太原市多熱源深度聯(lián)網(wǎng)運行分析

姬克丹

(太原市熱力集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030000)

0 引言

太原市現(xiàn)狀供熱已形成12大熱網(wǎng)的運行模式，在成立總調(diào)度室對熱網(wǎng)系統(tǒng)進行集中統(tǒng)一調(diào)度發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀熱網(wǎng)存在初末寒期基礎(chǔ)熱源供熱能力較為充裕，而熱網(wǎng)負(fù)荷區(qū)域有限；嚴(yán)寒期熱源緊張，調(diào)峰熱源啟動時間長、各熱網(wǎng)間切換頻繁，影響用戶供熱質(zhì)量。為解決上述問題，亟需對管網(wǎng)運行方式進一步優(yōu)化，發(fā)揮統(tǒng)一調(diào)度優(yōu)勢，提高安全性和經(jīng)濟性。

多熱源聯(lián)網(wǎng)運行在節(jié)能、降低運行成本方面具有顯著優(yōu)勢，還可提高系統(tǒng)的可調(diào)性及可靠性[1]，學(xué)者[2-4]從仿真模擬方面對多熱源聯(lián)網(wǎng)運行提供理論指導(dǎo)，北京、鄭州[5]、天津[6]等地已實現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)運行。太原市供熱面積為2.35億m2，如何更好的調(diào)配熱源、實現(xiàn)多熱源深度聯(lián)網(wǎng)，對熱網(wǎng)運行的經(jīng)濟性和安全性顯得尤為重要。

1 太原市多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的必要性

太原熱力集團供熱面積為1.92億m2，已形成“多源”“多能”的能源方式?！岸嘣础敝饕笩犭娐?lián)產(chǎn)和工業(yè)余熱的基礎(chǔ)熱源8座，大型調(diào)峰熱源廠6座，分布式燃?xì)庹{(diào)峰熱力站73座；“多能”主要是熱源廠：燃?xì)?座、燃煤1座、燃煤燃?xì)饣旌?座，另外還有少量的空氣源熱泵等其他能源方式。從熱源構(gòu)成來看，熱電聯(lián)產(chǎn)熱源占比為70%左右，燃?xì)鉄嵩凑急葹?1%左右，燃煤熱源占比為8%～10%左右，調(diào)峰熱源滿足20%的配備要求。從供熱成本來看，熱電聯(lián)產(chǎn)及工業(yè)余熱供熱成本低于燃煤鍋爐，僅為燃?xì)忮仩t的13%。

太原市供熱目前面臨以下幾方面問題：一是燃?xì)夤岢杀据^高，年供熱面積1 000萬m2燃?xì)夤岢杀九c6 600萬m2的 熱電聯(lián)產(chǎn)供熱成本相當(dāng)；二是燃煤熱源廠受環(huán)保限制，無法按需啟動；三是現(xiàn)行燃?xì)夤?yīng)體制導(dǎo)致出現(xiàn)階段性供需不平衡；四是太原市整體供需平衡，但受運行壓力、分布式變頻泵(配合主循環(huán)泵為用戶提供資用壓頭)配備等的影響，出現(xiàn)區(qū)域性不平衡現(xiàn)象；五是熱網(wǎng)間負(fù)荷切換頻繁，影響管網(wǎng)系統(tǒng)運行安全及使用壽命；六是熱源熱網(wǎng)故障時，系統(tǒng)調(diào)整靈活性不高。

為解決上述問題，對太原市以8大基礎(chǔ)熱源為主、燃煤燃?xì)庹{(diào)峰為輔的12大熱網(wǎng)重新進行負(fù)荷分配調(diào)整，實現(xiàn)初末寒期低成本熱源最大能力輸出，高成本熱源(如燃?xì)?盡量降低供熱負(fù)荷，調(diào)峰熱源、基礎(chǔ)熱源聯(lián)網(wǎng)運行。太原市目前已形成以東中環(huán)、西中環(huán)、南中環(huán)、北中環(huán)為主的環(huán)狀管網(wǎng)，多熱源管網(wǎng)已實現(xiàn)互聯(lián)互通，具備進一步深度聯(lián)網(wǎng)運行的條件。

2 太原市多熱源聯(lián)網(wǎng)運行負(fù)荷平衡分析

太原市現(xiàn)狀全網(wǎng)日均失水量較大，在事故工況下，安全隱患較大，而現(xiàn)狀除太古熱網(wǎng)具備實現(xiàn)快速隔離的條件，其余熱網(wǎng)均未實現(xiàn)快速隔離。為此，在泄漏監(jiān)測快速定位及隔離功能暫未實現(xiàn)的前提下，為保證系統(tǒng)安全，現(xiàn)階段太原市暫未考慮多熱源全域聯(lián)網(wǎng)運行，而是綜合考慮系統(tǒng)的承壓、高差、解列嚴(yán)密性、管網(wǎng)流量限制、熱負(fù)荷分配等問題，以滿足基礎(chǔ)熱源和調(diào)峰熱源的聯(lián)網(wǎng)運行為條件，同時將現(xiàn)狀原燃?xì)饣A(chǔ)熱源CN熱源廠承擔(dān)負(fù)荷，劃分至太古熱網(wǎng)、二電熱網(wǎng)、華能東山熱網(wǎng)，形成多個多熱源聯(lián)網(wǎng)運行的系統(tǒng)。熱網(wǎng)調(diào)整如下:

