摘 要：为了消除因某台机组故障停运導致的供热质量下降隐患，实现厂内两期供热系统互联互备，提升供热系统安全可靠性，提出了一种应用于承担大面积、分单元、多区域供热任务的热电联产机组的一次热网混水技术及系统，并以某4×300MW供热机组为研究对象，进行了混水装置结构设计及系统集成，实现了工程应用。定罐体高度，随着进口角度增加，混水装置出口温差呈逐步增加趋势，进出口压差呈逐步降低趋势。定进口角度，出口温差和进出口压差随罐体高度增加均呈现逐步下降趋势。设置混水装置引起整个热网循环水系统阻力升高约1m。热网混水系统可以实现热负荷的厂内灵活转移，在保证对外供热负荷不变的情况下全厂总最低发电负荷可降低约31～32MW。
　　关键词：供热质量;互联互备;热网混水;进口角度;高度;热电解耦
　　Abstract： In order to eliminate the sharp decline of heating quality caused by the shutdown of a unit， realize the interconnection and mutual alternate of the two heating systems， and Improve the safety and reliability of the total heating system， a circulating heating water mixing technology appied in cogeneration unit affording heating duty of large area， multi-cell and multi-region was proposed. Taking the 4×300MW subcritical cogeneration unit as the technical support， structural design of mixing device and system integration was carried out， and the engineering application was realized. For a fixed tank height， outlet temperature difference shows a gradual increase trend， while pressure difference of inlet and outlet shows a opposite feature. For a fixed inlet angle， outlet temperature difference and pressure difference both show a gradual decrease trend. System resistance of the circulating heating water system increases by about 1m. The mixing system can realise flexible transfer of heat load among units， and reduce the minimum output by 31～32MW for a fixed total heat load.
　　Key words：heating quality;interconnection and alternate;heating water mixing;inlet angle;tank height;thermoelectric decoupling
　　国家发改委、能源局、财政局等多部门联合下发的《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021）》认为，清洁燃煤集中供暖是实现环境保护与成本压力平衡的有效方式，在未来较长时期内，在多数北方城市地区、县城和城乡结合部应作为基础性热源使用。整合城镇地区供热管网，在已形成的大型热力网内，鼓励不同类型热源一并接入，实现互联互通，提高供热可靠性[1]。《热电联产管理办法》对供热可靠性的具体为：地方政府应积极探索供热管理体制改革，着力整合当地供热资源，支持配套热网工程建设和老旧管网改造工程，加快推进供热区域热网互联互通[2]。
