1.哈密石油基地供热系统概况

哈密石油基地位于北纬42°54′，东经93°28′，哈密市西北方向的戈壁地带上，距火车站6公里，距市中心12公里。312国道北侧。基地东西长2.8公里，南北宽2.3公里，呈矩形，占地面积644公顷。地形北高南低，海拔高度在803~820米之间，南北呈7‰坡度，东西呈2‰坡度，无大的地形起落和山丘，地势基本平缓。哈密地处中纬度内陆地区，夏季高温少雨，秋季降温迅速，冬季严寒，春季多风，昼夜温差大。自然植被稀疏，属典型的大陆性荒漠性气候。年平均气温为9.8℃ ，最热月平均气温为27.2℃，最冷月平均气温为-12.2℃，极端最高气温为43.9℃，极端最低气温为-32.0℃，冬季采暖室外计算温度为-19℃。

哈密石油基地供热系统是采用间接换热的集中采暖和生活热水两联供系统，采暖面积为136.5万平方米，全年连续供应生活热水。供热系统分为两个枝状网式系统，分别由两座锅炉房作为热源独立供热。1#锅炉房94年投运，装备了7台14MW热水锅炉，辖10个换热站（3~10#站、13#站、14#站），供热面积85.3万平方米；2#锅炉房99年投运，有3台14MW热水锅炉，辖4个换热站（1#站、2#站、11#站、12#站），供热面积51.2万平方米。10台锅炉均为DZL14-1.0/130/90-AⅢ型角管式热水锅炉。一次网供回水温度设计为130℃/90℃，二次网的供、回水温度设计为95℃/70℃，楼宇采暖系统均为单管垂直顺流式。生活二次网设计出水温度为65℃。（1#、2#锅炉房供热系统模式相同）。

2.供热系统存在的问题及解决途径

自1#锅炉房1994年投运，2#锅炉房1999年投运至今，一直孤立运行，特别是在初寒期，1#锅炉房容量过剩，而2#锅炉房又不得不运行，使1#锅炉房的供热能力、人力、物力资源未能得到充分发挥；两个锅炉房，两套人马，造成资源及能源的极大浪费，同时在严寒期，由于麻石水膜除尘器进口烟道每7天就必须进行清灰作业，为保证人员的安全必须进行停炉压火，导致系统的出力降低，难以满足供热平稳运行的需求，影响供热质量。而孤立运行的瓶颈主要是系统规划设计初期为两个锅炉房孤立运行，双热源虽然管网连在一起，但联网处管径过小。设计上两个锅炉房均为单泵系统，即处于锅炉房的单一泵组负责锅炉和热网的水循环。

集中采暖生活两联供系统在运行调节上矛盾突出。由于采用的是容积式间接换热系统，换热器二次网结垢严重，换热效率低，因此为保证二次网生活热水温度要求一次网生活热水回水温度必须大于80℃，而在采暖初末期，由于锅炉出水温度低，而所以生活热水的流量必须很大，在严寒期由于锅炉出水温度高，流量要求很小，因此必须反复调整集水缸上采暖和生活热水的阀门。

由于采用的是单泵系统，热源和热网流量需求存在矛盾。初末寒期，系统负荷低，热源需求流量小于热网需求流量，而到严寒期，热源需求流量大于热网需求流量。而热源热网的流量需求差异使系统难以高效低耗运行，锅炉流量受管网阻力限制严寒期偏低影响锅炉安全运行。

此外，根据两座锅炉房的热源能力和热负荷分析得出：改变同时启动两座锅炉房供暖的运行方式为“开一备一”的热源运行方式，不仅可以充分发挥1#锅炉房的热源能力、更合理的利用能源，而且也可以解决两座锅炉房系统配备了两套人马的人力资源浪费问题。实际上根据哈密地区的气候条件，除非在极不可能出现的寒流袭击条件下，使用1#锅炉房完全可以满足基地136.5万平方米采暖和生活热水供应的需求，而2#锅炉房通常情况下可以停止运行，仅作应对极端需要调峰使用。

