摘要：與傳統(tǒng)的供熱方式相比，多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行方式水力及熱力工況更為復(fù)雜多變?；谔旖蚰茉炊酂嵩绰?lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)，利用多熱源聯(lián)網(wǎng)水力計(jì)算分析系統(tǒng)對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行建模經(jīng)反復(fù)計(jì)算、分析、優(yōu)化，得到228種最佳水力熱力運(yùn)行和應(yīng)急工況，制定運(yùn)行方案和應(yīng)急預(yù)案。結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)和模擬仿真結(jié)果，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)以采暖季初末期“小流量大溫差”，深冷期“大流量小溫差”的運(yùn)行方式，優(yōu)先調(diào)用成本低、能源利用效率高的熱源，根據(jù)能源利用效率及經(jīng)濟(jì)性，調(diào)峰熱源進(jìn)行熱量補(bǔ)充；針對(duì)燃?xì)怆姀S氣源不足問(wèn)題，根據(jù)模擬仿真結(jié)果采取不同的熱量補(bǔ)充方案。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行工況模擬仿真技術(shù)對(duì)于充分發(fā)揮聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：多熱源聯(lián)網(wǎng)；模擬仿真；安全；穩(wěn)定；節(jié)能

0  引言

隨著我國(guó)城市供熱系統(tǒng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式應(yīng)運(yùn)而生^[1]。與傳統(tǒng)的單熱源枝狀供熱方式相比，多熱源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行方式在運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面均有大幅度的提升。但多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)無(wú)論是供熱管網(wǎng)，還是水力及熱力工況，均較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)復(fù)雜^{[2, 3]}，僅依靠經(jīng)驗(yàn)判斷或人工水力、熱力計(jì)算方法已無(wú)法滿足需求，迫切需要一款專門適用于大型多熱源聯(lián)網(wǎng)供熱系統(tǒng)的模擬仿真系統(tǒng)^{[4, 5]}。一些集中供熱事業(yè)起步較早的國(guó)家，比如北歐的芬蘭與前蘇聯(lián)等已形成了自己完備的計(jì)算體系，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，能夠非常精確快速的模擬大型供熱管網(wǎng)的水力熱力工況，從而找出多熱源聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行工況下的最優(yōu)解。前蘇聯(lián)熱工所的研究人員研發(fā)出多熱源聯(lián)網(wǎng)熱網(wǎng)水力計(jì)算分析軟件，可對(duì)相應(yīng)熱源、管道、中繼泵站及熱力站等集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的水力計(jì)算，且精確分析熱網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況。在這方面，天津能源投資集團(tuán)有限公司與國(guó)內(nèi)高校積極合作，共同開(kāi)發(fā)了多款適用于多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行的模擬仿真系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)供熱管網(wǎng)進(jìn)行建模經(jīng)反復(fù)計(jì)算、分析、優(yōu)化，制定運(yùn)行方案和應(yīng)急預(yù)案。

1  基本情況

天津能源投資集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“天津能源”）直接集中供熱面積1.5億m²，供熱區(qū)域涵蓋中心城區(qū)、環(huán)城四區(qū)和濱海新區(qū)，承擔(dān)全市110萬(wàn)戶居民和企事業(yè)單位的供熱任務(wù)，已實(shí)現(xiàn)100%清潔供熱，供熱系統(tǒng)示意圖如圖1所示。已建成中心城區(qū)供熱“一張網(wǎng)”，實(shí)現(xiàn)了4座熱電聯(lián)產(chǎn)熱源、9座調(diào)峰熱源、1座躉售調(diào)峰熱源、6座地?zé)釤嵩绰?lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行，聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱面積9 714萬(wàn)m²。系統(tǒng)包括A熱電廠、B熱電廠、C熱電廠、D熱電廠四座熱電聯(lián)產(chǎn)熱源，以及E、F兩座大型調(diào)峰熱源，中心城區(qū)熱源情況如表1所示。其中，A熱電廠和D熱電廠為燃煤熱電廠，B熱電廠裝機(jī)規(guī)模為兩套900 MW級(jí)“二拖一”燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組。D熱電廠裝機(jī)規(guī)模為2×350 MW、1×350 MW燃煤供熱機(jī)組和一套650 MW級(jí)燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，其中的1×350 MW燃煤供熱機(jī)組和一套650 MW級(jí)燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組為新建機(jī)組，且燃?xì)鈾C(jī)組在2020年-2021年采暖季中需進(jìn)行投產(chǎn)試運(yùn)行，使采暖季本就緊張的天燃?xì)夤?yīng)承受更大的壓力。

