基于“熱負(fù)荷三角區(qū)”法的熱電聯(lián)產(chǎn)能耗分析與優(yōu)化＊

王 磊，趙加寧，丁立群，廖春暉

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

熱電聯(lián)產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)能源的梯級利用，按質(zhì)用能，減少一次能源的消耗量，從而減少CO2的排放.所以近年來，為應(yīng)對能源危機(jī)和環(huán)境惡化，很多國家都在鼓勵(lì)和推廣熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù).歐盟以及聯(lián)合國亞太經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì)（ESCAP）都將熱電聯(lián)產(chǎn)視作污染物控制和提高能源效率的一項(xiàng)措施［1－2］.2002年，美國僅有9%為熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電，預(yù)計(jì)到2020年，熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電占總發(fā)電量的比例將達(dá)到29%［3］.自1998年起，中國已出臺(tái)了一系列措施［4－5］，對集中供熱熱源進(jìn)行大規(guī)模的熱電聯(lián)產(chǎn)改造，拆除小鍋爐，推廣大型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組.與熱電分產(chǎn)相比，雖然聯(lián)產(chǎn)的燃料利用效率有大幅提高，但常常為了供熱而犧牲了一部分蒸汽的做功能力.現(xiàn)在普遍采用的抽汽供熱方式，使發(fā)電量大為降低.如何減少熱電聯(lián)產(chǎn)高品位的能源損失，提高機(jī)組熱能利用率是很多技術(shù)人員關(guān)注的難題.

由于熱、電負(fù)荷的變化不同步，國內(nèi)熱電廠一般按“以熱定電”的方式運(yùn)行.并且由于熱負(fù)荷變化范圍大，高峰熱負(fù)荷時(shí)間短，所以熱電機(jī)組多在非滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行.為延長熱電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，國內(nèi)熱電廠的熱化系數(shù)約在0.5～0.8之間，尖峰熱負(fù)荷時(shí)汽輪機(jī)抽汽供熱不足部分由新蒸汽減溫減壓供給，或電廠內(nèi)裝設(shè)調(diào)峰鍋爐補(bǔ)充，這部分蒸汽不參與生產(chǎn)電能，損失了一部分高品位熱能的做功能力.所以實(shí)際工程中的熱電聯(lián)產(chǎn)是聯(lián)產(chǎn)和分產(chǎn)的結(jié)合.當(dāng)熱負(fù)荷較低時(shí)，熱電聯(lián)產(chǎn)的熱效率甚至低于熱電分產(chǎn).熱電廠的年運(yùn)行時(shí)間和熱負(fù)荷的大小是影響能耗的重要因素［6］.因此，為提高熱電廠的熱能利用率，應(yīng)盡可能延長熱電機(jī)組的滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，避免在低熱負(fù)荷工況下運(yùn)行.

本文在對熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間圖分析的基礎(chǔ)上，指出了引起熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)能耗較大的“調(diào)峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”；通過案例分析計(jì)算了B25＋C50熱電聯(lián)產(chǎn)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的能耗；指出了B25＋C50熱電聯(lián)產(chǎn)在不同地區(qū)的最優(yōu)熱負(fù)荷.

1 熱電聯(lián)產(chǎn)的耗能“三角區(qū)”

目前熱電廠主要有背壓式汽輪機(jī)和抽凝式汽輪機(jī).背壓機(jī)是將汽輪機(jī)的排汽用來供熱的汽輪機(jī)，蒸汽的熱量在理論上被完全利用.背壓式汽輪機(jī)的運(yùn)行方式是以熱定電，發(fā)電量依據(jù)熱負(fù)荷量而確定，機(jī)組不能單獨(dú)運(yùn)行，也不能獨(dú)立調(diào)節(jié)來同時(shí)滿足熱用戶和電用戶的需要；熱負(fù)荷變化適應(yīng)性差，特別是熱負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)值較多時(shí)，汽輪機(jī)效率急劇下降，機(jī)組的發(fā)電功率會(huì)急劇下降，所以背壓機(jī)適合承擔(dān)穩(wěn)定的熱負(fù)荷.抽凝機(jī)具有較好地調(diào)節(jié)性能，可同時(shí)滿足熱電兩種負(fù)荷的需要，當(dāng)熱負(fù)荷為零時(shí)，抽汽式汽輪機(jī)變?yōu)槟狡啓C(jī)仍可滿足發(fā)電額定功率.因此熱電廠常將背壓機(jī)和抽凝機(jī)配合使用，用背壓機(jī)承擔(dān)穩(wěn)定負(fù)荷，用抽凝機(jī)承擔(dān)變負(fù)荷.