结合多年的供热运行经验和基地供热系统实际，我们认为对该供热系统进行以下几方面的改造可以明显提高供热质量并且取得显著节约能源消耗、大幅降低供热成本的效果。

2.1应用带均压管的二级泵解决系统整合后的运行难题

带均压管的二级泵方式是一种将热源循环泵与热网循环泵分开设置的系统，热源与热网之间的供、回水采用短接管（均压管）连接，见图3。这样做的好处是可以使热源流量和热网流量独立按需设定。实际运行中，一般初末寒期热网流量大于锅炉流量（启动锅炉少），即图3中均压管中水向上流，锅炉出水温度高于热网供水温度，锅炉进水温度等于热网回水温度；而严寒期热网流量小于锅炉流量（启动锅炉多了，锅炉的额定流量大了），即图3中均压管中水向下流，锅炉出水温度等于热网供水温度，锅炉进水温度高于热网回水温度。

热源、一次网流量强耦合及热网输送能力瓶颈是多年困扰基地供热系统的难题，特别在系统合并后，若强行在既有热网系统中运行对应7台锅炉2100t/h的额定运行流量，理论计算外网损耗循环泵的工作扬程将达到187米（按不改造管道原14个热力站计算），不仅浪费极大，而且供水压力超过1.6MPa的供热系统设计安全压力上限。二级泵方式不但可以解除热源和一次网运行流量的强耦合关系，而且可降低一次网的运行流量，扬程也可以下降至安全运行压力之下，不超过系统安全压力。根据哈密严寒期70W/m2的供热要求，在既用锅炉额定运行温差40℃限制条件下，要求一次网必须对应运行约2100t/h的流量（1.505kg/h/m²）。因此，哈密基地供热系统采用二级泵方案的另一个重要目的是把锅炉提供的40℃温差放大成一次网的60℃温差运行，实现把运行流量降低到1365t/h（1kg/h/m²），建立起“锅炉运行大流量、小温差”而“一次网运行小流量、大温差”的运行模式。实际上，使用二级泵方式是此次哈密石油基地“仅使用一座热源实现两个老系统供热整合工作”的最为核心的技术进步改造。这项改造工作不仅可以实现不增加管网改造投资就完成“开一备一的系统整改工作”，而且由于实行了一次网“小流量”的运行方案，一次网循环泵总装机功率将以流量下降的立方比例关系降低50%以上，同时获得了显著的经济效益。

本系统中生活热水系统采用的典型二级泵方式，而采暖系统从宏观上说也是采用的二级泵方式，只是为了进一步节能和便于供热平衡管理，将采暖的热网泵进一步分解成分布式变频泵方式。之所以生活热水未采用分布式变频泵系统，是因为生活热水热负荷相对较小，这样可以降低系统复杂性和改造费用。

2.2采暖采用分布式变频泵进一步降低电耗

采暖系统采用了分布式变频泵方式，既把图3中一般安装在锅炉房用于负责热网循环的热网泵分解为多个小泵、并且分别安装在各个热力站、从而形成了水泵分布在各热力站的循环泵配置方式，并且再对各个热力站的小循环泵配套变频器，即形成了分布式变频泵的供热工艺系统结构形式。

一次网流量按1kg/h/m2,通过计算，各站需用扬程和流量如下：最近端13#站流量69t/h，扬程5m，其次14#站流量72t/h，扬程10.4m，……，最远端2#站流量136t/h，扬程81m。各站只需根据上述流量扬程选择合适水泵。而传统方式则需配置流量1365t/h，扬程81m水泵。装机容量按理论计算下降50.4%。

分布式变频泵方式解决基地供热系统传统设计留给非最远端热力站富裕资用压头浪费电能的问题。同时利用分布式变频泵和二级泵方式解决多年存在的热网间、热力站间强耦合造成全网调节困难、周期长的难题，实现网间、站间相对独立，简化热网平衡。

