熱電廠集中供熱系統(tǒng)熱源備用系數(shù)的選擇

康 慧，郭曉克， 白鋒軍 ， 趙連東， 馮愛華

(1.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)有限公司，北京 100120；2.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

集中供熱系統(tǒng)熱源備用系數(shù)(又稱熱源安全可靠性系數(shù))的定義：在集中供熱系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)容量最大的熱源故障時(shí)，其余熱源所提供熱量占總熱量的比值。

熱源備用系數(shù)影響熱電廠所擔(dān)負(fù)供熱面積的一個(gè)重要參數(shù)，并與熱電廠的能源利用效率有較大關(guān)系，本文探討熱電廠集中供熱系統(tǒng)熱源備用系數(shù)的選擇問題。

1 現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50660－2011)第5.3.1條：

鍋爐的臺(tái)數(shù)及容量與汽輪機(jī)的臺(tái)數(shù)及容量的匹配應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)對(duì)于純凝式汽輪機(jī)應(yīng)一機(jī)配一爐。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量宜與汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥全開時(shí)的進(jìn)汽量相匹配。

(2)對(duì)于供熱式汽輪機(jī)宜一機(jī)配一爐。當(dāng)1臺(tái)容量最大的蒸汽鍋爐停用時(shí)，其余鍋爐的對(duì)外供汽能力若不能滿足熱力用戶連續(xù)生產(chǎn)所需的100%生產(chǎn)用汽量和60%－75%(嚴(yán)寒地區(qū)取上限)的冬季采暖、通風(fēng)及生活用熱量要求時(shí)，可由其他熱源供給。

《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50049－2011)也有相同的敘述。本文只討論供暖的情況，不討論生產(chǎn)用汽的情況。

在上述條文中，60%～75%就是集中供熱系統(tǒng)熱源的備用系數(shù)。對(duì)于以熱電廠為主要熱源的集中供熱系統(tǒng)，在集中供熱工程的前期設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)GB50660－2011第5.3.1條的規(guī)定進(jìn)行集中供熱系統(tǒng)熱源安全備用容量(主要是鍋爐容量)的校核，在對(duì)可行性研究、初步設(shè)計(jì)文件審查時(shí)，熱源安全備用容量是審查的重點(diǎn)內(nèi)容。表1是對(duì)幾類典型熱源組和的安全備用容量的校核表。

表1 集中供熱系統(tǒng)熱源安全備用容量校核

(1)對(duì)于3×300 MW(及三臺(tái)機(jī)組以上的)的單熱源供熱系統(tǒng)，是最理想的熱源組合，可滿足熱源備用的要求。但由于條件所限，大多數(shù)熱電廠不能具備這種條件。

(2)對(duì)于熱電廠與其他熱源組合的多熱源供熱系統(tǒng)，一般可滿足熱源備用的要求。

(3)我國(guó)最多見的是單熱源2×300 MW級(jí)熱電廠，其熱源備用問題最應(yīng)引起注意。

2 熱電廠的供熱能力

按照300 MW亞臨界機(jī)組和350 MW超臨機(jī)組兩種情況考慮。供熱機(jī)組TMCR工況下的供熱能力見表2。

表2 供熱機(jī)組TMCR工況下的供熱能力

表2給出的可供熱面積是理論上的最大面積，由于各種原因所限，各熱電廠的實(shí)際供熱面積要少20%～30%，但從今后發(fā)展看，提高熱電廠的能源利用效率主要應(yīng)從擴(kuò)大供熱能力入手。

3 目前存在的問題

設(shè)計(jì)單位在執(zhí)行GB50660－2011第5.3.1條(以下簡(jiǎn)稱531條款)時(shí)，會(huì)遇到以下兩個(gè)問題：

第一，我國(guó)集中采暖區(qū)從北緯50度到北緯35度，部分地區(qū)統(tǒng)一規(guī)定熱源備用系數(shù)取60%～75%(嚴(yán)寒地區(qū)取上限)，缺少細(xì)化規(guī)定，選擇范圍大，不好執(zhí)行。

