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集中供热系统热力站规模的优化
黑龙江省暖通空调专家委员会
摘要：
本文针对带有热力站的间接连接的供热系统，建立理想化的热网模型。针对一定供热规模的热力管网，提出多种一级网和二级网不同敷设的热网对比方案，以费用年值法对100万m2供热面积为例进行经济优化，并通过相同规模的热网工程实例经技术分析比较后对理想模型进行了修正。在此基础上提出了管网形状修正系数的概念。在建筑密度从0.5到1.6的范围内对热力站供热规模进行了优化，得出不同供热规模情况下最优的热力站供热规模。
关键词：热力站 一级网 二级网 费用年值 管网形状修正系数 建筑密度
1 问题的提出
近年来，随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国集中供热工程的规模不断扩大，目前的集中供热工程中，通过热力站间接连接的供热系统占有相当大的比例。热力站供热规模的确定是集中供热工程设计中一个非常常见的也是非常重要的问题。
一般说来，对于一定规模的供热系统，当单个热力站的供热规模较大时，热力站的数量减少，一级网的规模减小，相应的减少了热力站和一级网的初投资。同时由于二级网的规模扩大，增大了二级网的初投资，而且由于二级网的供回水温差小，相应的运行费用增加。相反，如果热力站的供热规模偏小，就会出现换热站和一级网的投资增加、二级网的投资减少运行费用减少的情况。
由于热力站的规模大小直接影响到工程的总投资和运行费用，因此如何选择热力站供热规模使其在经济上最合理，已经成了目前的一个热点问题。由于热网的形式千差万别，有些文献是以纯理论模型为依据进行优化，还有的则是完全以实际的工程为例进行分析。上述的研究结果显然都有一定的局限，本文是课题组在理论模型基础上结合实际多项工程统计数据进行修正后得出的结果，显然更具有实际意义。
2．目标函数的建立和管网模型的确定
2．1目标函数的建立
本文中热力站最佳供热规模的优化主要是经济上费用最低，采用年计算费用法作为经济评价的目标函数。其公式形式为：
(1)
式中 ——按动态法计算的年计算费用(万元/年);
K ——开始正常投产时的总投资额(万元);
C ——年运行费(万元/年);
——利率或采用部门的标准内部收益率，本文取8%;
m ——生产期(按国家有关规定选取)。
总投资费K用包括热源、热网（含检查井）和热力站三部分，热源部分投资计算时采用建设部颁发的城市供热热源投资估算指标（HGZ47-104-99）进行估算；热网投资采用建设部颁发的全国市政工程投资估算指标（HGZ47-102-96）进行估算。由于指标中的材料价格是按照北京市的1983年的价格编制，使用时要按规定调整到不同地区的现行材料价格标准。
年运行费用C包括燃料费、水费、电费、折旧费、大修理费、工资及福利费、材料费和其他费等八项。
2.1.1燃料费
燃料费是总成本中最主要的部分。
燃料费＝燃料消耗量×燃料价格
燃料消耗量 (1)
式中： —— 燃料消耗量(t)；
——总供热量(GJ)，含热损失在内；
——燃料的低位发热值(kJ/kg)；
——热源的热效率(%)；按不同热源的形式取定；
——热网的热效率(%)，本文取95%。
2.1.2水费
在热水的生产和输送过程中用于购买所消耗水的费用。单纯的供暖系统水的消耗主要是指系统的补水。
水费＝水消耗量×水价
闭式热力网补水装置的流量，不应小于供热系统循环流量的2%，事故补水量不应小于供热系统循环流量的4%。
2.1.3电费
在热水的生产、输送过程中，各种用电设备要消耗电能，电费成本的计算中用电设备主要考虑热源辅机耗电和热网热力站内的设备（主要是水泵）的耗电。
电费＝实际耗电量×电价
间接连接的一级网循环水泵的扬程应不小于热源、一级网、换热器的阻力损失和；二级网循环水泵扬程应不小于换热器、站内设备、主干线和最不利用户内部系统阻力损失之和。
补水泵的扬程按可从水压图上得出，一级网、二级网补水泵流量按循环水量的2%计取。
水泵功率 (2)
式中 ——水泵功率(kW)；
——水泵流量(t/h)；
——水泵扬程(Pa)；
——水的密度(kg/m3)，按平均温度100℃确定为958.38 kg/m3；
——水泵效率，取65%。
2.1.4材料费
材料费是指在热水的生产、输送过程中，维护管理所耗用的材料，备件低值易耗品的费用（燃料、水、电和大修理除外）。一般可参考供热企业的统计值，按总供热量估算。
材料费＝总供热量×单位供热量费用指标
2.1.5折旧费
是指固定资产在使用过程中因磨损而逐年转移到产品成本、商品流通费用中的那部分资金。通过折旧方式计入成本的那部分固定资产价值称为折旧费。
基本折旧费＝固定资产原值×基本折旧率
其中，固定资产原值＝(0.9～0.95)×工程项目总投资。供热工程项目基本折旧率采用4.8%（按服务期20年，净残值4%计算得出）。
2.1.6大修理费
大修理费 ＝固定资产原值×大修理费率。
大修理费率目前按2.5%计算。
2.1.7工资及福利费
生产和管理人员每人每年工资按10000元估算，福利费包括职工医疗费、福利基金、奖励基金等，按工资总额的14%估算。供热企业人员数可由可研编制中的定员确定，也可按单位供热量指标估算，指标一般为0.42～0.70人/（GJ/h）。
2.1.8其它费用
其他费用指上述7项中没有包括的成本费用，如办公费、差旅费、科研教育经费及生产流动资金贷款利息等。其他费用可参考同类企业的指标按单位供热量指标估算，也可按单位定员费用指标和职工人数估算。
2.2管网模型的确定
2.2.1理想模型
本文的计算中将以100万m2的小区为例进行优化分析。
由于热力站的供热规模在数学模型及物理模型中不可能是连续变化的，因此根据其供热面积特点，分别取25、20、16、12、10、8、6、5、4个热力站将其均分，建立理想化热网模型，通过对热网模型的统计计算得出热网的初投资、运行费用的计算结果，即得4、5、6.25、8.3、10、12.5、16.7、20、25万m2热力站供热规模情况下年费用的变化曲线。从中得到最优的热力站供热规模。
小区为100万m2供热面积，建筑密度为1.0。假定该工程为哈尔滨市未建成区，采用机械挖土，管道为预制保温管，直埋敷设。管道采用波纹管补偿器，该工程当年竣工。
综合面积热指标选取65W/m2。一级管网的设计供回水温度为130/80℃，二级管网的设计供回水温度为95/70℃。
在进行水力计算时，热源内部阻力采用15mH2O，最不利热力站的资用压力为15mH2O，热用户的资用压力为15mH2O，局部阻力当量长度百分数取30%。
外网热力站的布置方案及其供热规模方案如图1所示：
2.2.2实际模型
本文选取某供热地区的实际工程，热网平面图见图2。该工程的占地面积为99.2万m2，建筑面积为102.02万m2。该地区多数为民用住宅，有部分学校、医院、超市、商场等公共建筑，无重工业生产单位，中心地带有一占地2.5万m2的公园；多数建筑为5～7层的多层建筑，在部分地区有12～18层的高层建筑。热源位置定于整个地区西侧中央。该工程从外形上看与本文所选取的理想模型比较接近，道路比较规整。
本文依照城市热力网设计规范并遵循理想模型的设计原则对该工程进行相应热网设计，如图2所示。该设计依照原有地形及建筑物位置将该工程设立25个热力站，并进行了一级网和二级网的布线。

