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太古一级网集中降温负荷消纳水力分析

太原市热力集团有限责任公司 樊敏 姬克丹 石光辉

【摘要】本文针对太古一级网系统采用集中降温供热能力提升后热网负荷消纳问题,结合现状负荷分布,合理增加负荷区域,分析不同负荷消纳方式下水力工况变化。对比单热源负荷消纳方式下,系统水力工况变化,经合理优化管网,确定消纳区域为城南双塔街以南800m2,热网总供热面积为7464m2。对比多热源负荷消纳方式下辅热源对系统水力工况的影响,结果表明,城西热源厂选择2台炉联网运行方式较为合理,多热源运行系统水力工况优于单热源运行,但系统运行压力过高,管网运行存在安全隐患。为实现最优运行,按照初末寒期联网运行,城西热源厂启动2台锅炉,严寒期解列运行,并以此工况设置分布式变频泵。

【关键词】太古一级网;热负荷平衡;水力分析;分布式变频泵;管网优化;多热源联网运行;

1引言

太原市现状已形成以热电联产、燃煤热源厂、燃气热源厂等构成的“多源”、“多能”的能源方式。实际运行面临以下几方面问题:一是燃气供热成本较高,年供热面积1000万平米燃气基础热源厂的供热成本与的6600万平米的热电联产供热成本相当;二是燃煤热源厂受环保限制,无法按需启动;三是热网间负荷切换频繁,影响管网系统的运行安全以及使用寿命。

在当前双碳目标的要求下,为解决上述问题,应降低高成本热源(如燃气)供热负荷,充分发挥零碳能源供热优势,尤其是回收利用电厂乏汽余热的太古一级网,该超大型热网供热面积占太原市总供热面积的1/3,采用能源站对热网回水集中降温后,热网供热能力进一步提升,可充分利用电厂余热,进一步扩大现状供热负荷区域,替代原燃气基础热源供热区域。

太古一级网采用主循环泵+分布式变频泵的运行方式,负荷区域扩大后全网水力工况发生变化,需重新配备分布式变频泵,本文将对太古一级网进行水力分析,合理优化管网、更换/增设分布式变频泵。

2太古一级网负荷平衡分析

太古一级网现状供热面积6664m2,共计699座热力站,大机组配备比例为65%,该热网区域设置有城西热源厂调峰热源。当采用集中降温进一步提取现状回水温度热量,太古一级网供热能力可提升600MW,供热能力达到2665MW,按照实际区域气象参数及热用户供热效果核算的热指标41.87W/m2考虑,严寒期最大供热面积为6365m2。城西热源厂调峰热源最大供热能力为348MW严寒期最大可供831m2。太古一级网初末寒期可扩大/调整供热区域。

由太原市全网图可知,太古一级网与二电热网、嘉节热网、南部热网、城南热网相连接,可进行负荷切换。除城南热网为燃气基础热源及燃煤应急备用热源外,其余热网均为热电联产热源。为此,从解决现状供热成本过高及充分发挥热电联产供热能力来看,太古一级网将切换城南热网负荷来实现负荷消纳。


1热网区域划分图

原城南热网供热面积1202m2,严寒期热指标42.37W/m2,最大供热负荷需求为509MW。该区域初末寒期可切换至太古热网的供热面积131m2800m21202m2。切换后,太古一级网面积分别为6795m27464m27866m2,在上述三类负荷切换情况下,热负荷平衡分析分别见下表。

1热负荷平衡分析

tw(℃)

负荷比

热指标(W/m2

可供面积(万m2

热网调整

-11

1.00

41.87

6365

-10

0.97

40.43

6592

面积为6795m2时,热网开始切换负荷或启动调峰热源厂联网运行,最大切换面积430m2

-7

0.86

36.09

7383

面积为7464m2时,热网开始切换负荷或启动调峰热源厂联网运行,最大切换面积1099m2

-6

0.83

34.65

7691

面积为7866m2时,热网开始切换负荷或启动调峰热源厂联网运行,最大切换面积1501m2

-5

0.79

33.21

8025

0

0.62

25.99

10255

3初末寒期单热源运行负荷消纳分析

3.1单热源运行负荷消纳对比分析

单热源运行负荷消纳按照切换区域,分为四种工况,热力站参数设置综合考虑大机组、板换、节能建筑等因素,进行差异化设置,节能建筑:大机组3.8t/(h·m2)、板换4t/(h·m2),非节能建筑:大机组5t/(h·m2)、板换5.6t/(h·m2),热源资用压差设置为55mH2O。结合历年实际运行参数,各基础参数设置及水力分析结果如下。

2水力分析结果

项目

工况一

面积6664m2

工况二

面积6795m2

工况三

面积7464m2

工况四

面积7866m2

循环流量(t/h

循环流量

24651

25170

27415

27041

北中环

1410

1523

1806

1891

管道桥

2077

2724

3563

3849

南中环

2469

2338

3894

4442

普国路出线

9367

9580

10692

10848

北中环出线

5556

5652

5929

5911

西中环出线

9152

9352

10161

10282

双塔西街

869

1643

2828

3289

比摩阻(Pa/m

双塔西街DN800

3

11

27

36

双塔西街DN600

0.3

14

73

108

最不利工况点资用压差(mH2O

1.7

0.72

-35

-52

启动分布式变频泵热力站(座)

