集中供热系统低负荷经济运行研究

惠 荷 任 矿 田 波 郭文雄

（西安中创区综合能源股份有限公司 陕西西安 710118）

引言

城市集中供热是城市的基础设施之一，集中供热普及率、热化率是现代化城市的重要标志。集中供热是改善城市环境、改善城市大气质量、提高城市现代化水平的重要措施，具有良好的社会效益、环境效益和经济效益，是国家产业政策重点支持发展的行业。

热源及管网的设计规模按照区域规划热负荷确定，但供热区域的开发建设有一定的发展阶段，对于初始阶段，热用户数量少，但热源及管网管径规模大，供能面积和管网管径两者存在严重不匹配，因此各大热力公司在初期建成阶段均存在供热系统低负荷运行情况。为保障小面积用户供热，在运行初期大部分公司采用大流量小温差的方式运行，循环水泵处于大流量状态持续运行，导致系统运行能耗大、运行费用高，为供热系统低负荷经济运行改造的应用提供了条件。

1 传统供热

1.1 传统供热系统

集中供热是以集中热源所产生的热水作为热媒，通过热网向一个较大区域的热用户供热的方式。集中供热具有热负荷大、热源规模大、热效率高、节约燃料和劳动力、占地面积少等优点。集中供热系统是由热源、热网和热用户三部分组成的。集中供热系统向许多不同的热用户供给热能，供应范围广[1]。传统供热系统如图1 所示。

图1 传统供热系统流程图

1.2 传统供热系统运行策略

传统供热系统采用“推式”供热模式，热源产生的高温热水通过能源站内的循环水泵推向用能用户侧，用户侧被动接受热源输送来的高温热水，传统供热系统水力平衡通过用户一网分支上加装的电动调节阀来调控，通过阀门节流实现。

供热系统内锅炉房循环泵扬程参数的选择必须满足4 个条件[2]，即①锅炉的流阻压力降；②锅炉房内循环水管道系统的压力损失；③室外系统最不利环路供、回水管道系统的压力损失；④最不利热用户内部循环水系统压力损失。

传统供热系统通过锅炉房内设置的循环泵克服整个系统的流动阻力，将高温热水通过供水管道送往热用户，散热后的低温回水通过回水管道送至锅炉再加热，如此循环，源源不断地向热用户提供热量。与图1 对应的传统供热系统运行水压图见图2[3]。

图2 传统供热系统运行水压图

1.3 存在问题

在供热初期运行阶段，锅炉低负荷运行，供热锅炉循环泵需克服系统最不利环路的阻力损失，因此导致为保证最不利用户的资用压力，系统在供热运行期间一直“大马拉小车”，锅炉循环泵也一直在推动大管网内的水进行循环，系统耗水量巨大，且近端热用户存在节流损失，整个系统的能量消耗很大，电耗也巨大[4]。

2 低负荷经济运行供热

2.1 低负荷经济运行供热系统

为了解决传统供热系统在供热初期低负荷阶段电耗大的问题，研究提出一种低负荷经济运行供热系统，即在原供热系统的基础上，在初期热用户的换热站一次回水管道上增加用户变频循环泵，用户根据自身热需求从主管中取热，同时将热源站内循环泵的扬程降低，不仅解决负责能源站内设备及管道系统的阻力，还能降低能源站侧电力消耗。但低负荷经济运行供热系统内锅炉房循环泵扬程参数的选择必须满足锅炉的流阻压力降、锅炉房内循环水管道系统的压力损失2个条件。

低负荷经济供热系统通过锅炉房内设置的循环泵克服锅炉房内循环系统的流动阻力，将高温热水通过供水管道送往供热主管网，热用户通过用户循环泵从主管网中抽取热水进行供热，并将散热后的低温回水通过回水支网送至回水主管网后进入锅炉再加热，如此循环，源源不断地向热用户提供热量。

低负荷经济运行供热系统采用“拉式”供热模式，用户通过用户侧循环水泵将热源产生的高温热水通过供热主管网拉向用能用户侧，用户侧主动从供热主管网中抽取所需高温热水。低负荷经济运行供热系统见图3。

图3 低负荷经济运行供热系统流程图

2.2 低负荷经济运行供热系统运行策略

低负荷经济运行供热系统分别在管网加热过程、系统用热过程2 种工况运行。

2.2.1 管网加热过程

在集中供热初期，系统热负荷较低时，锅炉供水母管温度降低至设定温度后，开启锅炉循环泵，供热锅炉采用满负荷运行的方式使得锅炉供水母管的温度升至目标温度，关闭用户循环泵，在管网升温过程中通过锅炉循环泵为系统提供动力，将高温热水送往热用户进行散热，散热结束后通过回水管和锅炉循环泵将热水送至锅炉进行再加热。

