力工程最差的中心站。也就是说由电厂来的热量需大约14 h后，才能到达末端的最不利中心站。再考虑到热量传递给最末端热用户的环节，滞后时间甚至会高达18 h以上。所以采取传统调节方法显然不利于供热质量的保障。

因此，本文以宁夏银川长输供热项目为对象，研究长输供热工程热网的调节方式，并探索出适合大温差长输供热系统的新调节方式。

1 长输供热项目概况

银川市采用距城市边缘约41 km的电厂，进行长距离、跨黄河、大温差热泵技术为市区进行集中供热。工程一期项目工程于2017年10月开始兴建，于2018年10月投入运行，当年实现供热面积约3658×104m2。一级管网的设计供回水温度为130 ℃/30 ℃，管径为DN1400 mm。

在银川市边缘建有一座大型隔压站，隔压站选择配置50 台换热器，共25组，每组二台串联运行。二级管网的设计供回水温度为125/25 ℃，主管网管径为DN1400 mm。共建有73座吸收式大温差热泵中心站。

2 热网调节方式选择

供热系统需根据室外气象条件的变化，调节供热量以满足建筑物热负荷的变化，从而达到热量供需平衡，保证室内温度满足用户要求。

供热系统的供热量调节参数主要是流量和温度。常见的供热调节方法有：(1)质调节；(2)量调节；(3)间歇调节；(4)分阶段改变流量的质调节；(5)质量-流量调节；(6)热量调节等。

质调节是保持热用户的循环水量不变，只改变供暖系统的供水温度。量调节与之相反，保持供暖系统的供水温度不变，只改变热用户的循环水量。其他方法是综合了质调节和量调节。

图1为银川长输供热项目热网平面图。如图1所示，银川长输供热项目为复杂的四环间联系统。管网调节如采用量调节，管网稳定性很差，且运行管理复杂。如采用质调节，则存在以下问题。

图1 银川长输供热项目热网平面图

(1)超长延迟性

表1为各二级网中心站的延时。如表1所示，最长延时为热网的交通厅中心站，延时为7小时58分。其他如海宝小区延时也在6小时34分。且2个小时以上延时的中心站占据绝大多数。

表1 部分二级网中心站的延时时间

(2)大温差热泵机组的效率波动

银川长输供热项目采用三种规格型号的吸收式热泵机组，分别为清华同方RBH-15-125/25-70/45、华源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6和清华同方RBH-13-130/30-60/40型号。其设计的机组性能如表2、表3、表4所示。

表2 清华同方RBH-13-130/30-60/40机组性能

表3 华源泰盟AHEX-005H-Ⅰ/1.6机组性能

表4 清华同方RBH-15-125/25-70/45机组性能

从表中数据可以看出，当一级网供水温度低于100 ℃时，清华同方RBH-13-130/30-60/40热泵机组的回水温度高于41.3 ℃，而华源泰盟热泵AHEX-005H-Ⅰ/1.6热泵机组的回水温度则为33.6 ℃。而且各机组的变化幅度也不一样。

同时，随着热泵驱动热源的温度降低，回水温度也随之上升。高的回水温度，表明热网的供热量降低。所以从热泵机组的性能参数可以看出，要保持低温回水大温差运行，需尽量维持较高的驱动温度。

(3)在初、末寒期阶段管道应力受到影响

国能宁夏供热有限公司一级网DN1400管道采用冷安装无补偿方式安装。其中有1.8 km盾构隧道和三处架空管道跨越安装，穿黄盾构隧道内供水管有12个套筒补偿器。

当采用质调节时，除了调节滞后性外，环境气温的剧烈变化引起供热管网温度的波动，较大的波动对管网运行安全造成威胁。温度的反复变化，在盾构隧道各套筒补偿及架空管道的固定支架中产生反复交变应力，降低了套筒补偿器和固定支架的使用寿命。根据银川长输供热项目第一个采暖季管网运行缺陷统计，盾构隧道内#2、#9、#10套筒补偿器多次发生泄漏。

管网的热膨胀量按式 (1)计算：

式中：ΔL为管道的膨胀量(mm)；α为管材膨胀系数(m/(m·℃)，对于一般碳钢材质，α=12×10-6m/(m·℃))；L为管道长度(m)；ΔT为管网变化温差(℃)。

