熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動方式對供熱機(jī)組綜合能耗的影響研究

王 洋，馬汀山，呂 凱，田忠玉，俞 駿，石 慧，楊凱旋，劉 明

（1.中國華能集團(tuán)有限公司，北京 100031；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049）

能源穩(wěn)定供應(yīng)是社會發(fā)展的基石，而電力是最主要的二次能源?；鹆Πl(fā)電是我國電力生產(chǎn)的基本保障。截至 2020 年底，我國火電發(fā)電量達(dá)到5.17 萬億kW·h，占全國總發(fā)電量的67.9%[1]。預(yù)計(jì)到2040 年，煤炭消耗仍將占我國一次能源消耗的35%，并且將主要用于電能供應(yīng)的兜底保障和靈活調(diào)節(jié)[2]。另外，北方的大部分火電機(jī)組還承擔(dān)著保障民生的采暖供熱任務(wù)。近年來，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組由于能源利用率高而得到了較大的發(fā)展，裝機(jī)容量在火電裝機(jī)容量中的比例高達(dá)35%。挖掘供熱機(jī)組的節(jié)能潛力、降低供熱及發(fā)電成本對我國節(jié)能減排具有重要意義[3]，對我國實(shí)現(xiàn)“2030 碳達(dá)峰、2060 碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)也具有重要支撐作用。

熱電聯(lián)產(chǎn)遵循了能量梯級利用的原理，供熱有抽汽[4]、高背壓[5]、熱泵[6]以及低壓缸零出力[7]等多種方式，已有學(xué)者針對單獨(dú)供熱方式或耦合供熱方式開展大量研究[8-10]。熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)成本核算涉及到熱、電2 種產(chǎn)品的成本分?jǐn)偡椒胺謹(jǐn)偤侠硇缘膯栴}。常規(guī)的分?jǐn)偡椒ㄖ饕袩崃糠?、?shí)際焓降法、做功能力法、等效熱降法，但這些方法都有各自的局限性[11-14]，主要區(qū)別在于供熱蒸汽冷源損失回收效益的分配。但是，目前的供熱機(jī)組附加能耗分配方法普遍忽略了供熱對機(jī)組的附加影響，如主蒸汽流量、高壓調(diào)速汽門開度、低壓缸排汽壓力、供熱調(diào)節(jié)蝶閥開度等。

為此，本文對供熱機(jī)組建立起一種新的折算供熱煤耗的計(jì)算方法，通過該方法，有效地對比分析供熱機(jī)組因?yàn)楣崃康拇笮∫约俺槠麉?shù)的高低對機(jī)組供電煤耗的影響，使得計(jì)算結(jié)果可以直接進(jìn)行對比，從而反映供熱機(jī)組設(shè)備和節(jié)能管理水平的高低。在供熱機(jī)組中，熱網(wǎng)循環(huán)水泵是熱網(wǎng)首站的主要設(shè)備，承擔(dān)著輸送熱網(wǎng)水的作用[15-16]。目前熱網(wǎng)循環(huán)水泵主要分為電動機(jī)驅(qū)動和蒸汽透平驅(qū)動2 種方式，2 種驅(qū)動方式對于機(jī)組供熱能耗的影響有著顯著區(qū)別。為了說明本文建立的折算方法的能耗分配效果，將其用于分析熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動方式對機(jī)組供熱能耗的影響。

1 供熱能耗計(jì)算方法

1.1 案例機(jī)組概況

某電廠3 號鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐，爐膛采用雙拱形單爐膛，倒U 型布置，尾部雙煙道；燃燒方式為W 型火焰燃燒，固態(tài)排渣，平衡通風(fēng)；鍋爐為露天布置，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)為N315-16.7/537/537 型亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機(jī)。為了滿足供熱需求，進(jìn)行供熱改造，利用中排抽汽加熱熱網(wǎng)回水。

1.2 供熱能耗分析方法

開展機(jī)組供熱能耗計(jì)算是進(jìn)行供熱機(jī)組能耗評價(jià)的前提條件。火電機(jī)組熱力系統(tǒng)定量分析是火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性診斷和能耗分析的重要組成部分。為了有效分析供熱機(jī)組的“供熱真實(shí)能耗”，本文提出“參比機(jī)組”的概念，并將“參比機(jī)組法”與熱量法[17]及?方法[18]進(jìn)行對比。

