熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組新型高效耦合供熱技術(shù)研究

王祖林，梁占偉，張 磊，喬加飛，王順森

（1.神華河北國華定州發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 定州 073000； 2.國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 100024； 3.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

目前，大型火力發(fā)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)熱能梯級利用、提高資源綜合利用效率的有效途徑之一。傳統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用高參數(shù)抽汽減溫減壓供熱，導(dǎo)致高品質(zhì)熱量浪費(fèi)。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能量的梯級利用水平，不僅要采用傳統(tǒng)意義上熱效率的高低來評價(jià)，而更要采用效率的高低來評價(jià)。

近年來，相關(guān)研究提出了多種新型高效供熱 技術(shù)，如高背壓供熱[1-3]、背壓機(jī)供熱[4-5]、低壓缸切缸[6]及熱泵供熱[7-9]等。為了達(dá)到供熱溫度需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱量的梯級利用，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一般采用多種供熱技術(shù)耦合供熱[10]。高背壓供熱技術(shù)是利用冷端余熱將熱網(wǎng)循環(huán)水加熱至一定溫度，再經(jīng)汽輪機(jī)抽汽加熱至供熱溫度[11-14]。高背壓供熱技術(shù)具體又分為濕冷機(jī)組高背壓[12]、空冷機(jī)組高背壓[13]及雙背壓[14]等多種方式。

若經(jīng)冷端余熱加熱的熱網(wǎng)循環(huán)水溫度無法滿足尖峰供熱溫度需求時(shí)，需經(jīng)抽汽進(jìn)一步加熱。抽汽一般來自四段抽汽或低壓缸切缸后的蒸汽，經(jīng)背壓機(jī)做功或發(fā)電后的排汽加熱熱網(wǎng)循環(huán)水實(shí)現(xiàn)熱能梯級利用。楊志平等[3]以高背壓供熱耦合尖峰抽汽供熱為對象，研究了高背壓供熱與抽汽供熱負(fù)荷分配比例，得到了熱負(fù)荷分配比例對供熱經(jīng)濟(jì)性的影響。梁占偉等[5]采用分析法研究了高背壓耦合抽汽供熱能耗，并提出了雙機(jī)聯(lián)調(diào)的優(yōu)化方法及最佳運(yùn)行工況。Li等人[15]研究了空冷機(jī)組高背壓耦合抽汽供熱技術(shù)及熱泵耦合抽汽供熱技術(shù)，得到了不同耦合供熱方式的供熱煤耗。余炎等[16]提出了帶給水泵的背壓機(jī)排汽供熱技術(shù)，經(jīng)與抽汽供熱技術(shù)相比提高了經(jīng)濟(jì)性。

以上研究成果為新型高效耦合供熱技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。本文提出了一種新型高效的耦合供熱技術(shù)方案，采用自主研發(fā)的熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化軟件（thermal power integration scheme，TPIS）搭建了熱力系統(tǒng)仿真模型，建立了熱量分析法和分析法建立了能效評價(jià)方法，計(jì)算得到了熱效率、效率、熱指數(shù)、指數(shù)及供電煤耗，對比了純凝工況、抽汽供熱及耦合供熱技術(shù)的熱經(jīng)濟(jì)性及經(jīng)濟(jì)性，證明了分析法評價(jià)供熱煤耗的優(yōu)越性，以及本文提出的耦合供熱方式較之于傳統(tǒng)抽汽供熱方式的顯著經(jīng)濟(jì)性，可為新型高效供熱技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 研究對象

某電廠建設(shè)4臺600 MW等級火電機(jī)組，總裝機(jī)容量2520 MW。一期工程2臺亞臨界600 MW濕冷機(jī)組，二期工程2臺超臨界660 MW直接空冷機(jī)組。主要額定參數(shù)見表1。該電廠先后對一、二期4臺機(jī)組進(jìn)行供熱改造，實(shí)現(xiàn)連通管抽汽供熱。抽汽供熱系統(tǒng)如圖1所示。

表1 機(jī)組額定參數(shù) Tab.1 Rated parameters of the unit

一期單臺機(jī)組額定抽汽量500 t/h，二期單臺 機(jī)組額定抽汽量400 t/h。電廠現(xiàn)有熱網(wǎng)首站1座， 一期和二期的熱網(wǎng)循環(huán)水泵、熱網(wǎng)疏水泵和熱網(wǎng)加熱器布置于熱網(wǎng)首站內(nèi)。其中熱網(wǎng)加熱器和熱網(wǎng)疏水泵為每臺機(jī)組分別對應(yīng)1臺，共計(jì)4臺；熱網(wǎng)循環(huán)水泵為4臺公用的液耦調(diào)速泵。全廠能夠?qū)崿F(xiàn)約 1400 MW供熱能力。

