集中供热热力站系统优化设计研究

马晓晓，冯彩肖

(华能山东电力设计有限公司，山东 烟台 264000)

0 引 言

当前市场经济实现了更快速的发展，供热体系在当前应用市场当中也逐渐向着节能化、扩大化的方向发展。在这样的发展趋势下，热力资源已经逐渐与水资源和电资源并称为人类生存的基础资源。在热力站供电系统集中供热时，其供热效果会受到诸多因素的影响，造成无法满足实际预期的问题[1]。同时，集中供热的方式与以往天然气和电采暖相比受到一定排挤。针对这一问题，为了确保集中供热能够实现更长远的发展，本文下述将开展针对集中供热系统热力站的优化设计研究。

1 集中供热热力站系统的功能

集中供热热力站系统包含了多种不同功能，各项功能的相互协作促使热能资源能够准确、及时地传输，以满足人们的供热需求。为了确保热力站整体的稳定和安全运行，必须针对热力站中的二次供热管网进行热力与水力的平衡控制[2]。同时，为了确保实现对热力站运行前情况的实时监测，还需要实现对多项参数的显示，如供热温度、变频器运行参数、循环泵运行状态等[3]。除此之外，集中供热热力站系统中还应当配备合理的传感器装置，用于实现对现场各类参数的采集。针对电气控制柜当中的可编辑逻辑控制机器，也要求其能够按照设定的方式实现对各个监测点数据的监测[4]。对于集中供热热力站系统中本地控制功能模块，其在实际应用中是根据上述可编辑逻辑控制器获取到的数据信息以及室内外温度信息，实现对热力站中电动阀门大小的调节，以此在确保供热需求的基础上，降低能源的损耗[5]。除此之外，通过本地控制功能模块能够实现对热力站中补水泵装置补水和循环泵变频器运行的调节，从而确保热力站的运行始终在合理范围内，确保各项功能的稳定运行，并使热力站最终达到供热需求标准[6]。

2 集中供热热力站系统的优化设计

2.1 集中供热热力站系统规模调整

根据近年来有关单位开展的大量实践与市场调研，提出在进行集中供热系统中热力站的优化设计时，应根据实际需求，将一个单独的热力站运行有效供热面积控制在(5.0～10.0)×104m2范围内，有效供热半径应满足<1.0 km的需求，否则所建的热力站将无法在供热系统中发挥应有的效果。为此，可将上述提出的内容作为参照与依据，对系统热力站的规模进行优化调整，并在调整与设计时，从下述几个方面进行综合考虑。

当热力站的供热半径或供热范围设置得过大时(预设供热面积>10.0×104m2，半径>1.0 km)，会导致供热系统中二次管网水利工况运行异常，用户会感觉到用水温度变化不均[7]。当终端水力发生失调现象时，供热单位为了解决此种问题，会采用加大系统循环泵单位时间内循环流量的方式，进行水温的调整，尽管此种处理方式会在一定程度上解决或改善用户用水温度问题，但也会增加供热系统在运行中的耗电量与热量[8]。同时，当用户用水温度不均匀时，用户通常会采用大量放水的方式进行水温调整，此种方式不仅会对前端系统热力站的安全、稳定运行造成影响，也会增加热力站的补水量。

当热力站的供热范围设置得过小时(预设供热面积<5.0×104m2)，为了满足所有终端用户的用水需求，供热单位不得不增加热力站的建设数量。随着热力站建设数量和规模的增加，热力站的后续运行管理、维修检修等成本也随之提升。

综上所述，热力站建设规模无论是过大还是过小，都会对供热系统与终端用户的用水体验造成负面影响。因此，要实现对热力站的全面优化，应结合实际情况，对热力站的建设规模进行调整，保证热力站的供热面积与供热半径在最优范围内。

2.2 换热机组生产安装方式优化

为进一步实现对热力站的完善，应从换热机组的安装入手，进行此方面工作的优化。

目前，针对热力站换热机组的安装方式主要有两种，分别为整装安装与分装安装。第一种安装方式为：将热力站中的板式结构换热装置、补水压力泵、循环水泵等装置以集成化的方式进行组装，在生产车间将其拼装成一个完整的机组，再将此机组运输到站内，将其与预留的管网接口进行拼接，从而实现对热力站的安装。第二种安装方式为：将上述提出的多种装置与构件直接运输到安装现场，在热力站运行现场进行拼装或组装。

为实现对其安装方式的全面优化，应在安装前，结合热力站的作业环境与实际需求，进行此方面工作的设计。以某地区大型集中供热系统为例，当供热系统的终端与前端均为同一个公司组织运营时，根据热力站运行环境进行安装方式的选择。

当供热热力站系统的运行环境为常规环境或非严寒地区时，应明确机组设备故障更换与构件安装时不需要考虑内部设备是否存在冻坏的危险，因此，站内工作人员也有足够的时间进行站内设备的检修与更换。考虑到大部分供热系统热力站的运行空间有限，为此选择上文提出的第一种安装方式进行机组更换。图1为换热机组整装安装工艺流程示意图。