1.2.1 參比機(jī)組法

參比機(jī)組是與供熱機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)級數(shù)相同，熱端參數(shù)（主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱溫度）及冷端參數(shù)（低壓缸排汽壓力）隨工質(zhì)流量變化規(guī)律相同的凝汽機(jī)組。圖1 為供熱機(jī)組，輸入煤量為Btp，煤的熱值為qL，供熱機(jī)組輸出能量包括熱負(fù)荷Q與電負(fù)荷Pe。圖2 為供熱機(jī)組的參比機(jī)組，該機(jī)組對應(yīng)工況發(fā)電量為Pe，但不對外供應(yīng)熱負(fù)荷。

圖1 供熱機(jī)組能量輸入與輸出關(guān)系Fig.1 The energy input and output of cogeneration unit

圖2 參比機(jī)組能量輸入與輸出關(guān)系Fig.2 The energy input and output of reference unit

參比機(jī)組法分配供熱與發(fā)電煤耗量的原則是，將供熱機(jī)組的煤耗量Btp與同等發(fā)電功率時(shí)的參比機(jī)組的煤耗量對比，多出部分的煤耗量即為供熱部分所需煤耗量，即：

式中：Btp為該供熱機(jī)組的總煤耗量；Btp(c)為該機(jī)組與供熱機(jī)組的電功率相同時(shí)參比機(jī)組的總煤耗量。

1.2.2 熱量法

熱量法是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法》（DL/T 904—2015）的理論基礎(chǔ)[17]。熱量法分配煤耗量的方式為基于分配至熱用戶的熱量消耗量Qtp(h)占供熱汽輪機(jī)組熱量使用量Qtp的比值來分配。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組總耗熱量為：

分配供熱的熱耗量為：

式中：D0為汽耗量，kg/h；Dh為供熱氣流流量，kg/h；h0為主蒸汽初焓，kJ/kg；hfw為給水比焓，kJ/kg；hh為抽汽比焓，kJ/kg；hh'為回水比焓，kJ/kg；ηb為鍋爐效率；ηp為主蒸汽管道效率。

分給供熱的熱能消耗量Qtp(h)在熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電廠總熱能消耗量Qtp的比重稱為熱電分?jǐn)偙圈聇p(1)，即：

1.2.3 ?方法

?方法是根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)供給熱量的蒸汽做功能力（?）與主蒸汽的最大做功能力之比來分配[18]。

供熱抽汽做功能力為：

主蒸汽做工能力為：

即其熱量分?jǐn)偙圈聇p(2)為：

式中：e0、eh為主蒸汽、供熱蒸汽比?，kJ/kg，計(jì)算公式見式(12)、式(13)。

式中：s0、sh、sen分別為主蒸汽、供熱蒸汽和膨脹至環(huán)境溫度的比熵，kJ/(kg·K)；Ten為環(huán)境溫度，取值為293.15 K。

本文的分析方法為變工況理論分析方法，供熱機(jī)組能耗分析的參比機(jī)組是供熱機(jī)組供熱改造之前的凝汽式機(jī)組，采用自編程建立參比機(jī)組和供熱機(jī)組的汽輪機(jī)變工況計(jì)算模型。為排除邊界條件影響，計(jì)算過程中供熱機(jī)組與參比機(jī)組的鍋爐效率、管道效率、機(jī)械效率、發(fā)電機(jī)效率以及煤的低位發(fā)熱量分別為90.6%、99%、99%、99%和29 307 kJ/kg，并根據(jù)正反平衡對模型準(zhǔn)確性進(jìn)行校驗(yàn)。煤耗量采用變工況計(jì)算分析獲得。根據(jù)熱量法和?方法的計(jì)算模型即可獲得2 種能耗分配方法下的供熱煤耗率。參比機(jī)組法中，設(shè)定參比機(jī)組和供熱機(jī)組發(fā)電功率相同，此時(shí)2 機(jī)組煤耗量的差值即為供熱煤耗量，進(jìn)而計(jì)算獲得參比機(jī)組法的供熱煤耗率。

2 供熱生產(chǎn)成本分析方法

供熱生產(chǎn)成本主要包括供熱煤耗、供熱電耗和供熱水耗3 部分。其中，供熱煤耗與供熱電耗之和為供熱總能耗。熱網(wǎng)循環(huán)水泵的驅(qū)動方式不同，供熱生產(chǎn)成本的計(jì)算方法不同。

