張彥斌

（山西大唐國際云岡熱電有限責任公司，山西 大同 037000）

0 引言

隨著電力行業(yè)環(huán)保要求的日益嚴格，對于國內(nèi)電廠尤其是北方電廠，依靠冬季供熱勉強可以存活的300 MW 機組，在尋求供熱經(jīng)濟性方法上，絕大部分電廠已經(jīng)進行了改造，包括熱泵機組、高背壓式供熱。供熱設備的增加讓其運行方式的匹配無法確定，如何利用各種供熱設備的優(yōu)勢實現(xiàn)供熱的最大經(jīng)濟性，是本文將要重點討論的問題。本文以某電廠300 MW 機組供熱情況，詳細闡述了熱網(wǎng)加熱器、熱泵機組、高背壓凝汽器三者在不同供熱時段和機組負荷下如何匹配運行。

1 某電廠設備簡介

1.1 供熱機組 （3、 4 號機組）

某電廠300 MW 國產(chǎn)燃煤直接空冷供熱機組共2 臺。汽輪機為東方汽輪機廠生產(chǎn)的300 MW亞臨界、一次中間再熱、單獨、雙缸雙排汽、直接空冷抽凝式汽輪機，機組型號為CZK300/232/-16.7/0.4/537/537。汽輪機的額定背壓值為15 kPa。設計特性數(shù)據(jù)如下：汽輪機熱耗保證工況THA（turbine heat-acceptance）時，出力300 MW，熱耗值 8 358 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 962 t/h，排氣流量600 t/h，排氣壓力15 kPa；75%THA 時，出力225 MW，熱耗值8 623 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 703 t/h，排氣流量 464 t/h，排氣壓力 15 kPa；50%THA 時，出力150 MW，熱耗值9 107 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 483 t/h，排氣流量339 t/h，排氣壓力15 kPa；額定供熱工況時，出力 233 MW，熱耗值 5 754 kJ/（kW·h），主蒸汽流量962 t/h，排氣流量165 t/h，排氣壓力5.39 kPa，供熱抽汽量500 t/h，抽汽壓力0.4 MPa[1]。

1.2 熱網(wǎng)加熱器 （31、 32、 41、 42 加熱器）

某電廠二期熱網(wǎng)加熱器共4 臺，由東方汽輪機廠生產(chǎn)，機組型號JR-1925-1。技術數(shù)據(jù)：循環(huán)水流量3 000 t/h，進口溫度70 ℃，出口溫度120 ℃，加熱蒸汽流量275 t/h，壓力0.4 MPa，溫度253.1 ℃，熱焓2 970.84 kJ/kg，疏水流量 275 t/h，溫度80 ℃，熱焓 335.45 kJ/kg。

1.3 熱泵機組 （3、 4 號機熱泵）

某電廠熱泵機組共2 臺，由北京華源泰盟節(jié)能設備有限公司生產(chǎn)，型號為HRU248V[2]。技術參數(shù)：制熱量248 MW，回收余熱量153 MW，熱網(wǎng)水額定出口溫度77 ℃，熱網(wǎng)水流量5 395 t/h，蒸汽（與熱網(wǎng)加熱器汽源一致） 耗量136 t/h。

1.4 4 號機高背壓凝汽器

某電廠高背壓凝汽器共1 臺，由哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)，型號為N-8338-1。技術參數(shù)：冷卻面積8 338 m2，冷卻水量6 030 t/h，冷卻管規(guī)格為 19 mm×0.7 mm（主凝結區(qū)、凝結水冷卻器）、 19 mm×0.9 mm（周圍及空冷區(qū)），冷卻管總根數(shù)21 120 根[3]。

2 熱電機組運行方式優(yōu)化分析

2.1 系統(tǒng)流程

二期熱網(wǎng)循環(huán)水回水經(jīng)熱網(wǎng)增壓泵升壓后分3 路，1 路至3 號機熱泵機組，1 路至4 號機高背壓凝汽器，還有1 路至4 號機熱泵機組（目前僅用熱泵前置凝汽器），3 路匯合后經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后進入熱網(wǎng)加熱器進行最后的加熱，最終達到市政要求的熱網(wǎng)供水溫度，二期熱網(wǎng)循環(huán)水回水也可直接經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后進入熱網(wǎng)加熱器進行加熱，以達到熱網(wǎng)供水溫度。

