熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在平峰轉(zhuǎn)供模式下的經(jīng)濟(jì)性分析

徐 進(jìn)

(大唐保定熱電廠，河北 保定 071051)

0 前言

目前大部分城市的供熱系統(tǒng)采用熱電聯(lián)產(chǎn)熱源集中供熱，在供熱高峰期時(shí)啟動(dòng)城市中的集中熱源廠作為備用熱源，替代分散供熱的燃煤鍋爐，實(shí)現(xiàn)城區(qū)供熱的“無(wú)煤化、清潔化”。但隨著城市規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，居民采暖熱負(fù)荷也在逐年增加，城市集中供熱全覆蓋程度已不能滿(mǎn)足城市發(fā)展的需求。根據(jù)某市的供熱現(xiàn)狀，以燃煤高效的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組及區(qū)域鍋爐為熱源的集中供熱面積僅為供熱總面積的43.43%，以分散燃煤鍋爐為熱源的分散供熱面積占38.15%，2017—2018年采暖季該市新增實(shí)際供熱面積873萬(wàn)m2，按嚴(yán)寒期月均值計(jì)算，需增加供熱能力354 MW，按日均峰值計(jì)算需增加供熱能力386 MW。另外整個(gè)供暖期熱負(fù)荷分布不均，供熱初、末期與高峰期熱負(fù)荷需求相差較大，使得熱電聯(lián)產(chǎn)熱源在供熱初期運(yùn)行效率較低，供熱高峰期供熱能力達(dá)到最大，導(dǎo)致發(fā)電量減少，經(jīng)濟(jì)性變差，且集中熱源廠的能源綜合利用效率遠(yuǎn)低于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，整個(gè)供暖期中城市集中熱源廠高負(fù)荷運(yùn)行，造成一次能源的極大浪費(fèi)。所以結(jié)合供熱期間環(huán)境溫度與采暖熱指標(biāo)整合供熱資源，如何在將供熱能力發(fā)揮到最大的同時(shí)做到效益與環(huán)保雙贏成為了當(dāng)前供熱工作的重點(diǎn)研究方向。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱能力及區(qū)域供熱現(xiàn)狀

1.1 機(jī)組供熱能力

多數(shù)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以發(fā)電為主、供熱為輔，但近年來(lái)隨著煤價(jià)不斷攀升，供熱缺口逐年增大，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供暖期多采取“以熱定電”的模式運(yùn)行，以提高電廠冬季的盈利能力[1]，即在發(fā)電的同時(shí)從汽輪機(jī)中抽出部分蒸汽，在犧牲一部分發(fā)電量的情況下對(duì)外輸送熱量，這種運(yùn)行方式也就決定了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在抽汽供熱的條件下供電量勢(shì)必與銘牌發(fā)電量有所差距，根據(jù)熱化發(fā)電量公式：

Wc=Qc(i0-ic)/[(ic-tc)×3 600]

(1)

式中：Wc是抽汽供熱汽流的發(fā)電量，單位kW·h；Qc是總供熱量，單位kJ；i0是新蒸汽焓，單位kJ/kg；ic是抽汽焓，單位kJ/kg；tc是供熱回水焓，單位kJ/kg。

供熱初期，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供工業(yè)抽汽與采暖抽汽對(duì)外供熱，以某350 MW超臨界機(jī)組為例，額定工業(yè)抽汽120 t/h，額定采暖抽汽370 t/h，Qc按照2.5×106kJ/(t/h)，新蒸汽焓3 398 kJ/kg，工業(yè)抽汽焓3 384 kJ/kg，采暖抽汽焓2 970 kJ/kg，50 ℃水的焓tc取209 kJ/kg，計(jì)算由于機(jī)組提供工業(yè)抽汽與采暖抽汽而損失的發(fā)電量Wc為39 243 kW·h，則供熱初期機(jī)組最大負(fù)荷為311 MW，該負(fù)荷即為冬季“以熱定電”模式下機(jī)組能發(fā)出的最大負(fù)荷。

