多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行工況模擬仿真技術及應用

天津能源投資集團有限公司倪景寬

發(fā)布日期：2023-02-27 16:25 瀏覽次數(shù)：字號：[ 大中小 ]

摘要：與傳統(tǒng)的供熱方式相比，多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行方式水力及熱力工況更為復雜多變?；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)水力計算分析系統(tǒng)對供熱管網(wǎng)進行建模經(jīng)反復計算、分析、優(yōu)化，得到228種最佳水力熱力運行和應急工況，制定運行方案和應急預案。結(jié)合系統(tǒng)特點和模擬仿真結(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)濟性，調(diào)峰熱源進行熱量補充；針對燃氣電廠氣源不足問題，根據(jù)模擬仿真結(jié)果采取不同的熱量補充方案。通過實踐發(fā)現(xiàn)多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行工況模擬仿真技術對于充分發(fā)揮聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性具有重要意義。

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

0 引言

隨著我國城市供熱系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，多熱源聯(lián)網(wǎng)運行方式應運而生^[1]。與傳統(tǒng)的單熱源枝狀供熱方式相比，多熱源聯(lián)網(wǎng)運行方式在運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟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)復雜^{[2, 3]}，僅依靠經(jīng)驗判斷或人工水力、熱力計算方法已無法滿足需求，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)起步較早的國家，比如北歐的芬蘭與前蘇聯(lián)等已形成了自己完備的計算體系，結(jié)合計算機軟件技術，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)復雜運行工況下的最優(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)水力計算分析軟件，可對相應熱源、管道、中繼泵站及熱力站等集中供熱系統(tǒng)進行復雜的水力計算，且精確分析熱網(wǎng)的實際運行情況。在這方面，天津能源投資集團有限公司與國內(nèi)高校積極合作，共同開發(fā)了多款適用于多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行的模擬仿真系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對供熱管網(wǎng)進行建模經(jīng)反復計算、分析、優(yōu)化，制定運行方案和應急預案。

1 基本情況

天津能源投資集團有限公司（以下簡稱“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)，承擔全市110萬戶居民和企事業(yè)單位的供熱任務，已實現(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座地熱熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行，聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱面積9 714萬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熱電廠裝機規(guī)模為兩套900 MW級“二拖一”燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組。D熱電廠裝機規(guī)模為2×350 MW、1×350 MW燃煤供熱機組和一套650 MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組，其中的1×350 MW燃煤供熱機組和一套650 MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組為新建機組，且燃氣機組在2020年-2021年采暖季中需進行投產(chǎn)試運行，使采暖季本就緊張的天燃氣供應承受更大的壓力。

圖1 供熱系統(tǒng)示意圖

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

表1 中心城區(qū)熱源情況

熱源	燃料類型	裝機規(guī)模 /MW	供熱能力 /MW	供熱面積 /萬m²
A熱電廠	燃煤	4×300	1 735	2 423
B熱電廠	燃氣	2×900	1 254	1 825
C熱電廠	燃煤+燃氣	3×350+1×650	768	1 176
D熱電廠	燃煤	2×330	795	1 203
E調(diào)峰熱源	燃煤	9×58	522	999
F調(diào)峰熱源	燃氣	3×58	174	283
G調(diào)峰熱源	燃氣	4×58	232	361

2 多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行方式

為保證多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，結(jié)合集團負荷發(fā)展、管線新建及改造等情況，利用多熱源聯(lián)網(wǎng)水力計算分析系統(tǒng)建立2020年-2021年采暖季“一張網(wǎng)”水力模型，對中心城區(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2 022 km管線及2 499座熱力站進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際供熱能力、管網(wǎng)調(diào)節(jié)特性、負荷熱耗等情況，進一步優(yōu)化調(diào)度策略和調(diào)控曲線，經(jīng)反復計算、分析、優(yōu)化，得到228種最佳水力熱力運行和應急工況，編制完成了《2020年-2021年采暖季供熱運行調(diào)度及應急預案》《供熱調(diào)度指揮工作標準化手冊》。同時組織供熱企業(yè)根據(jù)自身系統(tǒng)特點對方案和預案進行細化，針對管網(wǎng)特殊節(jié)點制定專項應急預案，特別針對熱源熱量不足問題梳理了不同等級“壓公保民”明細，制定相應措施。

