熱電廠集中供熱系統熱源備用系數的選擇

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計院有限公司，陜西 西安 710075)

集中供熱系統熱源備用系數(又稱熱源安全可靠性系數)的定義：在集中供熱系統中，當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。

熱源備用系數影響熱電廠所擔負供熱面積的一個重要參數，并與熱電廠的能源利用效率有較大關系，本文探討熱電廠集中供熱系統熱源備用系數的選擇問題。

1 現行設計標準的規定

《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660－2011)第5.3.1條：

鍋爐的臺數及容量與汽輪機的臺數及容量的匹配應符合下列規定：

(1)對于純凝式汽輪機應一機配一爐。鍋爐的最大連續蒸發量宜與汽輪機調節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生產所需的100%生產用汽量和60%－75%(嚴寒地區取上限)的冬季采暖、通風及生活用熱量要求時，可由其他熱源供給。

《小型火力發電廠設計規范》(GB50049－2011)也有相同的敘述。本文只討論供暖的情況，不討論生產用汽的情況。

在上述條文中，60%～75%就是集中供熱系統熱源的備用系數。對于以熱電廠為主要熱源的集中供熱系統，在集中供熱工程的前期設計中，應根據GB50660－2011第5.3.1條的規定進行集中供熱系統熱源安全備用容量(主要是鍋爐容量)的校核，在對可行性研究、初步設計文件審查時，熱源安全備用容量是審查的重點內容。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，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，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%，但從今后發展看，提高熱電廠的能源利用效率主要應從擴大供熱能力入手。

3 目前存在的問題

設計單位在執行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，我國集中采暖區從北緯50度到北緯35度，部分地區統一規定熱源備用系數取60%～75%(嚴寒地區取上限)，缺少細化規定，選擇范圍大，不好執行。

第二，前期設計需根據531條款校核，熱源備用系數過大，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。例如：長春地區某熱電廠理論供熱能力1000 t/h(蒸噸)，按531條款規定：當1臺容量最大的鍋爐停用時，選擇70%的熱源備用系數，其余鍋爐的對外供汽能力應達到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10800萬元建設備用熱源。在實際供熱工程中，由于多種原因，建設方很難在熱電廠外建設調峰和備用熱源，為了滿足531條款的規定，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的相關因素進行分析，并提出選擇方案。

4 我國的氣候分區

我國地處北溫帶，幅員遼闊，氣候差異懸殊。為了區分我國氣候條件，我國相關規范中按環境溫度劃分了中國氣候分區。我國現行設計標準《民用建筑熱工設計規范》(GB50176－93)從建筑熱工設計的角度出發，用累年最冷月(一月)和最熱月(七 月)平均溫度作為分區主要指標，累年日平均溫度≤5°和≥25°的天數作為輔助指標，將全國劃分成五個區，即嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖和溫和地區。表3是按溫度條件劃分的我國氣候分區及代表性城市。注：在我國，只有嚴寒A、B地區和寒冷地區需進行集中供暖，因此表3只列出嚴寒A、B地區和寒冷地區。

表3 我國按冷暖度劃分的氣候分區

利用并仿照我國按冷暖程度劃分氣候分區的原則作為供熱熱源備用系數細化選擇的基礎，簡單、明確、易操作，符合一般技術人員的思維邏輯和選擇慣例，其具體內容將在本文的第7部分介紹。

5 集中供暖系統故障分析

根據531條款，應考慮熱源故障問題，以下分別列舉集中供暖系統可能發生的故障。

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系，可能構成公共安全事件。這類故障多會產生較嚴重的后果，是引起供暖系統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，導致熱網泵、補水定壓泵失去電源，可能構成公共安全事件，但與熱源備用無關。應考慮停電故障問題，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，一般不構成公共安全事件。

(4)熱電廠熱網首站的循環泵一臺故障，可啟動備用泵，與熱源備用無關。

(5)熱電廠熱網首站的一臺熱網加熱器故障，剩余的熱網加熱器可以滿足70%的(最大)負荷，與熱源備用無關。

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

(7)熱網失水量過大(一般應保證熱網失水量不大于總循環水量的2%)，僅對供熱系統長期經濟運行有影響，與熱源備用無關。

(8)供熱系統突然超壓故障，應在系統中設置超壓泄壓裝置，與熱源備用無關。

上述八種故障，應按單一故障準則考慮(即：不考慮幾種故障同時發生迭加，因其同時出現的機率很少)。最為嚴重的一種故障是鍋爐故障，降低供熱量，此時熱網可暫時低溫運行，如果故障排除時間過長，應啟動備用調峰熱源和備用熱源、或其他應急措施。