1.2 區(qū)域供熱現(xiàn)狀

按照某市現(xiàn)有情況，進(jìn)入供暖期后供熱區(qū)域內(nèi)6臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與集中熱源廠全部投入運(yùn)行，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組按照額定抽汽量可提供熱量 2 156 MW，按照居民采暖熱負(fù)荷38 W/m2計(jì)算，供熱期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可負(fù)責(zé)供熱面積 5 673萬(wàn)m2，另外集中熱源廠提供熱量523 MW，可負(fù)責(zé)供熱面積1 376萬(wàn)m2。根據(jù)圖1所示的該市采暖熱負(fù)荷曲線(xiàn)，供暖期開(kāi)始階段環(huán)境溫度較高，居民采暖負(fù)荷最小，此階段采暖熱指標(biāo)也處于最低水平，隨著供熱期的推進(jìn)，環(huán)境溫度達(dá)到最低時(shí)供暖需求也達(dá)到最大值，整個(gè)供熱期內(nèi)采暖熱指標(biāo)隨室外溫度降低而升高，最終反映出供熱初期與高峰期居民采暖需求有較大的差異。

圖1 某市采暖熱負(fù)荷曲線(xiàn)圖

機(jī)組以現(xiàn)有供熱方式運(yùn)行，供熱初期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供熱量較多，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性較差，且供熱范圍內(nèi)所有熱源點(diǎn)供熱量總和與最大熱負(fù)荷相比仍有一定缺口，這就需要熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在供熱期內(nèi)在最大抽汽工況下運(yùn)行。機(jī)組抽汽量加大后，發(fā)電量更低，按照某350 MW超臨界機(jī)組最大工業(yè)抽汽160 t/h、最大采暖抽汽385 t/h計(jì)算，最大抽汽工況下機(jī)組的電負(fù)荷為300 MW，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性更差。另外根據(jù)圖1中顯示的2020年的預(yù)計(jì)熱負(fù)荷及采暖面積，該市區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有熱源的供熱能力及集中供熱管網(wǎng)的發(fā)展規(guī)模已難以滿(mǎn)足2020年的供熱需求。

2 最大抽汽工況下對(duì)機(jī)組的影響

2.1 低壓缸鼓風(fēng)損失

汽輪機(jī)鼓風(fēng)摩擦產(chǎn)生于存在部分進(jìn)汽度的級(jí)中，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)至無(wú)噴嘴處，不但不能做功，而且蒸汽還要隨葉輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，汽輪機(jī)像鼓風(fēng)機(jī)一樣的把蒸汽排出。這種情況下大量的機(jī)械能很快轉(zhuǎn)化成熱能而加熱了汽缸內(nèi)部的空氣及金屬，使得汽缸內(nèi)金屬溫度急劇升高，造成鼓風(fēng)摩擦損失。

鼓風(fēng)摩擦損失主要與角速度的3次方、動(dòng)葉長(zhǎng)度成正比，所以低壓缸的鼓風(fēng)摩擦損失相對(duì)高、中壓缸更高。汽輪機(jī)在最大抽汽工況下運(yùn)行時(shí)，有很大部分的蒸汽在進(jìn)入低壓缸做功之前就被抽出對(duì)外供熱，同時(shí)導(dǎo)致機(jī)組電負(fù)荷降低，在汽輪機(jī)發(fā)電負(fù)荷較低、進(jìn)汽量較小的同時(shí)作用下，低壓缸的鼓風(fēng)效應(yīng)變得更加明顯。鼓風(fēng)摩擦損失熱量加熱了汽輪機(jī)通流部分，使脹差增大，對(duì)汽缸金屬內(nèi)部組織及動(dòng)、靜部分摩擦帶來(lái)一定危害。

2.2 熱網(wǎng)加熱器換熱效率

當(dāng)機(jī)組采取最大抽汽工況運(yùn)行時(shí)，熱網(wǎng)加熱器側(cè)流量升高，增大了加熱器水位控制的難度。加熱器水位升高后會(huì)淹沒(méi)一部分受熱面，擠占加熱器的對(duì)流換熱區(qū)域面積，使得被加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水難以達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，傳熱端差加大。另外加熱器水位太高時(shí)水會(huì)倒灌回汽輪機(jī)，造成汽輪機(jī)水沖擊，加熱器水位達(dá)到三號(hào)高溫加熱器水位值時(shí)會(huì)引起單側(cè)加熱器跳閘，影響供熱。

2.3 滑壓運(yùn)行的適應(yīng)性

隨著新能源發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，電力系統(tǒng)面臨著重大的電能消納問(wèn)題，這就對(duì)燃煤機(jī)組提出了實(shí)現(xiàn)快速深度調(diào)峰運(yùn)行的要求[2]。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行下會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況的情況，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)瓦溫高、軸振大的故障，所以汽輪機(jī)多采用滑壓運(yùn)行方式來(lái)提高在部分負(fù)荷工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