2.1 運行方案

首先利用多熱源聯(lián)網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)對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座地熱熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)進行水力計算。通過計算得知，D電廠二級中級泵站后部管網(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)定運行。C熱源與D熱源在二級中繼泵站后聯(lián)網(wǎng)水壓圖如圖2所示，此時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，此時壓力無法滿足運行需求。鑒于以上原因，利用D電廠二級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)點位由中繼泵站出口切換至中繼泵站入口，實現(xiàn)C電廠管網(wǎng)不經(jīng)過二級中繼泵站加壓，從而使兩個管網(wǎng)在該位置的壓力能夠平衡，使管網(wǎng)整體運行穩(wěn)定。

圖2 C、D熱源水壓圖

在實際運行調(diào)度中，充分發(fā)揮熱電聯(lián)產(chǎn)熱源的供熱能力，承擔系統(tǒng)基礎負荷，在熱電聯(lián)產(chǎn)熱源產(chǎn)熱能力不能滿足實際熱負荷要求時，投入運行調(diào)峰熱源以彌補差額，這樣可以使熱電廠的高效節(jié)能供熱系統(tǒng)更多時間運行在滿負荷工況下，減少小型燃煤或燃氣鍋爐運行，實現(xiàn)節(jié)能高效率經(jīng)濟供熱。

運行期間，根據(jù)天氣變化，實時對各熱源的供熱溫度和供水流量進行調(diào)節(jié)。在采暖季初末期，供熱負荷較低，此時采用“小流量大溫差”的運行方式，不僅降低了供熱管網(wǎng)的輸送能耗，而且可以實現(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)峰熱源的啟動時間，充分發(fā)揮多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行的經(jīng)濟性；在深冷期供熱負荷增加，此時為了保證供熱溫度不超過105 ℃，采用“大流量小溫差”的運行方式，充分保障熱用戶在極端天氣下的正常用熱需求；最終實現(xiàn)供熱系統(tǒng)在整個采暖季的安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行。根據(jù)以上兩個條件，我們計算了采暖季初末期和深冷期的熱負荷系數(shù)，并繪制供了回溫度、流量曲線，見圖3。

2.1.1 初末期

室外溫度高于-2 ℃時，供熱溫度低于105 ℃，熱負荷系數(shù)為：

采用小流量大溫差運行方式對應室外溫度高于-2 ℃，采暖熱負荷小于最大熱負荷的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行方式，使最高供熱溫度仍保持在105 ℃，而通過增加流量的方式，滿足供熱需求。采暖熱負荷大于最大熱負荷的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 應急預案

由于C電廠的一套650MW級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機組在2020年-2021年采暖季中需進行投產(chǎn)試運行，勢必將造成燃氣需求量增大，有可能引起B電廠的燃氣供應緊張，供熱量受限的問題，需通過聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰系統(tǒng)向其供熱區(qū)域進行熱量補充。由于熱電聯(lián)產(chǎn)熱源相較于鍋爐房熱源更為經(jīng)濟，故首先調(diào)用熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向該區(qū)域進行補充。通過多熱源聯(lián)網(wǎng)模擬仿真系統(tǒng)計算（如圖4），啟動兩座聯(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m²。當A電廠、C電廠輸出熱量不能滿足需求時，啟動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m²。

