多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的應用性研究

1、多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的應用性研究天津市津安熱電有限公司 郭磊宏 雷春鳴 王永 胡少江 楊洪健摘要：本文對多熱源供熱系統(tǒng)應該注意的幾個問題進行了分析，并以天津市某熱電公司為例，闡述其管網(wǎng)運行現(xiàn)狀和遇到的問題，并著重從調(diào)峰熱源設置、熱負荷分配、運行和調(diào)解方案幾個方面出發(fā)，對此多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)做了應用性方案研究，得出多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱的可行性及其優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：多熱源聯(lián)網(wǎng) 調(diào)峰 運行調(diào)節(jié)1、引言 隨著供熱行業(yè)的快速發(fā)展，很多企業(yè)的供熱面積都達到了上千萬甚至上億平方米，所以供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和高效節(jié)能成為社會廣泛關(guān)注的問題。很多熱力公司都采用環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)以及在管網(wǎng)干線的適當位置增加關(guān)斷閥門等措施提高熱力管

2、網(wǎng)穩(wěn)定性，而多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱方式則更能實現(xiàn)節(jié)能、安全的目標。集中供熱系統(tǒng)的熱負荷主要隨室外溫度線性變化，根據(jù)室外溫度的變化規(guī)律一般將供熱期劃為供熱初期、嚴寒期和供熱末期三個階段，其中大部分時間運行在基本負荷下，只有一個月左右的時間即嚴寒期在尖峰負荷下運行。因此大型集中供熱系統(tǒng)都普遍采用設置調(diào)峰熱源來輔助供熱。這種對于室外溫度較低，熱負荷不足部分，采用其它方式補充高峰負荷的方式就是調(diào)峰。雖然尖峰負荷全年的運行時間少，但它的小時熱負荷值卻很大，一般要占到設計熱負荷（即最大熱負荷）的2050%左右。此外，當主熱源或個別峰荷熱源出現(xiàn)故障時，可啟動其它峰荷熱源以補償供熱量的不足。所以帶有調(diào)峰的多熱源供熱系

3、統(tǒng)是供熱行業(yè)今后發(fā)展方向。2、多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱運行注意的幾個問題2.1調(diào)峰熱源設置的原則1對于有多座峰荷熱源的聯(lián)合供熱系統(tǒng)，首先應啟用熱效率最高或離基本熱源最遠的峰荷熱源。當熱負荷進一步增大，現(xiàn)有供熱能力不足時，再啟用其余峰荷熱源。調(diào)峰熱源的個數(shù)不宜過多，容量不宜過小。調(diào)峰熱源的位置盡量遠離主熱源，在負荷比較集中的位置，并且相對主熱源大體均勻分布，以利于管網(wǎng)調(diào)節(jié)。2對聯(lián)合供熱系統(tǒng)進行網(wǎng)路水力計算時，應分析各個熱源的投入順序和狀況，對不同運行工況分別進行水力計算。如對管網(wǎng)中循環(huán)水泵的流量和揚程進行校核計算，進行輸配管網(wǎng)的可行性分析計算。3. 多熱源及環(huán)形網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度需在干管或環(huán)上的適當位置設置調(diào)節(jié)

4、閥門來調(diào)整各熱源的匹配，達到運行工況穩(wěn)定和最優(yōu)。例如對于多熱源環(huán)形網(wǎng)而言，在干管上設置并調(diào)小或關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，不僅不會降低管網(wǎng)的輸送能力，反而可以提高輸送能力，改善系統(tǒng)的水力工況。2.2 熱化系數(shù)的合理選擇在一個多熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)中，熱化系數(shù)a等于熱電廠最大供熱能力與系統(tǒng)設計熱負荷的比值，所以合理的熱化系數(shù)不但可以使熱電廠達到最佳經(jīng)濟效益，而且可在主熱源出現(xiàn)故障情況下，調(diào)峰熱源承擔熱用戶的部分熱負荷，起到備用熱源的作用，進而提高熱網(wǎng)系統(tǒng)的供熱可靠性。目前從我國的情況來看，以采暖供熱負荷為主的熱化系數(shù)應保持在0.50.7之間為合理。調(diào)峰系數(shù)的設置受初投資和年運行費用的雙重制約。在設有調(diào)峰熱源的供熱系