2.2 運行方式配比

通過統(tǒng)計 2019 年 10 月 1 日至 2020 年 3 月 31日供熱季的機組負荷和熱網(wǎng)循環(huán)水流量及供、回水溫度，得出的結果見表1。表1 中，供熱初末期指2019 年 10 月 1 日—11 月 15 日和 2020 年 3 月 1日—3 月31 日，共計1 848 h；供熱寒冷期指2019年 11 月 16 日—12 月 20 日和 2020 年 1 月 21 日—2 月29 日，共計1 800 h；供熱嚴寒期指2019 年12 月 21 日—2020 年 1 月 20 日，共計 504 h。

熱網(wǎng)加熱器、熱泵機組、高背壓凝汽器三者的運行方式配比最具代表性的幾個參考點定為：供熱初末期時機組負荷150 MW、200 MW、240 MW，寒冷期時機組負荷190 MW、230 MW，嚴寒期機組負荷穩(wěn)定在230～260 MW 之間即可。

無論是什么供熱階段還是什么機組負荷，核心思路是最大化地利用4 號機高背壓凝汽器和4號機熱泵凝汽器，3 號機熱泵機組作為配合設備使其循環(huán)水出水溫度同4 號機高背壓凝汽器和4號機熱泵凝汽器循環(huán)水出水溫度相同，匯合后經(jīng)熱網(wǎng)加熱器利用少量抽汽加熱到要求的供水溫度。

2.2.1 供熱初末期的運行方式

為避免低壓缸超溫（正常低于80 ℃），同時為保護低壓缸末級動葉片，4 號機組50%THA 時，背壓最高為32 kPa；190 MW 時，背壓最高為35 kPa；75%THA 時，背壓最高為40 kPa。

在討論供熱初末期的運行方式時可以初步分為3 個檔次，第1 檔為機組負荷在150～190 MW之間時維持機組背壓32 kPa 運行；第2 檔為機組負荷在190～225 MW 之間時維持機組背壓35 kPa運行；第3 檔為機組負荷在225 MW 以上時維持機組背壓40 kPa 運行。在此基礎上，再分配3 號機熱泵機組和4 號機高背壓凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水流量。

表1 某電廠供熱期熱網(wǎng)供回水溫度及機組負荷占比情況

供熱初末期時要求的熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度平均值為75 ℃，此時對應的回水溫度平均值為41 ℃，循環(huán)水流量9 000 t/h，需要熱負荷357 MW。

第一， 機組負荷在150～190 MW 時維持機組背壓32 kPa 運行的可行性。以機組負荷150 MW，純冷凝工況條件下，乏汽量為339 t/h，機組背壓32 kPa 時，乏汽飽和溫度為70.61 ℃，此時的乏汽焓值為2 628 kJ/kg，疏水溫度45 ℃，其焓值為189 kJ/kg。從4 號機高背壓凝汽器的性能考核實驗報告中可知，4 號機高背壓凝汽器的端差為1.2 ℃[4]，可見循環(huán)水出水溫度最高可到69 ℃。

熱交換平衡方程式的物理意義是乏汽凝結時放出的熱量等于循環(huán)水帶走的熱量，即

所以，將6 030 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水從41 ℃加熱至69 ℃所需的乏汽量為290 t/h。即

此時的乏汽量總共有339 t/h，除去加熱熱網(wǎng)循環(huán)水的290 t/h，剩余的49 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，按照最優(yōu)運行方式4 號機低負荷時4 號機熱泵前置凝汽器的主要作用就是利用少量乏汽（8.95 t/h） 和少量循環(huán)水 （200 t/h） 來維持 4 號機熱泵房溫度不低于7 ℃，保護溴化鋰不結晶。當機組負荷在150～190 MW 時，維持背壓32 kPa，4號機高背壓凝汽器循環(huán)水流量6 030 t/h，4 號機熱泵凝汽器循環(huán)水流量200 t/h，這種運行方式單對4 號機是可行的。

剩余的2 770 t/h 循環(huán)水通過3 號機熱泵機組加熱至69 ℃，所需的熱負荷為90.5 MW，從熱泵性能報告[5]可知，驅動蒸汽熱量為乏汽熱量的2 倍，即驅動蒸汽熱量為60 MW，需要驅動蒸汽（焓降2 677.31 kJ/kg） 80.68 t/h，乏汽熱量為 30.5 MW（焓降2 395.45 kJ/kg），需要乏汽45.8 t/h。

