熱網混水技術在供熱安全及熱電解耦中的研究及工程應用

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致的供熱質量下降隱患，實現廠內兩期供熱系統互聯互備，提升供熱系統安全可靠性，提出了一種應用于承擔大面積、分單元、多區域供熱任務的熱電聯產機組的一次熱網混水技術及系統，并以某4×300MW供熱機組為研究對象，進行了混水裝置結構設計及系統集成，實現了工程應用。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逐步下降趨勢。設置混水裝置引起整個熱網循環水系統阻力升高約1m。熱網混水系統可以實現熱負荷的廠內靈活轉移，在保證對外供熱負荷不變的情況下全廠總最低發電負荷可降低約31～32MW。

關鍵詞：供熱質量;互聯互備;熱網混水;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

國家發改委、能源局、財政局等多部門聯合下發的《北方地區冬季清潔取暖規劃（2017-2021）》認為，清潔燃煤集中供暖是實現環境保護與成本壓力平衡的有效方式，在未來較長時期內，在多數北方城市地區、縣城和城鄉結合部應作為基礎性熱源使用。整合城鎮地區供熱管網，在已形成的大型熱力網內，鼓勵不同類型熱源一并接入，實現互聯互通，提高供熱可靠性[1]?！稛犭娐摦a管理辦法》對供熱可靠性的具體為：地方政府應積極探索供熱管理體制改革，著力整合當地供熱資源，支持配套熱網工程建設和老舊管網改造工程，加快推進供熱區域熱網互聯互通[2]。

提升供熱安全、保障供熱質量是涉及到百姓安居樂業的重大民生課題，是供熱領域的重點發展方向。然當前關于提升供熱系統安全可靠性的研究及應用主要側重于二次網-用戶側[3～10]，關于熱源-一次網側的相關研究，鮮有公開報道。

借鑒二次網-用戶側應用成熟的混水技術，本文提出一種應用于承擔大面積、分單元、多區域供熱任務的熱電聯產機組的一次熱網混水技術及系統，并以某4×300MW熱電聯產機組為技術依托，進行了多熱源互聯互備技術路線比較，進行了熱網混水設備設計及系統集成，實現了工程應用。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參考。

1多熱源互聯互備技術

1.1依托機組概況

某熱電聯產機組共建有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加熱器加熱熱網循環水的供熱模式，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節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機組構成一期熱力管網，#3和#4機組構成二期熱力管網，一次熱網水流量均為10000t/h。兩期管網各自承擔所在市區不同供熱區域，供熱面積分別為1400萬m2，兩期管網單元制運行，無任何聯絡。

該配置模式下兩期管網供熱系統不能實現有效互聯互備，若某臺機組故障停機，所在管網供水溫度大幅降低，對居民正常生活及熱電聯產機組的企業形象造成不利影響。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，導致一期供熱質量急劇下降。在此背景下，進行兩期供熱系統互聯互備技術改造以提升供熱安全可靠性，顯得尤為必要且迫在眉睫。主要技術路線有蒸汽互聯和熱網混水兩種。

1.2蒸汽互聯

四臺機組供熱蒸汽、疏水系統均為單元制運行。廠內蒸汽互聯改造方案為：新建一根供熱蒸汽母管，其規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置聯絡管道及配套閥門。為保障蒸汽聯絡后的機組汽水平衡，需同步進行疏水系統聯絡改造：新建一根供熱疏水母管，其規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置聯絡管道及配套閥門。系統示意見圖1。

1.3熱網混水

從兩期供水母管各設置等規格的熱網水管道，將兩期熱網加熱器出水引至新設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供水進行無溫差混合后，再引至兩期各自的供水母管。系統示意見圖2。

1.4技術對比

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，認為熱網混水方案具有改造工程量小、系統簡單、運行維護量小等優勢，建議選擇。

2混水裝置設計

混水裝置是本方案的核心設備，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構，頂側部設置熱水進水口和冷水進水口，切向對向進入交叉接觸式換熱，底側部設置出水口?；焖b置結構示意如圖3所示。

國內尚未有大型供熱混水項目經驗可借鑒，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，通過優化對比得到混水裝置的結構設計。

2.1網格無關性驗證

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

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

2.2進水方向對出口溫差和進出口壓差影響特性

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°進行結構設計，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，引起熱網循環水系統系統管阻增加約1m;進口角度增加至75°，進出口壓差約5kPa，折合熱網循環水系統阻力變化約0.5m。接觸式混水裝置對整個熱網系統水阻的影響很小。

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?？梢钥闯觯ㄟM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，熱質交換更為充分;隨著高度增加到某一臨界值，結構因素對換熱效果的影響作用達到極限?；焖b置結構設計應根據制造工藝、結構穩定性、流量變化適應性等角度進行綜合優化。

2.4混水裝置結構設計及系統配置

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，進出水管道規格為DN600。

設計工況為某期單機運行，另一期雙機正常運行，冷水側流量10000t/h、進水溫度75℃，熱水側進水流量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，冷水側流量10000t/h、進水溫度50℃，熱水側進水流量10000t/h、進水溫度110℃。出口溫差為0.98℃。

3 工程應用與效果分析

3.1 運行效果

改造工程于2018年10月31日完成，改造后混水系統整個供熱期長周期投運。11月17日運行數據見圖7。一期兩機停運，熱網水流量8000t/h，混水前熱網供水溫度45.25℃，混水后熱網供水溫度72.11℃;二期兩機正常運行，電功率分別為187MW、200MW，熱網水流量9800t/h，混水前熱網供水溫度93.84℃，混水后熱網供水溫度71.14℃。混水裝置出口溫差低于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，可實現熱量傳遞348MW，按綜合供熱指標42W/m2計算，嚴寒期可承擔830萬m2供熱面積。故混水系統可有力保障全廠供熱安全。

3.3混水系統對全廠深度調峰能力的有力提升

電力調度控制中心對發電機組電負荷的調度方式為單臺機組調控，設置混水系統可以實現熱負荷的廠內靈活轉移，進而可以進一步提升全廠的深度調峰能力。

供熱初期，總供熱負荷為611.52MW，兩期各承擔305.76MW。設置混水裝置前每期各維持一臺機組運行。設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413.95MW。設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。設置混水裝置后可充分發揮低壓缸零出力供熱技術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588MW。設置混水裝置前每期需維持兩臺機組運行。設置混水裝置后可充分發揮低壓缸零出力供熱技術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。