基于熱能深度梯級(jí)利用的耦合供熱變工況研究

喬加飛，梁占偉，張磊，王順森

(1. 國(guó)家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209；2. 國(guó)能國(guó)華（北京）電力研究院有限公司，北京 102209；3. 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

當(dāng)前，控制溫室氣體排放以應(yīng)對(duì)氣候變化已在全球范圍達(dá)成共識(shí)[1-2]。2020年中國(guó)提出“雙碳”目標(biāo)，彰顯了中國(guó)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化的積極態(tài)度[3-4]。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，中國(guó)電力生產(chǎn)仍以燃煤發(fā)電為主，燃煤發(fā)電占全國(guó)碳排放總量的30%以上[5-6]。探索熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高效發(fā)電和供熱耦合技術(shù)是提高供電和供熱效率、降低煤耗以及減少CO2排放的有效路徑之一。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高效供熱技術(shù)開(kāi)展了探索研究。文獻(xiàn)[7]研究了燃?xì)鉄犭娐?lián)產(chǎn)機(jī)組耦合地源熱泵供熱方法，對(duì)比了該方法與燃?xì)忮仩t直接供熱方法的二氧化碳減排特性，表明該方法可減少55%二氧化碳排放。文獻(xiàn)[8]建立熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱量和?分析模型，研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組高背壓供熱溫度特性，并提出了高背壓排汽加熱二次風(fēng)的方法，解決了供熱負(fù)荷較低時(shí)供電負(fù)荷受限的問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了6種靈活性供熱方式，并提出了靈活性控制方法，通過(guò)工程試驗(yàn)提升了機(jī)組的發(fā)電量。文獻(xiàn)[10]以300 MW機(jī)組為例開(kāi)展了高低壓旁路供熱技術(shù)研究，結(jié)果表明高低壓旁路供熱不僅增加了經(jīng)濟(jì)效益，而且提升了機(jī)組的調(diào)峰靈活性。文獻(xiàn)[11]針對(duì)660 MW空冷機(jī)組提出了汽輪機(jī)低壓缸雙背壓供熱方法，計(jì)算結(jié)果表明機(jī)組發(fā)電煤耗降低了6.8 g/(kW·h)，供熱能力和調(diào)峰能力均提升15%。文獻(xiàn)[12]研究了雙抽供熱機(jī)組的供熱和運(yùn)行特性，建立了熱負(fù)荷和電負(fù)荷分配模型，得到了雙抽供熱方式下的熱、電負(fù)荷最佳分配方案。文獻(xiàn)[13-14]研究了雙機(jī)多種耦合供熱技術(shù)，建立了基于?分析的能效評(píng)價(jià)模型，得到了不同耦合供熱方式供熱煤耗、供電煤耗以及供熱能力。文獻(xiàn)[15]建立了多機(jī)組供熱模式能耗分析模型，提出煤耗量?jī)?yōu)化模型，優(yōu)化了廠內(nèi)供熱分配，降低了煤耗量。文獻(xiàn)[16]研究了空冷機(jī)組高背壓供熱的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)對(duì)比不同供熱期的高背壓供熱和抽汽供熱，得到了空冷機(jī)組高背壓供熱的節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[17]利用參比機(jī)組法研究了熱網(wǎng)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)方式對(duì)供熱經(jīng)濟(jì)性的影響，結(jié)果表明由蒸汽驅(qū)動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵方式的煤耗率低于電驅(qū)動(dòng)方式。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行方式限制了機(jī)組的靈活性，為了提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)峰能力，滿足電網(wǎng)調(diào)度要求，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組不斷升級(jí)改造，具備了一定的調(diào)峰能力。文獻(xiàn)[18]綜述了不同的熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度模型，為調(diào)度模型的研究指明了方向。文獻(xiàn)[19]提出了變分模態(tài)分解耦合深度信念網(wǎng)的冷熱電負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了用戶冷熱電負(fù)荷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[20]建立了以運(yùn)營(yíng)成本最優(yōu)為目標(biāo)的熱電聯(lián)產(chǎn)調(diào)度模型，可實(shí)時(shí)調(diào)整熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、儲(chǔ)能等能源形式的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[21]建立了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性模型，優(yōu)化了熱電負(fù)荷調(diào)度，提高了機(jī)組的調(diào)峰能力。