隨著電廠周邊縣城的熱負(fù)荷不斷納入，現(xiàn)有熱網(wǎng)配置已不能滿足需要，需要統(tǒng)籌考慮能量梯級利用的情況下，增大供熱能力。基于該廠裝機(jī)容量和供熱量需求情況，提出了一種新型高效的耦合供熱技術(shù)方案，該方案按1、3號機(jī)組組合，2、4號機(jī)組組合單元制設(shè)計(jì)。以1、3號機(jī)組組合為例說明新型高效的耦合供熱技術(shù)方案設(shè)備組成，3號空冷機(jī)組改造為高背壓供熱，抽汽帶凝背機(jī)，冬季背壓供熱，夏季純凝機(jī)組帶廠用電。1號機(jī)組抽汽進(jìn)入背壓機(jī)帶熱網(wǎng)循環(huán)水泵，排汽進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器供熱。綜上，該耦合供熱技術(shù)方案采用了1號機(jī)組背壓機(jī)及3號機(jī)組高背壓、凝背機(jī)、抽汽供熱技術(shù)耦合供熱方式。耦合供熱系統(tǒng)如圖2所示。

2 研究方法

2.1 熱力系統(tǒng)仿真模型與驗(yàn)證

采用自主研發(fā)的TPIS軟件，分別針對亞臨界 600 MW機(jī)組、超臨界660 MW機(jī)組2臺供熱機(jī) 組搭建了熱力系統(tǒng)仿真模型，用于仿真計(jì)算，如 圖3所示。

為了驗(yàn)證TPIS軟件建模仿真的準(zhǔn)確性，分別利用圖3所示的仿真模型計(jì)算了4個(gè)典型工況的發(fā)電機(jī)功率。TPIS仿真計(jì)算的發(fā)電機(jī)功率和熱平衡圖中設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)功率對比結(jié)果見表2和表3。由表2和表3可知，2臺機(jī)組TPIS仿真計(jì)算的發(fā)電機(jī)功率相對誤差最大值均在40%THA工況，相對誤差最大分別為0.730%和0.640%。由此可見，TPIS仿真計(jì)算的結(jié)果滿足工程仿真精度要求，仿真模型能夠用于熱力系統(tǒng)仿真。

表2 亞臨界600 MW機(jī)組仿真驗(yàn)證 Tab.2 The verification of simulation result for 600 MW subcritical unit

表3 超臨界660 MW機(jī)組仿真驗(yàn)證 Tab.3 The verification of simulation result for 660 MW supercritical unit

2.2 能效評價(jià)方法

2.2.1 熱量分析法

1）熱效率與熱指數(shù) 熱電聯(lián)產(chǎn)的產(chǎn)品為電能和供熱熱能，所消耗的能量為燃煤燃燒的熱能。依據(jù)熱力學(xué)熱量平衡定律，總熱效率是產(chǎn)品能量與消耗熱量之比[12,17]：

式中：ηth為熱電廠總熱效率，%；a為常數(shù)，3.6 s/h；Pe,r為熱電廠的供電功率，MW；Qh為熱電廠供熱量，MJ/h；B為熱電廠燃煤量，kg/h；Qnet為燃煤低位發(fā)熱量，MJ/kg。

針對熱電廠的產(chǎn)品包括電能和供熱熱能2種產(chǎn)品，由于供熱會導(dǎo)致供電量的減少，為了衡量由于供熱導(dǎo)致的供電量的減少，本文引入“當(dāng)量電耗率”[17]，其表達(dá)式為：

式中：EECR為供熱當(dāng)量電耗率，MW；Pe,n為熱電廠純凝運(yùn)行供電功率，MW。

由式(2)可得：

將(3)代入式(1)可得：

令：

則：

式中：ηnh為熱電廠純凝運(yùn)行時(shí)的供電熱效率，%；ηhh為供熱熱效率，%；ηEh為當(dāng)量電耗率熱效率，%。

熱指數(shù)定義為總供熱量與供熱消耗電量的比值，對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱消耗電量即為“當(dāng)量電耗率”。熱指數(shù)可以表示為：

2）基于熱量分析的供電煤耗與供熱煤耗 基于熱量分析的供電煤耗與供熱煤耗的計(jì)算[18]，必須考慮供熱消耗的燃煤量與供電消耗的燃煤量對總煤耗的分?jǐn)偙?，即熱電分?jǐn)偙?。本文采用的熱電分?jǐn)偙扔?jì)算方法為：