熱負(fù)荷Qh可以擬合成延續(xù)時(shí)間τ的函數(shù)：

全年供熱量：

熱電廠生產(chǎn)電能和熱能的耗熱量可按下式計(jì)算［7］：

聯(lián)產(chǎn)供熱耗熱量Qtph：

聯(lián)產(chǎn)供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bstph：

聯(lián)產(chǎn)發(fā)電耗熱量Qtpe：

聯(lián)產(chǎn)發(fā)電熱效率ηtpe：

聯(lián)產(chǎn)發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bstpe：

式中：Qh為熱負(fù)荷，GJ／h；ηb為燃煤鍋爐效率；ηp為管道效率；Qtph為聯(lián)產(chǎn)抽汽供熱量，GJ；Qtp為熱電廠總耗熱量，GJ；Pel為發(fā)電功率，MW；Bstph為供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，kg標(biāo)準(zhǔn)煤.Bstpe為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，GJ.

由式（1）～式（7）可知：聯(lián)產(chǎn)供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗量主要取決于鍋爐效率，對現(xiàn)代大型鍋爐，其值在40kg標(biāo)準(zhǔn)煤／GJ［7］左右.所以對于聯(lián)產(chǎn)和分產(chǎn)，其供熱能耗相差不大.而聯(lián)產(chǎn)發(fā)電耗煤量隨熱負(fù)荷的減小而增大，在汽輪機(jī)承擔(dān)滿負(fù)荷時(shí)，發(fā)電煤耗可低于200 kg標(biāo)準(zhǔn)煤／kwh，但在汽輪機(jī)純凝運(yùn)行時(shí)，發(fā)電煤耗超過400kg標(biāo)準(zhǔn)煤／kwh，而目前我國主力600MW機(jī)組的發(fā)電煤耗約323g標(biāo)準(zhǔn)煤／kwh.這就說明在汽輪機(jī)隨著熱負(fù)荷調(diào)節(jié)過程中，在熱負(fù)荷較低時(shí)，聯(lián)產(chǎn)能耗是高于分產(chǎn)能耗的.這部分區(qū)域在熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間圖上形成一個(gè)三角形區(qū)域，所以減小“低效率三角區(qū)”面積是熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能的有效措施.

圖1中的“調(diào)峰三角區(qū)”屬于分產(chǎn)供熱區(qū)，目前常用調(diào)峰鍋爐或減溫減壓器承擔(dān)這部分熱負(fù)荷.圖1中τfn表示第n臺(tái)汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間，τcn為變熱負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的能耗臨界點(diǎn)，在τcn點(diǎn)處，汽輪機(jī)的發(fā)電煤耗等于主力機(jī)組發(fā)電煤耗，按600MW汽輪機(jī)發(fā)電煤耗計(jì)算，為323g標(biāo)準(zhǔn)煤／kWh.在τcn點(diǎn)左側(cè)，聯(lián)產(chǎn)發(fā)電煤耗低于分產(chǎn)煤耗；在τcn右側(cè)，聯(lián)產(chǎn)發(fā)電煤耗高于分產(chǎn)煤耗，也就是說，在τcn點(diǎn)右側(cè)的“三角區(qū)”內(nèi)，由于汽輪機(jī)所承擔(dān)的熱負(fù)荷較小，使熱電聯(lián)產(chǎn)的能耗大，燃料利用效率低，定義為“聯(lián)產(chǎn)低效率三角區(qū)”.第n－1臺(tái)機(jī)組的能耗臨界點(diǎn)τcn－1在采暖期結(jié)束點(diǎn)τzh的右側(cè)，所以第n－1臺(tái)機(jī)組運(yùn)行過程中始終是比分產(chǎn)節(jié)能的.

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)能耗三角區(qū)Fig.1 “Triangle Area”of CHP

在這個(gè)“低效率三角區(qū)”內(nèi)，汽輪機(jī)運(yùn)行能耗是高于熱電分產(chǎn)的.可采用調(diào)峰鍋爐承擔(dān)“低效率三角區(qū)”的熱負(fù)荷，也可以通過優(yōu)化熱源集成方案從而減小三角區(qū)的面積.這兩部分三角區(qū)具有較大的節(jié)能潛力，常用的燃煤調(diào)峰鍋爐，由于其熱效率與鍋爐容量大小密切相關(guān)，所以適合建設(shè)少量大型調(diào)峰鍋爐，但燃煤鍋爐效率又受負(fù)荷影響很大，“三角區(qū)”內(nèi)熱負(fù)荷的陡降趨勢會(huì)引起燃煤鍋爐效率降低.