　　提升供热安全、保障供热质量是涉及到百姓安居乐业的重大民生课题，是供热领域的重点发展方向。然当前关于提升供热系统安全可靠性的研究及应用主要侧重于二次网-用户侧[3～10]，关于热源-一次网侧的相关研究，鲜有公开报道。
　　借鉴二次网-用户侧应用成熟的混水技术，本文提出一种应用于承担大面积、分单元、多区域供热任务的热电联产机组的一次热网混水技术及系统，并以某4×300MW热电联产机组为技术依托，进行了多热源互联互备技术路线比较，进行了热网混水设备设计及系统集成，实现了工程应用。本文研究成果可为后期开展的提升供热安全可靠性提供技术参考。
　　1多热源互联互备技术
　　1.1依托机组概况
　　某热电联产机组共建有4台300MW抽凝汽式汽轮机（命名为#1、#2、#3、#4），采用中排抽汽至热网加热器加热热网循环水的供热模式，最大供热负荷为390MW;后期3号机组实施了基于供热能力和电出力调节能力双重提升的低压缸零出力供热改造，最大供热负荷为451MW。#1和#2机组构成一期热力管网，#3和#4机组构成二期热力管网，一次热网水流量均为10000t/h。两期管网各自承担所在市区不同供热区域，供热面积分别为1400万m2，两期管网单元制运行，无任何联络。
　　该配置模式下两期管网供热系统不能实现有效互联互备，若某台机组故障停机，所在管网供水温度大幅降低，对居民正常生活及热电联产机组的企业形象造成不利影响。如#1机组因故停运，一期供水温度由100℃降至75℃，二期两机正常运行，供水温度100℃，但无法对一期供热管线形成有效支援，导致一期供热质量急剧下降。在此背景下，进行两期供热系统互联互备技术改造以提升供热安全可靠性，显得尤为必要且迫在眉睫。主要技术路线有蒸汽互联和热网混水两种。 　　1.2蒸汽互联
　　四台机组供热蒸汽、疏水系统均为单元制运行。厂内蒸汽互联改造方案为：新建一根供热蒸汽母管，其规格按照单机最大供热蒸汽流量配置。四台机组供热蒸汽母管和新建的蒸汽母管分别设置联络管道及配套阀门。为保障蒸汽联络后的机组汽水平衡，需同步进行疏水系统联络改造：新建一根供热疏水母管，其规格按照单机最大疏水流量配置;四台机组疏水母管和新建的疏水母管分别设置联络管道及配套阀门。系统示意见图1。
　　1.3热网混水
　　从两期供水母管各设置等规格的热网水管道，将两期热网加热器出水引至新设置的双进双出的接触式混水装置，通过混水装置将两期热网供水进行无温差混合后，再引至两期各自的供水母管。系统示意见图2。
　　1.4技术对比
　　从改造工程范围、投资、实施难度、运行安全及维护等角度进行了综合对比，认为热网混水方案具有改造工程量小、系统简单、运行维护量小等优势，建议选择。
　　2混水装置设计
　　混水装置是本方案的核心设备，主要性能指标为进出口压差、出口温差等。
　　混水装置采用双进双出的圆柱体结构，顶侧部设置热水进水口和冷水进水口，切向对向进入交叉接触式换热，底侧部设置出水口。混水装置结构示意如图3所示。
　　国内尚未有大型供热混水项目经验可借鉴，采用Fluent软件模拟流场，得到装置高度、进水角度对出口温差、压损的影响特性，通过优化对比得到混水装置的结构设计。
　　2.1网格无关性验证
　　以筒高度为4m为例，将网格数从3万增加到83万，得到出水口温度差异变化见图4。
　　30万以上网格出水口温度差异波动很小，本文计算取60万网格，即可认为得到真解。
　　2.2进水方向对出口温差和进出口压差影响特性
　　进水口的连接管与水平面的夹角表征了冷水来流和热水来流的热质交换效果。
　　热水温度110℃、流量10000t/h;冷水温度50℃、流量10000t/h。罐体直径2m、3m和4m，分别计算了0°、15°、30°、45°、60°、75°下的出口温差和压损变化特性，结果如图5、6所示。
　　随着进口角度增加，出口温差呈逐步增加趋势。进口角度为0°，热水来流和冷水来流对向进入，换热最为充分，出口温差最小。按进口角度0°进行结构设计，可取得换热效果最大化。
　　随着进口角度增加，进出口压差呈逐步下降趋势。进口角度为0°，进出口压差约10kPa，引起热网循环水系统系统管阻增加约1m;进口角度增加至75°，进出口压差约5kPa，折合热网循环水系统阻力变化约0.5m。接触式混水装置对整个热网系统水阻的影响很小。
　　2.3 罐体高度对出口温差和进出口压差影响特性
