熱網(wǎng)混水技術(shù)在供熱安全及熱電解耦中的研究及工程應(yīng)用

劉濤 孫少強 王紅宇 曹智杰 王堯

摘 要：為了消除因某臺機組故障停運導(dǎo)致的供熱質(zhì)量下降隱患，實現(xiàn)廠內(nèi)兩期供熱系統(tǒng)互聯(lián)互備，提升供熱系統(tǒng)安全可靠性，提出了一種應(yīng)用于承擔(dān)大面積、分單元、多區(qū)域供熱任務(wù)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的一次熱網(wǎng)混水技術(shù)及系統(tǒng)，并以某4×300MW供熱機組為研究對象，進行了混水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了工程應(yīng)用。定罐體高度，隨著進口角度增加，混水裝置出口溫差呈逐步增加趨勢，進出口壓差呈逐步降低趨勢。定進口角度，出口溫差和進出口壓差隨罐體高度增加均呈現(xiàn)逐步下降趨勢。設(shè)置混水裝置引起整個熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)阻力升高約1m。熱網(wǎng)混水系統(tǒng)可以實現(xiàn)熱負荷的廠內(nèi)靈活轉(zhuǎn)移，在保證對外供熱負荷不變的情況下全廠總最低發(fā)電負荷可降低約31～32MW。

關(guān)鍵詞：供熱質(zhì)量;互聯(lián)互備;熱網(wǎng)混水;進口角度;高度;熱電解耦

Abstract： In order to eliminate the sharp decline of heating quality caused by the shutdown of a unit， realize the interconnection and mutual alternate of the two heating systems， and Improve the safety and reliability of the total heating system， a circulating heating water mixing technology appied in cogeneration unit affording heating duty of large area， multi-cell and multi-region was proposed. Taking the 4×300MW subcritical cogeneration unit as the technical support， structural design of mixing device and system integration was carried out， and the engineering application was realized. For a fixed tank height， outlet temperature difference shows a gradual increase trend， while pressure difference of inlet and outlet shows a opposite feature. For a fixed inlet angle， outlet temperature difference and pressure difference both show a gradual decrease trend. System resistance of the circulating heating water system increases by about 1m. The mixing system can realise flexible transfer of heat load among units， and reduce the minimum output by 31～32MW for a fixed total heat load.

Key words：heating quality;interconnection and alternate;heating water mixing;inlet angle;tank height;thermoelectric decoupling

國家發(fā)改委、能源局、財政局等多部門聯(lián)合下發(fā)的《北方地區(qū)冬季清潔取暖規(guī)劃（2017-2021）》認為，清潔燃煤集中供暖是實現(xiàn)環(huán)境保護與成本壓力平衡的有效方式，在未來較長時期內(nèi)，在多數(shù)北方城市地區(qū)、縣城和城鄉(xiāng)結(jié)合部應(yīng)作為基礎(chǔ)性熱源使用。整合城鎮(zhèn)地區(qū)供熱管網(wǎng)，在已形成的大型熱力網(wǎng)內(nèi)，鼓勵不同類型熱源一并接入，實現(xiàn)互聯(lián)互通，提高供熱可靠性[1]?！稛犭娐?lián)產(chǎn)管理辦法》對供熱可靠性的具體為：地方政府應(yīng)積極探索供熱管理體制改革，著力整合當?shù)毓豳Y源，支持配套熱網(wǎng)工程建設(shè)和老舊管網(wǎng)改造工程，加快推進供熱區(qū)域熱網(wǎng)互聯(lián)互通[2]。

提升供熱安全、保障供熱質(zhì)量是涉及到百姓安居樂業(yè)的重大民生課題，是供熱領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。然當前關(guān)于提升供熱系統(tǒng)安全可靠性的研究及應(yīng)用主要側(cè)重于二次網(wǎng)-用戶側(cè)[3～10]，關(guān)于熱源-一次網(wǎng)側(cè)的相關(guān)研究，鮮有公開報道。

借鑒二次網(wǎng)-用戶側(cè)應(yīng)用成熟的混水技術(shù)，本文提出一種應(yīng)用于承擔(dān)大面積、分單元、多區(qū)域供熱任務(wù)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組的一次熱網(wǎng)混水技術(shù)及系統(tǒng)，并以某4×300MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組為技術(shù)依托，進行了多熱源互聯(lián)互備技術(shù)路線比較，進行了熱網(wǎng)混水設(shè)備設(shè)計及系統(tǒng)集成，實現(xiàn)了工程應(yīng)用。本文研究成果可為后期開展的提升供熱安全可靠性提供技術(shù)參考。

1多熱源互聯(lián)互備技術(shù)