第二，前期設(shè)計(jì)需根據(jù)531條款校核，熱源備用系數(shù)過大，增加備用熱源的投資，尤其對(duì)于以2×300 MW級(jí)熱電廠為主要供熱熱源的集中供熱系統(tǒng)。例如：長(zhǎng)春地區(qū)某熱電廠理論供熱能力1000 t/h(蒸噸)，按531條款規(guī)定：當(dāng)1臺(tái)容量最大的鍋爐停用時(shí)，選擇70%的熱源備用系數(shù)，其余鍋爐的對(duì)外供汽能力應(yīng)達(dá)到700 t/h(蒸噸)，如果為了維持理論供熱能力1000 t/h(蒸噸)，需建設(shè)200 t/h(蒸噸)的備用熱源；按每1蒸噸燃煤鍋爐房投資估算約54萬元計(jì)算，需花費(fèi)約10800萬元建設(shè)備用熱源。在實(shí)際供熱工程中，由于多種原因，建設(shè)方很難在熱電廠外建設(shè)調(diào)峰和備用熱源，為了滿足531條款的規(guī)定，只能少帶供熱面積，此例只能按714 t/h(蒸噸)的供熱能力帶供熱面積。比理論供熱能力約降低28%。

以下將對(duì)影響集中供熱熱源備用系數(shù)的相關(guān)因素進(jìn)行分析，并提出選擇方案。

4 我國(guó)的氣候分區(qū)

我國(guó)地處北溫帶，幅員遼闊，氣候差異懸殊。為了區(qū)分我國(guó)氣候條件，我國(guó)相關(guān)規(guī)范中按環(huán)境溫度劃分了中國(guó)氣候分區(qū)。我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50176－93)從建筑熱工設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，用累年最冷月(一月)和最熱月(七 月)平均溫度作為分區(qū)主要指標(biāo)，累年日平均溫度≤5°和≥25°的天數(shù)作為輔助指標(biāo)，將全國(guó)劃分成五個(gè)區(qū)，即嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區(qū)。表3是按溫度條件劃分的我國(guó)氣候分區(qū)及代表性城市。注：在我國(guó)，只有嚴(yán)寒A、B地區(qū)和寒冷地區(qū)需進(jìn)行集中供暖，因此表3只列出嚴(yán)寒A、B地區(qū)和寒冷地區(qū)。

表3 我國(guó)按冷暖度劃分的氣候分區(qū)

利用并仿照我國(guó)按冷暖程度劃分氣候分區(qū)的原則作為供熱熱源備用系數(shù)細(xì)化選擇的基礎(chǔ)，簡(jiǎn)單、明確、易操作，符合一般技術(shù)人員的思維邏輯和選擇慣例，其具體內(nèi)容將在本文的第7部分介紹。

5 集中供暖系統(tǒng)故障分析

根據(jù)531條款，應(yīng)考慮熱源故障問題，以下分別列舉集中供暖系統(tǒng)可能發(fā)生的故障。

5.1 供熱熱源故障

供熱熱源包括熱電廠和供熱廠，在運(yùn)行中可能發(fā)生的故障如下：

(1)鍋爐故障，會(huì)減少供熱量，與熱源備用有直接關(guān)系，可能構(gòu)成公共安全事件。這類故障多會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果，是引起供暖系統(tǒng)安全事故的最主要故障。對(duì)于供熱電廠，在無其他熱源的情況下，供熱電廠的第一期工程，不宜將單臺(tái)鍋爐作為供熱熱源。

(2)熱電廠或供熱廠某段母線電氣故障，導(dǎo)致熱網(wǎng)泵、補(bǔ)水定壓泵失去電源，可能構(gòu)成公共安全事件，但與熱源備用無關(guān)。應(yīng)考慮停電故障問題，備用泵與運(yùn)行泵宜分別接在不同段的電源母線上。

(3)熱電廠汽機(jī)故障，可使用減溫減壓器供汽，與熱源備用無關(guān)，一般不構(gòu)成公共安全事件。

(4)熱電廠熱網(wǎng)首站的循環(huán)泵一臺(tái)故障，可啟動(dòng)備用泵，與熱源備用無關(guān)。

(5)熱電廠熱網(wǎng)首站的一臺(tái)熱網(wǎng)加熱器故障，剩余的熱網(wǎng)加熱器可以滿足70%的(最大)負(fù)荷，與熱源備用無關(guān)。

(6)熱電廠或供熱廠內(nèi)部的管道部件及小設(shè)備損壞，屬于短期可修復(fù)性事故，與熱源備用無關(guān)。

(7)熱網(wǎng)失水量過大(一般應(yīng)保證熱網(wǎng)失水量不大于總循環(huán)水量的2%)，僅對(duì)供熱系統(tǒng)長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有影響，與熱源備用無關(guān)。