5、統(tǒng)中，在熱負荷一定的條件下，不同配置方案有不同的合理的熱化系數(shù)值，選取其中的最優(yōu)數(shù)值來確定調(diào)峰鍋爐房的容量，從而進一步確定調(diào)峰鍋爐單臺容量，同時也就確定了調(diào)峰鍋爐的臺數(shù)。2.3 多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的補水定壓問題因為多熱源聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中存在多個補水和定壓點，所以多點補水、多點定壓以及水力工況特性是聯(lián)網(wǎng)運行的重點，如果沒有合理準確的設定此項工作，則會大大降低運行效率，甚至系統(tǒng)出現(xiàn)倒空、串氣等安全隱患。假設基本熱源將定壓值確定在熱源出口回水壓力的高度上，當調(diào)峰熱源回水壓力高于此定壓值，則調(diào)峰熱源的補水裝置不能對系統(tǒng)補水。反之，若將定壓點設在調(diào)峰熱源處，則基本熱源補水點壓力升高，基本熱源停止補水。所以當聯(lián)網(wǎng)運

6、行時定壓點只有一處是有效的，其它均應處于關(guān)閉狀態(tài)，但僅設一處補水定壓點又易出現(xiàn)補水能力不足的問題。所以，多熱源聯(lián)網(wǎng)運行應根據(jù)實際情況和技術(shù)經(jīng)濟原則確定定壓點位置，由于供暖初期只有基本熱源運行，因此一般應在基本熱源處應設定壓裝置，將其余調(diào)峰補水定壓點改為只補水、不定壓便可解決上述問題。2.4管網(wǎng)水壓圖的繪制一般供暖始末期由基本熱源供熱，隨著室外溫度的降低，增加的負荷由調(diào)峰熱源補充，普遍執(zhí)行統(tǒng)一的溫度調(diào)節(jié)曲線，并采用量調(diào)節(jié)的方式。流量調(diào)節(jié)會不同程度的影響水力工況，所以一切的調(diào)節(jié)必須首先保證系統(tǒng)的安全壓力。此外，如果調(diào)峰熱源供水溫度與基本熱源不一致，則熱源間水力交匯點附近的用戶水溫波動很大，無法保證

7、正常供熱，所以水力工況點盡量離換熱站遠些。對于多熱源系統(tǒng)，應按熱源投產(chǎn)順序繪制每個熱源滿負荷運行時的主干線水壓圖及事故工況水壓圖。由于聯(lián)網(wǎng)運行是變流量調(diào)節(jié)，因此在水力工況分析前，要制定運行水溫調(diào)節(jié)曲線。根據(jù)室外溫度下的供回水溫度和負荷變化情況得出流量變化數(shù)據(jù)，特別是不同熱源投入時的數(shù)據(jù)，這樣才能繪制相應的水壓圖。2.5熱源循環(huán)泵的選型熱源循環(huán)泵選型要遵循以下原則: 首先，在多熱源供熱系統(tǒng)中，熱源循環(huán)泵宜選用變頻泵，不但調(diào)節(jié)靈活方便，還能有效降低運行能耗。但由于受熱源規(guī)模的約束，流量調(diào)節(jié)往往依靠調(diào)峰熱源增、減循環(huán)泵的臺數(shù)，這樣調(diào)峰熱源的熱費成本會更高，可從某一主熱源的多臺循環(huán)泵中選擇一臺做調(diào)速變

8、頻泵，既可以保證流量調(diào)節(jié)又能節(jié)約能源。其次，各熱源循環(huán)泵的揚程應基本一致，流量應根據(jù)各熱源負荷確定。熱電廠的循環(huán)泵應能滿足供熱初期和末期的流量，燃氣鍋爐房的循環(huán)泵除應能滿足滿負荷調(diào)峰時的流量之外，還應滿足在熱電廠事故狀態(tài)下的熱網(wǎng)最低流量。2.6 多熱源運行方式目前有串聯(lián)運行、切斷運行和并聯(lián)運行三種方式，在此主要討論常見的并聯(lián)運行和切斷運行。1. 并聯(lián)運行，在熱負荷高峰期主熱源供水和調(diào)峰熱源供出的熱水混合后同時送往外網(wǎng)用戶。所以并網(wǎng)運行中各熱源的溫度調(diào)節(jié)步驟應保持一致，該運行方式相當于分階段變流量質(zhì)調(diào)節(jié)運行。調(diào)峰熱源位置仍以熱網(wǎng)前部靠近熱源端為宜。 2. 切斷運行，在熱負荷高峰期把調(diào)峰熱源連同其