5.2 一次管網故障

(1)一次主干管網上的故障，可能是管道、補償器、閥門泄漏。一次主干管網上的故障對供熱系統威脅影響較大，影響所在主干管道所擔負的全部用戶，可能構成公共安全事件。

建設行業標準《城鎮供熱管網設計規范》(CJJ34－2010)第5.0.9條(簡稱509條款)對此做出以下規定：

①供熱建筑面積大于1000×l04m2的供熱系統應采用多熱源供熱，且各熱源熱力干線應連通。在技術經濟合理時，熱力網干線宜連接成環狀管網。

②對供熱可靠性有特殊要求的用戶，有條件時應由兩個熱源供熱，或者設置自備熱源。

③供熱系統的主環線或多熱源供熱系統中熱源間的連通干線設計時，各種事故工況下的最低供熱量保證率應符合表4的規定。并應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，不構成公共安全事件。

5.3 換熱站、二次管網、用戶的故障

局部問題，與熱源備用無關。

5.4 其他因素可能引發的問題

(1)由氣候奇寒引發的燃料供應問題。

(2)大型熱電廠缺煤停止供熱。

(3)供熱企業瀕臨倒閉停止供熱。

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

5.5 集中供熱系統故障歸納

綜上所述，鍋爐和主干管網故障是大型集中供暖系統可能出現的嚴重故障，可能構成公共安全事件，表4是531條款和509條款所針對的重點。

當故障時，應防止兩種現象：

(1)防止供熱系統中的循環水冰凍，不停止主循環泵運行和少量供熱，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)當地的氣候參數，不同緯度地區不一樣。

(2)發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，哈爾濱工業大學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(t＝－9℃)，限額供熱系數(即熱源備用系數)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 熱源備用系數的選擇方案

7.1 應考慮的問題

在選擇集中供熱系統的熱源備用系數時，應考慮以下問題：

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

(2)事故延續時間，根據經驗以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，可考慮采用其他應急措施。

(5)參考《城鎮供熱管網設計規范》(CJJ34－2010)第5.0.9條的思路，對于北緯40度以下的地區，盡量選擇較低的熱源備用系數，使北京及以南地區的熱源備用系數不高于55%。

7.2 我國供暖區主要城市熱源備用系數的推薦方案

根據上述內容，提出我國集中供暖區主要城市的集中供熱系統熱源備用系數的三個方案，分別見表5、表6、表7。

表5 我國供暖區主要城市熱源備用系數的方案一

表6 我國供暖區主要城市熱源備用系數的方案二

表7 我國供暖區主要城市熱源備用系數的方案三

7.3 三個方案的特點

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

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

方案三特點：熱源備用系數的范圍75%～60%，與原規定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(t＝－6.2℃)，一個2×300 MW級的熱電廠，熱源備用系數分別取60%(方案三)、50%(方案一、二)，不考慮在熱電廠外建設調峰和備用熱源。計算該熱電廠理論上可承擔的供熱面積，見表8。

表8 按不同熱源備用系數計算的理論供熱面積

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

8 應做的工作

對于本文的主要內容，應充分征求各行業意見，并根據意見對熱源備用系數選擇方案進行修改細化后，寫進下述設計標準和設計手冊。

(1)電力行業標準《熱電廠供熱首站設計規程》(正在編制中)，把熱源備用系數選擇的內容寫入第三章“基本規定”。

(2)修訂現行國家標準《大中型火力發電廠設計規范》(GB50660－2011)和《小型火力發電廠設計規范》(GB50049－2011)中的有關條文。

(3)電力工程(系列)設計手冊之《集中供熱設計手冊》(正在編制中)，把熱源備用系數選擇的內容寫入第六章“調峰和備用熱源設計”。

(4)修訂現行設計手冊《熱電聯產規劃與設計手冊》(中國電力出版社，2014年)，把熱源備用系數選擇的內容寫入第四章“熱電廠集中供熱熱源”。

[1] 郭曉克，等．集中供暖系統調峰熱源研究[J]．區域供熱，2015，(2)．

[2] 楊旭中，等．熱電聯產規劃設計手冊[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：哈爾濱工業大學，2006．