圖1  供熱系統(tǒng)示意圖

B電廠熱網(wǎng)和D電廠熱網(wǎng)均設(shè)置有兩級(jí)中繼泵站，D電廠二級(jí)中繼泵站為降低其后部區(qū)域的壓力只設(shè)置了回水增壓泵，其余中繼泵站均分別設(shè)置供回水增壓泵。同時(shí)，為靈活調(diào)整管網(wǎng)不同區(qū)域的水力工況，在D電廠二級(jí)中繼泵站入口位置設(shè)置了多條連接管線，可以靈活地將不同支線切換至二級(jí)泵站出口或入口運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同負(fù)荷區(qū)域的增壓運(yùn)行。

表1  中心城區(qū)熱源情況

2  多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行方式

為保證多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合集團(tuán)負(fù)荷發(fā)展、管線新建及改造等情況，利用多熱源聯(lián)網(wǎng)水力計(jì)算分析系統(tǒng)建立2020年-2021年采暖季“一張網(wǎng)”水力模型，對(duì)中心城區(qū)、濱海新區(qū)“一張網(wǎng)”和海河教育園區(qū)鍋爐房聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)共計(jì)2 022 km管線及2 499座熱力站進(jìn)行了模型校核和修正，結(jié)合電廠熱源調(diào)整、鍋爐房整合與熱源實(shí)際供熱能力、管網(wǎng)調(diào)節(jié)特性、負(fù)荷熱耗等情況，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)度策略和調(diào)控曲線，經(jīng)反復(fù)計(jì)算、分析、優(yōu)化，得到228種最佳水力熱力運(yùn)行和應(yīng)急工況，編制完成了《2020年-2021年采暖季供熱運(yùn)行調(diào)度及應(yīng)急預(yù)案》《供熱調(diào)度指揮工作標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)》。同時(shí)組織供熱企業(yè)根據(jù)自身系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)方案和預(yù)案進(jìn)行細(xì)化，針對(duì)管網(wǎng)特殊節(jié)點(diǎn)制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，特別針對(duì)熱源熱量不足問(wèn)題梳理了不同等級(jí)“壓公保民”明細(xì)，制定相應(yīng)措施。

2.1  運(yùn)行方案

首先利用多熱源聯(lián)網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)對(duì)4座熱電聯(lián)產(chǎn)熱源、9座調(diào)峰熱源、1座躉售調(diào)峰熱源、6座地?zé)釤嵩绰?lián)網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得知，D電廠二級(jí)中級(jí)泵站后部管網(wǎng)整體壓力較低，若將泵站后管網(wǎng)與其他供熱管網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，將造成該區(qū)域管網(wǎng)整體壓力上升，同時(shí)其他供熱管網(wǎng)壓力下降，不利于管網(wǎng)的整體安全穩(wěn)定運(yùn)行。C熱源與D熱源在二級(jí)中繼泵站后聯(lián)網(wǎng)水壓圖如圖2所示，此時(shí)C熱源供/回水壓力下降至1.25 MPa/0.15 MPa，回水壓力低于熱網(wǎng)循環(huán)泵氣蝕余量，D熱源供/回水壓力上升至1.45 MPa/0.55 MPa，且D電廠二級(jí)泵站供水壓力上升至1.1 MPa，造成D熱源管網(wǎng)整體壓力較高，此時(shí)壓力無(wú)法滿足運(yùn)行需求。鑒于以上原因，利用D電廠二級(jí)中繼泵站入口位置的連接管道，將D電廠與C電廠聯(lián)網(wǎng)點(diǎn)位由中繼泵站出口切換至中繼泵站入口，實(shí)現(xiàn)C電廠管網(wǎng)不經(jīng)過(guò)二級(jí)中繼泵站加壓，從而使兩個(gè)管網(wǎng)在該位置的壓力能夠平衡，使管網(wǎng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2  C、D熱源水壓圖

在實(shí)際運(yùn)行調(diào)度中，充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)熱源的供熱能力，承擔(dān)系統(tǒng)基礎(chǔ)負(fù)荷，在熱電聯(lián)產(chǎn)熱源產(chǎn)熱能力不能滿足實(shí)際熱負(fù)荷要求時(shí)，投入運(yùn)行調(diào)峰熱源以彌補(bǔ)差額，這樣可以使熱電廠的高效節(jié)能供熱系統(tǒng)更多時(shí)間運(yùn)行在滿負(fù)荷工況下，減少小型燃煤或燃?xì)忮仩t運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效率經(jīng)濟(jì)供熱。

