王 磊，趙加寧，丁立群，廖春暉

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

熱電聯(lián)產可以實現(xiàn)能源的梯級利用，按質用能，減少一次能源的消耗量，從而減少CO2的排放.所以近年來，為應對能源危機和環(huán)境惡化，很多國家都在鼓勵和推廣熱電聯(lián)產技術.歐盟以及聯(lián)合國亞太經濟社會委員會（ESCAP）都將熱電聯(lián)產視作污染物控制和提高能源效率的一項措施［1－2］.2002年，美國僅有9%為熱電聯(lián)產發(fā)電，預計到2020年，熱電聯(lián)產發(fā)電占總發(fā)電量的比例將達到29%［3］.自1998年起，中國已出臺了一系列措施［4－5］，對集中供熱熱源進行大規(guī)模的熱電聯(lián)產改造，拆除小鍋爐，推廣大型熱電聯(lián)產機組.與熱電分產相比，雖然聯(lián)產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)產高品位的能源損失，提高機組熱能利用率是很多技術人員關注的難題.

由于熱、電負荷的變化不同步，國內熱電廠一般按“以熱定電”的方式運行.并且由于熱負荷變化范圍大，高峰熱負荷時間短，所以熱電機組多在非滿負荷狀態(tài)下運行.為延長熱電機組滿負荷運行時間，國內熱電廠的熱化系數(shù)約在0.5～0.8之間，尖峰熱負荷時汽輪機抽汽供熱不足部分由新蒸汽減溫減壓供給，或電廠內裝設調峰鍋爐補充，這部分蒸汽不參與生產電能，損失了一部分高品位熱能的做功能力.所以實際工程中的熱電聯(lián)產是聯(lián)產和分產的結合.當熱負荷較低時，熱電聯(lián)產的熱效率甚至低于熱電分產.熱電廠的年運行時間和熱負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，應盡可能延長熱電機組的滿負荷運行時間，避免在低熱負荷工況下運行.

本文在對熱負荷延續(xù)時間圖分析的基礎上，指出了引起熱電聯(lián)產供熱系統(tǒng)能耗較大的“調峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”；通過案例分析計算了B25＋C50熱電聯(lián)產在部分負荷運行時的能耗；指出了B25＋C50熱電聯(lián)產在不同地區(qū)的最優(yōu)熱負荷.

1 熱電聯(lián)產的耗能“三角區(qū)”

目前熱電廠主要有背壓式汽輪機和抽凝式汽輪機.背壓機是將汽輪機的排汽用來供熱的汽輪機，蒸汽的熱量在理論上被完全利用.背壓式汽輪機的運行方式是以熱定電，發(fā)電量依據(jù)熱負荷量而確定，機組不能單獨運行，也不能獨立調節(jié)來同時滿足熱用戶和電用戶的需要；熱負荷變化適應性差，特別是熱負荷偏離設計值較多時，汽輪機效率急劇下降，機組的發(fā)電功率會急劇下降，所以背壓機適合承擔穩(wěn)定的熱負荷.抽凝機具有較好地調節(jié)性能，可同時滿足熱電兩種負荷的需要，當熱負荷為零時，抽汽式汽輪機變?yōu)槟狡啓C仍可滿足發(fā)電額定功率.因此熱電廠常將背壓機和抽凝機配合使用，用背壓機承擔穩(wěn)定負荷，用抽凝機承擔變負荷.

熱負荷Qh可以擬合成延續(xù)時間τ的函數(shù)：

全年供熱量：

熱電廠生產電能和熱能的耗熱量可按下式計算［7］：

聯(lián)產供熱耗熱量Qtph：

聯(lián)產供熱標準煤耗率bstph：

聯(lián)產發(fā)電耗熱量Qtpe：

聯(lián)產發(fā)電熱效率ηtpe：

聯(lián)產發(fā)電標準煤耗率bstpe：

式中：Qh為熱負荷，GJ／h；ηb為燃煤鍋爐效率；ηp為管道效率；Qtph為聯(lián)產抽汽供熱量，GJ；Qtp為熱電廠總耗熱量，GJ；Pel為發(fā)電功率，MW；Bstph為供熱標準煤耗量，kg標準煤.Bstpe為發(fā)電標準煤耗量，GJ.