為了保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組優(yōu)化調(diào)度和變工況下的高效運(yùn)行，本文提出了基于熱能深度梯級(jí)利用的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合供熱系統(tǒng)，建立了基于熱分析法的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供電和供熱能耗評(píng)價(jià)模型，基于熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化軟件（thermal power integration scheme, TPIS）仿真計(jì)算了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合供熱系統(tǒng)的能耗，研究了耦合供熱系統(tǒng)變工況供熱溫度和供電供熱能耗，為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能減碳提供技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象

1.1 機(jī)組熱力系統(tǒng)

以某熱電聯(lián)產(chǎn)電廠的2臺(tái)600 MW濕冷機(jī)組和2臺(tái)660 MW空冷機(jī)組為研究對(duì)象，4臺(tái)機(jī)組的額定參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)組額定參數(shù)Table 1 Nominal parameters of the unit

熱電聯(lián)產(chǎn)電廠已完成4臺(tái)機(jī)組的通管抽汽供熱改造。1、2號(hào)機(jī)組單臺(tái)額定抽汽量為500 t/h，3、4號(hào)機(jī)組單臺(tái)額定抽汽量為400 t/h。電廠建設(shè)熱網(wǎng)首站1座，站內(nèi)包括熱網(wǎng)循環(huán)水泵、疏水泵以及熱網(wǎng)加熱器。每臺(tái)機(jī)組分別對(duì)應(yīng)1臺(tái)熱網(wǎng)加熱器和疏水泵，4臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)水泵為公用的調(diào)速泵。4臺(tái)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組抽汽供熱能力可達(dá)到約1 400 MW。

1.2 耦合供熱系統(tǒng)

為了提升供熱能力，滿足周邊供熱需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組熱能的深度梯級(jí)利用，提出了耦合供熱系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)將1、3號(hào)機(jī)組組合為一個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)單元，將2、4號(hào)機(jī)組組合為一個(gè)熱電聯(lián)產(chǎn)單元。以1、3號(hào)熱電聯(lián)產(chǎn)單元為例的耦合供熱系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 耦合供熱系統(tǒng)Fig. 1 Illustration of coupling heat supply system

由圖1可知，1號(hào)機(jī)組連通管抽汽先進(jìn)入增建的1號(hào)背壓機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵，1號(hào)背壓機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器加熱熱網(wǎng)回水；3號(hào)機(jī)組為空冷機(jī)組，增建高背壓凝汽器，通過(guò)調(diào)整進(jìn)入高背壓凝汽器和空冷島的排汽量，實(shí)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組高背壓供熱；3號(hào)機(jī)組連通管抽汽先進(jìn)入增建的2號(hào)背壓機(jī)，進(jìn)而帶發(fā)電機(jī)供廠用電，2號(hào)背壓機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器加熱熱網(wǎng)回水；原1、3號(hào)機(jī)組熱網(wǎng)加熱器利用連通管抽汽作為尖峰熱源加熱熱網(wǎng)回水。綜上，耦合供熱系統(tǒng)采用了3號(hào)機(jī)組高背壓供熱方式、1號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的1號(hào)背壓機(jī)排汽供熱方式、3號(hào)機(jī)組對(duì)應(yīng)的2號(hào)背壓機(jī)排汽供熱以及1、3號(hào)機(jī)組抽汽尖峰供熱，實(shí)現(xiàn)熱能深度梯級(jí)利用，提高了熱能利用效率，減少了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的煤炭消耗。

2 研究方法

2.1 熱力系統(tǒng)仿真模型與驗(yàn)證

采用TPIS軟件搭建了熱力系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。仿真計(jì)算了4個(gè)不同工況的發(fā)電量，并將其與設(shè)計(jì)發(fā)電量比較，以驗(yàn)證本文熱力系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性。仿真計(jì)算和設(shè)計(jì)發(fā)電量相對(duì)誤差（δR）對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，600 MW亞臨界機(jī)組的最大相對(duì)誤差為0.730%，660 MW超臨界機(jī)組的最大相對(duì)誤差為0.640%。由此可見(jiàn)，本文建立的熱力系統(tǒng)仿真模型計(jì)算結(jié)果滿足工程要求。