　　罐体高度对出口温差和进出口压差的影响特性见5、6。可以看出，定进口角度条件下，出口温差和进出口压差随罐体高度增加均呈现逐步下降趋势，但这种下降趋势随着高度进一步增加呈逐步渐缓趋势。主要原因在于，罐体高度越高，从进口至出口的距离增加，热质交换更为充分;随着高度增加到某一临界值，结构因素对换热效果的影响作用达到极限。混水装置结构设计应根据制造工艺、结构稳定性、流量变化适应性等角度进行综合优化。
　　2.4混水装置结构设计及系统配置
　　约定混水装置罐体直径与高度的比值不大于0.6，罐体直径不小于进水口管道直径的3倍。设置四组混水装置，混水装置高度3m，直径1.8m。按照平均分配原则，单个混水装置流量2500t/h，进出水管道规格为DN600。
　　设计工况为某期单机运行，另一期双机正常运行，冷水侧流量10000t/h、进水温度75℃，热水侧进水流量10000t/h、进水温度100℃。出口温差为0.57℃。
　　校核工况为某期双机停运，另一期双机正常运行，冷水侧流量10000t/h、进水温度50℃，热水侧进水流量10000t/h、进水温度110℃。出口温差为0.98℃。
　　3 工程應用与效果分析
　　3.1 运行效果
　　改造工程于2018年10月31日完成，改造后混水系统整个供热期长周期投运。11月17日运行数据见图7。一期两机停运，热网水流量8000t/h，混水前热网供水温度45.25℃，混水后热网供水温度72.11℃;二期两机正常运行，电功率分别为187MW、200MW，热网水流量9800t/h，混水前热网供水温度93.84℃，混水后热网供水温度71.14℃。混水装置出口温差低于1℃，二期向一期传递热量249.49MW。
　　3.2混水系统对供热安全的有力保障
　　极端情况，某期两台机组全部停运，另一期两台机组锅炉满出力运行，按照混水前后温差30℃核算，可实现热量传递348MW，按综合供热指标42W/m2计算，严寒期可承担830万m2供热面积。故混水系统可有力保障全厂供热安全。
　　3.3混水系统对全厂深度调峰能力的有力提升
　　电力调度控制中心对发电机组电负荷的调度方式为单台机组调控，设置混水系统可以实现热负荷的厂内灵活转移，进而可以进一步提升全厂的深度调峰能力。
　　供热初期，总供热负荷为611.52MW，两期各承担305.76MW。设置混水装置前每期各维持一台机组运行。设置混水装置后每期仍需维持一台机组运行。维持对外供热负荷不变的情况下全厂最低电负荷基本不变。
　　供热平均期，总供热负荷为827.90MW，两期各承担413.95MW。设置混水装置前一期维持两台机组运行，二期仅需维持3号机组运行即可。设置混水装置后可充分发挥低压缸零出力供热技术的供热能力提升作用，此时全厂仅需维持两台机组运行即可。维持对外供热负荷不变的情况下全厂最低电负荷可下降31.8MW。
　　供热供热严寒期，总供热负荷为1176MW，两期各承担588MW。设置混水装置前每期需维持两台机组运行。设置混水装置后可充分发挥低压缸零出力供热技术的供热能力提升作用，此时全厂仅需维持三台机组运行即可。维持对外供热负荷不变的情况下全厂最低电负荷可下降32.28MW。详见表3。 　　4 结  论
　　提出了一种应用于承担大面积、分单元、多区域供热任务的热电联产机组的一次热网混水技术及系统，并以某4×300MW供热机组为研究对象，进行了混水装置结构设计及系统集成，实现了工程应用。主要结论如下：
　　（1）随着进口角度增加，混水装置出口温差呈逐步增加趋势。进口角度为0°，热水来流和冷水来流对向进入，换热最为充分，出口温差最小。
　　（2）随着进口角度增加，进出口压差呈逐步下降趋势。
　　（3）定进口角度条件下，出口温差和进出口压差随罐体高度增加均呈现逐步下降趋势。设置混水装置引起整个热网循环水系统阻力升高约1m。
　　（4）设置热网混水系统可有效实现全厂两期供热系统的互联互备，有效消除因机组故障停机引起的供热安全隐患。
　　（5）热网混水系统可以实现热负荷的厂内灵活转移，在保证对外供热负荷不变的情况下全厂总最低发电负荷可降低约31～32MW。
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　　作者简介：刘涛（出生年—），男，汉族，天津人，高级工程师，本科，主要研究方向为燃煤电站经济运行及节能环保技术。