3 號機熱泵機組、4 號機高背壓凝汽器、4 號機熱泵凝汽器三者的循環(huán)水混合后進入熱網(wǎng)加熱器，每臺加熱器的循環(huán)水流量為2 250 t/h，根據(jù)溫度中和原理，2 250 t/h 93 ℃的水和6 750 t/h 69 ℃的水混合后水溫為75 ℃。此時利用3 號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器任用其一，進行加熱2 250 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水，所需的3 號機五抽汽量為86 t/h。即

MF=ΔT×M×C÷ （H-h） = （93-69） ×2 250×4.2÷（2 970.84-335.45） =86 （t/h）

假設3 號機組負荷也是150 MW，純冷凝工況下，乏汽量為339 t/h，五抽汽總用量86+80.68=166.68 t/h，乏汽總用量45.8 t/h，抽汽量和剩余乏汽量小于純凝工況下乏汽量339 t/h 即滿足要求，即166.68+45.8=212.48＜339 t/h，完全滿足熱網(wǎng)加熱器用汽量。

由此可知，供熱初末期，4 號機組負荷在150～190 MW 時，3 號機負荷在 150 MW 以上，以上運行方式可行。

第二，機組負荷在190 ～225 MW 之間時維持機組背壓35 kPa 運行的可行性。以機組負荷190 MW，純冷凝工況下，乏汽量為401 t/h，機組背壓35 kPa 時，乏汽飽和溫度為72.68 ℃，此時的乏汽焓值為2 631 kJ/kg，疏水溫度45 ℃，其焓值為189 kJ/kg?？紤]高背壓凝汽器的端差，循環(huán)水最高可加熱到71.5 ℃，此時同樣加熱6 030 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水至71.5 ℃需要的乏汽量為316.3 t/h，剩余的45.2 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，按照最優(yōu)運行方式4 號機在這個負荷期間可有40 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，此時可加熱760 t/h 的循環(huán)水至71.5 ℃?？梢姰敊C組負荷在190 ～225 MW時，維持背壓35 kPa，高背壓凝汽器循環(huán)水流量6 030 t/h，4 號機熱泵凝汽器循環(huán)水流量760 t/h，這種運行方式單對4 號機組是可行的。

剩余的2 210 t/h 熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組也加熱至71.5 ℃，所需熱負荷為78.6 MW，驅動汽源需要70.5 t/h，乏汽需要39.4 t/h。

3 號機熱泵機組、4 號機高背壓凝汽器、4 號機熱泵凝汽器三者的循環(huán)水混合后進入熱網(wǎng)加熱器。根據(jù)溫度中和原理可知，2 250 t 85.5 ℃的水和6 750 t 71.5 ℃的水混合后水溫是75 ℃。還是利用3 號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器任用其一，加熱2 250 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水，所需的3 號機五抽汽量僅為50.2 t/h。假設3 號機負荷此時還是150 MW，五抽汽總用量70.5+50.2=120.7 t/h，乏汽總用量39.4 t/h，抽汽量和剩余乏汽量小于純凝工況下乏汽量339 t/h 即滿足要求，即120.7+39.4=160.1＜339 t/h，完全滿足熱網(wǎng)加熱器用汽量。

由此可知，供熱初末期，4 號機組負荷在190～225 MW 時，3 號機負荷在 150 MW 以上，以上運行方式可行。

第三，機組負荷在225 MW 以上時維持機組背壓40 kPa 運行的可行性。以機組負荷225 MW，純冷凝工況條件下，乏汽量為464 t/h，機組背壓40 kPa 時，乏汽飽和溫度為75.89 ℃，此時的乏汽焓值為2 637 kJ/kg，疏水溫度45 ℃，其焓值為189 kJ/kg?？紤]高背壓凝汽器的端差，循環(huán)水最高可加熱到74.6 ℃。此時同樣加熱6 030 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水至74.6 ℃需要的乏汽量為347.6 t/h，剩余的46 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，70 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，可將1 210 t/h 的循環(huán)水加熱到74.6 ℃，可見當機組負荷在225 MW 以上時，維持背壓40 kPa，4 號機高背壓凝汽器循環(huán)水流量6 030 t/h，4 號機熱泵凝汽器循環(huán)水流量為1 210 t/h，這種運行方式單對4 號機組是可行的。