運(yùn)行期間，根據(jù)天氣變化，實(shí)時(shí)對(duì)各熱源的供熱溫度和供水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在采暖季初末期，供熱負(fù)荷較低，此時(shí)采用“小流量大溫差”的運(yùn)行方式，不僅降低了供熱管網(wǎng)的輸送能耗，而且可以實(shí)現(xiàn)在有限的管網(wǎng)輸配能力的條件下，盡量增加熱電聯(lián)產(chǎn)管網(wǎng)向調(diào)峰熱源輸送的熱量，延后調(diào)峰熱源的啟動(dòng)時(shí)間，充分發(fā)揮多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；在深冷期供熱負(fù)荷增加，此時(shí)為了保證供熱溫度不超過(guò)105 ℃，采用“大流量小溫差”的運(yùn)行方式，充分保障熱用戶在極端天氣下的正常用熱需求；最終實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)在整個(gè)采暖季的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。根據(jù)以上兩個(gè)條件，我們計(jì)算了采暖季初末期和深冷期的熱負(fù)荷系數(shù)，并繪制供了回溫度、流量曲線，見(jiàn)圖3。

2.1.1  初末期

室外溫度高于-2 ℃時(shí)，供熱溫度低于105 ℃，熱負(fù)荷系數(shù)為：

采用小流量大溫差運(yùn)行方式對(duì)應(yīng)室外溫度高于-2 ℃，采暖熱負(fù)荷小于最大熱負(fù)荷的0.815倍。

2.1.2  高寒期

此階段室外溫度低于-2 ℃，采用大流量小溫差運(yùn)行方式，使最高供熱溫度仍保持在105 ℃，而通過(guò)增加流量的方式，滿足供熱需求。采暖熱負(fù)荷大于最大熱負(fù)荷的0.815倍。

圖3   D熱電廠、F調(diào)峰熱源溫度及流量調(diào)節(jié)曲線

2.2  應(yīng)急預(yù)案

由于C電廠的一套650MW級(jí)燃?xì)?/span>-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組在2020年-2021年采暖季中需進(jìn)行投產(chǎn)試運(yùn)行，勢(shì)必將造成燃?xì)庑枨罅吭龃?，有可能引?/span>B電廠的燃?xì)夤?yīng)緊張，供熱量受限的問(wèn)題，需通過(guò)聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)向其供熱區(qū)域進(jìn)行熱量補(bǔ)充。由于熱電聯(lián)產(chǎn)熱源相較于鍋爐房熱源更為經(jīng)濟(jì)，故首先調(diào)用熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向該區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充。通過(guò)多熱源聯(lián)網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)計(jì)算（如圖4），啟動(dòng)兩座聯(lián)網(wǎng)中繼泵站向B電廠供熱區(qū)域輸送熱量，A電廠、C電廠最大向其輸出1 000 t/h、2 500 t/h，替代525萬(wàn)m²。當(dāng)A電廠、C電廠輸出熱量不能滿足需求時(shí)，啟動(dòng)G調(diào)峰熱源向外輸出熱量，最大向其輸出2 500 t/h，替代375萬(wàn)m²。

圖4  A電廠、C電廠、G調(diào)峰熱源向B電廠補(bǔ)充熱量水力計(jì)算結(jié)果示意圖

3  多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行及效果

在運(yùn)行過(guò)程中，24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)視熱源、中繼泵站、調(diào)峰等各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，提前預(yù)判，及時(shí)調(diào)節(jié)熱電聯(lián)產(chǎn)熱源供溫及調(diào)峰熱源出力，對(duì)多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，充分利用熱電聯(lián)產(chǎn)熱源供熱能力，降低調(diào)峰熱源供熱量。

D熱源與F調(diào)峰熱源熱量疊加圖如圖5所示。由圖可以看出，F調(diào)峰熱源僅在鍋爐測(cè)試、深冷期和D熱源故障過(guò)程中啟動(dòng)運(yùn)行，其它大部分時(shí)間保持停運(yùn)或低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，提升了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖5  D熱源與F調(diào)峰熱源供熱量疊加圖

2020年-2021年采暖季天津能源調(diào)峰運(yùn)行水平進(jìn)一步提升，正常工況調(diào)峰流量約9 000 t/h，折合供熱面積1 500余萬(wàn)平方米，其中集團(tuán)內(nèi)調(diào)峰折合面積約1250萬(wàn)平方米，占調(diào)峰熱源運(yùn)營(yíng)單位總供熱面積的48%。采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向燃?xì)?、燃煤調(diào)峰鍋爐房分別輸出熱量225萬(wàn)GJ、91萬(wàn)GJ，減少天然氣消耗6 787萬(wàn)m3、標(biāo)準(zhǔn)煤消耗3.4萬(wàn)t，節(jié)省燃料成本及獲取收益合計(jì)6 844萬(wàn)元（不含補(bǔ)貼）。其中向調(diào)峰熱源運(yùn)營(yíng)單位輸出熱量261萬(wàn)GJ，占其總用熱量的35.5%。