由式（1）～式（7）可知：聯(lián)產供熱標準煤耗量主要取決于鍋爐效率，對現(xiàn)代大型鍋爐，其值在40kg標準煤／GJ［7］左右.所以對于聯(lián)產和分產，其供熱能耗相差不大.而聯(lián)產發(fā)電耗煤量隨熱負荷的減小而增大，在汽輪機承擔滿負荷時，發(fā)電煤耗可低于200 kg標準煤／kwh，但在汽輪機純凝運行時，發(fā)電煤耗超過400kg標準煤／kwh，而目前我國主力600MW機組的發(fā)電煤耗約323g標準煤／kwh.這就說明在汽輪機隨著熱負荷調節(jié)過程中，在熱負荷較低時，聯(lián)產能耗是高于分產能耗的.這部分區(qū)域在熱負荷延續(xù)時間圖上形成一個三角形區(qū)域，所以減小“低效率三角區(qū)”面積是熱電聯(lián)產節(jié)能的有效措施.

圖1中的“調峰三角區(qū)”屬于分產供熱區(qū)，目前常用調峰鍋爐或減溫減壓器承擔這部分熱負荷.圖1中τfn表示第n臺汽輪機滿負荷運行的時間，τcn為變熱負荷運行時的能耗臨界點，在τcn點處，汽輪機的發(fā)電煤耗等于主力機組發(fā)電煤耗，按600MW汽輪機發(fā)電煤耗計算，為323g標準煤／kWh.在τcn點左側，聯(lián)產發(fā)電煤耗低于分產煤耗；在τcn右側，聯(lián)產發(fā)電煤耗高于分產煤耗，也就是說，在τcn點右側的“三角區(qū)”內，由于汽輪機所承擔的熱負荷較小，使熱電聯(lián)產的能耗大，燃料利用效率低，定義為“聯(lián)產低效率三角區(qū)”.第n－1臺機組的能耗臨界點τcn－1在采暖期結束點τzh的右側，所以第n－1臺機組運行過程中始終是比分產節(jié)能的.

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

在這個“低效率三角區(qū)”內，汽輪機運行能耗是高于熱電分產的.可采用調峰鍋爐承擔“低效率三角區(qū)”的熱負荷，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，常用的燃煤調峰鍋爐，由于其熱效率與鍋爐容量大小密切相關，所以適合建設少量大型調峰鍋爐，但燃煤鍋爐效率又受負荷影響很大，“三角區(qū)”內熱負荷的陡降趨勢會引起燃煤鍋爐效率降低.

與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐供熱不僅能有效地解決城市污染問題，還具有以下優(yōu)點：燃氣鍋爐的供熱負荷適應性強，調節(jié)靈活；燃氣鍋爐啟動快，減少預備工作帶來的各種消耗；燃氣鍋爐不需要煤及煤渣的堆放地，節(jié)省用地，同時可以減少運煤除渣的車輛流量，改善城市交通環(huán)境；燃氣鍋爐節(jié)約了燃煤鍋爐的除塵設備，鍋爐內沒有結渣問題；燃氣鍋爐比燃煤鍋爐輔助設備少，所需工作人員少，負擔工資及福利費少；燃氣鍋爐燃料輸送及其它輔助設備少，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、供熱介質的溫度和換熱強化等因素有關.由于天然氣鍋爐不產生灰分，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化傳熱方式，所以燃氣鍋爐無論規(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)的換熱站內可以設置小型燃氣鍋爐，做為“三角區(qū)”內的熱源.

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；本文提出的燃煤燃氣聯(lián)合供熱方案，稱為方案二，耗熱量用Φ（2）total表示.燃煤燃氣聯(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個低效率三角區(qū)的汽輪機耗熱量，GJ；Φ（1）i為方案一中第i個汽輪機的供熱發(fā)電總耗熱量，GJ；ηsg為分產發(fā)電效率；Apeak為調峰三角區(qū)的供熱量，GJ；Pi，τ為第i臺機組在τ時刻的發(fā)電功率，MW；ELETAi為第i個低效率三角區(qū)的總發(fā)電量，GJ；ALETAi為第i個低效率三角區(qū)的供熱量，即第i個三角區(qū)的面積，GJ；Qfj為第j臺汽輪機的最大供熱能力，GJ／h.