170

308

595

668

现状加压泵不满足热力站(座)

0

3

325

471

分布式变频泵功率(kW

69

129

1379

1961

最高运行压力(MPa

1.36

1.36

1.43

1.49

从资用压差来看:工况一和工况二最不利工况点均位于体育路支线,随河东区域城南供热面积进一步扩大,工况三和工况四的最不利工况点逐渐东移至双塔南路末端,且河东区域的水力平衡点由原水西关南街南移至康乐街,这从北中环管线流量增加可以证实。系统零压差点逐步向河西区域偏移。此外,由于城南部分负荷管网路由经过双塔西街,导致双塔西街循环流量增加,尤其是该管线为DN800变径至DN600,比摩阻最高增加至108Pa/m,超过经济比摩阻70Pa/m,局部资用压差降幅达10mH2O。从运行压力来看,全网最高压力区域发生变化。工况一和工况二最高压力为供水压力,达1.36MPa,主要集中在长风商务区;工况三和工况四,最高压力为回水压力,达1.49MPa,主要集中在长治路附近,这与该区域管网连通性较差有关。从分布式变频泵来看,工况三和工况四的分布式变频泵启泵范围广,消耗功率提升十倍以上,且现状加压泵更换数量较多,工况三为105座,工况四为176座。


在最大发挥基础热源的供热能力的前提下,考虑运行的经济性及分布式变频泵的更换,实际初末寒期可按照工况三的方式运行。

3.2负荷消纳优化分析

为进一步降低热网运行压力,改善水力工况,建议对双塔西街管线进行优化,将现状DN800DN700DN600变径管线全部更换为DN800管线,同时将现状滨河东路管线南延,新增双塔西街至南内环DN1000管线,将该DN1000管线与原南内环街DN700管线连通,为借用此段管线,全网需要增加原嘉节热网南内环街(滨河东路至长治路)84m2负荷,以上述优化条件对对工况三调整。新增滨河路管线有优化对比结果如下。

3管网优化对比结果

工况

供热面积(万m2

最高压力(MPa

高于1.3MPa(座)

分布式变频泵启动(座)

分布式变频泵功率(kW

比摩阻(Pa/m

双塔西街流量(t/h

优化前(工况三)

7464

1.43

98

595

1379

73

2828

优化后(工况五)

7548

1.36

32

618

1176

6

2115


     


      由上述结果可知,优化后系统最高运行压力降低,由
1.43MPa降低至1.36MPa,且原四供热区域因南内环管线的联通,运行压力高于1.3MPa热力站由72座降低至20座。因新增南内环管线承担1700t/h的流量,双塔西街管线循环流量相对降低,管线比摩阻也降低67Pa/m,资用压差由20mH2O降低至4mH2O,水力工况明显改善,系统最不利工况点压差由35mH2O降低至23mH2O。热网系统需启动分布式变频泵数量增加,但运行频率相对降低,功率下降,电耗减少15%

4严寒期多热源负荷消纳运行分析

4.1多热源运行可行性及运行方式确定分析

现状太古一级网严寒期主要是采用太古热网和城西热网解列运行的方式,2020-2021采暖季末寒期,实施了太古一级网、城西热网联网运行[1-6],联网供热面积为联网试验操作阀门期间,中继能源站、城西热源厂压力、流量无明显波动。热源厂因高程较中继能源站偏低,供回压力由0.8/0.33MPa升至1.12/0.55MPa,中继能源站供回压力维持在0.8/0.2MPa,热网压力较高区域未改变,最不利热力站分布式变频泵运行频率由45Hz降至37Hz,水力工况得到改善。联网升流量试验期间,提升辅热源流量,仅增加辅热源的资用压差(增加7mH2O)和流量(增加15%),主热源资用压差基本不变、流量降低1%;提升主热源流量对辅热源压差影响较大,在主热源资用压差增加4mH2O、流量增加7%的情况下,辅热源资用压差减少6mH2O、流量降低2.5%。此次试验证明联网运行期间,新热源的并入不会造成热网系统波动,主热源对热网系统的运行流量、压差起决定性作用。

根据现状太古一级网和城西热源厂严寒期供热能力,严寒期最高可供7196万平米负荷,太古一级网初末寒期供热面积为7548万平米时,严寒期城西热源厂作为二电热网的调峰,还需要切换二电热网286万平米,切换后太古热网供热面积为7835万平米。若采用联网运行方式,可根据实际负荷情况,逐台启动城西热源厂4台锅炉,在供热能力欠缺后,启动城南热源厂,切换负荷至城南热网。

4负荷调整

tw(℃)