2020年-2021年采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)萬(wàn)平方米流量由上采暖季的6.4 t/h降至6 t/h以下,在保證業(yè)擴(kuò)負(fù)荷發(fā)展和供熱質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互補(bǔ)和調(diào)峰運(yùn)行能力進(jìn)一步提升（約1 300 t/h），同時(shí)，中繼泵站運(yùn)行方式得到大幅優(yōu)化，全部泵站運(yùn)行頻率大幅降低，D熱源二級(jí)泵站部分時(shí)間實(shí)現(xiàn)停運(yùn)，采暖季共計(jì)節(jié)電894萬(wàn)kWh較上采暖季降低27%。

2020年12月16日-18日，B電廠氣源嚴(yán)重不足，供溫大幅下降，供溫最低降至66 ℃，與目標(biāo)相差28 ℃，16日緊急啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，調(diào)用C電廠向B電廠管網(wǎng)最大輸送2 500 t/h，G調(diào)峰熱源最大應(yīng)急輸出2 500 t/h，折合替代約750萬(wàn)m²，同時(shí)采取“壓公保民”措施，緩解熱量不足影響，并操作相關(guān)閥門、啟動(dòng)聯(lián)網(wǎng)中繼泵站，做好極限工況下A電廠向B電廠輸送熱量準(zhǔn)備，18日C電廠暫停燃機(jī)投產(chǎn)試運(yùn)為B電廠補(bǔ)充氣量，同時(shí)B電廠第二套機(jī)組由抽凝切至背壓運(yùn)行，18:00供溫基本達(dá)標(biāo)，逐步恢復(fù)正常運(yùn)行。由此可見(jiàn)，多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)在保障B熱源供熱區(qū)域穩(wěn)定方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

4  結(jié)論

與傳統(tǒng)的供熱方式相比，多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行方式具備強(qiáng)大的供熱保障作用和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，但無(wú)論是供熱管網(wǎng)的復(fù)雜程度，還是水力及熱力工況的多變性，均較傳統(tǒng)供熱系統(tǒng)有大幅度的提升，僅依靠傳統(tǒng)的水力、熱力計(jì)算方法已無(wú)法滿足需求。采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)專門的多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰水力計(jì)算系統(tǒng)，針對(duì)不同特點(diǎn)的供熱系統(tǒng)進(jìn)行水力熱力計(jì)算，制定相應(yīng)的運(yùn)行方案和應(yīng)急預(yù)案。通過(guò)細(xì)致的水力熱力計(jì)算，得到了管網(wǎng)整體的流量壓力分布，制定了聯(lián)網(wǎng)方案，并最終確定了在采暖季初末期采用小流量大溫差，深冷期采用大流量小溫差的運(yùn)行方式。2020年-2021年采暖季天津能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)萬(wàn)平方米流量由上采暖季的6.4 t/h降至6 t/h以下,在保證業(yè)擴(kuò)負(fù)荷發(fā)展和供熱質(zhì)量的前提下實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互補(bǔ)和調(diào)峰運(yùn)行能力進(jìn)一步提升（約1 300 t/h），同時(shí)，中繼泵站運(yùn)行方式得到大幅優(yōu)化，全部泵站運(yùn)行頻率大幅降低，D熱源二級(jí)泵站部分時(shí)間實(shí)現(xiàn)停運(yùn)，采暖季共計(jì)節(jié)電894萬(wàn)kWh較上采暖季降低27%。

天津能源充分研究各熱源供熱成本及管網(wǎng)輸送成本，根據(jù)模擬仿真結(jié)果，優(yōu)先選用成本低能源利用效率高的熱源，無(wú)法滿足供熱需求時(shí)，逐步啟動(dòng)調(diào)峰熱源進(jìn)行熱量補(bǔ)充。2020年-2021年采暖季天津能源調(diào)峰運(yùn)行水平進(jìn)一步提升，正常工況調(diào)峰流量約9 000 t/h，折合供熱面積1 500余萬(wàn)平方米，其中集團(tuán)內(nèi)調(diào)峰折合面積約1250萬(wàn)m²，占調(diào)峰熱源運(yùn)營(yíng)單位總供熱面積的48%。采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向燃?xì)?、燃煤調(diào)峰鍋爐房分別輸出熱量225萬(wàn)GJ、91萬(wàn)GJ，減少天然氣消耗6 787萬(wàn)m3、標(biāo)準(zhǔn)煤消耗3.4萬(wàn)t，節(jié)省燃料成本及獲取收益合計(jì)6 844萬(wàn)元（不含補(bǔ)貼）。其中向調(diào)峰熱源運(yùn)營(yíng)單位輸出熱量261萬(wàn)GJ，占其總用熱量的35.5%。

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