3 计算结果分析
理想模型和实际模型的计算结果限于篇幅，本文从略。通过实际模型与理想模型计算结果对比可以得如下修正：对于100万m2的理想模型，本文取一级网管网形状修正系数为1.2；二级网管网形状修正系数为2.0（限于篇幅，管网形状修正系数的计算过程略）。修正后的计算结果见表1、表2、表3。

(a) 供热规模4万m2 (b) 供热规模5万m2 (c) 供热规模6.25万m2

(d) 供热规模8.3万m2 (e) 供热规模10万m2 (f) 供热规模12.5万m2

(g) 供热规模16.7万m2 (h) 供热规模20万m2 (i) 供热规模25万m2
图1 理想的100万m2供热规模热力站布置图

图 2 实际工程热网平面布置图

表1总投资估算表 （万元）
序号
工程或费用名称
方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
方案6
方案7
方案8
方案9
一
建设工程费用
7175
7112
7020
6927
6792
6802
6858
6886
6970
1
热源工程
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
①
热水锅炉房
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2855
2
热网工程
4320
4257
4165
4072
3937
3947
4003
4031
4114
①
一级管网
1056
1056
976
937
838
818
689
686
632
②
检查井
64
63
62
61
58
58
59
60
61
③
二级管网
1378
1468
1607
1731
1796
2026
2392
2508
2709
④
热力站工程
1822
1670
1521
1344
1245
1044
862
777
712
二
预备费
718
711
702
693
679
680
686
689
697
三
固定资产投资
7893
7823
7722
7620
7471
7482
7544
7575
7667
四
流动资金
258
256
253
249
245
245
247
248
250
五
建设期贷款利息
446
442
436
430
422
422
426
428
433
六
工程总投资
8597
8521
8411
8299
8138
8149
8217
8250
8350

