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毕思奇
太原市热力集团有限责任公司 山西太原 030000
摘要：长输供热管线受限于热量输送距离、管道保温层热传导效率、环境温度等因素，会产生沿途热量损失。本文主要选取严寒期稳定工况下的运行数据通过时差法和基于热量平衡原理的两种计算方法，计算出太古长输供热管线从热源到中继能源站的温降值。在气温发生变化时可以以此为依据对热源厂更科学、精细的要求供水温度，使供热调度工作更精细高效。
关键字：长输供热管线温降 跟踪法 时差法 基于热量平衡原理的温降计算
1 引言
太原市太古供热工程是目前国内供热行业大型远距离长输供热项目的典型代表，工程自古交兴能电厂至太原中继能源站，全长37.8km，敷设两供两回共4根DN1400供热主干线，管道保温材料为聚氨酯，其中供水管道保温层厚度为100mm，回水管道保温层厚度为60mm。
长输供热系统，管线的热量散失对输送效率至关重要，而影响长输供热管线温降的主要因素有：循环水温度、环境温度、保温材料传热系数、循环水流速等。在一定流量下的温降，表征了其沿程热量损失。
掌握管线沿程温降值，可以以温降值为依据在保障一级网供热量足够的情况下，更科学、精细的要求电厂供水温度，节约能源，进而产生更好的环境与经济效益。
2 温降统计方法
2.1 设计温降
根据中国市政华北设计院设计资料，太古长输系统设计为大温差方式运行，设计供/回水温度为130/30℃。在供水温度为130℃，循环流量为15000t/h的工况下，供水沿程温降5℃，回水温降忽略不计。并由此计算出太古长输供热管线供水沿程损失热量170MW。
设计温降依据传热理论进行计算，但实际因管线较长，沿程情况复杂，因此实际温降与设计值存在差异，需要进行测试确定。
2.2 温降统计方法
目前，太古供热管线已平稳运行三个采暖季，在运行阶段，运行人员尝试过多种方式进行温降统计，主要使用的方式是以下两种：
2.2.1 跟踪法
以兴能电厂出口温度变特征点为起点（如电厂因故障导致供水温度突然降低），根据各泵站温度波动先后时间曲线，找到中继能源站与之对应的特征点，按照特征点的温度值计算电厂出口与中继能源站入口的温度差值即为系统沿程损失温差。
该方法可以保证所取的温度值来自同一股水，但特征点一般为供水温度突变，经过数个小时流动之后，因水的扩散及热传递，
在管网内运行至中继能源站过程中，突变点参数会被削弱，因此所计算的温降也会产生偏差。
该方法不受管线流量波动影响，通过查找历史曲线，找出特征点，计算电厂出口处和能源站进口处特征点差值，即得出温降值。
2.2.2 时差法
选取一个时间点，记录电厂的供水温度和高温网循环流量，根据流量计算管网内水的流速，计算该流量下供水从兴能电厂到中继能源站所需时间，根据时差在特定时间读取中继能源站入口温度参数，并计算差值。
最初使用时差法是调度员选取某时间点读取并记录电厂供水温度和循环流量值，到计算时间时再读取能源站进站供水温度。会由于系统调整或者操作，与记录时间点发生冲突，造成漏记。为避免时间计算等原因导致的时差错误，自控人员在控制系统中插入时差法统计程序，点击启动后，软件会自动收集此时系统流量和电厂供水温度，后台计算流速和到达测温点的时间，并在对应时间自动记录测温点的供水温度，为了方便观察每段管线的温降情况选取了3个测温点，分别是：1#中继泵站供水管测温点、2#中继泵站供水管测温点、中继能源站供水进站测温点。
使用时差法统计的优点是：
1、不受时间和生产工况制约，可随时进行温降统计；
2、计算简单，电厂出口温度与能源站入口温度差值即系统温降值。
缺点是：
1、计算时使用的管线长度值与实际太古长输供热管线长度值有偏差；
2、流量采集为瞬时值，会受波动影响产生偏差，因而会与实际所用时间产生偏差，使采集的温度也发生偏差；
3、电厂供水温度发生较大波动，因水的扩散及热传导，温降值产生偏差；
4、各测点现场温度变送器校准可能有偏差，导致温度数据和温降统计值发生偏差。
为尽量减少误差，选取太古长输供热管线系统流量和供回水温度相对稳定的时间段。选取2018年12月30日至2019年1月1日这五天，每天0:00、1:00、20:00、21:00、22:00、23:00六个时间点，测定并记录数据，汇成下表1。
表1.供水温降统计表
|
测温时间 |
系统Ⅰ |
系统Ⅱ |
|||||||||||
|
流量 |
温度（℃） |
温降（℃） |
流量 |
温度（℃） |
温降（℃） |
||||||||
|
电厂 |
1# 泵站 |
2# 泵站 |
中继 能源站 |
电厂 |
1# 泵站 |
2# 泵站 |
中继 能源站 |
||||||
|
2018年12月30日 |
0:00 |
14042 |
119.07 |
118.41 |
117.05 |
117.62 |
1.45 |
12820 |
118.36 |
117.66 |
117.11 |
117.94 |
0.42 |
|
1:00 |
14025 |
117.39 |
117.22 |
115.63 |
116.91 |