熱網(wǎng)循環(huán)水泵有以下2 種驅(qū)動方式。

1）電動熱網(wǎng)循環(huán)水泵 熱網(wǎng)循環(huán)水泵耗電來自發(fā)電機(jī)出線端（采用電動熱網(wǎng)循環(huán)水泵的供熱機(jī)組簡稱電泵供熱機(jī)組，與之對應(yīng)的參比機(jī)組簡稱電泵參比機(jī)組）；

2）汽動熱網(wǎng)循環(huán)水泵 熱網(wǎng)循環(huán)水泵小汽輪機(jī)的驅(qū)動蒸汽來自主汽輪機(jī)中壓缸排汽，驅(qū)動小汽輪機(jī)之后繼續(xù)進(jìn)入加熱器加熱熱網(wǎng)水（采用汽動熱網(wǎng)循環(huán)水泵的供熱機(jī)組簡稱汽泵供熱機(jī)組，與之對應(yīng)的參比機(jī)組簡稱汽泵參比機(jī)組）。

因?yàn)闊峋W(wǎng)循環(huán)水泵采用電泵或者汽泵對供熱水耗幾乎沒有影響，所以供熱機(jī)組采用電泵和汽泵供熱成本分析的重點(diǎn)在于供熱煤耗、供熱電耗及供熱總能耗的分析方法。值得說明的是，本節(jié)所述的供熱電耗單指熱網(wǎng)循環(huán)水泵。

2.1 供熱煤耗、供熱電耗一體化評估方法

利用供熱煤耗、供熱電耗一體化評估方法（簡稱一體化評估方法）對供熱總能耗（供熱煤耗與供熱電耗之和）進(jìn)行評估，該方法的“參比機(jī)組”特點(diǎn)為：“參比機(jī)組”發(fā)電功率為供熱機(jī)組發(fā)電功率減去供熱電耗功率（如有）。

汽泵供熱機(jī)組和電泵供熱機(jī)組的能量輸入輸出關(guān)系分別如圖3、圖4 所示。其中，供熱機(jī)組的發(fā)電功率、供熱負(fù)荷分別為Nd、Q0。

圖3 汽泵供熱機(jī)組能量輸入輸出示意Fig.3 The energy input and output of cogeneration unit with steam circulating water pump in heating network

圖4 電泵供熱機(jī)組能量輸入輸出示意Fig.4 The energy input and output of cogeneration unit with electric circulating water pump in heating network

電泵/汽泵參比機(jī)組的供電負(fù)荷均為Nd，其能量輸入輸出關(guān)系如圖5 所示。

圖5 參比機(jī)組1 能量輸入輸出示意Fig.5 The energy input and output of reference unit 1

此時(shí)，通過對比汽泵供熱機(jī)組和汽泵參比機(jī)組的輸入能量，獲得供熱煤耗（也即供熱總能耗）；通過對比電泵供熱機(jī)組和電泵參比機(jī)組的輸入能量，獲得供熱總能耗（也即供熱煤耗與供熱電耗的總和）。

2.2 供熱煤耗、供熱電耗獨(dú)立評估方法

供熱煤耗、供熱電耗獨(dú)立評估方法（簡稱獨(dú)立評估方法）將供熱煤耗、供熱電耗進(jìn)行獨(dú)立評估。當(dāng)供熱機(jī)組采用電泵時(shí)，獨(dú)立評估方法的“電泵參比機(jī)組”的特點(diǎn)為：“電泵參比機(jī)組”發(fā)電功率與電泵供熱機(jī)組發(fā)電功率相等，且同為電泵供熱機(jī)組供電功率與電泵消耗功率之和。

汽泵供熱機(jī)組和電泵供熱機(jī)組發(fā)電功率、供熱功率分別為Nd、Q0，與一體化評估方法保持一致，能量輸入輸出關(guān)系分別如圖3、圖4 所示。

在汽泵供熱機(jī)組中，不涉及熱網(wǎng)循環(huán)水泵電耗，所以汽泵參比機(jī)組的能量輸入輸出關(guān)系與一體化評估方法一致（圖5）。

電泵參比機(jī)組發(fā)電功率為Nd+Np，其能量輸入輸出關(guān)系如圖6 所示，通過比較電泵供熱機(jī)組輸入能量與電泵參比機(jī)組輸入熱量，獲得供熱煤耗，而供熱電耗進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。需要指出的是，當(dāng)需要進(jìn)行汽泵與電泵供熱總能耗橫向比較時(shí)，需比較供熱總能耗（供熱煤耗與供熱電耗之和）。