式中：βh為基于熱量法的熱電分?jǐn)偙?；ηb為鍋爐效率；ηg為管道效率。

基于熱量分析的供電煤耗（標(biāo)煤）表示為：

式中：bhe為基于熱量分析的供電煤耗，g/(kW·h)；Qnet,ar為標(biāo)煤低位發(fā)熱量，MJ/kg。

基于熱量分析的供熱煤耗（標(biāo)煤）表示為：

式中：bhh為基于熱量分析的供熱煤耗（標(biāo)煤），kg/GJ。

式中：ηte為熱電廠總效率，%；T0為環(huán)境溫度，K；為供熱平均溫度，K；ξ為燃煤與燃煤低位發(fā)熱量之比，對于標(biāo)煤ξ取1.04。

將(3)代入式(9)可得：

令：

則：

式中：ηne為熱電廠純凝運(yùn)行的供電效率，%；ηhe為供熱效率，%；ηEe為當(dāng)量電耗效率，%。

式中：βe為基于分析的熱電分?jǐn)偙?；為汽輪機(jī)汽水工質(zhì)進(jìn)出口的熱力學(xué)平均溫度，K。

式中：bee為基于分析的供電煤耗，g/(kW·h)。

式中：bhh為基于分析的供熱煤耗（標(biāo)煤），kg/GJ。

3 結(jié)果與分析

原4臺機(jī)組總抽汽供熱量為1408.12 MW：其中原1號機(jī)組額定工況抽汽500 t/h，供熱量為389.26 MW；原3號機(jī)組額定工況抽汽400 t/h，供熱量為314.80 MW。耦合供熱技術(shù)方案總供熱量為1237.70 MW：其中1號機(jī)背壓機(jī)供熱量為378 MW，3號機(jī)高背壓供熱量為562 MW，3號機(jī)凝背機(jī)供熱量為297.7 MW。

為了便于分析，以總供熱量1237.70 MW為基準(zhǔn)計(jì)算節(jié)能改造前后的效率、煤耗等指標(biāo)。4臺機(jī)原額定工況最大抽汽供熱量為1408.12 MW。為了實(shí)現(xiàn)抽汽供熱1237.70 MW，4臺機(jī)組的抽汽供熱量按以下分配：1號機(jī)組和2號機(jī)組額定工況分別抽汽390 t/h（最大抽汽量為500 t/h），分別供熱量為304.64 MW；3號機(jī)組和4號機(jī)組額定工況分別抽汽400 t/h（最大抽汽量為400 t/h），分別供熱量為314.80 MW。1號機(jī)組和3號機(jī)組組合設(shè)計(jì)，按耦合供熱方式運(yùn)行時(shí)，1號機(jī)組和3號機(jī)組額定工況的最大供熱量為1237.70 MW。

表43種工況機(jī)組電功率 單位：MW Tab.4 Electric power of the unit of three working conditions

需要特別說明的是：耦合供熱方式時(shí)，僅1號機(jī)組和3號機(jī)組參與供熱，而2號機(jī)組和4號機(jī)組純凝工況運(yùn)行，因此導(dǎo)致耦合供熱方式的1號機(jī)組和3號機(jī)組發(fā)電功率大于抽汽供熱的1號機(jī)組和 3號機(jī)組發(fā)電功率，但耦合供熱方式4臺機(jī)組總發(fā)電功率明顯大于抽汽供熱4臺機(jī)組總發(fā)電功率。

3.1 熱量分析法

采用熱量分析法分別研究了純凝工況、抽汽供熱、耦合供熱方式的熱效率、熱指數(shù)、供電煤耗及供熱煤耗，結(jié)果如圖4所示。因?yàn)?號機(jī)組和2號機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)相同，3號機(jī)組和4號機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)相同，因此圖4中僅列出了1號機(jī)組和3號機(jī)組的計(jì)算結(jié)果。由圖4a)可以看出：供熱后機(jī)組熱效率明顯高于純凝工況熱效率，而耦合供熱方式的熱效率比抽汽供熱的熱效率高19.59百分點(diǎn)；3號機(jī)組耦合供熱方式的熱效率高達(dá)90.30%，其主要原因是3號機(jī)組采用高背壓供熱方式，排汽余熱得到充分利用。另外，凝背機(jī)實(shí)現(xiàn)了抽汽的梯級利用，利用抽汽先發(fā)電再供熱，也有助于提高機(jī)組熱效率。