0.48 |
12806 |
116.81 |
116.48 |
116.92 |
117.24 |
-0.43 |
|
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20:00 |
13924 |
118.30 |
117.81 |
116.48 |
116.82 |
1.48 |
12766 |
118.43 |
117.57 |
118.09 |
117.62 |
0.81 |
|
|
21:00 |
13976 |
117.91 |
117.32 |
116.01 |
116.81 |
1.10 |
12772 |
118.30 |
117.57 |
118.10 |
117.84 |
0.46 |
|
|
22:00 |
14018 |
119.40 |
119.24 |
117.93 |
119.01 |
0.39 |
12757 |
118.69 |
118.50 |
119.01 |
118.56 |
0.13 |
|
|
23:00 |
14042 |
118.69 |
118.52 |
116.93 |
117.57 |
1.12 |
12822 |
118.43 |
117.99 |
118.51 |
118.07 |
0.36 |
|
|
2018年12月31日 |
0:00 |
14028 |
118.30 |
118.01 |
116.70 |
117.33 |
0.97 |
12822 |
118.43 |
117.99 |
118.51 |
118.07 |
0.36 |
|
1:00 |
14098 |
118.23 |
117.80 |
116.45 |
117.09 |
1.14 |
12856 |
118.62 |
117.99 |
118.27 |
118.07 |
0.55 |
|
|
20:00 |
14042 |
118.36 |
117.74 |
116.55 |
117.08 |
1.28 |
12475 |
118.36 |
117.74 |
118.15 |
117.83 |
0.53 |
|
|
21:00 |
14035 |
118.04 |
117.74 |
116.31 |
117.08 |
0.96 |
12443 |
118.23 |
117.74 |
118.15 |
117.83 |
0.4 |
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22:00 |
14035 |
118.30 |
117.97 |
116.55 |
117.32 |
0.98 |
12443 |
118.56 |
117.98 |
118.39 |
118.07 |
0.49 |
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23:00 |
13978 |
118.17 |
117.73 |
116.31 |
117.08 |
1.09 |
12442 |
118.62 |
117.98 |
118.39 |
118.06 |
0.56 |
|
|
2019年1月1日 |
0:00 |
13976 |
117.84 |
117.49 |
116.32 |
116.84 |
1.00 |
12443 |
118.04 |
117.71 |
118.16 |
117.82 |
0.22 |
|
1:00 |
14032 |
118.17 |
117.97 |
116.56 |
117.32 |
0.85 |
12498 |
118.36 |
117.94 |
118.40 |
117.82 |
0.54 |
|
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20:00 |
14284 |
115.97 |
115.56 |
114.17 |
114.47 |
1.50 |
12085 |
117.20 |
115.47 |
115.91 |
114.71 |
2.49 |
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21:00 |
14800 |
115.77 |
115.32 |
113.92 |
114.47 |
1.30 |
12443 |
115.71 |
114.98 |
115.43 |
115.16 |
0.55 |
|
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22:00 |
14744 |
116.10 |
115.58 |
114.38 |
114.94 |
1.16 |
12443 |
115.90 |
115.21 |
115.66 |
115.16 |
0.74 |
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23:00 |
14746 |
115.58 |