根据2.1、2.2措施具体改造方案如图4所示：

具体改造情况如下：(1)在1#、2#锅炉房供回水母管间加装带蝶阀的均压管方案分解热源和热网的流量强耦合关系，解决锅炉额定运行流量大于热网运行流量情况下的能源浪费问题；实现在热源停电情况下由一次网向锅炉供应循环水的安全保证；(2)采暖一次网系统（14个换热站）加装分布式变频泵以实现1#锅炉房锅炉以额定参数运行、一次网实现最大运行流量1kg/h/m²和最大温差60℃的小流量经济运行方案，解决维持原管网系统不变条件下实现1#热源在70W/m²供热需求下独立运行的问题；节省更换520米（DN250）的两个小系统联通管需要的约350万元费用；实现全部热力站 “零富余资用压头”的节电热传输运行；解除传统设计造成各热力站流量的强耦合关系，建立起方便实现热网平衡调节的新的系统结构模式；(3)生活热水一次网系统改造成1#锅炉房加装变频二级泵 ，换热站加装电动调节阀的模式，实现了生活热水系统与热源和采暖系统的解耦，生活热水和采暖系统的最佳系统结构形式，生活热水系统可根据容积式换热器的出水温度自动、手动调节一次网的流量和循环泵的运行。

2.3建立实现科学供热的数字化供热管理平台——装备热网计算机监控管理系统

供热系统的流量平衡绝不能代表供热系统的热力平衡！用“流量平衡基础上的温度管理方法”实现热网的热力平衡是一种本质脱离实际的不可操作方法！为了实现对哈密基地“整合系统”的科学化管理、全面施行“热量管理”的科学供热就必须对全网装备“计算机监控管理系统”。又由于评判一次网供热平衡的科学标准是“各热力站供热量的平衡”，并且在热源跟随环境温度变化的节能运行条件下，平衡标准化又升级为“各热力站累计供热量的平衡”！因此，解决哈密基地“合二为一系统”的科学化管理就必须解决“各热力站累计用热量的连续计量和比较”问题，装备计算机监控管理系统就成了此次改造的必选内容。

为此建立供热计算机监控管理系统，监控中心设在1＃锅炉房，对基地热网实行总体调控。现场工作站14个（1~14#站），通讯方式为ADSL。14个换热站内增加现场数据采集和控制设备，实现换热站内的所有运行参数的实时采集，对站内泵、电动调节阀的远程控制、超压时自动泄压。为满足计算机远程监控的要求对各换热站的钠离子交换器自动化运行、采暖和生活热水二次网循环泵变频远程控制进行改造。

建立了基于“周期热量管理热网的热量平衡管理技术”的热网平衡分析系统， 以实现各热力站热力平衡为第一目的，把热网热力平衡管理的难题置于集中计算机监控管理之下，把供热实现科学化落实在现代科学技术的平台之上；实现无人值守热力站供热管理的新模式，合理配备人力资源。

2.4 通过混水罐变频泵直供方式解决2#锅炉房自身的采暖问题

2#锅炉房自身的供暖原来为其专有管线供应，如何在1#锅炉房单供基地采暖和生活热水系统的情况下，保证2#锅炉房的采暖和热备用，是必须解决的问题，如果采用一次水供热，热能浪费严重，因此采取了混水罐变频泵直供方式。

混水罐变频泵直供方式是混水直供技术的一种，混水罐即混水器，“国外资料也有称之为“水力分压器”或“耦合器”的”，混水器的一侧为一次水的供回水接口，另一侧为二次水的进出口，混水罐的设计采用“ 3d”法则，其中d为一次供水管径。其流程见图5，混水罐变频泵直供技术的优点是既具有混水直供一次网供回水温差大，循环流量低，节省水泵电耗，同时通过变频调节水泵的转速的改变流量提高了热力调节的灵活性、精确性，也省去了传统的换热器，减少了占地面积，降低了投资。

