【論文精選】供熱一級管網(wǎng)水力計算及分析
原創(chuàng)
張毅龍，等
煤氣與熱力雜志
煤氣與熱力雜志
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GAS-HEAT1978
《煤氣與熱力》始于1978年，創(chuàng)刊于1981年，中國核心期刊，中國土木工程學(xué)會燃?xì)夥謺?。篩選燃?xì)夤嵝袠I(yè)最有價值的技術(shù)信息，新聞分類整理、政策標(biāo)準(zhǔn)、熱點討論、投稿查詢、論文檢索、寫作指導(dǎo)、編委風(fēng)采、精品會議……
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作
者：
張毅龍，劉育強(qiáng)，郭佳，張建華，李鶴，孫剛
第一作者單位：國電東勝熱力有限公司
摘自《煤氣與熱力》2021年12月刊
隨著我國北方地區(qū)集中供熱面積不斷增加，供熱系統(tǒng)運行調(diào)節(jié)方式越來越復(fù)雜，想要在熱網(wǎng)安全的前提下經(jīng)濟(jì)運行，就需要了解管網(wǎng)的壓力分布及流量分配情況。在實際工程中，由于管網(wǎng)的復(fù)雜性與逐年負(fù)荷變化等多方面因素，供熱企業(yè)對其管網(wǎng)的實際運行壓力、輸送能力的情況并不十分清楚，從而無法保證各用戶所需流量，進(jìn)而導(dǎo)致供熱狀況異常。為了讓供熱企業(yè)對其供熱管網(wǎng)的壓力、流量分布情況更加清楚，我們利用
水力計算軟件
對整個供熱管網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)模擬，幫助供熱企業(yè)獲得較為準(zhǔn)確的管網(wǎng)運行情況，預(yù)知可能發(fā)生的問題，同時制定較優(yōu)運行方案及管網(wǎng)改造方案。
本文以位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市的國電東勝熱力有限公司一級管網(wǎng)為例，對管網(wǎng)水力工況進(jìn)行研究，用以幫助供熱企業(yè)解決實際運行中的問題。本文的研究范圍為一級管網(wǎng)水力計算，主要包括：水力計算工況的確定；通過對水力計算結(jié)果及水壓圖的分析，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)中存在的問題；通過將水力計算結(jié)果與實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實際運行中存在問題，并提出解決方案。
國電東勝熱力有限公司現(xiàn)有一個熱源，為國電東勝熱電廠，熱源配置見表
1
，總供熱能力為
872 MW
?，F(xiàn)有熱網(wǎng)循環(huán)水泵
5
臺，熱網(wǎng)循環(huán)水泵參數(shù)見表
2
。供熱管網(wǎng)形式為單熱源枝狀管網(wǎng)，圍繞熱源共有
3
條支干線、
189
個熱力站，規(guī)劃供熱面積為
1 311
×
10
4
m
2
，
2020
—
2021
年供暖期實際供熱面積為
1 122
×
10
4
m
2
，管網(wǎng)設(shè)計熱負(fù)荷為
615.28 MW
。由于管網(wǎng)各點地勢起伏較大，為方便分析，本文將熱源所在位置的高程定義為
0 m
，其他位置高程均為相對熱源的高程。
本文利用熱力管網(wǎng)水力計算分析工具（
ZN-HAC
）對一級管網(wǎng)進(jìn)行建模計算，將管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、管道信息、熱力站信息等輸入到軟件中，并結(jié)合實際運行經(jīng)驗確認(rèn)水力計算工況，水力計算工況關(guān)鍵參數(shù)見表
3
。本供熱系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法采用分階段改變流量的質(zhì)調(diào)節(jié)
［
1
］
，鄂爾多斯市屬于嚴(yán)寒地區(qū)，整個供暖期內(nèi)一般分為