图1 供热系统热力站整装安装工艺流程示意图

图1中，1～12分别为球形阀门、“Y”形过滤装置、蝶形阀门、热量计量表、换热装置、流量计量器、自动调节阀、软衔接、循环加压泵、减压阀、电磁阀门、安全阀门。

此种安装方式在实际应用中的优势十分显著，包括：不需要考虑现场作业环境与空间的限制；可以在场外结合热力站更换需求进行机组不同模块功能的标准化与优化设计。同时，将控制柜直接集成在机组中进行协同安装，也简化了热力站在运行中的调试作业环节。

但此种安装方式也存在不足，如无法实现故障构件的及时更换，如果热力站的运行已经出现故障或异常时，采用此种安装方式，可能会出现大规模停热事故。

因此，可在安装作业现场，排除此安装方法后，选择热力站组装/拼装安装方式。具体工艺流程如图2所示。

图2 供热系统热力站组装/拼装安装工艺流程

图2中，1～16分别为球形阀门、蝶形阀门、漩涡式除污装置、热量计量表、换热装置、流量计量器、自动调节阀、止回阀门、软衔接、循环加压泵、安全阀门、减压阀、过滤装置、电磁阀门、补水箱、补水加压泵。

相比上文提出的整装安装方式，此种安装方式具有进场难度低、占地空间小、操作便捷等优势。

为满足对热力站的全面优化，应结合实际情况，选择科学、合理的安装方式，保证热力站可以在系统中发挥更高的效能。

2.3 集中供热热力站系统中设备与管道附件优化选型

在上述内容的基础上，对供热系统中热力站的管道三通方式进行优化。目前大部分站内管道三通方式为直角式三通，优化后的三通形式为斜角式三通，两种三通方式结构如图3所示。

图3 供热系统热力站中管道三通形式

以DN200的管道为例，直角式三通管道在使用中的局部阻力经过计算约为1.5，而斜角式三通管道在使用中的局部阻力经过计算约为0.5。因此，可以认为在实际应用中，斜角式三通管道的输水阻力小于直角式三通管道的输水阻力。综合热力站的优化需求可知，后者在实际应用中更加适用。

3 对比分析

在本文上述优化设计基础上，为了验证优化思路的合理性，针对按照本文上述内容优化前后的集中供热热力站系统在实际应用中的效果进行对比。将优化前后的集中供热热力站系统应用到真实供热企业的运行环境当中，针对两种热力站在实际使用过程中的供热面积进行测定。结合热力站运行要求，单座热力站的供热面积不得小于5×104m2，同时也不得超过10×104m2，以此在避免供热资源浪费的情况下，满足供热需要。为了初步验证两种热力站设计方案的合理性，首先将供热面积作为评价指标，实现多热力站设计合理性的量化评价。供热面积的计算公式为：

S=s+1/2sl+st

(1)

式中：S为热力站有效供热面积；s为热力站实际供热面积；sl为共用墙体面积；st为非共用墙体面积。

按照上述公式计算得出热力站优化前后的供热面积，并将计算结果绘制成表1。

表1 热力站优化前后供热面积对比

从表1记录的优化前后热力站供热面积结果可以看出，优化前该热力站的供热面积在2.8×104～4.2×104m2范围内，不符合上述供热面积标准范围，最接近的供热面积也比标准供热面积下限还小0.8×104m2。而按照本文上述优化设计思路优化后，热力站的供热面积均在上述供热面积标准范围内。因此，通过上述得出的实验结果能够初步证明，优化后热力站的供热面积条件满足热力站建设要求，优化设计方案合理。

在完成对优化设计方案合理性的验证后，再针对优化后热力站的供热稳定性进行探究，选择将一段时间内热力站的供热数据作为依据，针对数据的变化，对其供热是否稳定的判断。热力站在日常运行过程中需要提供的热量应当在2 600 kW～3 000 kW范围内，以此才能满足用户的供热需求。根据这一标准，将一段时间内热力站的供热量进行记录，并将其绘制成表2。

表2 优化后热力站供热量记录表

从表2可以看出，在11:30:00—16:30:00时段中，热力站的供热量始终为2 800 kW，差值始终为0，说明供热稳定，且符合热力站供热要求。同时，在11:30:00—16:30:00时段中，外界环境的温度变化差距较大，在这样的情况下热力站仍然能够保持稳定的供热状态，确保供热稳定。按照本文上述论述，将优化后的热力站应用到实际运行环境当中，能够保证集中供热系统中各设备机组的正常运行，满足用户需要，促进供热效果的提升，并在此基础上，实现对供热资源的合理使用，降低资源的损耗，从而达到满足绿色可持续发展需求的供热效果。

4 结束语

本文从三个方面，开展了热力站的优化设计，对比实验结果表明，优化后的热力站更加合理，在单位时间内的供热量更高。尽管此次设计的成果经过检验后证明了具有可行性，但在后续的设计中，还应当结合实际情况，进行热力站中弯头的优化。例如，根据热力站的实际需求，选择长半径的弯头代替早期使用的短半径弯头，以此种方式，进一步降低局部阻力。为避免在供热过程中水泵运行出现短路故障，可以在设计中进行止水阀门与泵头供货商与生产商的综合评估，以进一步实现对热力站的优化设计。