集中供熱熱力站系統優化設計研究

馬曉曉，馮彩肖

(華能山東電力設計有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引 言

當前市場經濟實現了更快速的發展，供熱體系在當前應用市場當中也逐漸向著節能化、擴大化的方向發展。在這樣的發展趨勢下，熱力資源已經逐漸與水資源和電資源并稱為人類生存的基礎資源。在熱力站供電系統集中供熱時，其供熱效果會受到諸多因素的影響，造成無法滿足實際預期的問題[1]。同時，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。針對這一問題，為了確保集中供熱能夠實現更長遠的發展，本文下述將開展針對集中供熱系統熱力站的優化設計研究。

1 集中供熱熱力站系統的功能

集中供熱熱力站系統包含了多種不同功能，各項功能的相互協作促使熱能資源能夠準確、及時地傳輸，以滿足人們的供熱需求。為了確保熱力站整體的穩定和安全運行，必須針對熱力站中的二次供熱管網進行熱力與水力的平衡控制[2]。同時，為了確保實現對熱力站運行前情況的實時監測，還需要實現對多項參數的顯示，如供熱溫度、變頻器運行參數、循環泵運行狀態等[3]。除此之外，集中供熱熱力站系統中還應當配備合理的傳感器裝置，用于實現對現場各類參數的采集。針對電氣控制柜當中的可編輯邏輯控制機器，也要求其能夠按照設定的方式實現對各個監測點數據的監測[4]。對于集中供熱熱力站系統中本地控制功能模塊，其在實際應用中是根據上述可編輯邏輯控制器獲取到的數據信息以及室內外溫度信息，實現對熱力站中電動閥門大小的調節，以此在確保供熱需求的基礎上，降低能源的損耗[5]。除此之外，通過本地控制功能模塊能夠實現對熱力站中補水泵裝置補水和循環泵變頻器運行的調節，從而確保熱力站的運行始終在合理范圍內，確保各項功能的穩定運行，并使熱力站最終達到供熱需求標準[6]。

2 集中供熱熱力站系統的優化設計

2.1 集中供熱熱力站系統規模調整

根據近年來有關單位開展的大量實踐與市場調研，提出在進行集中供熱系統中熱力站的優化設計時，應根據實際需求，將一個單獨的熱力站運行有效供熱面積控制在(5.0～10.0)×104m2范圍內，有效供熱半徑應滿足<1.0 km的需求，否則所建的熱力站將無法在供熱系統中發揮應有的效果。為此，可將上述提出的內容作為參照與依據，對系統熱力站的規模進行優化調整，并在調整與設計時，從下述幾個方面進行綜合考慮。

當熱力站的供熱半徑或供熱范圍設置得過大時(預設供熱面積>10.0×104m2，半徑>1.0 km)，會導致供熱系統中二次管網水利工況運行異常，用戶會感覺到用水溫度變化不均[7]。當終端水力發生失調現象時，供熱單位為了解決此種問題，會采用加大系統循環泵單位時間內循環流量的方式，進行水溫的調整，盡管此種處理方式會在一定程度上解決或改善用戶用水溫度問題，但也會增加供熱系統在運行中的耗電量與熱量[8]。同時，當用戶用水溫度不均勻時，用戶通常會采用大量放水的方式進行水溫調整，此種方式不僅會對前端系統熱力站的安全、穩定運行造成影響，也會增加熱力站的補水量。

當熱力站的供熱范圍設置得過小時(預設供熱面積<5.0×104m2)，為了滿足所有終端用戶的用水需求，供熱單位不得不增加熱力站的建設數量。隨著熱力站建設數量和規模的增加，熱力站的后續運行管理、維修檢修等成本也隨之提升。

綜上所述，熱力站建設規模無論是過大還是過小，都會對供熱系統與終端用戶的用水體驗造成負面影響。因此，要實現對熱力站的全面優化，應結合實際情況，對熱力站的建設規模進行調整，保證熱力站的供熱面積與供熱半徑在最優范圍內。

2.2 換熱機組生產安裝方式優化

為進一步實現對熱力站的完善，應從換熱機組的安裝入手，進行此方面工作的優化。

目前，針對熱力站換熱機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構換熱裝置、補水壓力泵、循環水泵等裝置以集成化的方式進行組裝，在生產車間將其拼裝成一個完整的機組，再將此機組運輸到站內，將其與預留的管網接口進行拼接，從而實現對熱力站的安裝。第二種安裝方式為：將上述提出的多種裝置與構件直接運輸到安裝現場，在熱力站運行現場進行拼裝或組裝。

為實現對其安裝方式的全面優化，應在安裝前，結合熱力站的作業環境與實際需求，進行此方面工作的設計。以某地區大型集中供熱系統為例，當供熱系統的終端與前端均為同一個公司組織運營時，根據熱力站運行環境進行安裝方式的選擇。

當供熱熱力站系統的運行環境為常規環境或非嚴寒地區時，應明確機組設備故障更換與構件安裝時不需要考慮內部設備是否存在凍壞的危險，因此，站內工作人員也有足夠的時間進行站內設備的檢修與更換?？紤]到大部分供熱系統熱力站的運行空間有限，為此選擇上文提出的第一種安裝方式進行機組更換。圖1為換熱機組整裝安裝工藝流程示意圖。