1)原嘉節(jié)小店熱網(wǎng)、南部熱網(wǎng)、晉源熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；2)原太古熱網(wǎng)、城西熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行；3)原瑞光熱網(wǎng)、東峰熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行；4)原二電熱網(wǎng)與城南熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行；5)原華能東山熱網(wǎng)、白家莊熱網(wǎng)，因高程偏高，暫未考慮聯(lián)網(wǎng)。調(diào)整后熱網(wǎng)區(qū)域劃分情況如圖1所示。調(diào)整后，太古熱網(wǎng)供熱面積最大達7 400余萬m2，其余熱網(wǎng)在1 000萬m2～3 000萬m2左右。

各區(qū)域劃分后，因不同區(qū)域室外氣溫不一致，實際熱指標(biāo)也相應(yīng)做差異化調(diào)整。對負(fù)荷區(qū)域內(nèi)供需平衡進行分析，嚴(yán)寒期啟動CN熱源廠及分散式調(diào)峰熱力站，基本可滿足供熱要求。調(diào)峰熱源的啟動聯(lián)網(wǎng)運行條件以基礎(chǔ)熱源的供熱能力為依據(jù)，負(fù)荷切換條件以熱網(wǎng)整體供熱能力為依據(jù)。

根據(jù)熱負(fù)荷平衡分析，僅太古熱網(wǎng)嚴(yán)寒期需切換負(fù)荷，其余熱網(wǎng)通過啟動調(diào)峰熱源或分散式調(diào)峰熱力站即可滿足運行要求，二電熱網(wǎng)啟動城南熱源廠后，用于承擔(dān)太古熱網(wǎng)的切換負(fù)荷。各熱網(wǎng)調(diào)峰熱源在室外溫度低于-1 ℃需逐步啟動，調(diào)峰熱源以分散式調(diào)峰熱力站、集中式調(diào)峰熱源廠按序啟動，在室外溫度低于-6 ℃需切換負(fù)荷(見表1)。

表1 熱負(fù)荷分析

3 多熱源聯(lián)網(wǎng)運行水力分析

3.1 太古熱網(wǎng)

3.1.1 太古熱網(wǎng)水力分析

太古熱網(wǎng)供熱面積占太原市總供熱面積的1/3，熱網(wǎng)范圍內(nèi)大溫差機組的配置比例達70%，為了進一步降低熱網(wǎng)回水溫度，采用能源站對熱網(wǎng)回水集中降溫，回水溫度降低后，同時提升太古長輸熱網(wǎng)的輸送效率和電廠余熱利用率，增加零碳供熱比例，提升太古熱網(wǎng)供熱能力。

太古熱網(wǎng)供熱范圍廣，主要以主循環(huán)泵和熱力站分布式變頻泵的模式運行，供熱面積增加后，需調(diào)整分布式變頻泵。初末寒期以XN電廠承擔(dān)負(fù)荷，嚴(yán)寒期啟動CX熱源廠聯(lián)網(wǎng)運行(見表2)。對熱網(wǎng)進行水力分析，結(jié)果如表3所示。

表2 太古熱網(wǎng)參數(shù)設(shè)置

表3 太古熱網(wǎng)水力工況

水力工況分析結(jié)果表明，各類工況下，熱網(wǎng)系統(tǒng)運行最高壓力均在1.3 MPa及以上。初末寒期，切換城南131萬m2負(fù)荷后，對熱網(wǎng)水力工況影響較小，切換城南802萬m2后，熱網(wǎng)水力工況極差，最不利工況點壓差達-27.8 mH2O。嚴(yán)寒期聯(lián)網(wǎng)運行(工況三)水力工況明顯優(yōu)于解列運行(工況四)，尤其是熱網(wǎng)前端原千峰路、文興路水力工況較解列運行明顯好轉(zhuǎn)(見圖2)，無需啟動分布式變頻泵即可滿足運行要求，水力交匯區(qū)域主要是北中環(huán)至迎澤大街(見圖3)。