由于機(jī)組的滑壓運(yùn)行曲線(xiàn)為出廠時(shí)的原始設(shè)計(jì)曲線(xiàn)，或在非采暖期經(jīng)過(guò)試驗(yàn)而獲得[3]，所以滑壓運(yùn)行方式勢(shì)必不滿(mǎn)足機(jī)組在抽汽工況下的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性要求，供熱期抽汽量達(dá)到最大時(shí)發(fā)電量最低，可能出現(xiàn)在低負(fù)荷時(shí)為了滿(mǎn)足抽汽供熱需求而將自動(dòng)滑壓運(yùn)行切換為手動(dòng)定壓方式運(yùn)行的情況，從而導(dǎo)致節(jié)流損失增大，機(jī)組效率降低。

3 平峰轉(zhuǎn)供模式具體方法

根據(jù)供熱初期與高峰期居民采暖熱指標(biāo)的變化情況，合理分配熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與集中熱源廠的運(yùn)行時(shí)間，在供熱初期與末期環(huán)境溫度較高的情況下，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可按照較低的采暖熱指標(biāo)滿(mǎn)足基本熱負(fù)荷，在供熱高峰期開(kāi)始后啟動(dòng)集中熱源廠對(duì)外供熱，實(shí)現(xiàn)整個(gè)供熱期內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組平峰運(yùn)行、集中熱源廠調(diào)峰運(yùn)行的方式，這樣可以在提高供熱資源的利用效率的同時(shí)兼顧機(jī)組經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保的要求。

以某市區(qū)域內(nèi)6臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，若整個(gè)供熱期內(nèi)按照采暖熱指標(biāo)28 W/m2計(jì)算，6臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提供熱量可覆蓋7 700萬(wàn)m2供熱面積，供熱初末期可滿(mǎn)足全市熱負(fù)荷需要。高峰期啟動(dòng)集中熱源廠調(diào)峰運(yùn)行，按照38 W/m2計(jì)算，集中熱源廠可提供1 376萬(wàn)m2，高峰期剩余熱負(fù)荷由熱電聯(lián)產(chǎn)熱源提供，供熱量需求為2 403 MW。平峰轉(zhuǎn)供模式依據(jù)環(huán)境溫度的差異合理分配了采暖熱負(fù)荷的需求，在減少集中熱源廠運(yùn)行時(shí)間的同時(shí)提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組額定抽汽工況運(yùn)行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了能源高效利用，提高了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

4 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性分析與環(huán)境效益

4.1 供電收益

根據(jù)平峰轉(zhuǎn)供模式下供熱高峰期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱需求量為2 403 MW，與6臺(tái)機(jī)組額定抽汽供熱總量基本持平，則供熱高峰期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可基本維持額定抽汽工況運(yùn)行。以某350 MW超臨界機(jī)組為例，整個(gè)供熱期中采用額定抽汽工況運(yùn)行，該工況下機(jī)組負(fù)荷為“以熱定電”模式下的最大供電負(fù)荷，供電收益達(dá)到最大。額定抽汽工況相比最大抽汽工況供電負(fù)荷多11 MW,按照電價(jià)0.5元/kW·h計(jì)算整個(gè)供熱期機(jī)組供電收益為1 584萬(wàn)元。

4.2 轉(zhuǎn)供熱量收益

供熱高峰期集中熱源廠提供的熱量可以代替熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組需提供的部分熱量，平峰轉(zhuǎn)供模式下單臺(tái)機(jī)組可轉(zhuǎn)供熱量87 MW,按照熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組對(duì)外提供熱量28元/GJ計(jì)算，供熱高峰期機(jī)組轉(zhuǎn)供熱量收益1 249萬(wàn)元。

4.3 節(jié)約供熱標(biāo)煤耗

平峰轉(zhuǎn)供后，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可在整個(gè)供熱期維持額定抽汽工況運(yùn)行，相比最大抽汽工況可節(jié)省供熱標(biāo)煤耗量，根據(jù)：

Δbg=ΔQ/(Qb×ηb×ηg)

(2)

式中：Δbg是減少供熱標(biāo)煤耗量，單位kg/h；ΔQ是供熱量差值，單位GJ/h；Qb是標(biāo)煤發(fā)熱量，kJ/kg；ηb是鍋爐效率；ηg是管道效率。

