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(tǒng)熱源備用系數(shù)(又稱熱源安全可靠性系數(shù))的定義：在集中供熱系統(tǒng)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(shù)影響熱電廠所擔負供熱面積的一個重要參數(shù)，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(tǒng)熱源備用系數(shù)的選擇問題。

1 現(xiàn)行設計標準的規(guī)定

《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》(GB50660－2011)第5.3.1條：

鍋爐的臺數(shù)及容量與汽輪機的臺數(shù)及容量的匹配應符合下列規(guī)定：

(1)對于純凝式汽輪機應一機配一爐。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量宜與汽輪機調(diào)節(jié)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(xù)生產(chǎn)所需的100%生產(chǎn)用汽量和60%－75%(嚴寒地區(qū)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(fā)電廠設計規(guī)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(chǎn)用汽的情況。

在上述條文中，60%～75%就是集中供熱系統(tǒng)熱源的備用系數(shù)。對于以熱電廠為主要熱源的集中供熱系統(tǒng)，在集中供熱工程的前期設計中，應根據(jù)GB50660－2011第5.3.1條的規(guī)定進行集中供熱系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)，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(shù)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(tǒng)，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(fā)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(zhí)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(qū)從北緯50度到北緯35度，部分地區(qū)統(tǒng)一規(guī)定熱源備用系數(shù)取60%～75%(嚴寒地區(qū)取上限)，缺少細化規(guī)定，選擇范圍大，不好執(zhí)行。

第二，前期設計需根據(jù)531條款校核，熱源備用系數(shù)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(tǒng)。例如：長春地區(qū)某熱電廠理論供熱能力1000 t/h(蒸噸)，按531條款規(guī)定：當1臺容量最大的鍋爐停用時，選擇70%的熱源備用系數(shù)，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(diào)峰和備用熱源，為了滿足531條款的規(guī)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(shù)的相關因素進行分析，并提出選擇方案。

4 我國的氣候分區(qū)

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

表3 我國按冷暖度劃分的氣候分區(qū)

利用并仿照我國按冷暖程度劃分氣候分區(qū)的原則作為供熱熱源備用系數(shù)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(nèi)容將在本文的第7部分介紹。

5 集中供暖系統(tǒng)故障分析

根據(jù)531條款，應考慮熱源故障問題，以下分別列舉集中供暖系統(tǒng)可能發(fā)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(fā)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(chǎn)生較嚴重的后果，是引起供暖系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)首站的循環(huán)泵一臺故障，可啟動備用泵，與熱源備用無關。

(5)熱電廠熱網(wǎng)首站的一臺熱網(wǎng)加熱器故障，剩余的熱網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)失水量過大(一般應保證熱網(wǎng)失水量不大于總循環(huán)水量的2%)，僅對供熱系統(tǒng)長期經(jīng)濟運行有影響，與熱源備用無關。

(8)供熱系統(tǒng)突然超壓故障，應在系統(tǒng)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(fā)生迭加，因其同時出現(xiàn)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(wǎng)可暫時低溫運行，如果故障排除時間過長，應啟動備用調(diào)峰熱源和備用熱源、或其他應急措施。

5.2 一次管網(wǎng)故障

(1)一次主干管網(wǎng)上的故障，可能是管道、補償器、閥門泄漏。一次主干管網(wǎng)上的故障對供熱系統(tǒng)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(yè)標準《城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條(簡稱509條款)對此做出以下規(guī)定：

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

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(tǒng)的主環(huán)線或多熱源供熱系統(tǒng)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(guī)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(wǎng)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(wǎng)、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(fā)的問題

(1)由氣候奇寒引發(fā)的燃料供應問題。

(2)大型熱電廠缺煤停止供熱。

(3)供熱企業(yè)瀕臨倒閉停止供熱。

以上因素可能引發(fā)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(tǒng)故障歸納

綜上所述，鍋爐和主干管網(wǎng)故障是大型集中供暖系統(tǒng)可能出現(xiàn)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(xiàn)象：

(1)防止供熱系統(tǒng)中的循環(huán)水冰凍，不停止主循環(huán)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?shù)氐臍夂騾?shù)，不同緯度地區(qū)不一樣。

(2)發(fā)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(xù)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(yè)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(qū)(t＝－9℃)，限額供熱系數(shù)(即熱源備用系數(shù))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(shù)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(shù)的選擇方案

7.1 應考慮的問題

在選擇集中供熱系統(tǒng)的熱源備用系數(shù)時，應考慮以下問題：

(1)對于不同緯度地區(qū)，在取值范圍上應做出更細的規(guī)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(xù)時間，根據(jù)經(jīng)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(zhèn)供熱管網(wǎng)設計規(guī)范》(CJJ34－2010)第5.0.9條的思路，對于北緯40度以下的地區(qū)，盡量選擇較低的熱源備用系數(shù)，使北京及以南地區(qū)的熱源備用系數(shù)不高于55%。

7.2 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的推薦方案

根據(jù)上述內(nèi)容，提出我國集中供暖區(qū)主要城市的集中供熱系統(tǒng)熱源備用系數(shù)的三個方案，分別見表5、表6、表7。

表5 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案一

表6 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案二

表7 我國供暖區(qū)主要城市熱源備用系數(shù)的方案三

7.3 三個方案的特點

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

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

方案三特點：熱源備用系數(shù)的范圍75%～60%，與原規(guī)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(qū)(t＝－6.2℃)，一個2×300 MW級的熱電廠，熱源備用系數(shù)分別取60%(方案三)、50%(方案一、二)，不考慮在熱電廠外建設調(diào)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(shù)計算的理論供熱面積

從表8中可知：按不同熱源備用系數(shù)計算，石家莊地區(qū)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(nèi)容，應充分征求各行業(yè)意見，并根據(jù)意見對熱源備用系數(shù)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(yè)標準《熱電廠供熱首站設計規(guī)程》(正在編制中)，把熱源備用系數(shù)選擇的內(nèi)容寫入第三章“基本規(guī)定”。

(2)修訂現(xiàn)行國家標準《大中型火力發(fā)電廠設計規(guī)范》(GB50660－2011)和《小型火力發(fā)電廠設計規(guī)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(shù)選擇的內(nèi)容寫入第六章“調(diào)峰和備用熱源設計”。

(4)修訂現(xiàn)行設計手冊《熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)劃與設計手冊》(中國電力出版社，2014年)，把熱源備用系數(shù)選擇的內(nèi)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(tǒng)調(diào)峰熱源研究[J]．區(qū)域供熱，2015，(2)．

[2] 楊旭中，等．熱電聯(lián)產(chǎn)規(guī)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(yè)大學，2006．