1.1依托機組概況

某熱電聯(lián)產(chǎn)機組共建有4臺300MW抽凝汽式汽輪機（命名為#1、#2、#3、#4），采用中排抽汽至熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的供熱模式，最大供熱負荷為390MW;后期3號機組實施了基于供熱能力和電出力調(diào)節(jié)能力雙重提升的低壓缸零出力供熱改造，最大供熱負荷為451MW。#1和#2機組構(gòu)成一期熱力管網(wǎng)，#3和#4機組構(gòu)成二期熱力管網(wǎng)，一次熱網(wǎng)水流量均為10000t/h。兩期管網(wǎng)各自承擔(dān)所在市區(qū)不同供熱區(qū)域，供熱面積分別為1400萬m2，兩期管網(wǎng)單元制運行，無任何聯(lián)絡(luò)。

該配置模式下兩期管網(wǎng)供熱系統(tǒng)不能實現(xiàn)有效互聯(lián)互備，若某臺機組故障停機，所在管網(wǎng)供水溫度大幅降低，對居民正常生活及熱電聯(lián)產(chǎn)機組的企業(yè)形象造成不利影響。如#1機組因故停運，一期供水溫度由100℃降至75℃，二期兩機正常運行，供水溫度100℃，但無法對一期供熱管線形成有效支援，導(dǎo)致一期供熱質(zhì)量急劇下降。在此背景下，進行兩期供熱系統(tǒng)互聯(lián)互備技術(shù)改造以提升供熱安全可靠性，顯得尤為必要且迫在眉睫。主要技術(shù)路線有蒸汽互聯(lián)和熱網(wǎng)混水兩種。

1.2蒸汽互聯(lián)

四臺機組供熱蒸汽、疏水系統(tǒng)均為單元制運行。廠內(nèi)蒸汽互聯(lián)改造方案為：新建一根供熱蒸汽母管，其規(guī)格按照單機最大供熱蒸汽流量配置。四臺機組供熱蒸汽母管和新建的蒸汽母管分別設(shè)置聯(lián)絡(luò)管道及配套閥門。為保障蒸汽聯(lián)絡(luò)后的機組汽水平衡，需同步進行疏水系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)改造：新建一根供熱疏水母管，其規(guī)格按照單機最大疏水流量配置;四臺機組疏水母管和新建的疏水母管分別設(shè)置聯(lián)絡(luò)管道及配套閥門。系統(tǒng)示意見圖1。

1.3熱網(wǎng)混水

從兩期供水母管各設(shè)置等規(guī)格的熱網(wǎng)水管道，將兩期熱網(wǎng)加熱器出水引至新設(shè)置的雙進雙出的接觸式混水裝置，通過混水裝置將兩期熱網(wǎng)供水進行無溫差混合后，再引至兩期各自的供水母管。系統(tǒng)示意見圖2。

1.4技術(shù)對比

從改造工程范圍、投資、實施難度、運行安全及維護等角度進行了綜合對比，認為熱網(wǎng)混水方案具有改造工程量小、系統(tǒng)簡單、運行維護量小等優(yōu)勢，建議選擇。

2混水裝置設(shè)計

混水裝置是本方案的核心設(shè)備，主要性能指標為進出口壓差、出口溫差等。

混水裝置采用雙進雙出的圓柱體結(jié)構(gòu)，頂側(cè)部設(shè)置熱水進水口和冷水進水口，切向?qū)ο蜻M入交叉接觸式換熱，底側(cè)部設(shè)置出水口。混水裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

國內(nèi)尚未有大型供熱混水項目經(jīng)驗可借鑒，采用Fluent軟件模擬流場，得到裝置高度、進水角度對出口溫差、壓損的影響特性，通過優(yōu)化對比得到混水裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1網(wǎng)格無關(guān)性驗證

以筒高度為4m為例，將網(wǎng)格數(shù)從3萬增加到83萬，得到出水口溫度差異變化見圖4。

30萬以上網(wǎng)格出水口溫度差異波動很小，本文計算取60萬網(wǎng)格，即可認為得到真解。

2.2進水方向?qū)Τ隹跍夭詈瓦M出口壓差影響特性

進水口的連接管與水平面的夾角表征了冷水來流和熱水來流的熱質(zhì)交換效果。

熱水溫度110℃、流量10000t/h;冷水溫度50℃、流量10000t/h。罐體直徑2m、3m和4m，分別計算了0°、15°、30°、45°、60°、75°下的出口溫差和壓損變化特性，結(jié)果如圖5、6所示。

隨著進口角度增加，出口溫差呈逐步增加趨勢。進口角度為0°，熱水來流和冷水來流對向進入，換熱最為充分，出口溫差最小。按進口角度0°進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，可取得換熱效果最大化。

