工業集中供熱系統設計及運行探討

華能應城熱電有限責任公司 郭建華

近年來國家相繼發布了《中華人民共和國節約能源法》、《“十三五”節能減排綜合工作方案》等一系列方針政策，旨在加快重點節能技術的普及和推廣、引導用能單位采用先進的節能新技術，提高能源利用率。同時隨著我國“兩型社會”建設速度以及人民生活水平日益提高，在國家熱電聯產政策的引導下，全國范圍內熱電聯產和集中供熱正以飛快的速度在發展。各地區產業園、供熱小區對蒸汽的需求量逐漸加大，對蒸汽的品質要求也越來越高，對蒸汽輸送距離要求也越來越大。

1 蒸汽供熱系統設計

供熱管網設計。應在城市建設規劃的指導下，考慮熱負荷分布、熱源位置與各種地下地上管道及其構筑物、園林綠地的關系和水文地質條件等多種因素，然后經技術經濟比較后確定。供熱管道平面位置的確定遵守以下原則[1]：經濟上合理。主干線力求短直，盡量走熱負荷的集中區。要注意管線上的閥門、補償器和某些管道附件（如放氣、放水、疏水器等裝置）的合理布置；技術上可靠。供熱管線應盡量避免土質松軟區、地震斷裂帶、滑坡危險地帶及地下水位高等不利地段，對于穿越工程采用成熟可靠的工藝；對周圍環境的影響少且協調。應盡量少穿越主要交通線。一般平行于道路中線并應盡可能不在車行道以下敷設，通常情況下管線只沿著街道的一側敷設。

熱力管網布置形式。主要包括枝狀布置、環狀布置及放射狀布置。枝狀布置是一種常用的管網形式，按照熱用戶的分布確定幾條主要的支線，各熱用戶分別接在相應的支線上，具有簡單、投資省、運行管理方便等優點；環狀布置是以熱源點為中心將所有熱用戶串聯起來、形成一個環狀，具有運行方式靈活、可靠性較高等優點；放射狀是以熱源點為中心與各熱用戶采用點對點對接的方式，具有可靠性高的優點，但投資較大[2]。

2 熱源設計

2.1 設計原則

滿足所有熱用戶對于蒸汽參數、容量、品質的需求，尤其是機組負荷低時仍具備保證足夠供熱能力的需求[3]；在保證機組安全的情況下滿足熱電聯產機組具備深度調峰的要求；具有足夠高的經濟性；合理選擇技術路線。通過方案比選選擇節省投資、經濟性高、運行維護方便的技術路線。

2.2 技術路線介紹

冷再/熱再等抽汽供熱方式：適用于機組在進行深度調峰時其再熱抽汽壓力、抽汽能力仍能滿足熱用戶需求的情況。其中冷再抽汽方式的經濟性更好，但其抽汽能力受到一定的限制，需考慮到通過的再熱器流量減少會導致再熱汽溫超溫的問題；熱再抽汽的抽汽能力更大但經濟性稍低。同時，為保證機組在各種工況下蒸汽參數滿足熱用戶的需求，需設置相應的減溫減壓裝置；由于抽汽導致蒸汽通過汽輪機各通流截面的流量發生變化，需考慮由此引起的軸向推力的變化和葉片的安全性。

冷再/熱再等抽汽供熱、中聯門參與調節方式：適用于機組帶額定負荷時其再熱抽汽壓力、抽汽能力能滿足熱用戶需求，但負荷降低時其抽汽壓力、抽汽能力不滿足熱用戶需求，需中聯門參與調節、提高壓力的情況。在機組帶到一定的負荷以上，其經濟性和抽汽能力同冷再/熱再等抽汽供熱方式相當。但在低負荷的情況下，由于中聯門參與調節，增加了節流損失、降低了機組的經濟性。此種方式一般無需設置減壓裝置，但可能需設置減溫裝置，亦需考慮由此引起的軸向推力的變化和葉片的安全性。由于中聯門參與調節其控制邏輯相對復雜。

旋轉隔板抽汽供熱方式：適用于機組帶額定負荷時其某一段抽汽壓力、抽汽能力能滿足熱用戶需求，但負荷降低時其抽汽壓力、抽汽能力不滿足熱用戶需求，需設置旋轉隔板參與調節、提高壓力的情況。此方案雖然總體上加大了供熱能力，提高了經濟性，但由于旋轉隔板參與調節，特別是低負荷時調節幅度大，也在一定程度上降低了其經濟性。同時需考慮由此引起的軸向推力的變化和葉片的安全性。由于旋轉隔板參與調節，其控制邏輯相對復雜。