(8)供熱系統(tǒng)突然超壓故障，應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置超壓泄壓裝置，與熱源備用無關(guān)。

上述八種故障，應(yīng)按單一故障準(zhǔn)則考慮(即：不考慮幾種故障同時(shí)發(fā)生迭加，因其同時(shí)出現(xiàn)的機(jī)率很少)。最為嚴(yán)重的一種故障是鍋爐故障，降低供熱量，此時(shí)熱網(wǎng)可暫時(shí)低溫運(yùn)行，如果故障排除時(shí)間過長(zhǎng)，應(yīng)啟動(dòng)備用調(diào)峰熱源和備用熱源、或其他應(yīng)急措施。

5.2 一次管網(wǎng)故障

(1)一次主干管網(wǎng)上的故障，可能是管道、補(bǔ)償器、閥門泄漏。一次主干管網(wǎng)上的故障對(duì)供熱系統(tǒng)威脅影響較大，影響所在主干管道所擔(dān)負(fù)的全部用戶，可能構(gòu)成公共安全事件。

建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條(簡(jiǎn)稱509條款)對(duì)此做出以下規(guī)定：

①供熱建筑面積大于1000×l04m2的供熱系統(tǒng)應(yīng)采用多熱源供熱，且各熱源熱力干線應(yīng)連通。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理時(shí)，熱力網(wǎng)干線宜連接成環(huán)狀管網(wǎng)。

②對(duì)供熱可靠性有特殊要求的用戶，有條件時(shí)應(yīng)由兩個(gè)熱源供熱，或者設(shè)置自備熱源。

③供熱系統(tǒng)的主環(huán)線或多熱源供熱系統(tǒng)中熱源間的連通干線設(shè)計(jì)時(shí)，各種事故工況下的最低供熱量保證率應(yīng)符合表4的規(guī)定。并應(yīng)考慮不同事故工況下的切換手段。

表4 事故工況下的最低供熱量保證率

(2)一次分支管網(wǎng)上的故障，可能是管道、補(bǔ)償器、閥門泄漏。是局部問題，只影響故障點(diǎn)所在分支管道以下的用戶，與熱源備用無關(guān)，不構(gòu)成公共安全事件。

5.3 換熱站、二次管網(wǎng)、用戶的故障

局部問題，與熱源備用無關(guān)。

5.4 其他因素可能引發(fā)的問題

(1)由氣候奇寒引發(fā)的燃料供應(yīng)問題。

(2)大型熱電廠缺煤停止供熱。

(3)供熱企業(yè)瀕臨倒閉停止供熱。

以上因素可能引發(fā)公共安全問題，但不是GB50660－2011第5.3.1條文所針對(duì)的問題，與熱源備用無關(guān)，只能采取行政管理措施應(yīng)對(duì)。

5.5 集中供熱系統(tǒng)故障歸納

綜上所述，鍋爐和主干管網(wǎng)故障是大型集中供暖系統(tǒng)可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障，可能構(gòu)成公共安全事件，表4是531條款和509條款所針對(duì)的重點(diǎn)。

當(dāng)故障時(shí)，應(yīng)防止兩種現(xiàn)象：

(1)防止供熱系統(tǒng)中的循環(huán)水冰凍，不停止主循環(huán)泵運(yùn)行和少量供熱，即可保不冰凍。

(2)防止熱用戶室溫過快的降低到住戶難以忍受的程度。

6 熱用戶室溫下降涉及的因素

熱用戶室溫下降涉及以下因素：

(1)當(dāng)?shù)氐臍夂騾?shù)，不同緯度地區(qū)不一樣。

(2)發(fā)生故障時(shí)的室外氣溫。

(3)熱用戶房間的保溫性能，房間朝向。

(4)故障延續(xù)的時(shí)間。

(5)事故情況下，住戶可以忍受的室溫，最低允許溫度限值。

(6)事故情況下，限額供熱量的大小，等等。

對(duì)此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任先超碩士做過一個(gè)建筑房間事故工況下冷卻過程的試驗(yàn)研究。對(duì)于北京地區(qū)(t＝－9℃)，限額供熱系數(shù)(即熱源備用系數(shù))B＝0.6，頂層北向房間(最不利房間)室溫冷卻到10℃所需時(shí)間為167 h(7 d)。限額供熱系數(shù)B＝0.55時(shí)，所需時(shí)間為111 h(4.62 d)；B＝0.5時(shí)，所需時(shí)間86 h(3.58 d)。