9、供熱范圍內(nèi)的用戶一起與主干線切斷而自成體系，進而減少了基本熱源的熱負荷。當調(diào)峰熱源距主熱源較遠或幾個調(diào)峰熱源比較分散時，宜采用切斷運行的連接方式。即調(diào)峰熱源只單獨對某一部分用戶供熱，平峰時全部用戶熱量均由主熱源提供；高峰期則把全部用戶中的某一部分與主熱源切斷，由調(diào)峰熱源單獨對其供熱。最大缺點是多熱源互補的優(yōu)勢沒有得以充分發(fā)揮。3 某供熱公司的熱源現(xiàn)狀、發(fā)展需求以及存在問題 天津市某熱電公司供熱規(guī)模約2162萬平方米，最大供熱管徑為DN1200，一次管網(wǎng)總長度480余公里，換熱站442余座，為16萬戶居民和公建用戶提供供熱服務。其熱源楊柳青熱電廠供熱設計能力為1232MW，除三期向楊柳青鎮(zhèn)供熱3

10、5MW，其余1197MW輸向中心城區(qū)。電廠原設計總流量13244T/H，經(jīng)首站改造后總流量提升至17000T/H。其中通往此熱電公司承擔的市區(qū)負荷最大實現(xiàn)流量約14000T/H，20122013采暖季運行參數(shù)已達到13200T/H，尖峰負荷達到798MW。另一路通向楊柳青鎮(zhèn)負荷流量約在3000 T/H，管網(wǎng)總輸出流量已接近上限。由于電廠設備和供熱管網(wǎng)老化，考慮到安全運行等因素，電廠實際運行最大供回水溫度120/60，達不到原設計的150/70，市區(qū)最大供給流量14000 T/H，即此供熱公司實際最大對外供熱能力976MW。十二五末期預計供熱規(guī)模面積達到3600萬，其中新開負荷約428萬，并網(wǎng)鍋

11、爐房16座，約1010萬。實際供熱建筑面積約3060萬，屆時總負荷達到1530 MW，仍差554MW的供熱能力缺口。所以熱源供熱能力日益緊缺的問題嚴重影響公司發(fā)展，設置調(diào)峰鍋爐房，形成多熱源聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是解決公司燃眉之急的有效措施。4.某公司管網(wǎng)熱負荷現(xiàn)狀分析及調(diào)峰運行方案4.1現(xiàn)狀分析此公司采用質(zhì)調(diào)節(jié)的運行方式，供回水溫度隨室外溫度做相應調(diào)度調(diào)整，20122013采暖季實際運行參數(shù)見下圖1。圖1在對多熱源的負荷分配進行分析時，首先應根據(jù)當?shù)夭煌彝鉁囟认孪鄳永m(xù)小時數(shù)的氣溫資料來繪制熱負荷延續(xù)時間圖。最常用的方法是采用無因次綜合公式數(shù)學方法來表示采暖熱負荷延續(xù)時間圖。如圖2所示。它可在無需詳盡氣

12、象資料的情況下，僅知道幾個參數(shù)就能繪制出年采暖熱負荷延續(xù)曲線。圖2熱負荷延續(xù)時間圖的數(shù)學表達式為：或式中 . 延續(xù)天數(shù)，即采暖季內(nèi)室外平均溫度等于或低于下的歷年平均天數(shù).采暖期總天數(shù) ,.無因次數(shù) .無因次延續(xù)天數(shù), .室內(nèi)保持溫度，取18.室外某一溫度.采暖室外計算溫度,取-9采暖期室外平均溫度,天津地區(qū)取-1.5采暖相對熱負荷 某一室外溫度下的采暖熱負荷,.采暖設計熱負荷根據(jù)以上公式和天津市氣象資料以及此熱電公司的實際運行情況可得出以下值： =134 =0.52 =0.62 =1.04 可由公式燃氣調(diào)峰鍋爐房投入運行延續(xù)時間為77天，具體熱網(wǎng)負荷的延續(xù)天數(shù)見下表1。表1室外計算溫度()室外

