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.中國電力工程顧問集團有限公司，北京 100120；2.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林 長春 130021；3.中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，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)一個容量最大的熱源故障時，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)負供熱面積的一個重要參數(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)計標準的規(guī)定

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

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

(1)對于純凝式汽輪機應(yīng)一機配一爐。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量宜與汽輪機調(diào)節(jié)閥全開時的進汽量相匹配。

(2)對于供熱式汽輪機宜一機配一爐。當(dāng)1臺容量最大的蒸汽鍋爐停用時，其余鍋爐的對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%(嚴寒地區(qū)取上限)的冬季采暖、通風(fēng)及生活用熱量要求時，可由其他熱源供給。

《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(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)計中，應(yīng)根據(jù)GB50660－2011第5.3.1條的規(guī)定進行集中供熱系統(tǒng)熱源安全備用容量(主要是鍋爐容量)的校核，在對可行性研究、初步設(shè)計文件審查時，熱源安全備用容量是審查的重點內(nèi)容。表1是對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)對于3×300 MW(及三臺機組以上的)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)我國最多見的是單熱源2×300 MW級熱電廠，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亞臨界機組和350 MW超臨機組兩種情況考慮。供熱機組TMCR工況下的供熱能力見表2。

表2 供熱機組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)從擴大供熱能力入手。

3 目前存在的問題

設(shè)計單位在執(zhí)行GB50660－2011第5.3.1條(以下簡稱531條款)時，會遇到以下兩個問題：

第一，我國集中采暖區(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%(嚴寒地區(qū)取上限)，缺少細化規(guī)定，選擇范圍大，不好執(zhí)行。

第二，前期設(shè)計需根據(jù)531條款校核，熱源備用系數(shù)過大，增加備用熱源的投資，尤其對于以2×300 MW級熱電廠為主要供熱熱源的集中供熱系統(tǒng)。例如：長春地區(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臺容量最大的鍋爐停用時，選擇70%的熱源備用系數(shù)，其余鍋爐的對外供汽能力應(yīng)達到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54萬元計算，需花費約10800萬元建設(shè)備用熱源。在實際供熱工程中，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%。

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

4 我國的氣候分區(qū)

我國地處北溫帶，幅員遼闊，氣候差異懸殊。為了區(qū)分我國氣候條件，我國相關(guān)規(guī)范中按環(huán)境溫度劃分了中國氣候分區(qū)。我國現(xiàn)行設(shè)計標準《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》(GB50176－93)從建筑熱工設(shè)計的角度出發(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，累年日平均溫度≤5°和≥25°的天數(shù)作為輔助指標，將全國劃分成五個區(qū)，即嚴寒、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氣候分區(qū)及代表性城市。注：在我國，只有嚴寒A、B地區(qū)和寒冷地區(qū)需進行集中供暖，因此表3只列出嚴寒A、B地區(qū)和寒冷地區(qū)。

表3 我國按冷暖度劃分的氣候分區(qū)

利用并仿照我國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)細化選擇的基礎(chǔ)，簡單、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，在運行中可能發(fā)生的故障如下：

(1)鍋爐故障，會減少供熱量，與熱源備用有直接關(guān)系，可能構(gòu)成公共安全事件。這類故障多會產(chǎn)生較嚴重的后果，是引起供暖系統(tǒng)安全事故的最主要故障。對于供熱電廠，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，備用泵與運行泵宜分別接在不同段的電源母線上。

(3)熱電廠汽機故障，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)泵一臺故障，可啟動備用泵，與熱源備用無關(guān)。

(5)熱電廠熱網(wǎng)首站的一臺熱網(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%)，僅對供熱系統(tǒng)長期經(jīng)濟運行有影響，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)按單一故障準則考慮(即：不考慮幾種故障同時發(fā)生迭加，因其同時出現(xiàn)的機率很少)。最為嚴重的一種故障是鍋爐故障，降低供熱量，此時熱網(wǎng)可暫時低溫運行，如果故障排除時間過長，應(yīng)啟動備用調(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、補償器、閥門泄漏。一次主干管網(wǎng)上的故障對供熱系統(tǒng)威脅影響較大，影響所在主干管道所擔(dān)負的全部用戶，可能構(gòu)成公共安全事件。

建設(shè)行業(yè)標準《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條(簡稱509條款)對此做出以下規(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)濟合理時，熱力網(wǎng)干線宜連接成環(huán)狀管網(wǎng)。

②對供熱可靠性有特殊要求的用戶，有條件時應(yīng)由兩個熱源供熱，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)計時，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、補償器、閥門泄漏。是局部問題，只影響故障點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條文所針對的問題，與熱源備用無關(guān)，只能采取行政管理措施應(yīng)對。

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條款所針對的重點。

當(dāng)故障時，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。

對此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的任先超碩士做過一個建筑房間事故工況下冷卻過程的試驗研究。對于北京地區(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℃所需時間為167 h(7 d)。限額供熱系數(shù)B＝0.55時，所需時間為111 h(4.62 d)；B＝0.5時，所需時間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，應(yīng)考慮以下問題：

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

(2)事故延續(xù)時間，根據(jù)經(jīng)驗以72 h為宜。

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

(4)對于低于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)計規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條的思路，對于北緯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)的三個方案，分別見表5、表6、表7。

表5 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案一

表6 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案二

表7 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案三

7.3 三個方案的特點

方案一特點：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：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：熱源備用系數(shù)的范圍75%～60%，與原規(guī)定531條款相同。

在三個方案中，推薦采用第一方案。

7.4 實際案例

石家莊地區(qū)(t＝－6.2℃)，一個2×300 MW級的熱電廠，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)意見對熱源備用系數(shù)選擇方案進行修改細化后，寫進下述設(shè)計標準和設(shè)計手冊。

(1)電力行業(yè)標準《熱電廠供熱首站設(shè)計規(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)行國家標準《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》(GB50660－2011)和《小型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》(GB50049－2011)中的有關(guān)條文。

(3)電力工程(系列)設(shè)計手冊之《集中供熱設(shè)計手冊》(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”。

(4)修訂現(xiàn)行設(shè)計手冊《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃與設(shè)計手冊》(中國電力出版社，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)計手冊[K]．北京：中國電力出版社，2009．

[3] 李善化，等．實用集中供熱手冊[K]．北京：中國電力出版社，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．