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热电联产集中供热调峰方式的对比研究

摘要 本文分析了丹麦在换热站二次网侧设置燃气调峰锅炉的集中供热调峰方式，在比较国内热电联产集中供热系统几种常用调峰运行方式的基础上，发现这种运行方式在采用燃气这一清洁能源降低对环境的污染的同时，不但可以缩小热电厂机组的容量降低一次网的初投资，还能更好地适应末端用户热负荷变化的要求。
关键词 热电联产 调峰 燃气锅炉
1 引言
集中供热是现在我国最基本的供热方式，1996年到2004年我国集中供热面积的平均增长率为14.91%。随着室外气温变化，集中供热中的季节性热负荷是变化的。以采暖热负荷为例，其设计热负荷只是在室外气温低于采暖室外计算温度时才出现，时间很短。根据《采暖通风与空气调节设计规范（GBJ19-87 ）》规定：“供暖室外计算温度值，应采历年平均不保证5天的日平均温日”。在整个采暖期内，最大热负荷的持续时间应在120h内。考虑到设备、管网方面的初投资和煤、水、电、人工等运行费用的因素，在室外温度低于某一设定温度时，可能出现供热能力不满足采暖热负荷要求的情况。对于热电联产集中供热，在依据热负荷选择供热机组容量时，如果以设计状态下的最大热负荷选择供热机组，则在整个采暖期大部分时间内机组的实际供热量小于其额定供热量，机组的最大热负荷年利用小时数因此下降，从而使供热机组在凝汽工况下发电量增加，其结果将造成燃料消耗的增加和电厂经济效益的下降。
经过上述分析，显然不应按最大热负荷去选择供热机组，而是把最大热负荷乘以一个小于1的系数作为选择机组的依据，从而使供热机组的最大负荷利用小时数增加。对于室外温度较低时热负荷不足部分，则采用其它方式补充高峰负荷。这种方式就是所谓的调峰。
因此在建设以热电联产为热源的能量供应系统时，为使系统的经济性达到最佳状态，应根据热负荷的大小及特性合理的选择供热式机组的容量和型式，同时还应有一定容量的调峰锅炉房进行联合供热，以提高机组供热能力的利用率及系统的经济效益，联产供热在总供热量中所占的比例称为热化程度，表示热化程度的比值叫做热化系数，可简明地表述为热电厂供热机组的最大供热能力与系统最大热负荷之比。
调峰锅炉房作为集中供热外网供热能力的延续和补充。在整个供热系统中起到了辅助的作用，它能补充热负荷高峰期主热源供热能力的不足，其容量由主热源与供热系统总负荷决定。
2 国内调峰运行方式
调峰热源可设置在热电厂内，也可在热电厂外建立锅炉房。调峰热源的连接运行方式应依据调峰热源位置、主热源的热媒参数以及系统的调节方式等因素确定。常见的连接运行方式有串联运行、并联运行和切断运行。

(1)串联运行，热负荷高峰期，主热源出口的供水通过调峰热源再加热提高水温后送往外网用户。这种运行连接方式多在热电厂内进行。其运行方式相当于定流量变水温运行。调峰热源多为热电厂设置的高峰加热器，或者设在热网首端的调峰锅炉房。其调峰方式的供热原理图见图1-a)。
(2)并联运行，热负荷高峰期，调峰热源供出的热水与主热源供水混合同时送往外网用户，该运行方式相当于分阶段变流量质调节运行。调峰热源位置仍以热网前部靠近热源端为宜。其调峰方式的供热原理图见图1-b)。
(3)切断运行，热负荷高峰期，把调峰热源连同其供热范围内的用户一起与主干线切断而自成体系。从而减少了基本热源的热负荷，这种运行方式是锅炉房作为调峰热源时经常采用的方式。其调峰方式的供热原理图见图1-c)。