以某350 MW超臨界機(jī)組為例，供熱量ΔQ為工業(yè)抽汽與采暖抽汽供熱變化量的總和，分別按照額定工業(yè)抽汽量120 t/h，最大工業(yè)抽汽量160 t/h，抽汽焓值3 384 kJ/kg，工業(yè)抽汽疏水焓84 kJ/kg，額定采暖抽汽量370 t/h，最大采暖抽汽量370 t/h，采暖抽汽焓值2 970 kJ/kg，采暖抽汽疏水焓377 kJ/kg計(jì)算供熱量差值ΔQ為170.8 GJ/h。

標(biāo)煤發(fā)熱量Qb取29 308 kJ/kg，鍋爐效率ηb取0.93，管道效率ηg取0.99，計(jì)算出減少供熱標(biāo)煤耗量Δbg為6.3 t/h。若以標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)463元/t計(jì)算，一個(gè)供熱期內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組因平峰轉(zhuǎn)供而節(jié)約的供熱標(biāo)煤成本為840萬(wàn)元。

4.4 環(huán)境效益

平峰轉(zhuǎn)供的環(huán)境效益主要體現(xiàn)在縮短了整個(gè)供熱期內(nèi)集中熱源廠的運(yùn)行時(shí)間。由于集中區(qū)域鍋爐相比熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱效率較低、能耗高，且脫硫、脫硝、除塵設(shè)備不完善，所以平峰轉(zhuǎn)供模式大大的縮短了區(qū)域熱源鍋爐的運(yùn)行時(shí)間，在減少一次能源消耗的同時(shí)降低了污染物的排放量，根據(jù)：

B=Q/(Qb×ηb×ηgw)

(3)

式中：B是區(qū)域鍋爐標(biāo)煤耗量，單位t/h；Q是區(qū)域鍋爐供熱量，單位kJ/kg；Qb是標(biāo)煤發(fā)熱量，單位kJ/kg；ηb是供熱鍋爐效率；ηgw是管網(wǎng)效率。

標(biāo)煤發(fā)熱量Qb取29 308 kJ/kg，供熱鍋爐效率ηb取0.85，管網(wǎng)效率ηgw取0.99，分別計(jì)算集中熱源廠整個(gè)供熱期運(yùn)行與高峰期運(yùn)行的煤耗，平峰轉(zhuǎn)供模式下區(qū)域內(nèi)所有集中熱源廠整個(gè)供熱期可節(jié)約供熱標(biāo)煤耗總量為10.9萬(wàn)t，按照每天減少燃煤37 847 kg計(jì)算，供暖期集中熱源廠每天可減排CO299.1 t、SOX0.32 t、NOX0.28 t。

綜上所述，供熱初、末期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可以維持額定抽汽工況運(yùn)行，擴(kuò)大供熱面積，高峰期將調(diào)峰供熱量轉(zhuǎn)供給集中熱源廠，節(jié)省機(jī)組供熱成本，整個(gè)供熱期內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總收益如表1所示。

表1 平峰轉(zhuǎn)供模式下熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 萬(wàn)元

5 結(jié)論與建議

(1)采用平峰轉(zhuǎn)供模式可以減少高能耗、低效率的供熱鍋爐運(yùn)行時(shí)間，降低一次能源消耗量。

(2)依據(jù)環(huán)境溫度采用相適應(yīng)的采暖熱指標(biāo)是實(shí)行平峰轉(zhuǎn)供的基礎(chǔ)，供熱初、末期熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組以較低的采暖熱指標(biāo)對(duì)外供熱，有利于擴(kuò)大區(qū)域供熱面積，緩解供熱壓力。

(3)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組可在保證供熱的條件下維持“以熱定電”模式下的最大電負(fù)荷運(yùn)行，在提高經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組在高峰期轉(zhuǎn)供的部分熱量不僅可以降低運(yùn)行成本，還可增加供熱收益。

(4)平峰轉(zhuǎn)供可以為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組帶來(lái)可觀的收益，但在城市規(guī)模逐年擴(kuò)大的情況下，集中供熱的發(fā)展無(wú)法滿(mǎn)足熱用戶(hù)增多的需求，如何提高未來(lái)城市集中供熱覆蓋率是能否實(shí)現(xiàn)平峰轉(zhuǎn)供的關(guān)鍵。

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