3
個階段進(jìn)行調(diào)節(jié)，常用質(zhì)量流量比（實際運行質(zhì)量流量與設(shè)計質(zhì)量流量的比值）分別為
100%
、
85%
、
60%
。但由于熱源設(shè)置有熱泵機(jī)組，為了充分利用凝結(jié)水余熱，熱泵需要最小管網(wǎng)循環(huán)質(zhì)量流量不得低于
7 000 t/h
，因此，將上述管網(wǎng)質(zhì)量流量比
60%
提高至
66%
。根據(jù)歷年實際運行經(jīng)驗，確定水力計算采用的基本計算參數(shù)：熱源供水溫度為
98
℃，回水溫度為
48
℃，定壓壓力為
0.2 MPa
，定壓點在循環(huán)水泵入口處。
表
3
水力計算工況關(guān)鍵參數(shù)
①
經(jīng)過對工況
1
的計算發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)中絕大部分管段比摩阻低于
50 Pa/m
，個別管段比摩阻大于
50 Pa/m
。工況
1
下比摩阻大于
50 Pa/m
的管段參數(shù)見表
4
，工況
1
下管段
1
、管段
2
、管段
3
所在路徑水壓圖分別見圖
1
、
2
、
3
，圖中綠色線標(biāo)注位置對應(yīng)該管段的起止節(jié)點。另外，在實際運行過程中，由于多種原因造成管網(wǎng)運行流量大于理論計算值，這將導(dǎo)致上述管段比摩阻進(jìn)一步加大，進(jìn)而成為管網(wǎng)輸送的瓶頸管段。
表
4
工況
1
下比摩阻大于
50 Pa/m
的管段參數(shù)
②由于熱源與部分熱力站間存在較大高程差，以熱源為基準(zhǔn)，管網(wǎng)最高點熱力站與熱源的高程差為
41 m
，管網(wǎng)最低點熱力站與熱源的高程差為
-70 m
。熱源現(xiàn)有定壓方式采用補水泵定壓，定壓點位置為熱網(wǎng)循環(huán)
水泵
入口，實際運行工況定壓壓力為
0.2 MPa
。當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵停止運行時，高程高于熱源
15 m
的熱力站將可能出現(xiàn)倒空情況
［
2
］
。
③當(dāng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵正常運行時，通過對工況
1
的計算結(jié)果的全部數(shù)據(jù)及各點高程分析發(fā)現(xiàn)，個別熱力站供水壓力較高（供水壓力最高點壓力達(dá)
1.46 MPa
），整個管網(wǎng)無倒空情況。
④工況
2
管網(wǎng)流量為設(shè)計流量的
85%
，其管網(wǎng)阻力較工況
1
減小，在保證最不利用戶具有足夠資用壓頭的前提下，工況
2
熱網(wǎng)循環(huán)水泵需降頻運行，熱網(wǎng)循環(huán)水泵出口壓力降低。通過對工況
2
的計算結(jié)果的全部數(shù)據(jù)及各點高程分析發(fā)現(xiàn)，供水壓力最高點壓力為
1.31 MPa
（供水壓力較高的情況較工況
1
有所好轉(zhuǎn)）；隨著管網(wǎng)總流量的減小，管網(wǎng)阻力減小，地勢較高的熱力站其站內(nèi)回水壓力低于
0.05 MPa
，可能出現(xiàn)倒空情況
［
2
］
。
⑤與工況
2
同理，由于工況
3
管網(wǎng)流量為設(shè)計流量的
66%
，工況
3
熱網(wǎng)循環(huán)水泵出口壓力小于工況
2
。通過對工況
3
的計算結(jié)果的全部數(shù)據(jù)及各點高程分析發(fā)現(xiàn)，供水壓力最高點壓力為
1.15 MPa
（供水壓力較高的情況較工況
1
、
2
有所好轉(zhuǎn)）；隨著管網(wǎng)總流量的減小，管網(wǎng)阻力減小，地勢較高的熱力站其站內(nèi)回水壓力低于
0.05 MPa
，可能出現(xiàn)倒空情
況
［
2
］
，且倒空情況較工況
2
更嚴(yán)重。
3.2
實際運行與水力計算結(jié)果不符的問題
針對
2020
—
2021
供暖期，工況
1