圖6 參比機(jī)組2 能量輸入輸出示意Fig.6 The energy input and output of reference unit 2

3 供熱能耗分配方法對比

為了對比分析3 種供熱能耗分配方法的差異，獲得供熱機(jī)組能耗特性隨電負(fù)荷變化規(guī)律，選取固定電負(fù)荷或者固定熱負(fù)荷，對比熱量法汽泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhq1）、?方法汽泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhq2）、參比機(jī)組法汽泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhq3）、熱量法電泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhd1）、?方法電泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhd2）、參比機(jī)組法電泵供熱機(jī)組供熱煤耗率（bhd3）之間的差異。

3.1 熱負(fù)荷固定、電負(fù)荷變化供熱能耗變化規(guī)律

選取熱負(fù)荷分別為50、75、100 MW 時(shí)，機(jī)組供熱煤耗率隨電負(fù)荷變化如圖7 所示。在電熱負(fù)荷相同時(shí)，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨(dú)立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。無論采用一體化評估方法還是獨(dú)立評估方法，隨著電負(fù)荷的增加，bhq1、bhq2、bhd1和bhd2幾乎不變，bhq3和bhd3均逐漸降低，且bhq3對電負(fù)荷的變化更敏感，電負(fù)荷增大時(shí)bhq3降低的更多。無論采用一體化評估方法還是獨(dú)立評估方法，當(dāng)熱負(fù)荷50 MW 時(shí)，電負(fù)荷由210 MW 增加至300 MW，bhq3由24.47 kg/GJ 降低至22.68 kg/GJ。

圖7 機(jī)組供熱煤耗率隨電負(fù)荷變化Fig.7 Variations of heating coal consumption rate with electric load

3.2 電負(fù)荷固定、熱負(fù)荷變化供熱能耗變化規(guī)律

選取電負(fù)荷分別為230、250、270 MW 時(shí)，供熱煤耗率隨熱負(fù)荷變化如圖8 所示。由圖8 可見：在電熱負(fù)荷相同時(shí)，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨(dú)立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。無論采用一體化評估方法還是獨(dú)立評估方法，隨著熱負(fù)荷的增加，bhq1和bhq2均逐漸降低，bhd1、bhd2和bhq3幾乎不變。

圖8 機(jī)組供熱煤耗率隨熱負(fù)荷變化Fig.8 Variations of heating coal consumption rate with heat load

當(dāng)熱負(fù)荷50 MW 時(shí)，電負(fù)荷由210 MW 增加至300 MW，bhd3在采用一體化評估方法時(shí)由25.09 kg/GJ 降低至24.54 kg/GJ，在采用獨(dú)立評估方法時(shí)由22.17 kg/GJ 增加至22.96 kg/GJ。

以上分析可以發(fā)現(xiàn)：熱量法供熱煤耗率最大，?方法與參比機(jī)組法計(jì)算的供熱煤耗率較為接近，這是由于其將供熱蒸汽的冷源損失全部歸到供熱方面。?方法對供熱蒸汽的冷源損失進(jìn)行了合理分配，但是未考慮供熱汽流對機(jī)組的附加影響，例如高壓調(diào)速汽門開度、供熱蝶閥開度、旋轉(zhuǎn)隔板開度、凝汽器壓力等；參比機(jī)組法對供熱對機(jī)組的附加影響綜合進(jìn)行考慮。

在不同電熱負(fù)荷及評估方法下，?方法與參比機(jī)組法計(jì)算的供熱煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ。參比機(jī)組法全局考慮機(jī)組由于供熱引起的煤耗增加量，將供熱蒸汽對機(jī)組的影響綜合進(jìn)行考慮，不需要對其進(jìn)行單個(gè)計(jì)算分析，比較合理。以下采用參比機(jī)組法計(jì)算機(jī)組供熱能耗，分析熱網(wǎng)循環(huán)水泵驅(qū)動方式對機(jī)組供熱能耗的影響。

4 熱網(wǎng)循環(huán)水泵2種驅(qū)動方式經(jīng)濟(jì)性對比

為了對比分析熱網(wǎng)循環(huán)水泵2 種驅(qū)動方式對機(jī)組供熱能耗的影響，選取固定電負(fù)荷或者固定熱負(fù)荷，采用一體化評估方法及獨(dú)立評估方法（單獨(dú)計(jì)算煤耗、電耗）分別進(jìn)行對比電泵供熱機(jī)組和汽泵供熱機(jī)組的供熱能耗差異。