7 熱源備用系數(shù)的選擇方案

7.1 應(yīng)考慮的問題

在選擇集中供熱系統(tǒng)的熱源備用系數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮以下問題：

(1)對(duì)于不同緯度地區(qū)，在取值范圍上應(yīng)做出更細(xì)的規(guī)定，采用各城市冬季室外采暖計(jì)算溫度作為劃分范圍的基礎(chǔ)。

(2)事故延續(xù)時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以72 h為宜。

(3)室溫最低允許溫度為10℃，一般情況下，事故時(shí)，可能低于這一限值的熱用戶比例不多。

(4)對(duì)于低于10℃的熱用戶，可考慮采用其他應(yīng)急措施。

(5)參考《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條的思路，對(duì)于北緯40度以下的地區(qū)，盡量選擇較低的熱源備用系數(shù)，使北京及以南地區(qū)的熱源備用系數(shù)不高于55%。

7.2 我國(guó)供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的推薦方案

根據(jù)上述內(nèi)容，提出我國(guó)集中供暖區(qū)主要城市的集中供熱系統(tǒng)熱源備用系數(shù)的三個(gè)方案，分別見表5、表6、表7。

表5 我國(guó)供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案一

表6 我國(guó)供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案二

表7 我國(guó)供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案三

7.3 三個(gè)方案的特點(diǎn)

方案一特點(diǎn)：熱源備用系數(shù)的范圍65%～50%，比原規(guī)定(531條款)上下限各降低10%。

方案二特點(diǎn)：熱源備用系數(shù)的范圍75%～50%，比原規(guī)定(531條款)上限不變，下限降低10%。

方案三特點(diǎn)：熱源備用系數(shù)的范圍75%～60%，與原規(guī)定531條款相同。

在三個(gè)方案中，推薦采用第一方案。

7.4 實(shí)際案例

石家莊地區(qū)(t＝－6.2℃)，一個(gè)2×300 MW級(jí)的熱電廠，熱源備用系數(shù)分別取60%(方案三)、50%(方案一、二)，不考慮在熱電廠外建設(shè)調(diào)峰和備用熱源。計(jì)算該熱電廠理論上可承擔(dān)的供熱面積，見表8。

表8 按不同熱源備用系數(shù)計(jì)算的理論供熱面積

從表8中可知：按不同熱源備用系數(shù)計(jì)算，石家莊地區(qū)理論上的可供熱面積相差264(萬m2)，約占總供熱面積的20%。

8 應(yīng)做的工作

對(duì)于本文的主要內(nèi)容，應(yīng)充分征求各行業(yè)意見，并根據(jù)意見對(duì)熱源備用系數(shù)選擇方案進(jìn)行修改細(xì)化后，寫進(jìn)下述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)。

(1)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《熱電廠供熱首站設(shè)計(jì)規(guī)程》(正在編制中)，把熱源備用系數(shù)選擇的內(nèi)容寫入第三章“基本規(guī)定”。

(2)修訂現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50660－2011)和《小型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50049－2011)中的有關(guān)條文。

(3)電力工程(系列)設(shè)計(jì)手冊(cè)之《集中供熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》(正在編制中)，把熱源備用系數(shù)選擇的內(nèi)容寫入第六章“調(diào)峰和備用熱源設(shè)計(jì)”。

(4)修訂現(xiàn)行設(shè)計(jì)手冊(cè)《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計(jì)手冊(cè)》(中國(guó)電力出版社，2014年)，把熱源備用系數(shù)選擇的內(nèi)容寫入第四章“熱電廠集中供熱熱源”。

[1] 郭曉克，等．集中供暖系統(tǒng)調(diào)峰熱源研究[J]．區(qū)域供熱，2015，(2)．

[2] 楊旭中，等．熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃設(shè)計(jì)手冊(cè)[K]．北京：中國(guó)電力出版社，2009．

[3] 李善化，等．實(shí)用集中供熱手冊(cè)[K]．北京：中國(guó)電力出版社，2006．

[4] 任先超．建筑房間事故工況下冷卻過程的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006．