13、計算溫度段()該溫度段下的天數(shù)(d)累計延續(xù)時間(d)相對熱負荷比現(xiàn)狀采暖熱負荷（MW）十二五末最大采暖熱負荷（MW）-94151340.481432.9735.9 注：現(xiàn)狀采暖熱負荷按照1800萬計算，十二五末最大采暖熱負荷按照3060萬計算當主熱源達到最大供熱能力，也就是整個采暖系統(tǒng)的相對負荷等于該系統(tǒng)熱化系數(shù)a=976/1530=0.638時，即根據(jù)表1易算出當室外溫度降到0.8時，調(diào)峰熱源開始順次投入。天津市20122013采暖季實際天氣情況如圖3所示。圖3無因次計算負荷延續(xù)時間和實際氣象天數(shù)對比如表2，此處以采暖期室外平均溫度為準，以此來校正無因次延續(xù)時間數(shù)據(jù)的準確性。表2室外計算溫

14、度室外計算溫度段計算該溫度段下的天數(shù)計算累計延續(xù)天數(shù)實際階段氣象天數(shù)實際氣象延續(xù)天數(shù)-941513431134 圖4 圖5根據(jù)圖4易看出，無因次公式計算出的階段溫度天數(shù)，從極冷溫度到5成穩(wěn)步遞增狀。實際氣象參數(shù)顯示階段溫度相應的延續(xù)天數(shù)差異較大，尤其表現(xiàn)在實際天氣-2左右持續(xù)天數(shù)長，3左右持續(xù)天數(shù)短，4度以上氣溫持續(xù)天數(shù)較長。但從圖5可看出采暖期延續(xù)天數(shù)對比圖顯示這兩種方法整體趨勢基本一致，所以用無因次公式計算法預測未來供熱負荷變化及調(diào)峰運行誤差不大。繪制現(xiàn)狀管網(wǎng)小時熱負荷延續(xù)曲線以及相對應的年采暖熱負荷延續(xù)曲線見圖6和圖7。 圖6 圖7預計十二五末期實際供熱建筑面積達到3060萬，相對應的小

15、時熱負荷延續(xù)曲線及相年采暖熱負荷延續(xù)曲線見圖8和圖9。 圖8 圖9通過以上綜合可知在室外溫度0.8時，電廠達到滿負荷976MW，隨后調(diào)峰熱源依次投入。并根據(jù)無因次法得出的采暖負荷延續(xù)曲線圖進行調(diào)峰熱源的設置和運行調(diào)節(jié)。4.2調(diào)峰鍋爐房設置及運行方案此熱電公司按照天津市要求和公司發(fā)展規(guī)劃，計劃到“十二五”末期并網(wǎng)16座鍋爐房，其供熱規(guī)模面積約1010萬。根據(jù)地理位置和現(xiàn)有條件，考慮選擇五座鍋爐房作為調(diào)峰熱源，具體在楊電管網(wǎng)圖的位置見圖10。圖10調(diào)峰熱源有在一次網(wǎng)側(cè)和二次網(wǎng)側(cè)兩種設置方式。調(diào)峰熱源設置在一次網(wǎng)側(cè)常用的有兩種連接方式，并聯(lián)運行和切斷運行，其選擇依調(diào)峰熱源位置、主熱源的熱媒參數(shù)以及系

16、統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式等因素確定。由于大型熱網(wǎng)的調(diào)峰鍋爐啟停切換，運行調(diào)節(jié)比較困難，水利工況難以達到預想要求，同時由于熱慣性大，末端快速調(diào)節(jié)不易實現(xiàn)等原因?qū)е麓朔N設置的熱網(wǎng)調(diào)節(jié)難度大。調(diào)峰熱源設置在二次網(wǎng)側(cè)的供熱系統(tǒng)如圖11所示。由于鍋爐效率較熱電聯(lián)產(chǎn)效率低，尤其在采暖期初、末期室外氣溫較高時，熱源低負荷運行，主熱源部分負荷運行就可以滿足供熱要求；當室外氣溫較低時，主熱源滿負荷運行；當溫度持續(xù)降低則可采取主熱源滿負荷運行，同時開啟二級網(wǎng)側(cè)的調(diào)峰熱源。如果調(diào)峰熱源供熱能力充足，此時鍋爐也處于高效率運行階段，也可關(guān)閉一次網(wǎng)閥門，由其承擔全部負荷。換熱站二次側(cè)供水一部分泵送到調(diào)峰鍋爐中繼續(xù)加熱，另一部分經(jīng)旁通