壓力匹配器方式：適用于熱用戶所需蒸汽參數介于高壓、低壓汽源蒸汽參數之間的情況。此種情況下無論是采用高壓汽源減溫減壓還是采用低壓汽源通過旋轉隔板憋壓的方式，都會產生很大的節流損失，降低了經濟性。采用匹配器對汽輪機通流部分的安全性影響較小、但會產生很大的噪聲，系統相對稍顯復雜；座缸閥調節抽汽方式：其適用情況和技術特點與旋轉隔板抽汽供熱方式類似；背壓供熱方式：適用于熱用戶所需蒸汽參數較低的情況。高背壓供熱技術根據供熱所需的蒸汽參數、出力及機組的型式有多種路線，如連通管抽汽供熱方案、雙轉子方案、低真空供熱方案等。

3 華能應城熱電蒸汽供熱系統介紹

3.1 蒸汽供熱管網

華能應城熱電配置1臺350MW 超臨界抽汽供熱機組和1臺50MW 高壓抽汽背壓式供熱機組，設計額定供熱量為690t/h，最大連續供熱能力為778t/h，采用二級供熱，其中高壓供熱（4.05MPa 壓力等級）額定供熱量317t/h，中壓供熱（1.3MPa 壓力等級）額定供熱量373t/h。額定回水量大于414t/h，回水溫度約85℃，熱網回水還可作為城市商用或民用供暖熱源進行二次利用。集中供熱范圍包括應城市東馬坊、四里棚、長江埠、云夢縣及應城開發區幾個片區。目前能應城熱電自建供熱管道采用枝狀布置方式，建有三條線路：

#1線（雙環線）由電廠涼水塔旁圍墻接出后，至電廠運灰路架空敷設約320米至107省道，沿107省道向東地埋敷設約1180米，頂管過107省道，向北沿老虎山鄉道地埋敷設約550米，向東沿味谷大道地埋敷設約800米，向北沿東城大道地埋敷設約570米到達#12疏水井，蒸汽管段出地面架空至雙環廠區。架空管段設置3套旋轉補償器，地埋管段設置20套旋轉補償器，分別布置在#1～#12疏水井內。

#2線（新都、久大線）從華能應城熱電接至四里棚鹽化工業園，長度約10km，敷設了DN300中壓（輸送4.0MPa 蒸汽）蒸汽管道長度約10km，DN900低壓（輸送1.3MPa 蒸汽）蒸汽管道6.5km后變徑為DN800，繼續往四里棚鹽化工業園敷設約2.5km，之后再變徑為DN500直至鹽水河河邊換熱站，在河邊換熱站預留了DN500接口。DN250凝結水管道長度約10km。

#3線（中鹽長江線）由電廠接出，平行電廠鐵路專用線，伴行電廠圍墻外一220kV 高壓線塔（知夢線）與之并行敷設至邱家里，沿邱家里向東南方向敷設至藍廟，后再沿110kV 高壓線塔（蘭長線）敷設至漢丹鐵路，頂管穿越漢丹鐵路后繼續沿110kV 高壓線塔（蘭長線）敷設至漢長公路，穿越漢長公路至中加二路，后沿塞孚工業園園區道路設至中鹽長江，管線全長約10.8km。其中DN700蒸汽管道長約5000m，DN600蒸汽管線長約5800m。DN150凝結水管道長約10.8km。

3.2 蒸汽供熱熱源

3.2.1 熱源點

1號機組為50MW 背壓供熱發電機組，正常情況下高壓供熱由50MW 背壓機高壓抽汽提供，中壓供熱由50MW 背壓機排汽及給水泵小汽輪機排汽提供。高壓供熱（抽汽口參數4.05MPa/424℃）可向外提供最小0t/h、額定317t/h、最大358t/h 的供熱量，中壓供熱（排汽口參數1.3MPa/343℃）可向外提供最小140t/h、額定203t/h、最大496t/h（4.0MPa 對外供汽為0時）的供熱量。當50MW 背壓發電機組故障解列時，鍋爐單獨運行通過一、二級減溫減壓器提供受鍋爐最大出力限制的對外二級供熱；2號機組為350MW 超臨界抽凝式供熱發電機組，高壓供熱由再熱蒸汽（熱再）來提供，中壓供熱由四段供熱抽汽提供。高壓供熱（抽汽口參數4.05MPa/566℃）可向外提供額定0t/h、最大285t/h 的供熱量，中壓供熱（抽汽口參數1.3MPa/447℃）可向外提供最小0t/h、額定180t/h、最大265t/h 的供熱量。

3.2.2 供熱壓力控制

高壓供熱（壓力4.05MPa）由50MW 背壓機高壓抽汽提供時，高壓抽汽壓力由50MW 背壓機供熱調門（俗稱座缸閥）和高壓調門控制，當熱用戶用汽量增加、高壓抽汽壓力偏低時，先關小座缸閥瞥壓、后開大高壓調門增加主蒸汽進汽達到新的平衡，維持高壓抽汽壓力正常。高壓供熱由350MW 機組再熱蒸汽（熱再）提供時，由350MW 機組中壓調門控制再熱蒸汽壓力。