的水力計算結(jié)果顯示，現(xiàn)有熱源循環(huán)水泵能夠滿足管網(wǎng)正常運行，即可以保證所有熱力站具有足夠的資用壓力（
0.12 MPa
）。但在
2020
—
2021
供暖期的嚴(yán)寒期的實際運行中，存在管網(wǎng)末端部分熱力站資用壓力不足的情況，且已啟動回水加壓泵。針對實際運行情況與水力計算結(jié)果不符的問題，通過筆者對現(xiàn)場走訪以及對
2020
—
2021
供暖期運行數(shù)據(jù)的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)原因如下：
①存在熱力公司無法控制其運行流量的熱力站（自管站、躉售站）經(jīng)常超流量運行，這會導(dǎo)致在實際工況下為了保證其他熱力站流量滿足需求而增加管網(wǎng)的總流量，進(jìn)而增大管網(wǎng)阻力，造成管網(wǎng)末端熱力站資用壓力不足，為了保證資用壓力不足的熱力站能夠正常供熱，就需啟動一級管網(wǎng)加壓泵。
②部分
換熱器
設(shè)計換熱面積不足，且換熱器定期清洗不及時，很多熱力站換熱器結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致一級側(cè)無法進(jìn)行充分換熱，因此，在實際運行中為了保證有此情況的熱力站獲取足夠熱量，也需增加一級管網(wǎng)流量，提高換熱量，進(jìn)而導(dǎo)致在實際工況下管網(wǎng)總流量增加，壓力降增加，末端熱力站資用壓力不足，就需啟動一級管網(wǎng)加壓泵。
③熱力站自控程度較低，現(xiàn)有電動調(diào)節(jié)閥口徑偏大，控制精度不足且控制策略錯誤，無法保證一級管網(wǎng)流量的正常分配，極有可能發(fā)生管網(wǎng)近端熱力站流量大，管網(wǎng)末端熱力站流量不足的問題。
①考慮到管網(wǎng)的發(fā)展，可針對比摩阻較高的管段進(jìn)行擴(kuò)徑改造。或針對資用壓力不足的熱力站增設(shè)（啟用）一級管網(wǎng)加壓泵。
②由于管網(wǎng)定壓點為循環(huán)水泵入口且定壓壓力過低，在實際運行過程中個別地勢較高的位置可能出現(xiàn)倒空情況，建議根據(jù)實際運行流量調(diào)整定壓壓力。通過對多種工況進(jìn)行水力計算，確定具體運行方式：工況
1
熱源定壓壓力為
0.2 MPa
，工況
2
熱源定壓壓力可調(diào)整為
0.28 MPa
，工況
3
熱源定壓壓力可調(diào)整為
0.35 MPa
。
③由于管網(wǎng)不同位置高程相差較大，在實際運行過程中應(yīng)重點關(guān)注地勢較低的熱力站是否出現(xiàn)超壓以及地勢較高的熱力站是否出現(xiàn)倒空。
④加強(qiáng)自管站、躉售站的管理，避免出現(xiàn)超流量運行的情況。
⑤針對換熱面積不足的換熱器，需要進(jìn)行換熱器測評，根據(jù)測評結(jié)果采取增加換熱片數(shù)量或并聯(lián)換熱器的方式增大換熱面積；并根據(jù)實際情況制定換熱器清洗計劃，定期清洗換熱器，保證換熱器的換熱性能。
⑥為了使管網(wǎng)運行調(diào)控更加精準(zhǔn)，建議對電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行測評，依據(jù)測評結(jié)果調(diào)整電動調(diào)節(jié)閥口徑，保證電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)精度。另外，在現(xiàn)有自動化基礎(chǔ)上建議升級為全自動控制。
［
1
］賀平，孫剛，吳華新，等
.
供熱工程［
M
］
. 5
版
.
北京：中國建筑工業(yè)出版社，
2021
：
283-287.
［
2
］付祥釗，肖益民
.
流體輸配管網(wǎng)［
M
］
. 4
版
.
北京：中國建筑工業(yè)出版社，
2018
：
253-257.
（本文責(zé)任編輯：魯?shù)潞辏?/span>
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