圖2 熱力系統(tǒng)仿真模型Fig. 2 Simulation model of thermal system

圖3 熱力系統(tǒng)仿真驗(yàn)證結(jié)果Fig. 3 Simulation results of thermal system

2.2 熱分析模型

3 結(jié)果與分析

基于熱能深度梯級(jí)利用的耦合供熱系統(tǒng)涉及多種供熱方式，這些供熱方式在不同供熱期內(nèi)耦合供熱以滿足熱用戶需求。本文分4種工況開(kāi)展仿真研究。

耦合供熱方式Ⅰ：1號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入1號(hào)背壓機(jī)排汽供熱；

耦合供熱方式Ⅱ：1號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入1號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，3號(hào)機(jī)組高背壓供熱；

耦合供熱方式Ⅲ：1號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入1號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，3號(hào)機(jī)組高背壓供熱，同時(shí)3號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入2號(hào)背壓機(jī)排汽供熱；

耦合供熱方式Ⅳ：1號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入1號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，3號(hào)機(jī)組高背壓供熱，3號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入2號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，同時(shí)1、3號(hào)機(jī)組抽汽供熱。

3.1 供熱溫度特性

4種供熱方式的供熱溫度特性如圖4所示。進(jìn)入供熱期應(yīng)先啟動(dòng)汽動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵，同時(shí)啟動(dòng)1號(hào)背壓機(jī)對(duì)應(yīng)的熱網(wǎng)加熱器。耦合供熱方式Ⅰ的熱網(wǎng)供水溫度隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加基本保持在44℃不變。耦合供熱方式Ⅱ的熱網(wǎng)供水溫度隨3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增加。耦合供熱方式Ⅱ是在供熱方式Ⅰ的基礎(chǔ)上增加了3號(hào)機(jī)組高背壓供熱，3號(hào)機(jī)組高背壓供熱可以通過(guò)調(diào)整進(jìn)入空冷島和高背壓凝汽器的排汽比例來(lái)調(diào)整供水溫度。因此，耦合供熱方式Ⅱ的熱網(wǎng)供水溫度可由55℃調(diào)整至68℃。

圖4 供熱溫度特性Fig. 4 Characteristics of heating temperature

耦合供熱方式Ⅲ是在供熱方式Ⅱ的基礎(chǔ)上增加了2號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，耦合供熱方式Ⅲ的熱網(wǎng)供水溫度隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增加至75℃，但并未隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而變化。

耦合供熱方式Ⅳ是在供熱方式Ⅲ的基礎(chǔ)上增加了抽汽供熱，其熱網(wǎng)供水溫度隨著1、3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增加，主要是因?yàn)殡S著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加，允許的最大抽汽量也隨之增加，供熱量增加，供熱溫度也逐漸增加。

3.2 變工況下機(jī)組熱效率

耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的機(jī)組熱效率如圖5所示。由圖5可知，3種耦合供熱方式的機(jī)組熱效率均隨著1號(hào)機(jī)組的負(fù)荷增加而降低，主要是由于供熱可以顯著提高機(jī)組的熱效率，不同負(fù)荷下1號(hào)機(jī)組的供熱量變化不大，隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加導(dǎo)致供熱量占比降低，機(jī)組熱效率相應(yīng)降低。耦合供熱方式Ⅳ增加了1號(hào)機(jī)組的抽汽供熱，顯著提高了1、3號(hào)機(jī)組的總體熱效率，尤其是1號(hào)機(jī)組高負(fù)荷工況，機(jī)組熱效率增加更加明顯。