圖1 供熱系統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、“Y”形過濾裝置、蝶形閥門、熱量計量表、換熱裝置、流量計量器、自動調節閥、軟銜接、循環加壓泵、減壓閥、電磁閥門、安全閥門。

此種安裝方式在實際應用中的優勢十分顯著，包括：不需要考慮現場作業環境與空間的限制；可以在場外結合熱力站更換需求進行機組不同模塊功能的標準化與優化設計。同時，將控制柜直接集成在機組中進行協同安裝，也簡化了熱力站在運行中的調試作業環節。

但此種安裝方式也存在不足，如無法實現故障構件的及時更換，如果熱力站的運行已經出現故障或異常時，采用此種安裝方式，可能會出現大規模停熱事故。

因此，可在安裝作業現場，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、蝶形閥門、漩渦式除污裝置、熱量計量表、換熱裝置、流量計量器、自動調節閥、止回閥門、軟銜接、循環加壓泵、安全閥門、減壓閥、過濾裝置、電磁閥門、補水箱、補水加壓泵。

相比上文提出的整裝安裝方式，此種安裝方式具有進場難度低、占地空間小、操作便捷等優勢。

為滿足對熱力站的全面優化，應結合實際情況，選擇科學、合理的安裝方式，保證熱力站可以在系統中發揮更高的效能。

2.3 集中供熱熱力站系統中設備與管道附件優化選型

在上述內容的基礎上，對供熱系統中熱力站的管道三通方式進行優化。目前大部分站內管道三通方式為直角式三通，優化后的三通形式為斜角式三通，兩種三通方式結構如圖3所示。

圖3 供熱系統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過計算約為1.5，而斜角式三通管道在使用中的局部阻力經過計算約為0.5。因此，可以認為在實際應用中，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。綜合熱力站的優化需求可知，后者在實際應用中更加適用。

3 對比分析

在本文上述優化設計基礎上，為了驗證優化思路的合理性，針對按照本文上述內容優化前后的集中供熱熱力站系統在實際應用中的效果進行對比。將優化前后的集中供熱熱力站系統應用到真實供熱企業的運行環境當中，針對兩種熱力站在實際使用過程中的供熱面積進行測定。結合熱力站運行要求，單座熱力站的供熱面積不得小于5×104m2，同時也不得超過10×104m2，以此在避免供熱資源浪費的情況下，滿足供熱需要。為了初步驗證兩種熱力站設計方案的合理性，首先將供熱面積作為評價指標，實現多熱力站設計合理性的量化評價。供熱面積的計算公式為：

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。

按照上述公式計算得出熱力站優化前后的供熱面積，并將計算結果繪制成表1。

表1 熱力站優化前后供熱面積對比

從表1記錄的優化前后熱力站供熱面積結果可以看出，優化前該熱力站的供熱面積在2.8×104～4.2×104m2范圍內，不符合上述供熱面積標準范圍，最接近的供熱面積也比標準供熱面積下限還小0.8×104m2。而按照本文上述優化設計思路優化后，熱力站的供熱面積均在上述供熱面積標準范圍內。因此，通過上述得出的實驗結果能夠初步證明，優化后熱力站的供熱面積條件滿足熱力站建設要求，優化設計方案合理。

在完成對優化設計方案合理性的驗證后，再針對優化后熱力站的供熱穩定性進行探究，選擇將一段時間內熱力站的供熱數據作為依據，針對數據的變化，對其供熱是否穩定的判斷。熱力站在日常運行過程中需要提供的熱量應當在2 600 kW～3 000 kW范圍內，以此才能滿足用戶的供熱需求。根據這一標準，將一段時間內熱力站的供熱量進行記錄，并將其繪制成表2。

表2 優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時段中，熱力站的供熱量始終為2 800 kW，差值始終為0，說明供熱穩定，且符合熱力站供熱要求。同時，在11:30:00—16:30:00時段中，外界環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定的供熱狀態，確保供熱穩定。按照本文上述論述，將優化后的熱力站應用到實際運行環境當中，能夠保證集中供熱系統中各設備機組的正常運行，滿足用戶需要，促進供熱效果的提升，并在此基礎上，實現對供熱資源的合理使用，降低資源的損耗，從而達到滿足綠色可持續發展需求的供熱效果。

4 結束語

本文從三個方面，開展了熱力站的優化設計，對比實驗結果表明，優化后的熱力站更加合理，在單位時間內的供熱量更高。盡管此次設計的成果經過檢驗后證明了具有可行性，但在后續的設計中，還應當結合實際情況，進行熱力站中彎頭的優化。例如，根據熱力站的實際需求，選擇長半徑的彎頭代替早期使用的短半徑彎頭，以此種方式，進一步降低局部阻力。為避免在供熱過程中水泵運行出現短路故障，可以在設計中進行止水閥門與泵頭供貨商與生產商的綜合評估，以進一步實現對熱力站的優化設計。