與燃煤鍋爐相比，燃?xì)忮仩t供熱不僅能有效地解決城市污染問題，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：燃?xì)忮仩t的供熱負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)靈活；燃?xì)忮仩t啟動(dòng)快，減少預(yù)備工作帶來的各種消耗；燃?xì)忮仩t不需要煤及煤渣的堆放地，節(jié)省用地，同時(shí)可以減少運(yùn)煤除渣的車輛流量，改善城市交通環(huán)境；燃?xì)忮仩t節(jié)約了燃煤鍋爐的除塵設(shè)備，鍋爐內(nèi)沒有結(jié)渣問題；燃?xì)忮仩t比燃煤鍋爐輔助設(shè)備少，所需工作人員少，負(fù)擔(dān)工資及福利費(fèi)少；燃?xì)忮仩t燃料輸送及其它輔助設(shè)備少，功率小，所以耗電量低［8－10］.

由于天然氣是空間燃燒，鍋爐效率主要與受熱面大小、供熱介質(zhì)的溫度和換熱強(qiáng)化等因素有關(guān).由于天然氣鍋爐不產(chǎn)生灰分，受熱面布置不考慮灰堵和清灰問題，可以采用波紋管和旋流片等強(qiáng)化傳熱方式，所以燃?xì)忮仩t無論規(guī)模大小，其效率一般差別不大，熱水鍋爐一般都在90%左右［10］.因此，在供熱系統(tǒng)的換熱站內(nèi)可以設(shè)置小型燃?xì)忮仩t，做為“三角區(qū)”內(nèi)的熱源.

2 “三角區(qū)”能耗分析方法

目前集中供熱系統(tǒng)通常采用熱電廠與調(diào)峰鍋爐作為熱源，稱為方案一，其耗熱量用Φ（1）total表示；本文提出的燃煤燃?xì)饴?lián)合供熱方案，稱為方案二，耗熱量用Φ（2）total表示.燃煤燃?xì)饴?lián)合熱源的節(jié)能率可以表示為：

其中方案一的總耗熱量為：

兩種方案的耗熱量之差為：

式中：ΦLETAi為第i個(gè)低效率三角區(qū)的汽輪機(jī)耗熱量，GJ；Φ（1）i為方案一中第i個(gè)汽輪機(jī)的供熱發(fā)電總耗熱量，GJ；ηsg為分產(chǎn)發(fā)電效率；Apeak為調(diào)峰三角區(qū)的供熱量，GJ；Pi，τ為第i臺(tái)機(jī)組在τ時(shí)刻的發(fā)電功率，MW；ELETAi為第i個(gè)低效率三角區(qū)的總發(fā)電量，GJ；ALETAi為第i個(gè)低效率三角區(qū)的供熱量，即第i個(gè)三角區(qū)的面積，GJ；Qfj為第j臺(tái)汽輪機(jī)的最大供熱能力，GJ／h.

在熱化系數(shù)為0.5～1區(qū)間內(nèi)，燃煤燃?xì)饴?lián)合供熱的節(jié)能率可采用遺傳算法進(jìn)行尋優(yōu)，具體計(jì)算過程如圖2所示.

圖2 燃煤燃?xì)饴?lián)合熱源供熱節(jié)能潛力計(jì)算流程圖Fig.2 Flow chart for calculation of energy saving rate

3 案例分析

在基本負(fù)荷比為0.5～1.0的范圍內(nèi)，以B25型背壓機(jī)和C50型抽凝機(jī)為基本熱源，同時(shí)采用燃?xì)忮仩t承擔(dān)“調(diào)峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”內(nèi)的熱負(fù)荷，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐調(diào)峰相比，佳木斯地區(qū)可節(jié)能3.4%～4.4%，而石家莊地區(qū)可節(jié)能1.4%～5.8%，如圖3所示.這是因?yàn)?，低緯度的石家莊采暖期短，C50型汽輪機(jī)可以不在“低效率三角區(qū)”內(nèi)運(yùn)行，這樣熱電聯(lián)產(chǎn)在整個(gè)采暖期內(nèi)，其熱效率始終高于分產(chǎn)效率；而長春以北的城市，由于采暖期時(shí)間較長，無論熱源承擔(dān)多大的熱負(fù)荷，C50型汽輪機(jī)都不可避免地在“低效率三角區(qū)”內(nèi)運(yùn)行，使得這期間聯(lián)產(chǎn)的熱效率低于分產(chǎn)熱效率，所以對于B25＋C50型汽輪機(jī)，長春以北的城市中，采用燃?xì)庹{(diào)峰的節(jié)能率至少在3.4%以上，但由于高緯度地區(qū)“三角區(qū)”的總供熱量占全年供熱量的比例較小，所以長春以北的城市采用燃?xì)庹{(diào)峰的最大節(jié)能率在4.5%以內(nèi).