2.2.2 系统用热过程

在锅炉供水母管达到设定温度后，关闭锅炉循环泵，开启用户循环泵，避免锅炉循环泵持续工作导致运行电耗过多的现象发生。在系统用热过程中，锅炉房循环泵关闭，用户循环泵在用户循环泵变频器的调解下根据用户自身的用热需求，从主管网中抽取所需流量的热水，并使各用户的压头刚好等于该用户所要求的资用压头，避免节流损失，输热系统运行功耗大大降低，节约运行费用。

集中供热低负荷运行时，周而复始地进行“锅炉满负荷运行-锅炉循环泵开启-升温至设计温度-锅炉循环泵关闭-用户循环泵开启-系统管网温度降低-用户循环泵关闭-锅炉满负荷运行”，通过此运行方式达到节约运行费用的目的。与图3 对应的低负荷经济运行供热系统用热过程水压图见图4。

图4 低负荷经济运行供热系统用热过程水压图

由以上分析可知，低负荷经济运行供热系统热源侧为间断运行，即在主管网温度低于温度设定值时开启锅炉及热源循环泵，提高供热系统水温；在主管网达到设定温度后，关闭锅炉循环泵，开启用户循环泵，由用户根据自己的用能需求进行热水循环。

3 实例分析

3.1 项目概况

某区域规划供热面积约为160 万m2，集中锅炉房容量为1×70MW 燃气热水锅炉，供暖期天数为120d，每天供暖时间为24h，供暖热指标为43.75W/m2。区域供热管道单线长度5km，热源出口管径为DN500。

项目初期热负荷增长缓慢，在项目供热第1年供暖面积为12.8 万m2，热负荷为5.6MW，占总负荷比例为8%；第2 年供暖面积为28.8 万m2，热负荷为12.6MW，占总负荷比例为18%；第3年供暖面积为44.8 万m2，热负荷为19.6MW，占总负荷比例为28%；第4 年供暖面积为60.8 万m2，热负荷为26.6MW，占总负荷比例为38%；第5年供暖面积为76.8 万m2，热负荷为33.6MW，占总负荷比例为48%。

3.2 初投资分析

以传统供热系统初投资为基准0 元，低负荷经济运行供热系统较传统供热系统增加了用户循环泵，新增加的用户循环泵初投资费用见表1。5个采暖季低负荷经济运行供热系统比传统供热系统投资增加21.6 万元。

表1 低负荷经济运行供热系统改造初投资表

3.3 运行费用分析

供热管网总水容量为1960m3，按照5.6MW热负荷计算，管网供回水温度100℃/70℃,管网初次温升至100℃，满足全天使用12.3h。待温降至70℃时燃气锅炉开启，运行1h 至100 ℃。第1 个采暖季，锅炉满负荷运行时长为217h，管网蓄热式供热时长为2663h。其他供暖季锅炉满负荷运行小时数计算结果见表2，供热系统运行费用计算见表3。经过计算可知，5 个采暖季低负荷经济运行供热系统比传统供热系统运行费用减少94.6 万元。

表2 低负荷经济运行供热系统锅炉满负荷运行时长表

表3 供热系统运行费用计算

3.4 投资对比

低负荷经济运行供热系统和传统供热系统相比，补水系统、燃烧系统、烟风系统相同，区别只在于循环系统，因此本次只对循环系统进行对比分析，其投资对比分析见表4。对本工程而言，前5 个采暖季低负荷经济运行供热系统总的投资为66.2 万元，传统供热系统总的投资为139.1 万元，节约投资72.9 万元，5 个采暖季全周期费用节约率为52.4%。

表4 传统供热系统投资表

结论

由于城市集中供热的发展都要经历几年不等的低负荷运行期，因而若按照传统供热运行模式，在运行初期采用大流量小温差的方式运行，循环水泵处于大流量状态持续运行，系统运行能耗较大，运行费用较高，就导致了“大马拉小车”的情况，能源浪费非常严重。因此，在供热初期低负荷运行阶段，建议采用低负荷经济运行供热系统。

低负荷经济运行供热系统有3 点优势。①热用户根据自己的用热负荷动态调整用户侧循环水泵的流量，新增加的用户侧循环水泵当年的改造投入当年就能收回，经济效益显著。②低负荷经济运行供热系统在运行阶段锅炉满负荷运行，提高锅炉的运行效率，减少锅炉长时间的低负荷运行工况对设备使用寿命的影响。③低负荷经济运行供热系统在用户侧通过用户侧循环泵代替传统供热系统中的电动调节阀，变频泵的调节性能优于阀门的调节性能，更加有利于整个供热系统的水力平衡调节。

综上所述，低负荷经济运行供热系统节约用电量、节约能源，且便于系统水力平衡调节，具有很大的使用空间和推广价值。