115.34 |
113.90 |
114.24 |
1.34 |
12820 |
116.10 |
115.67 |
116.12 |
115.40 |
0.70 |
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2019年1月2日 |
0:00 |
14744 |
115.51 |
115.07 |
113.66 |
114.26 |
1.25 |
12837 |
115.77 |
115.21 |
115.62 |
115.15 |
0.62 |
|
1:00 |
14745 |
114.80 |
114.37 |
113.20 |
114.03 |
0.77 |
12762 |
115.97 |
115.45 |
115.63 |
115.38 |
0.59 |
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20:00 |
14063 |
114.74 |
114.38 |
112.97 |
113.83 |
0.91 |
12388 |
115.32 |
114.65 |
115.25 |
114.89 |
0.43 |
|
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21:00 |
14042 |
115.32 |
114.87 |
113.43 |
114.29 |
1.03 |
12376 |
115.51 |
114.84 |
115.22 |
115.12 |
0.39 |
|
|
22:00 |
14042 |
114.87 |
114.63 |
113.43 |
114.06 |
0.81 |
12445 |
115.00 |
114.61 |
115.21 |
114.89 |
0.11 |
|
|
23:00 |
14072 |
113.64 |
113.69 |
112.50 |
113.12 |
0.52 |
12443 |
114.48 |
114.59 |
115.00 |
115.12 |
-0.64 |
|
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2019年1月3日 |
0:00 |
14042 |
116.23 |
115.84 |
114.59 |
114.99 |
1.24 |
12440 |
115.71 |
114.83 |
115.48 |
114.40 |
1.31 |
|
1:00 |
14042 |
116.16 |
115.36 |
113.91 |
114.53 |
0.83 |
12448 |
116.03 |
115.02 |
115.45 |
114.87 |
1.16 |
|
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20:00 |
13994 |
115.45 |
114.84 |
113.63 |
114.28 |
0.56 |
12443 |
115.19 |
114.76 |
115.43 |
115.09 |
0.10 |
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21:00 |
14042 |
114.19 |
114.84 |
113.63 |
114.28 |
0.56 |
12452 |
115.25 |
114.99 |
115.43 |
115.56 |
-0.31 |
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22:00 |
14042 |
115.25 |
115.08 |
113.63 |
114.28 |
0.80 |
12484 |
115.19 |
114.73 |
115.41 |
115.08 |
0.11 |
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23:00 |
14042 |
114.93 |
114.61 |
113.40 |
114.05 |
0.56 |
12443 |
115.38 |
114.96 |
115.41 |
114.07 |
1.31 |
|
整理筛选表1中数据，剔除明显偏差值，计算平均温降值。得出系统Ⅰ平均温降值为0.98℃，系统Ⅱ平均温降值为0.61℃。
2.3 基于热量平衡原理的温降计算方法
电厂输出热量有两个消耗方向，一个是通过中继能源站换热器将热量传递到一级网供用户使用，另一个是供热管线及设备的热量散失，其关系可以用式（1）表达。
Q1=Q2+△Q （1）
其中 △Q=△Q供+△Q回 （2）
Q1－电厂供热量，GJ；
Q2－一级网供热量，GJ；
△Q－供热管线沿程热损失，GJ；
△Q供－供水管线热损失，GJ；
△Q回－回水管线热损失，GJ。
而Q=cm△T，m=ρV=ρqt，且中继能源站板换两侧存在热量平衡的关系，因此有：