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

3 多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰運行及效果

在運行過程中，24小時實時監(jiān)視熱源、中繼泵站、調(diào)峰等各項運行參數(shù)，提前預判，及時調(diào)節(jié)熱電聯(lián)產(chǎn)熱源供溫及調(diào)峰熱源出力，對多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰供熱系統(tǒng)進行動態(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)峰熱源僅在鍋爐測試、深冷期和D熱源故障過程中啟動運行，其它大部分時間保持停運或低負荷運行狀態(tài)，提升了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

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)峰運行水平進一步提升，正常工況調(diào)峰流量約9 000 t/h，折合供熱面積1 500余萬平方米，其中集團內(nèi)調(diào)峰折合面積約1250萬平方米，占調(diào)峰熱源運營單位總供熱面積的48%。采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向燃氣、燃煤調(diào)峰鍋爐房分別輸出熱量225萬GJ、91萬GJ，減少天然氣消耗6 787萬m3、標準煤消耗3.4萬t，節(jié)省燃料成本及獲取收益合計6 844萬元（不含補貼）。其中向調(diào)峰熱源運營單位輸出熱量261萬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)擴負荷發(fā)展和供熱質(zhì)量的前提下實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互補和調(diào)峰運行能力進一步提升（約1 300 t/h），同時，中繼泵站運行方式得到大幅優(yōu)化，全部泵站運行頻率大幅降低，D熱源二級泵站部分時間實現(xiàn)停運，采暖季共計節(jié)電894萬kWh較上采暖季降低27%。

2020年12月16日-18日，B電廠氣源嚴重不足，供溫大幅下降，供溫最低降至66 ℃，與目標相差28 ℃，16日緊急啟動應急預案，調(diào)用C電廠向B電廠管網(wǎng)最大輸送2 500 t/h，G調(diào)峰熱源最大應急輸出2 500 t/h，折合替代約750萬m²，同時采取“壓公保民”措施，緩解熱量不足影響，并操作相關閥門、啟動聯(lián)網(wǎng)中繼泵站，做好極限工況下A電廠向B電廠輸送熱量準備，18日C電廠暫停燃機投產(chǎn)試運為B電廠補充氣量，同時B電廠第二套機組由抽凝切至背壓運行，18:00供溫基本達標，逐步恢復正常運行。由此可見，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)峰運行方式具備強大的供熱保障作用和運行經(jīng)濟性，但無論是供熱管網(wǎng)的復雜程度，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、熱力計算方法已無法滿足需求。采用現(xiàn)代計算機技術，開發(fā)專門的多熱源聯(lián)網(wǎng)調(diào)峰水力計算系統(tǒng)，針對不同特點的供熱系統(tǒng)進行水力熱力計算，制定相應的運行方案和應急預案。通過細致的水力熱力計算，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行方式。2020年-2021年采暖季天津能源熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)萬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)擴負荷發(fā)展和供熱質(zhì)量的前提下實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)互補和調(diào)峰運行能力進一步提升（約1 300 t/h），同時，中繼泵站運行方式得到大幅優(yōu)化，全部泵站運行頻率大幅降低，D熱源二級泵站部分時間實現(xiàn)停運，采暖季共計節(jié)電894萬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，無法滿足供熱需求時，逐步啟動調(diào)峰熱源進行熱量補充。2020年-2021年采暖季天津能源調(diào)峰運行水平進一步提升，正常工況調(diào)峰流量約9 000 t/h，折合供熱面積1 500余萬平方米，其中集團內(nèi)調(diào)峰折合面積約1250萬m²，占調(diào)峰熱源運營單位總供熱面積的48%。采暖季熱電聯(lián)產(chǎn)熱源向燃氣、燃煤調(diào)峰鍋爐房分別輸出熱量225萬GJ、91萬GJ，減少天然氣消耗6 787萬m3、標準煤消耗3.4萬t，節(jié)省燃料成本及獲取收益合計6 844萬元（不含補貼）。其中向調(diào)峰熱源運營單位輸出熱量261萬GJ，占其總用熱量的35.5%。