由2.2.1節(jié)可知，熱指數(shù)定義為總供熱量與供熱消耗電量的比值，是衡量供熱熱效率的指標(biāo)。由圖4b)可以看出：耦合供熱方式的熱指數(shù)比抽汽供熱的熱指數(shù)高2.61百分點(diǎn)；3號機(jī)組耦合供熱方式的熱指數(shù)高達(dá)11.0%，再次說明采用高背壓及凝背機(jī)供熱的優(yōu)勢。

由圖4c)可以看出，耦合供熱方式的供電煤耗比抽汽供熱的供電煤耗低76.23 g/(kW·h)，3號機(jī)組耦合供熱方式的供電煤耗降低至131.28 g/(kW·h)，耦合供熱方式可以明顯降低供電煤耗。

由圖4d)可以看出，供熱煤耗均為38.62 kg/GJ。由此可知，基于熱量分析法的供熱煤耗無法衡量供熱方式的先進(jìn)性及優(yōu)越性。

由圖5c)可以看出：抽汽供熱的供電煤耗比純凝工況供電煤耗高15.30 g/(kW·h)，也就是說基于分析法得到的抽汽供熱方式的供電煤耗反而比純凝工況的供電煤耗增加。其主要原因?yàn)椋阂环矫娣治龇軌蚝饬磕芰科焚|(zhì)的高低，計(jì)算能量中高品質(zhì)能量的利用程度，高品質(zhì)能量利用率越高其效率越高；另一方面抽汽供熱方式將高品質(zhì)蒸汽抽去加熱熱網(wǎng)循環(huán)水供熱，導(dǎo)致高品質(zhì)的蒸汽未得到充分利用，利用率降低，而抽汽供熱方式發(fā)電分?jǐn)偟恼羝勘燃兡鞴r蒸汽量減少，導(dǎo)致抽汽供熱方式發(fā)電效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致供電煤耗增加。耦合供熱方式的供電煤耗比純凝工況的供電煤耗降低6.32 g/(kW·h)，比抽汽供熱的供電煤耗降低 21.62 g/(kW·h)。3號機(jī)組耦合供熱方式的供電煤耗明顯降低至272.12 g/(kW·h)，由2.2.2節(jié)的分析方法可知，這主要取決于供熱分?jǐn)偪偟谋壤?/p>

3.3 不同抽汽量對供電量的影響

采用本文建立熱力系統(tǒng)模型，在相同的供熱量情況下，計(jì)算了4臺機(jī)組3種不同抽汽量對供電量的影響，結(jié)果見表5。供熱量為1237.70 MW，1號機(jī)組和2號機(jī)組抽汽量為400 t/h（最大抽汽量）時(shí)，3號機(jī)組和4號機(jī)組最小抽汽量為390 t/h。在保證供熱量為1237.70 MW，仿真計(jì)算了3個(gè)工況的抽汽量對供電量的影響，1號機(jī)組和2號機(jī)組抽汽量為400、350、300 t/h，對應(yīng)的3號機(jī)組和4號機(jī)組抽汽量為390、445、496 t/h。

表5 3種抽汽工況 單位：t/h Tab.5 Three steam extraction working conditions

3個(gè)工況的全廠總供電量分別為2.086、2.076、2.065 GW，抽汽工況1的全廠供電量最大。因此，當(dāng)供熱量為1237.70 MW時(shí)，抽汽工況1能到使全廠供電量最大，可為電廠優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。

4 結(jié)論

1）本文提出的耦合供熱方式熱效率、熱指數(shù)比抽汽供熱的熱效率、熱指數(shù)分別提高19.59百分點(diǎn)和2.61百分點(diǎn)，耦合供熱方式的供電煤耗比抽汽供熱的供電煤耗降低76.23 g/(kW·h)，以熱量分析法評價(jià)得到耦合供熱方式比抽汽供熱有顯著優(yōu)勢。

2）基于熱量分析法計(jì)算得到不同供熱方式的供熱煤耗均為38.62 kg/GJ，基于分析法計(jì)算得到耦合供熱方式的供熱煤耗比抽汽供熱的供熱煤耗降低0.09 kg/GJ，基于分析法計(jì)算得到3號機(jī)組的耦合供熱方式的供熱煤耗僅為13.88 kg/GJ，表明分析法的供熱煤耗可用于衡量供熱方式的先進(jìn)性及優(yōu)越性。

4）當(dāng)供熱量為1237.70 MW時(shí)，抽汽供熱的最優(yōu)為抽汽工況1，其全廠供電量最大為2.086 GW。其結(jié)果可為電廠優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。