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

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

3 案例分析

在基本負荷比為0.5～1.0的范圍內，以B25型背壓機和C50型抽凝機為基本熱源，同時采用燃氣鍋爐承擔“調峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”內的熱負荷，與傳統(tǒng)的燃煤鍋爐調峰相比，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.這是因為，低緯度的石家莊采暖期短，C50型汽輪機可以不在“低效率三角區(qū)”內運行，這樣熱電聯(lián)產在整個采暖期內，其熱效率始終高于分產效率；而長春以北的城市，由于采暖期時間較長，無論熱源承擔多大的熱負荷，C50型汽輪機都不可避免地在“低效率三角區(qū)”內運行，使得這期間聯(lián)產的熱效率低于分產熱效率，所以對于B25＋C50型汽輪機，長春以北的城市中，采用燃氣調峰的節(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氣調峰的最大節(jié)能率在4.5%以內.

由于“調峰三角區(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，而是聯(lián)產和分產的相結合.為增大聯(lián)產的節(jié)能效益，應盡可能地減小“調峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”的面積.受采暖期時間的影響，C50型汽輪機在佳木斯市在最節(jié)能工況時仍存在完整的三角區(qū)，如圖4所示，在低負荷運行時，C50型汽輪機的發(fā)電煤耗高達486g標煤／kWh；而C50型汽輪機在石家莊市的最節(jié)能工況時，如圖5所示，其三角區(qū)面積已大幅減小，且在最低熱負荷時，C50型汽輪機的發(fā)電煤耗約367g標煤／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)采用燃煤燃氣聯(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型汽輪機在佳木斯市的節(jié)能最優(yōu)熱負荷曲線Fig.4 Optimal heat load duration curve of B25＋C50steam turbines in Jiamusi

分布式燃氣調峰是一種節(jié)能效果顯著的熱源方案.其原因在于，采用小型燃氣鍋爐承擔“低效率三角區(qū)”內的熱負荷，保證了聯(lián)產汽輪機在運行時間內發(fā)電煤耗高于分產煤耗；另外由于燃氣鍋爐本身效率高，沒有不完全燃燒的問題，不受爐膛溫度的影響，而且燃氣鍋爐效率與鍋爐大小和負荷變化關系不大，可靈活地設置在多個熱力站內調峰.與燃煤鍋爐相比，在熱負荷變化時燃氣鍋爐仍然可以保持很高的熱效率.

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

4 結 論

在對熱負荷延續(xù)時間圖分析的基礎上，指出了引起熱電聯(lián)產供熱系統(tǒng)能耗較大的“調峰三角區(qū)”和“低效率三角區(qū)”.“調峰三角區(qū)”是分產供熱區(qū)；“低效率三角區(qū)”是聯(lián)產的高耗能區(qū)，在此區(qū)域內，汽輪機運行能耗是高于熱電分產的.這兩個三角區(qū)具有較大的節(jié)能潛力，采用分產供熱比聯(lián)產供熱更為節(jié)能，并可通過分布式燃氣調峰熱源替代傳統(tǒng)的集中式燃煤調峰熱源，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型汽輪機在不同緯度地區(qū)的9個城市能耗計算，結果表明：受采暖期時間長短的影響，低緯度地區(qū)的運行能耗受熱負荷的影響較大，而高緯度地區(qū)的運行能耗受熱負荷的影響較小.考慮我國的實際情況，在燃氣資源豐富、燃氣價格不高或城市環(huán)境要求較高的地區(qū)，采用燃煤熱電聯(lián)產同時配以燃氣鍋爐調峰的供熱方式，可顯著提高熱能綜合利用效率.應發(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，才能使變負荷條件下更為節(jié)能.

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