從分布式變頻泵更改/增設(shè)情況來看，工況一新切換至太古熱網(wǎng)的3座熱力站(733，309，310A)現(xiàn)狀分布式變頻泵無法滿足，其余熱力站分布式變頻泵均可滿足水力要求；工況二，熱網(wǎng)系統(tǒng)需要啟動分布式變頻泵575座，其中城南需要加壓泵揚程在20 m～50 m之間，現(xiàn)狀熱力站有134座熱力站無法滿足要求，需更改增設(shè)數(shù)量較多；雙塔西街熱力站需加壓泵揚程為10 m～30 m，現(xiàn)狀熱力站分布式變頻泵有41座無法滿足；工況四聯(lián)網(wǎng)運行較工況四相比，嚴(yán)寒期分布式變頻泵啟動數(shù)量較多，因新增城南部分熱網(wǎng)負(fù)荷，且水路由雙塔西街至城南管理區(qū)域，原體育路以東親賢北街負(fù)荷的分布式變頻泵、雙塔西街部分熱力站無法滿足要求，需要更新調(diào)配。全網(wǎng)需增設(shè)/更換分布式變頻泵的熱力站數(shù)量為67座。

3.1.2 實際運行效果分析

多熱源聯(lián)網(wǎng)運行面臨的主要問題是在新增熱源投入后，對熱網(wǎng)系統(tǒng)可能會造成一定的沖擊。2020年—2021年采暖季運行期間，實施了太古熱網(wǎng)、城西熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，聯(lián)網(wǎng)試驗操作閥門期間，中繼能源站、CX熱源廠壓力、流量無明顯波動。熱源廠因高程較中繼能源站偏低，供回壓力由0.8 MPa/0.33 MPa升至1.12 MPa/0.55 MPa，中繼能源站供回壓力維持在0.8 MPa/0.2 MPa，熱網(wǎng)壓力較高區(qū)域未改變，最不利熱力站分布式變頻泵運行頻率由45 Hz降至37 Hz，水力工況得到改善。聯(lián)網(wǎng)升流量試驗期間，提升輔熱源流量，僅增加輔熱源的資用壓差(增加7 mH2O)和流量(增加15%)，主熱源資用壓差基本不變、流量降低1%；提升主熱源流量對輔熱源壓差影響較大，在主熱源資用壓差增加4 mH2O、流量增加7%的情況下，輔熱源資用壓差減少6 mH2O、流量降低2.5%。

此次試驗證明聯(lián)網(wǎng)運行期間，新熱源的并入不會造成熱網(wǎng)系統(tǒng)波動，主熱源對熱網(wǎng)系統(tǒng)的運行流量、壓差起決定性作用。

3.2 南部熱網(wǎng)

原南部熱網(wǎng)在實際運行期間，為保證清徐運行資用壓差，2號中繼泵站供水、回水泵調(diào)整受限，建議清徐熱力站增設(shè)分布式變頻泵，以提升全網(wǎng)的可調(diào)性。此外熱源波動一方面導(dǎo)致電子街至富康街負(fù)荷頻繁在原嘉節(jié)小店熱網(wǎng)和原南部熱網(wǎng)間切換，另一方面造成平衡系統(tǒng)紊亂。原南部、嘉節(jié)小店熱網(wǎng)有2處基礎(chǔ)熱源(GJ電廠、JJ電廠)和2處調(diào)峰熱源(XD熱源廠、JY熱源廠)，若采用嘉節(jié)、小店、國錦、晉源聯(lián)網(wǎng)運行方式，將可有效解決上述問題。

對熱源聯(lián)網(wǎng)運行，現(xiàn)狀熱源能力可滿足負(fù)荷需求，無需啟動JY熱源廠即可滿足運行要求(見表4)。水力結(jié)果表明，聯(lián)網(wǎng)運行后，因定壓問題，XD熱源廠回水壓力較原解列運行方式下偏低，運行期間需合理調(diào)整。從水力交匯區(qū)域來看，熱網(wǎng)水力交匯點為原嘉節(jié)熱網(wǎng)和南部熱網(wǎng)的分割區(qū)域，GJ電廠主要承擔(dān)昌盛街以南負(fù)荷，XD熱源廠主要承擔(dān)昌盛街至電子街負(fù)荷，同時向北與JJ電廠共同承擔(dān)電子街以北負(fù)荷，熱網(wǎng)最不利區(qū)域為平陽路南內(nèi)街區(qū)域(見圖4，圖5)。

表4 南部熱網(wǎng)水力工況

3.3 二電熱網(wǎng)

原二電熱網(wǎng)以TE電廠和TG電廠余熱為主要熱源，此區(qū)域未設(shè)置調(diào)峰熱源，實際熱網(wǎng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)恢復(fù)時間長，影響范圍廣。為減小故障對熱網(wǎng)的影響，將CN熱源廠設(shè)置為該區(qū)域的調(diào)峰熱源，一方面可降低CN熱源廠的出力，另一方面，二電熱網(wǎng)無需切換負(fù)荷、啟動分布式變頻泵即可滿足運行要求。