隨著進口角度增加，進出口壓差呈逐步下降趨勢。進口角度為0°，進出口壓差約10kPa，引起熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)系統(tǒng)管阻增加約1m;進口角度增加至75°，進出口壓差約5kPa，折合熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)阻力變化約0.5m。接觸式混水裝置對整個熱網(wǎng)系統(tǒng)水阻的影響很小。

2.3 罐體高度對出口溫差和進出口壓差影響特性

罐體高度對出口溫差和進出口壓差的影響特性見5、6?？梢钥闯?，定進口角度條件下，出口溫差和進出口壓差隨罐體高度增加均呈現(xiàn)逐步下降趨勢，但這種下降趨勢隨著高度進一步增加呈逐步漸緩趨勢。主要原因在于，罐體高度越高，從進口至出口的距離增加，熱質(zhì)交換更為充分;隨著高度增加到某一臨界值，結(jié)構(gòu)因素對換熱效果的影響作用達到極限。混水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)制造工藝、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、流量變化適應(yīng)性等角度進行綜合優(yōu)化。

2.4混水裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)配置

約定混水裝置罐體直徑與高度的比值不大于0.6，罐體直徑不小于進水口管道直徑的3倍。設(shè)置四組混水裝置，混水裝置高度3m，直徑1.8m。按照平均分配原則，單個混水裝置流量2500t/h，進出水管道規(guī)格為DN600。

設(shè)計工況為某期單機運行，另一期雙機正常運行，冷水側(cè)流量10000t/h、進水溫度75℃，熱水側(cè)進水流量10000t/h、進水溫度100℃。出口溫差為0.57℃。

校核工況為某期雙機停運，另一期雙機正常運行，冷水側(cè)流量10000t/h、進水溫度50℃，熱水側(cè)進水流量10000t/h、進水溫度110℃。出口溫差為0.98℃。

3 工程應(yīng)用與效果分析

3.1 運行效果

改造工程于2018年10月31日完成，改造后混水系統(tǒng)整個供熱期長周期投運。11月17日運行數(shù)據(jù)見圖7。一期兩機停運，熱網(wǎng)水流量8000t/h，混水前熱網(wǎng)供水溫度45.25℃，混水后熱網(wǎng)供水溫度72.11℃;二期兩機正常運行，電功率分別為187MW、200MW，熱網(wǎng)水流量9800t/h，混水前熱網(wǎng)供水溫度93.84℃，混水后熱網(wǎng)供水溫度71.14℃?；焖b置出口溫差低于1℃，二期向一期傳遞熱量249.49MW。

3.2混水系統(tǒng)對供熱安全的有力保障

極端情況，某期兩臺機組全部停運，另一期兩臺機組鍋爐滿出力運行，按照混水前后溫差30℃核算，可實現(xiàn)熱量傳遞348MW，按綜合供熱指標42W/m2計算，嚴寒期可承擔(dān)830萬m2供熱面積。故混水系統(tǒng)可有力保障全廠供熱安全。

3.3混水系統(tǒng)對全廠深度調(diào)峰能力的有力提升

電力調(diào)度控制中心對發(fā)電機組電負荷的調(diào)度方式為單臺機組調(diào)控，設(shè)置混水系統(tǒng)可以實現(xiàn)熱負荷的廠內(nèi)靈活轉(zhuǎn)移，進而可以進一步提升全廠的深度調(diào)峰能力。

供熱初期，總供熱負荷為611.52MW，兩期各承擔(dān)305.76MW。設(shè)置混水裝置前每期各維持一臺機組運行。設(shè)置混水裝置后每期仍需維持一臺機組運行。維持對外供熱負荷不變的情況下全廠最低電負荷基本不變。

供熱平均期，總供熱負荷為827.90MW，兩期各承擔(dān)413.95MW。設(shè)置混水裝置前一期維持兩臺機組運行，二期僅需維持3號機組運行即可。設(shè)置混水裝置后可充分發(fā)揮低壓缸零出力供熱技術(shù)的供熱能力提升作用，此時全廠僅需維持兩臺機組運行即可。維持對外供熱負荷不變的情況下全廠最低電負荷可下降31.8MW。

供熱供熱嚴寒期，總供熱負荷為1176MW，兩期各承擔(dān)588MW。設(shè)置混水裝置前每期需維持兩臺機組運行。設(shè)置混水裝置后可充分發(fā)揮低壓缸零出力供熱技術(shù)的供熱能力提升作用，此時全廠僅需維持三臺機組運行即可。維持對外供熱負荷不變的情況下全廠最低電負荷可下降32.28MW。詳見表3。