中壓供熱（壓力1.3MPa）由50MW 背壓機排汽提供時，背壓機排汽壓力由高壓調門控制，當熱用戶用汽量增加、排汽壓力偏低時，先開大調門增加主蒸汽進汽、后開大座缸閥增加排汽量，維持排汽壓力正常；中壓供熱由350MW 機組四段供熱抽汽提供時，四段供熱抽汽壓力由350MW 機組旋轉隔板（中壓缸第八級）控制，當機組減負荷、四段抽汽壓力偏低時關小旋轉隔板，用減小旋轉隔板通流面積提高四段抽汽壓力，維持四段抽汽壓力穩定；當由#1機組鍋爐單獨運行通過一、二級減溫減壓器提供對外供熱時，一級減溫減壓器控制高壓供熱（4.05MPa）壓力溫度正常，二級減溫減壓器控制中壓供熱（1.3MPa）壓力溫度正常。

3.2.3 供熱溫度控制

對外熱源分界點蒸汽參數為1.25MPa/258℃和4.0MPa/319℃，對外供熱蒸汽溫度由各供熱回路的噴水減溫裝置自動調節控制。

3.3 供熱系統運行

3.3.1 熱源運行方式

50MW 背壓機組獨立供熱。中壓供熱由50MW背壓機組排汽（含給水泵汽輪機排汽）供熱，主蒸汽二級減溫減壓器及350MW 機組四段供熱抽汽備用。高壓供熱由50MW 背壓機組一級供熱抽汽供熱，主蒸汽一級減溫減壓器及350MW 機組熱再供熱抽汽備用；350MW 機組獨立供熱。中壓供熱由350MW機組四段供熱抽汽供熱，無備用供熱。高壓供熱由350MW 機組熱再供熱抽汽供熱，無備用供熱；50MW 背壓機組與350MW 機組聯合供熱。中壓供熱由50MW 背壓機組排汽（含給水泵汽輪機排汽供汽）和350MW 機組四段供熱抽汽聯合供熱，50MW背壓機組主蒸汽二級減溫減壓器供熱備用。高壓供熱由50MW 背壓機組一級供熱抽汽供熱，主蒸汽一級減溫減壓器及350MW 機組熱再供熱抽汽備用。

50MW 背壓機組解列，670T/h 鍋爐運行獨立供熱。中壓供熱由#1爐（670T/h）主蒸汽經兩級減溫減壓器供熱，#2機四段供熱抽汽備用或無備用。高壓供熱由#1爐（670T/h）主蒸汽經一級減溫減壓器供熱，#2爐熱再供熱抽汽備用或無備用；50MW背壓機組解列，670T/h 鍋爐運行與350MW 機組聯合供熱。中壓供熱由#1爐（670T/h）主蒸汽經兩級減溫減壓器與#2機（350MW 機組）四段供熱抽汽聯合供熱。高壓供熱由#1爐（670T/h）主蒸汽經一級減溫減壓器供熱，#2爐熱再備用。

3.3.2 熱網運行方式

由于應城熱電管網采用枝狀布置方式，運行時根據用戶需求及管網狀態采用點對點投、切的方式，運行方式相對簡單，缺點是在主干網需故障檢修時需切除線路上所有用戶，運行方式不夠靈活，供熱可靠性不高。

3.4 系統運行的經濟性探討

蒸汽供熱管網。應城熱電供熱管網自投運以來運行情況良好，各項指標均達到設計要求，熱網1#線40%設計流量下管道熱損失率1.5%，熱網2#線80%設計流量下中壓管道熱損失率1.9%，2#線76%設計流量下低壓管道熱損失率0.55%，達到國內領先水平。與國內類似熱網項目相比，管網溫降和壓降均達到設計要求指標；相近運行工況下運行平均溫降基本都優于相似熱網項目。

結論：對全廠供電煤耗影響最大的是#2機組供電煤耗；熱電比對#2機組供電煤耗影響很大，日常運行中應盡可能提高#2機組熱電比以達到降低機組供電煤耗目的；熱電比對#1機組的供電煤耗影響較小，日常運行中應著力于提高機組的各單項經濟指標以達到降低機組供電煤耗目的；供熱量對全廠煤耗影響很大，應加緊開發熱用戶；機組運行方式盡可能采取#2機組帶供熱單機運行的方式；不能忽視各單項經濟指標對供電煤耗的影響，日常運行中應加強精細化管理，全面提升機組各經濟指標。