管道发生温度变化时，应力大小可按式 (2)计算：

式中：σ为管道应力(kg/cm2)；E为管道的弹性模量(kg/cm2)。常用钢材的弹性模量为 2×106kg/cm2；ε为管道相对形变量，即ΔL/L。

根据式 (2)，对于Φ1420 供热管网，每变化 5 ℃，单位管网的应力σ=120 kg/cm2。管网的轴向推力P=σF，则轴向推力P=48 t。

从上述计算结果可知，当热源参数发生反复变化时，供热管网将承受较大的应力。特别对长输管网补偿器及架空管段有较大影响，将对管网运行安全造成威胁。特别是对于外围热源长输管网，当长输管线发生较大故障时，可能造成主管线被迫停运，将对集中供热造成严重影响。

综合考虑目前常见的热网调节方式，最后决定采用“分阶段定温度的变流量调节方式”。这种调节方式是在质调节以及量调节的基础进行的改进。

即按室外环境温度的高低把整个供暖期分成多个阶段：初寒期、严寒期、末寒期或更多的供热期。在每个采暖季初末期，直接将一级网供水温度升至110 ℃以上，保持供水温度110～130 ℃运行，使热泵一直在高效区运行，在每一个阶段，热网只可以采用一个温度值不变，同时由于室外温度变化，长输主管网相应采用量调节改变大网流量。

3 运行效果分析

通过实际运行，“分阶段定温度的变流量调节方式”具有以下特点。

3.1 经济节能

国能宁夏供热有限公司2019—2020年采暖季采用分阶段改变温度的量调节后，2019年11月与2018年11月相同负荷下供水温度分别是107 ℃和100 ℃，回水温度分别是33.9 ℃和40 ℃，#1中继泵站用电量同比下降2046000 kW·h，用电单耗同比下降0.96 kW·h/GJ；#3隔压站用电量同比下降788480万 kW·h，用电单耗同比下降0.182 kW·h/GJ，按当地电价0.58 元/kW·h，仅11月份比上采暖季节约电费164.4 万元。

2019年12月与2018年12月基本相同的负荷下对比，2019年较2018年12月相比#1中继泵站用电量同比下降2046000 kW·h，用电单耗同比下降0.343 kW·h/GJ； #3隔压站用电量同比下降1233840万 kW·h，用电单耗同比下降0.277 kW·h/GJ，仅12月份比上个采暖季节约132.2 万元，通个调节方式的变化，仅在110 ℃以内分阶段定温量调下，两个月共节省电费296.6 万元，且后期通过进一步提高初、末寒期分阶段供水温度，可节能的空间巨大。

3.2 负荷响应速度加快

在整个供热季，不管将各定温阶段分成“三个”或“四个”“五个”，量调节的负荷响应速度是质调节所不能相比的。随着环境温度的变化，一、二级网通过量调节，负荷瞬间可以送至41 km外的各中心站。由于各中心站后的三、四级网基本为质调节，热负荷到达热用户约延迟3 h，已大大改善热负荷调节速度。2019—2020年采暖季银川市区域共经历7次气温突降，通过阶段量调及时响应，很好地应对各次降温挑战。根据室温采集系统显示，每次气温突降室温上下波动均控制在1 ℃左右。

3.3 管网安全运行得到加强

2019—2020年采暖季通过合理控制跨阶段升温速度和幅度，每阶段升温基本将温升率控制在2 ℃/h以内，每次升温不超过5 ℃，同时要求各级泵站循环水泵在调节频率时，升频速率1 Hz/min，每次升频3 Hz稳定3 min的速度升频，尽量减小管系轴向推力的增大，通过调节方式，本采暖季盾构隧道、跨越段管道支架、二级网所有套筒井均未发生一次变形或泄漏。

4 结语

随着管网输配送距离的增加，供热时调节的滞后性明显、时效性也较差。为了保障人民群众的生活品质，有必要研究新型供热系统的运行调节。以银川长输供热项目为对象，研究了热网调节方式的选择，得到以下结论。

(1)银川长输供热项目存在超长延迟性。银川长输供热项目是四环间联的系统，最长延时为热网的交通厅中心站，二级网延时为7小时58分。

(2)纯粹质调节还存在大温差热泵机组的效率波动，初、末寒期阶段管道应力等问题。对于大温差机组，随着热泵驱动热源的温度降低，回水温度也随之上升。

(3)综合考虑，决定采用分阶段定温度的变流量调节方式。通过运行，发现该方式具有经济节能、负荷响应速度加快和加强管网安全运行等方面的特点。

通过运行，取得了一定效果，但也有较大的节能运行提升空间。在后续采暖季的运行中，仍需加强管理，为打造高效输配送热网做贡献。