4.1 定熱負(fù)荷

選取熱負(fù)荷50、75、100 MW，分別采用一體化評估方法和獨(dú)立評估方法對熱網(wǎng)循環(huán)水泵2 種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算分析。

采用一體化評估方法和獨(dú)立評估方法時(shí)，各機(jī)組的總煤耗量隨電負(fù)荷變化分別見表1、表2。

表1 一體化評估方法時(shí)各機(jī)組的總煤耗量隨電負(fù)荷變化Tab.1 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the integrated evaluation method

表2 獨(dú)立評估方法時(shí)各機(jī)組的總煤耗量隨電負(fù)荷變化Tab.2 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the independent evaluation method

在相同的電熱負(fù)荷下，2 種評估方得到的供熱機(jī)組的煤耗量相同；2 種評估方法的不同在于參比機(jī)組。汽泵供熱機(jī)組的總煤耗量相較于電泵供熱機(jī)組降低了0.23～0.32 t/h，且電負(fù)荷越大，汽泵供熱機(jī)組降低的總煤耗量越多。

bhq3與bhd3的差值Δbhqd隨電負(fù)荷變化如圖9 所示。由圖9 可以看出：采用一體化評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率降低了0.63～1.79 kg/GJ，同時(shí)熱負(fù)荷一定時(shí)，電負(fù)荷越大，|Δbhqd|越大；采用獨(dú)立評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率增加1.36～2.78 kg/GJ。

圖9 Δbhqd 隨電負(fù)荷變化（定熱負(fù)荷）Fig.9 Variations of Δbhqd with electric load

由圖9 還可以看出：當(dāng)熱負(fù)荷為50 MW 時(shí)，電負(fù)荷越大，|Δbhqd|越??；當(dāng)熱負(fù)荷為75 MW 和100 MW 時(shí)，電負(fù)荷越大，|Δbhqd|存在一個(gè)微弱的增大趨勢后明顯減小。

4.2 定電負(fù)荷

選取電負(fù)荷230、250、270 MW，分別采用一體化評估方法和獨(dú)立評估方法對熱網(wǎng)循環(huán)水泵2 種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行計(jì)算分析。

采用一體化評估方法和獨(dú)立評估方法時(shí)，各機(jī)組的總煤耗量隨電負(fù)荷變化分別見表3、表4。由表3、表4 可見，汽泵供熱機(jī)組的總煤耗量相較于電泵供熱機(jī)組降低了0.23～0.26 t/h。

表4 獨(dú)立評估方法時(shí)各機(jī)組的總煤耗量隨熱負(fù)荷變化Tab.4 Changes of the total coal consumption of the units with heat load when using the independent evaluation method

圖10 為Δbhqd（Δbhqd=bhq3-bhd3）隨電負(fù)荷變化。由圖10 可見：采用一體化評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率降低了0.48～1.03 kg/GJ；電負(fù)荷一定時(shí)，熱負(fù)荷越小，|Δbhqd|越大。采用獨(dú)立評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率增加了1.09～2.00 kg/GJ。由圖10 還可以看出，電負(fù)荷一定時(shí)，熱負(fù)荷越大，|Δbhqd|越小。

圖10 Δbhqd 隨電負(fù)荷變化（定電負(fù)荷）Fig.10 Variations of Δbhqd with electric load

5 結(jié)論

1）熱負(fù)荷固定或電負(fù)荷固定時(shí)，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨(dú)立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。熱量法將供熱蒸汽的冷源損失全部歸到供熱方面，所以bhq1和bhd1較大；?方法對供熱蒸汽的冷源損失進(jìn)行了合理分配，但是?方法未考慮供熱汽流對機(jī)組的附加影響，?方法與參比機(jī)組法計(jì)算的供熱煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ 變化。

2）熱負(fù)荷固定時(shí)，汽泵供熱機(jī)組的總煤耗量相較于電泵供熱機(jī)組降低了0.23～0.32 t/h；采用一體化評估方法和獨(dú)立評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率分別降低0.63～1.79 kg/GJ、增加1.36～2.78 kg/GJ。

3）電負(fù)荷固定時(shí)，汽泵供熱機(jī)組的總煤耗量相較于電泵供熱機(jī)組降低了0.23～0.26 t/h；采用一體化評估方法、獨(dú)立評估方法時(shí)，汽泵替代電泵，在所計(jì)算的工況下供熱煤耗率分別降低0.48～1.03 kg/GJ、增加1.09～2.00 kg/GJ。