表2 年运行费用表 （万元）
序号
费用名称
方案1
方案2
方案3
方案4
方案5
方案6
方案7
方案8
方案9
1
燃料费
12323
1233
1233
1233
1233
1233
1233
1233
1233
2
水费
23.1
23.1
23.1
23.1
23.1
23.1
23.1
23.1
23.1
3
电费
62.7
63.9
66.5
58.8
64.5
66.9
66.3
67.3
67
4
材料费
52.8
52.8
52.8
52.8
52.8
52.8
52.8
52.8
52.8
5
折旧费
392
388.6
383.5
378.5
371.1
37106
374.7
376.2
380.8
6
大修理费
204.2
202.4
199.7
197.1
193.3
193.5
195.1
195.9
198.3
7
工资及福利
111.7
111.7
111.7
111.7
111.7
111.7
111.7
111.7
111.7
8
其它费
29.4
29.4
29.4
29.4
29.4
29.4
29.4
29.4
29.4
9
年运行费
2109
2105
2100
2084
2079
2082
2086
2089
2096

表Error! No text of specified style in document. 费用年值计算表 （万元）
方案
利率I
生产期m(年)
投资k
年经营费用
初投资折算值
费用年值
1
0.08
20
8596.9
2108.7
762.40
2841.10
2
0.08
20
8521.0
2104.7
725.88
2830.58
3
0.08
20
8410.5
2099.6
716.51
2816.11
4
0.08
20
8299.4
2084.2
706.94
2791.14
5
0.08
20
813705
2078.7
697.28
2775.98
6
0.08
20
8149.2
2081.9
694.25
2776.15
7
0.08
20
8216.6
2086.0
699.91
2785.91
8
0.08
20
8250.2
2089.3
702.82
2792.12
9
0.08
20
8350.2
2095.9
711.43
2807.33
4.建筑密度对于计算结果的影响
建筑密度是反映供热小区建筑面积集中程度的指标。是指一个地区总建筑密度与总占地面积的比值。在人口密集居住地区，规划小区的建筑密度相对较高。在北京建筑密度多在1.0～1.6之间。而在北方的中等城市中，城市中心地带建筑密度多在1.0～1.4之间，而在相对欠发达地区其建筑密度多小于1.0。在以前的研究中，一般忽视了建筑密度对于供热经济的影响，一般都是采用一个固定值计算。由于存在巨大的差异，其结果并不能很好地反映客观实际。
建筑密度的大小将会直接影响到本文中计算的结果。建筑密度较大工程相对于同等供热面积建筑密度较小的工程其供热管网的占地面积要少，这直接导致了供热管网造价的不同，而相对的其他部分造价不会出现较大的波动。因此，有必要针对不同的建筑密度进行热力站的规模优化。
本文所选取的算例中建筑密度的取值为1。在大型城市中建筑密度多在0.9～1.6之间，其中，1.1～1.4出现的比例较高；而在北方的多数中型城市中，建筑密度一般在0.5～1.4之间。因此本文选取0.5～1.6之间的12个建筑密度值进行分别计算，本文仍将以100万m2供热规模的工程为例，对其进行优化分析。
5.最优热力站供热规模
根据上述原则，经详细的对比分析计算，得出不同供热面积条件下的最优热力站规模详细结果见表4
表4 不同供热面积条件下的最优热力站规模 (万m2)
建筑密度
40万m2
60万m2
80万m2
100万m2
120万m2
150万m2
200万m2
0.5
2
7.5
8
10
10
12.5
12.5
0.6
4
7.5
8
10
10
12.5
12.5
0.7
4
8
8
10
10
12.5
12.5
0.8
5
8
8
10
10
12.5
12.5
0.9
5
8
8
10
10
12.5
12.5
1.0
6.7
8
8
10
10
12.5
12.5
1.1
8
8
8
10
10
12.5
12.5
1.2
8
10
8
12
12
15
15
1.3
10
10
10
12
12
15
15
1.4
10
12
15
15
15
15
15
1.5
10
12
15
15
15
15
18
1.6
15
15
15
18
18
18
20
上表的计算结果，基本上反映了最优热力站规模随小区总建筑面积的变化规律。
通过分析可以得出如下结论：
一定的建筑面积条件下，最优热力站规模随建筑密度的增大而增大；
一定的建筑密度条件下，最优热力站规模随建筑面积的增大而增大；
敏感性分析结果表明：最优热力站规模与钢材价格、电价和水价的变化关系不大；
影响最优热力站规模的重要因素是建筑密度和热网的布置形式。
执笔人：盛晓文