由于“調(diào)峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”的存在，熱電廠供熱系統(tǒng)最節(jié)能的熱源方案不是純粹的熱電聯(lián)產(chǎn)，而是聯(lián)產(chǎn)和分產(chǎn)的相結(jié)合.為增大聯(lián)產(chǎn)的節(jié)能效益，應(yīng)盡可能地減小“調(diào)峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”的面積.受采暖期時(shí)間的影響，C50型汽輪機(jī)在佳木斯市在最節(jié)能工況時(shí)仍存在完整的三角區(qū)，如圖4所示，在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，C50型汽輪機(jī)的發(fā)電煤耗高達(dá)486g標(biāo)煤／kWh；而C50型汽輪機(jī)在石家莊市的最節(jié)能工況時(shí)，如圖5所示，其三角區(qū)面積已大幅減小，且在最低熱負(fù)荷時(shí)，C50型汽輪機(jī)的發(fā)電煤耗約367g標(biāo)煤／kWh.由此可知，“低效率三角區(qū)”對低緯度采暖地區(qū)的供熱能耗影響更大.

圖3 不同地區(qū)采用燃煤燃?xì)饴?lián)合供熱的節(jié)能區(qū)間Fig.3 Scope of energy saving rate by using gas－boilers in“Triangle Area”in different cities

圖4 B25＋C50型汽輪機(jī)在佳木斯市的節(jié)能最優(yōu)熱負(fù)荷曲線Fig.4 Optimal heat load duration curve of B25＋C50steam turbines in Jiamusi

分布式燃?xì)庹{(diào)峰是一種節(jié)能效果顯著的熱源方案.其原因在于，采用小型燃?xì)忮仩t承擔(dān)“低效率三角區(qū)”內(nèi)的熱負(fù)荷，保證了聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)發(fā)電煤耗高于分產(chǎn)煤耗；另外由于燃?xì)忮仩t本身效率高，沒有不完全燃燒的問題，不受爐膛溫度的影響，而且燃?xì)忮仩t效率與鍋爐大小和負(fù)荷變化關(guān)系不大，可靈活地設(shè)置在多個(gè)熱力站內(nèi)調(diào)峰.與燃煤鍋爐相比，在熱負(fù)荷變化時(shí)燃?xì)忮仩t仍然可以保持很高的熱效率.

圖5 B25＋C50型汽輪機(jī)在石家莊市的節(jié)能最優(yōu)熱負(fù)荷曲線Fig.5 Optimal heat load duration curve of B25＋C50steam turbines in Shijiazhuang

4 結(jié) 論

在對熱負(fù)荷延續(xù)時(shí)間圖分析的基礎(chǔ)上，指出了引起熱電聯(lián)產(chǎn)供熱系統(tǒng)能耗較大的“調(diào)峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”.“調(diào)峰三角區(qū)”是分產(chǎn)供熱區(qū)；“低效率三角區(qū)”是聯(lián)產(chǎn)的高耗能區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，汽輪機(jī)運(yùn)行能耗是高于熱電分產(chǎn)的.這兩個(gè)三角區(qū)具有較大的節(jié)能潛力，采用分產(chǎn)供熱比聯(lián)產(chǎn)供熱更為節(jié)能，并可通過分布式燃?xì)庹{(diào)峰熱源替代傳統(tǒng)的集中式燃煤調(diào)峰熱源，或通過優(yōu)化熱源集成方案從而減小三角區(qū)的面積.

對B25＋C50型汽輪機(jī)在不同緯度地區(qū)的9個(gè)城市能耗計(jì)算，結(jié)果表明：受采暖期時(shí)間長短的影響，低緯度地區(qū)的運(yùn)行能耗受熱負(fù)荷的影響較大，而高緯度地區(qū)的運(yùn)行能耗受熱負(fù)荷的影響較小.考慮我國的實(shí)際情況，在燃?xì)赓Y源豐富、燃?xì)鈨r(jià)格不高或城市環(huán)境要求較高的地區(qū)，采用燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)同時(shí)配以燃?xì)忮仩t調(diào)峰的供熱方式，可顯著提高熱能綜合利用效率.應(yīng)發(fā)揮不同類型能源的優(yōu)勢，合理匹配集中式熱源與分布式熱源，才能使變負(fù)荷條件下更為節(jié)能.

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