相關(guān)水力分析參數(shù)如表5所示，二電熱網(wǎng)新增350余 萬平方米的供熱負(fù)荷后，熱網(wǎng)資用壓差均大于0 mH2O，考慮站內(nèi)損失后，有41座熱力站需啟動分布式變頻泵，主要集中在迎澤大街與雙塔街新增負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，原二電熱網(wǎng)設(shè)有中繼泵站，也可考慮分布式變頻泵與中繼泵站聯(lián)合運行的方式。TE電廠和CN熱源廠聯(lián)網(wǎng)運行，水力工況明顯改善(見圖6)，熱網(wǎng)最不利點資用壓差達17 mH2O，整體資用壓差基本維持在20 mH2O～40 mH2O 之間；熱網(wǎng)水力交匯區(qū)域(如圖7所示)與解列運行區(qū)域基本一致，迎澤南街以北負(fù)荷由TE電廠承擔(dān)，迎澤南街以南負(fù)荷由CN熱源廠承擔(dān)。

表5 二電熱網(wǎng)水力工況

3.4 瑞光熱網(wǎng)

原瑞光熱網(wǎng)與東峰熱網(wǎng)解列運行，在RG電廠供熱能力欠缺100萬m2左右時，受管網(wǎng)通路限制，需調(diào)峰熱源DF熱源廠切換500余萬m2負(fù)荷。為解決上述問題，嚴(yán)寒期可實行瑞光、東峰熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行。

原瑞光熱網(wǎng)初末寒期和嚴(yán)寒期均無需啟動分布式變頻泵，嚴(yán)寒期采用瑞光、東峰并網(wǎng)的方式運行。初末寒期及嚴(yán)寒期水力結(jié)果如表6，圖8，圖9所示，經(jīng)分析，此熱網(wǎng)范圍內(nèi)熱力站均無需啟動分布式變頻泵。并網(wǎng)運行期間，東峰熱源廠主要承擔(dān)太榆路以東、中心街以北區(qū)域負(fù)荷。水力工況較差區(qū)域主要集中在太榆路。

表6 瑞光熱網(wǎng)水力工況

4 多熱源深度聯(lián)網(wǎng)運行經(jīng)濟分析

采用多熱源深度聯(lián)網(wǎng)運行方式后，因熱網(wǎng)系統(tǒng)互聯(lián)互通性提高，熱網(wǎng)水力工況得到明顯改善，熱源也可按照供熱成本按需選擇?，F(xiàn)狀各類型熱源綜合供熱成本(含水、電、熱)在8.5元/GJ～120元/GJ，成本排序如下：工業(yè)余熱<熱電聯(lián)產(chǎn)<燃煤熱源廠<燃?xì)鉄嵩磸S。聯(lián)網(wǎng)運行后，熱源以熱電聯(lián)產(chǎn)作為主要熱源，減少了CN熱源廠燃?xì)饣A(chǔ)熱源的用氣量，極大提升熱網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，按照各熱燃煤、燃?xì)饧盁犭娐?lián)產(chǎn)單位成本及相應(yīng)的加權(quán)供熱面積，計算采暖季綜合供熱成本，經(jīng)分析，綜合供熱成本較2020年—2021年采暖季降低17%(如表7所示)。

表7 聯(lián)網(wǎng)運行供熱成本 %

5 結(jié)論與建議

1)太原市現(xiàn)狀熱源基本可滿足整體供熱需求，結(jié)合熱源、管網(wǎng)設(shè)置、系統(tǒng)承壓、快速隔離等因素，按照熱電聯(lián)產(chǎn)基礎(chǔ)熱源配備調(diào)峰熱源的模式，將現(xiàn)狀太原市12大熱網(wǎng)調(diào)整為6大熱網(wǎng)，形成以4大熱網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行的模式(太古熱網(wǎng)、二電熱網(wǎng)、南部熱網(wǎng)、瑞光熱網(wǎng))，聯(lián)網(wǎng)運行后熱網(wǎng)水力工況整體優(yōu)于解列運行。

2)太古熱網(wǎng)單網(wǎng)面積最大，達7 400余萬平方米，需以主循環(huán)泵+分布式變頻泵的方式運行以降低運行成本，供熱負(fù)荷增加后，應(yīng)合理考慮增設(shè)和更改分布式變頻泵。其余聯(lián)網(wǎng)運行熱網(wǎng)無需啟動分布式變頻泵。

3)聯(lián)網(wǎng)運行后，因最大程度發(fā)揮了基礎(chǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)熱源在初末寒期的能力，尤其是XN電廠和TG電廠的余熱利用比例的提升，充分發(fā)揮零碳能源供熱優(yōu)勢，同時，燃煤燃?xì)獗壤档?，進一步減少了碳排放，降低熱網(wǎng)能耗，綜合供熱成本降低。