实际供热面积(万m2

实际热负荷MW

启动锅炉台数及负荷切换

-11

7196

3013

切换负荷至城南热网459m2

-10

7453

3013

切换负荷至城南热网202m2

-9

7655

2984

启动分散式调峰200m2

-8

7835

2941

运行城西热源厂4台锅炉

-7

7835

2828

运行城西热源厂2台锅炉

-6

7835

2715

运行城西热源厂1台锅炉

4.2辅热源运行工况对联网运行影响

分别分析城西热源厂在不同锅炉运行台数下的联网运行工况,热源设计参数如下。城西热源厂共有6台泵,参数如下:Q=1800t/hH=146m;太古一级网中继能源站设有10台泵,参数如下:Q=3500t/hH=120m。系统在不同锅炉运行台数的水力工况如下。

5辅热源负荷对系统水力工况影响

项目

工况六(1台炉)

工况七(2台炉)

工况八(4台炉)

循环流量(t/h

中继能源站

27107

26651.6

24144.7

城西热源厂

1800

3300

7200

合计

28907

29952

31345

热源压力(MPa

中继能源站

0.9/0.25

0.9/0.25

0.9/0.25

城西热源厂

1.17/0.7

1.21/0.66

1.34//0.54

城西热源厂资用压差(mH2O

47

55

80

最不利工况点资用压差(mH2O

-14

-18

-24

最高运行压力(MPa

1.52

1.55

1.6

分布式变频泵(kW

665

874

1161

北中环循环流量(t/h

5537

4607

1569

从水力交汇区域和系统循环流量来看,城西热源厂启动锅炉台数超过2台以上时,系统的水力交汇区域逐渐河西区域扩大至河东区域的水西关街。锅炉运行台数为1-2台,对系统整体水力工况影响较小。城西热源厂主要是影响中继能源站北中环管线的出线流量,普国路和西中环流量基本维持在10000t/h以上,流量比为1.05:1


从运行压力来看,采用联网运行方式,系统运行压力较高,尤其是城西区域,其处于热源前端,在锅炉运行台数超过2台时,供水压力整体偏高,4台炉运行方式下,运行压力达1.6MPa。在高负荷运行工况下,联网运行超压较严重,建议严寒期城西热源厂启动3台炉及以上时,按照解列运行的方式,同时分布式变频泵选型也按照解列运行考虑。


5分布式变频泵选型分析

根据上述各类水力工况分析,初末寒期,热网系统的分布式变频泵可按照城西热源厂启动2台炉运行方式进行选择,供热面积7548m2;严寒期可按照解列运行选择,将北中环至漪汾街负荷599m2切换至城西热源厂,同时将并州路以东、双塔西街以南628m2切换至城南热网,切换后,严寒期供热面积为6321m2。具体分布式变频泵选型结果如下。初末寒期有195座热力站需要更换/增设,严寒期有61座需要更换/增设。

6分布式变频泵选型

项目

工况九(初末寒期与城西2台锅炉联网运行)

工况十(严寒期切换城西城南1227m2负荷)

供热面积(万m2

7548

6321

循环流量

中继能源站

22883

27238

城西热源厂

4500

-

资用压差

中继能源站

55

65

城西热源厂

59

-

最不利工况点

-19

-11

启动分布式变频泵数量(座)

585

491

分布式变频泵(kW

955

754

更换/增设分布式变频泵数量(座)

195

61

6结论与建议

1)太古一级网集中降温后,可充分利用电厂余热,发挥电厂余热这一零碳能源优势,实现供热能力提升,初末寒期太古一级网供热面积可达到1亿平米以上,较现状供热面积提升33%,太古一级网循环流量较现状提升12%以上,对于以分布式变频泵+主循环为主的运行方式,在实现余热的充分利用的同时,还需考虑水力工况的最优运行及分布式变频泵的设置,提高全网运行的经济性。经对比,合理的消纳区域是替代高成本的燃气热源区域800万平米,优化管网系统后,可实现太古一级网最大供热面积为7548m2

2)太古一级网与城西热源厂联网运行方式下,因系统运行压力较高且DN1200北中环主干线流量降低未得到充分利用,严寒期暂不考虑联网,仍按照解列方式运行。太古一级网的多热源联网运行,仅适合初末寒期低负荷工况。

3)分布式变频泵选型按照初末寒期供热面积7548m2195座热力站需要更换/增设分布式变频泵;严寒期解列运行供热面积为6321m261座需要更换/增设分布式变频泵。

参考文献

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[2]Zhi Gang Zhou,Peng Wang,Ping Hua Zou. Research on Thermal Optimal Operation Scheduling of Multi-Heat Source Co-Heating System[J]. Advanced Materials Research,2013,2223.

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[6]郭磊宏,王永,雷春鸣,胡少江,杨洪健.多热源联网供热系统的应用性研究[J].区域供热,2014(06):23-30.

通讯作者:姬克丹,1990916日生,工程师,jikedan@sina.cn15135154038。投稿方向:多热源并网及优化配置和调节。


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