3.实际运行情况

哈密基地供热系统集成了分布式变频泵、混水罐变频泵直供、二级变频泵、热网远程监控、周期热量平衡方式于一体，特色鲜明。通过改造完全达到了预期的目标，系统2008年10月15日一次投运成功。实现了1#锅炉房单独供热110天，1#、2#锅炉房并网运行40天，节约了人力40人，同时降低了系统运行时的安全风险。

热源、采暖一次网、生活一次网完全解耦，相对独立，分布式变频泵系统调节灵活准确，二级泵系统运行可靠，平稳，满足了热源和热网的热量需求，实现了热源40℃温差，热网60℃温差运行，即确保了锅炉的安全高效运行，又实现了热网的小流量大温差运行。通过电动阀和变频泵调节生活热水温度和循环时间，降低了容积式换热器的结垢速率，清罐时间由每年两次减少到每年一次；

4.改造后经验总结：

通过一个采暖周期的运行，对于目前系统运行得出以下经验：

4.1改造后一次网锅炉的进水温度较以往有较大的提高（平均提高15℃），系统温升快；系统定压点的压力由原来的0.35MPa提高到了0.65MPa，提高了0.3 MPa；一次网必须加装电动泄压阀，以适应温度波动大的要求，尤其是在锅炉起炉升温时，应将定压点的定压值升到稍低于额定压力0.05～0.1MPa，待温度正常后再调整到定压点，避免由于温度升高压力上升导致的反复补水、泄水。

4.2各热力站的流量耦合关系发生了变化，尤其是某个站一次网分布式变频泵出现故障停机，整个系统的流量将发生变化，临近站流量会明显提高；

4.3在电力保证度达不到100%的情况下，一次网泵出口必须安装逆止阀或电动常闭蝶阀，防止在电压不稳、停电的情况下一次网泵变频器故障停机，出现局部倒流问题。

4.4流量测量仪表以弯管流量计为好，突出特点是可靠性高、稳定性好、寿命长，同时流量计的选用要以实际流量为准进行核算，不能以实际管径选用，否则会出现在小流量时不能正常显示的问题。

4.5两联供系统为保证生活热水的供应，尤其是在采暖初、末寒期一次网供水温度低的情况下，一次网生活热水的出水母管与锅炉出水母管应直接连接，避免在分水缸上引出，在一次网出水温度低时，由于锅炉出水与一次网回水混合导致出水温度难以保证生活热水的供应。

4.6对于无人值守换热站，补水泵逆止阀的选用至关重要，逆止阀不严会出现泵不上水等问题，泄压电磁阀的口径以DN15、DN20为宜，口径过大会出现开启时振动响声较大，压力波动大，关闭不严，打不开等问题，同时要与手动泄压阀配合调整开度，以确保系统压力平稳。

4.7在系统通讯问题上，应重点突出可靠性，建立相对独立的网络，与其他网络相对隔离，避免网络病毒攻击和传播造成网络瘫痪；变频器的远程控制应以直接接线控制为好。

5.效益分析

2008~2009年采暖期为实现吐哈矿区服务事业部“提温工程”所要求用户室温20℃的目标，我们通过系统改造升级的有利条件，精心组织，精细调节，经过一个采暖期的运行，煤耗、电耗如表1。

表1 2007~2008年与2008~2009年采暖期能耗分析对比表

根据供热运行数据统计分析可见，与上一采暖季相比，改造后直接节煤5881吨，煤单耗下降9.8%。由于二网合并中间管路较小且长，末端4站需用高扬程泵，电耗同比增加276774kWh，电单耗同比上升5.3%。由于用户室温提高了2℃，若考虑此因素，按面积度日数计算则同比节煤11334吨，节电196814kWh，节约费用合计238万元，同时改造节约投资384万元；换热站实现了智能化操作无人值守可以节约人工成本300万元。同时供热系统更加安全可靠、方便快捷、量化管理、职工的劳动强度大大降低。

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知识点：分布式和二级泵系统在集中供热系统中的应用

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