圖5 機(jī)組熱效率Fig. 5 Thermal efficiency of the unit

3種耦合供熱方式的機(jī)組熱效率均隨著3號(hào)機(jī)組的負(fù)荷增加而增加，主要是由于3號(hào)機(jī)組高背壓供熱可以通過(guò)調(diào)整進(jìn)入空冷島和高背壓凝汽器的排汽比例來(lái)調(diào)供水溫度，供熱溫度可由44℃調(diào)至68℃，供熱量增加是引起機(jī)組熱效率增加的主要原因。耦合供熱方式Ⅲ是在供熱方式Ⅱ的基礎(chǔ)上增加了3號(hào)機(jī)組抽汽進(jìn)入2號(hào)背壓機(jī)排汽供熱，供熱量增加使得供熱方式Ⅲ的機(jī)組熱效率比方式Ⅱ有所增加。耦合供熱方式Ⅲ的機(jī)組熱效率隨3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而顯著增加，這是由于隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加，抽汽量增加，2號(hào)背壓機(jī)的供熱量隨之增加。耦合供熱方式Ⅳ是在方式Ⅲ的基礎(chǔ)上增加了3號(hào)機(jī)組抽汽供熱，供熱量的增加使得方式Ⅳ的機(jī)組熱效率比方式Ⅲ有所增加。機(jī)組熱效率隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，主要是由于熱電轉(zhuǎn)換效率和3號(hào)機(jī)組抽汽供熱量增加引起的。

3.3 變工況下熱指數(shù)

耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的熱指數(shù)變化如圖6所示，由熱指數(shù)的定義可知，熱指數(shù)越高供熱能耗越低。耦合供熱方式Ⅱ的熱指數(shù)隨1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加先增加后降低。耦合供熱方式Ⅲ的熱指數(shù)隨1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸降低。耦合供熱方式Ⅳ的熱指數(shù)隨1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，且1號(hào)機(jī)組不同負(fù)荷的熱指數(shù)相差較大，表明耦合供熱方式Ⅳ的供熱能耗隨1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而大幅降低。

圖6 熱指數(shù)Fig. 6 The heat index

耦合供熱方式Ⅱ的熱指數(shù)隨3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，但增加幅度逐漸變緩，說(shuō)明隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加其供熱能耗越來(lái)越低。耦合供熱方式Ⅲ、Ⅳ的熱指數(shù)均隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，且增加幅度逐漸變大。

3.4 變工況下供電煤耗

耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的供電煤耗隨負(fù)荷的變化情況如圖7所示。由圖7可知，3種耦合供熱方式的供電煤耗均隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，主要是因?yàn)殡S著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加，供熱量在1號(hào)機(jī)組總輸入熱量的占比降低，即供熱量相對(duì)于總輸入熱量的份額降低，導(dǎo)致供電煤耗增加。3種耦合供熱方式的供電煤耗均隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而降低，一方面隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加，3號(hào)機(jī)組排汽量逐漸增加，供熱量相應(yīng)增加，進(jìn)而供電煤耗有所降低；另一方面，隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加，抽汽量增加，供熱量也相應(yīng)增加，從而供電煤耗也有所降低。

圖7 供電煤耗Fig. 7 The coal consumption of power supply

4 結(jié)論

（1）耦合供熱方式Ⅰ的供水溫度隨著1、3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加基本保持在44℃不變；耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ的供水溫度隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而升高，分別可增至68℃和75℃；耦合供熱方式Ⅳ的供水溫度隨著1、3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而逐漸增加，最高可達(dá)到90℃。

（2）熱指數(shù)隨著機(jī)組負(fù)荷變化呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)：耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的熱指數(shù)均隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加；耦合供熱方式Ⅱ的熱指數(shù)隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加先增加后降低；耦合供熱方式Ⅲ的熱指數(shù)隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加逐漸降低；耦合供熱方式Ⅳ的熱指數(shù)隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而大幅降低。

（3）耦合供熱方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的機(jī)組熱效率均隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而降低，隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，機(jī)組熱效率為63%～80%；相應(yīng)地，3種耦合供熱方式的供電煤耗均隨著3號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而降低，均隨著1號(hào)機(jī)組負(fù)荷的增加而增加，該結(jié)果可為機(jī)組變工況優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。