17、管，與鍋爐出水混合后再供給熱用戶，相當于對二次網(wǎng)進行了供熱質(zhì)調(diào)節(jié)。且采用二級網(wǎng)調(diào)峰供熱可降低一級網(wǎng)的供熱設計負荷，保證一級網(wǎng)水力工況穩(wěn)定，減少輸送熱損。也可以在一次網(wǎng)出現(xiàn)事故時獨立運行，大大提高管網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。但此運行方式也因調(diào)峰熱源直供，所以水泵的的選型一定要合適，保證戶內(nèi)系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定與安全。圖11根據(jù)此熱電公司供熱管網(wǎng)及負荷的自身特點，以及綜臺考慮安全性、穩(wěn)定性、可實施性等因素，采用一次網(wǎng)側(cè)設置燃氣調(diào)峰熱源和二次網(wǎng)側(cè)設置燃氣調(diào)峰熱源兩種相結(jié)合的方式，調(diào)峰供熱負荷總計580MW，滿足“十二五”末期554MW的用熱缺口，超出的富余量是考慮存在低于設計溫度-9的天氣出現(xiàn)，以及提高事故補充熱源

18、的安全系數(shù)，具體調(diào)峰熱源設置見表3。表31號調(diào)峰熱源2號調(diào)峰熱源3號調(diào)峰熱源4號調(diào)峰熱源5號調(diào)峰熱源設置及 運行方式一次側(cè)并聯(lián)二次側(cè)并聯(lián)一次側(cè)切斷一次側(cè)并聯(lián)一次側(cè)切斷負荷數(shù)2*29MW2*29MW7*29MW7*29MW2*29MW各熱源的投運順序和投運時間按表4所示?？紤]到3號調(diào)峰熱源處于大學城高教區(qū)支干線附近，負荷較為獨立，且此調(diào)峰熱源距管網(wǎng)前段抽頭處有7Km長，輸送能耗損失較大，切斷運行可有效降低熱源動力消耗和提高管網(wǎng)末端資用壓頭，改善末端供熱效果，所以最先投入。此鍋爐房并網(wǎng)調(diào)峰后可負擔大學城及高新產(chǎn)業(yè)區(qū)近400萬平米的負荷。此外，由于此處負荷面積大，可考慮采用燃煤鍋爐房，增加經(jīng)濟效益。

19、5號調(diào)峰熱源處于管網(wǎng)末端，此處由于距熱源廠有17Km長，且由于管網(wǎng)覆蓋范圍廣，水利平衡調(diào)節(jié)手段落后，末端供熱效果不佳。此調(diào)峰熱源的切斷運行，可補充管網(wǎng)末端資用壓頭，減少輸送熱損，且對全網(wǎng)中前段運行調(diào)節(jié)影響不大，所以隨著天氣的降低，作為第二個調(diào)峰熱源投運。2號調(diào)峰熱源處于管網(wǎng)中前段，附近有約100萬平米的新開優(yōu)質(zhì)負荷，管網(wǎng)狀況利于在二次側(cè)設置調(diào)峰鍋爐，與一次網(wǎng)相互獨立運行，安全系數(shù)高且便于大網(wǎng)的整體調(diào)節(jié)，故作為第三個調(diào)峰熱源投入。1號和4號調(diào)峰熱源處于楊電二期管網(wǎng)入市管段的主要位置，對市中心供熱質(zhì)量有著重要影響，由于4號熱源的供熱能力大，考慮到供熱效率和調(diào)峰持續(xù)時間，所以4號熱源先投入，1號熱源最后投入。由于一次網(wǎng)側(cè)并聯(lián)運行方式，涉及到和大網(wǎng)聯(lián)合運行參數(shù)匹配等問題，運行調(diào)節(jié)相比較困難，所以最后投入。隨著氣溫的回升，結(jié)合熱負荷延續(xù)時間圖，各表4所示的調(diào)峰熱源投入次序倒序依次退出。表4投運次序熱源運行方式投運室外溫度/相對熱負荷比持續(xù)運行時間/d1電廠持續(xù)供熱5-90.48111341電廠單獨供熱50.80.4810.638572燃氣鍋爐房3啟用0.8-90.6381773燃氣鍋爐房5啟用-2.81-90.7711404燃氣鍋爐房2啟用-3.82-9