a) b) c)
图1 三种供热方式的供热原理图
1.网络循环泵 2.热电厂主家热泵 3.区域热水锅炉房 4.换热站
上述三种调峰方式中，国内目前常用的有两种连接方式：并联连接和切断运行。当调峰热源设在热电厂外距主热源较近处、也可采用串联连接，即主热源出口的热水经高峰加热器再加热到设计温度后送往用户的两级加热方式。对设有尖峰加热器的热电厂供热系统多采用第二种方式，当调峰热源设在热电厂外且远离主热源较远或几个调峰热源比较分散时，则可采用切断运行的连接方式，即调峰热源只单独对某一部分用户供热。平峰时，全部用户热量均由主热源提供；高峰期，则把全部用户中的某一部分与主热源切断，由调峰热源单独对其供热。
3 丹麦集中供热调峰方式
丹麦集中供热事业开始于1903年9月，现在全国供暖面积的近60%由集中供热承担，共拥有665座热电联产厂和230座区域供热厂。丹麦供热热能的大部分是热电厂生产的，热电厂的燃料包括煤炭、天然气、城市垃圾和其他可再生能源。承担首都哥本哈根大型集中供热系统的三家热力输送公司有：负责哥本哈根中部、东部地区热力输送的CTR，负责哥本哈根西部、南部郊区的VEKS，负责日德兰半岛三角地区的TVIS。其中，VEKS的输送系统与CTR的系统相联通。热量输送公司从热电厂或供热厂购买热量通过管网输送至各地的联合配热公司的换热站和其他热用户。在这个过程中，如果购买的热量不足以承担供热负荷，热力输送公司将启动调峰备用站。丹麦典型的大型集中供热系统如图2所示。

图2 丹麦典型集中供热系统原理图
从图中可以看出，与国内常见的调峰锅炉设置在一次网有所不同，丹麦的调峰锅炉设置在热交换器之后的二次网侧。各热力输送公司调峰锅炉承担的调峰负荷由公司自己确定，VEKS调峰负荷约占总负荷的7.4%，分别设置在19个热力站内。PEC调峰负荷约为总热负荷的12%，分别设置在122个热力站内VEKS一次水供回水温度为115℃/55℃，PEC一次水供回水温度约为130℃/70℃。调峰锅炉一般单台容量为1~2t/h的燃气（油）锅炉。一般为无人值守，能够根据用户的要求和室外气候条件的变化实现自动启停。
在换热站二次网侧设置燃气调峰锅炉的集中供热系统具有以下特点：
(1)热电厂承担基本负荷，热源容量降低；
(2)基本负荷不随室外气温变化而变化，便于热电厂机组选型，运行时能够长时间保持在高效率下工作；
(3)一次网承担的负荷减小，可减小管径，节约一次网的初投资；
(4)由分布于各末端的调峰热源根据各自的具体要求，补足不足部分，实现按照各自的需求供热。这样集中供热的调节就不再是目前以流量调节为主，而是直接对热量进行调节；
(5)天然气属于清洁能源，对环境污染小。
对于不同地区由于受地理位置、气温变化的影响，热负荷的变化情况不尽相同。如何确定由热电联产集中供热系统承担的基本热负荷与燃气调峰锅炉提供的调峰负荷之间的适当比例，还需要进行进一步的研究。同时，由于增加燃气锅炉，换热站的设备投资费用将增大，供热系统运行燃料费也将产生变化，需要进行经济分析确定方案。

4 结论
西气东输管线和进口天然气管线途径的大中城市、终点城市，以及进口液化气的港口城市及其辐射地区，为采用燃气锅炉作为热电联产集中供热系统的调峰方式提供了条件。在换热站内二次网侧设置调峰锅炉的调峰方式，有利于热电厂机组选型，可减小一次网的初投资费用，能够更好的满足末端用户热负荷变化的要求，并且可以降低对环境的污染程度。此外，需要研究确定由热电联产集中供热系统承担的基本热负荷与燃气调峰锅炉提供的调峰负荷之间的适当比例，以及换热站的设备投资费用、供热系统运行燃料费。

参考文献
[1] 贺平，孙刚. 供热工程，中国建筑工业出版社，1993.11
[2] 中华人民共和国国家标准.采暖通风与空气调节设计规范（GBJ19-87）.中国计划出版社，1989
[3] 沈峰强，集中供热中调峰锅炉房的技术经济分析，[硕士学位论文]，哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005年3月

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