cρqt（T1供－T1回）－△Q = cρqt（T2供－T2回）= Q2 （3）
c-水的比热容，c=4.18×J/kg℃；
ρ－水的密度，不考虑水的温度，这里取ρ=1t/m3；
q－高温网流量，m3/h；
t－时间，h
T1供－电厂供水温度，℃；
T1回－电厂回水温度，℃；
T2供－电厂供水温度，℃；
T2回－电厂回水温度，℃；
由（3）可得：
（4）
显然（T1供－T2供）为太古长输供热管线供水温降，而（T2回－T1回）为太古长输供热管线回水温降，因此，利用式（4）即可计算出太古长输供热管线包含供水和回水在内的整个环网沿程温降。
太古长输供热管线回水温降相较于供水温降其值可忽略不计，因此利用式（4）计算出的温降值可确定为太古长输供热管线供水温降值。
以上是在工况稳定条件下，依据电厂供热量、一级网供热量及高温网循环流量数据计算太古长输供热管线供水温降的方法。该方法优点有：
1、温降计算结果不受太古长输供热管线长度、系统瞬时流量波动、电厂供水温度波动的影响；
2、统计时间段越长则准确性越高。
缺点有：
1、计算结果是沿程总温降，而不能单独计算供水或回水温降；
2、一级网输配热量是通过板式换热器换热后的输配热量，没考虑板式换热器的热损耗；
3、由于太古长输供热管线长37.8km，按照设计工况流量15000t/h计算，热水从电厂到达中继能源站的时间为3.9h，因此每一天太古长输供热管线的输热量与下游一级网的输热量会出现偏差，而在实际生产中每天热量表计读数统计是在同一时间点进行的，因此也会造成计算结果的偏差；
4、热量表计的校准不一样也会造成计算结果的偏差。
2.4 计算结果与比较
为了方便与时差法的温降值进行比较，以2018年12月30日至2019年1月3日这5天为例，计算这五天的太古长输供热管线供水温降值。
在利用基于热量平衡原理的温降计算方法计算时发现受该方法的弊端影响，系统Ⅱ长输供热管线供热值小于系统Ⅱ一级网的输热值，因此选取情况相对较好的系统Ⅰ进行计算比较，系统Ⅰ一级网包含西山高海拔一级网和市内一级网两部分，因此系统Ⅰ一级网输热量等于两个一级网系统输热量之和。
2018年12月30日至2019年1月3日，共计5天，太古长输供热管线平均供回水温度为116.8/45.1℃。系统Ⅰ平均流量为14158t/h，室外平均气温为-8℃左右。表2为5天内系统Ⅰ热量及流量数据。
表2.系统Ⅰ热量及流量数据
|
日期 |
电厂当日输配热量 |
一级网当日输配热量 |
沿程损耗热量 |
高温网流量 |
|
GJ |
GJ |
GJ |
t/h |
|
|
12月30日 |
102038 |
98168 |
3870 |
14005 |
|
12月31日 |
104339 |
100548 |
3791 |
14036 |
|
1月1日 |
99223 |
95353 |
3870 |
14430 |
|
1月2日 |
100699 |
97132 |
3567 |
14285 |
|
1月3日 |
97420 |
93874 |
3546 |
14034 |
|
合计/平均 |
Q1=100744 |
Q2=97015 |
△Q=Q1－Q2=3729 |
q=14158 |
将上述数据代入（4）可得：
（T1供－T2供）+（T2回－T1回）
系统Ⅰ与系统Ⅱ长输管线管径和保温措施完全一致，因此可以简单推论得出在电厂供水温度为116/45℃，循环流量在14000t/h左右，室外平均气温在-8℃的特定条件下，太古长输供热管线供水温降不超过1℃。
3 分析结论
通过热量平衡原理计算出系统Ⅰ供水温降为0.53℃，时差法测出系统Ⅰ平均供水温降为0.98℃。两种计算结果有差值，但均能较好的反映出管线整体温降区间范围，即整体温降在1℃以内。初步分析产生差值的原因为选取的五天时间电厂供水温度由119℃逐渐降至114℃，热量由电厂输送到一级网至少需要3.9h，高温网与一级网的热量表数值读取在同一时间点进行，因此一级网当日输配热量相较于高温网当日输配热量有时间上的延后，当电厂供水温度处于下降趋势时，一级网的热量计量数值会偏高，计算出的温降值会偏小。
本文介绍的几种方法都有优缺点，不同的因素会导致温降计算结果发生偏差，热量平衡法适用于测量一段时间段管线整体平均温降，时差法适用于测量短时间对应室外温度下的瞬时值，同时二者结合可互为校验，较准确反映管线整体温降趋势，在运行生产过程中应同时采用多种方法进行计算比较，使计算结果更准确。
通过以上方法的计算与比较，得出一定条件下太古长输供热管线的供水温降不超过1℃。以此值为太古长输管线温降控制目标及依据，当天气发生变化需要调整电厂供水温度时，在保障下游一级网热量充足的情况下可以更精细、科学的要求电厂应供水温度。
在运行期采用跟踪法测量并记录太古长输供热管网的温降值，实时关注管网温降情况，保障太古长输管线运行更经济、更节能、更科学。
参考文献
[1] 石光辉.太原太古大温差长输供热引发的新探讨[J]．区域供热，2019，1:71-76．
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