剩余的1 760 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組加熱至77 ℃，所需的熱負荷為73.9 MW，驅動汽源需要66.2 t/h，乏汽需要37 t/h。

3 號機熱泵機組、4 號機高背壓凝汽器、4號機熱泵凝汽器三者的循環(huán)水混合后僅途徑熱網(wǎng)加熱器無需加熱就滿足熱網(wǎng)供水溫度75 ℃。假設3 號機負荷此時還是150 MW，五抽汽總用量為53.8 t/h，乏汽總用量為51.1 t/h，抽汽量和剩余乏汽量之和小于純凝工況下乏汽量339 t/h 即滿足要求，即66.2+51.1=117.3＜339 t/h，完全滿足3 號熱泵機組用汽量。

由此可知，在供熱初末期，4 號機組負荷在225 MW 以上時，3 號機負荷在150 MW 以上，以上運行方式可行。

2.2.2 供熱寒冷期的運行方式

從全年供熱寒冷期的機組負荷分布占比來看，基本集中在190～260 MW 之間，同樣考慮背壓對低壓缸末級葉片的保護，在討論供熱寒冷期的運行方式時可以初步分為2 個檔次，第1 檔為機組負荷在 190～225 MW 時維持機組背壓 35 kPa 運行，第2 檔為機組負荷在225 MW 以上時維持機組背壓40 kPa 運行，在此基礎上再分配3 號機熱泵機組和4 號機高背壓凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水流量。

供熱寒冷期時要求的熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度平均值為88 ℃，此時對應的回水溫度平均值為44 ℃，循環(huán)水流量為10 500 t/h，需要熱負荷539 MW。

第一，機組負荷在190～225 MW 時維持機組背壓35 kPa 運行的可行性。以機組負荷190 MW，供熱工況下，機組背壓35 kPa，4 號機高背壓凝汽器把6 030 t/h 的循環(huán)水從44 ℃加熱到71.5 ℃所需乏汽為285.2 t/h，剩余的46 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，70 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，此時可加熱1 480 t/h 的循環(huán)水至71.5 ℃，可見當機組負荷在190～225 MW 時，維持背壓35 kPa，高背壓凝汽器循環(huán)水流量6 030 t/h，4 號機熱泵凝汽器循環(huán)水流量1 480 t/h，這種運行方式單對4號機組是可行的。

剩余的2 990 t/h 熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組加熱至71.5 ℃，所需的熱負荷為96 MW，驅動汽源需要86.1 t/h，乏汽需要48.1 t/h。

3 號機熱泵機組、4 號機高背壓凝汽器、4 號機熱泵凝汽器三者的循環(huán)水混合后進入熱網(wǎng)加熱器。根據(jù)溫度中和原理，5 250 t/h 104.5℃的水和5 250 t/h .71.5 ℃的水混合后水溫是88 ℃。利用3號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器都投入運行，加熱5 250 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水，所需的3 號機五抽汽量為276.1 t/h。統(tǒng)計可知3 號機寒冷期的負荷在190～260 MW 之間，3 號機在供熱工況下，以負荷190 MW 為例，五抽供熱泵和熱網(wǎng)加熱器用汽可抽400 t/h，乏汽量為145 t/h。五抽汽總用量 276.1+86.1=362.2 ＜400 t/h，乏汽總用量(48.1＜145) t/h，抽汽量和乏汽量均滿足需求。

由此可知，供熱寒冷期，4 號機組負荷在90～225 MW 時，3 號機負荷在190 MW 以上，以上運行方式可行。

第二，機組負荷在225 MW 以上時維持機組背壓40 kPa 運行的可行性。以機組負荷225 MW，供熱工況下，機組背壓40 kPa，4 號機高背壓凝汽器加熱6 030 t/h 的循環(huán)水從44 ℃到74.6 ℃所需乏汽為317.7 t/h，剩余的46 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，100 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，此時可加熱1 900 t/h 的循環(huán)水至74.6 ℃，可見當機組負荷在225 MW 以上時，維持背壓40 kPa，高背壓凝汽器循環(huán)水流量6 030 t/h，4 號機熱泵凝汽器循環(huán)水流量1 900 t/h，這種運行方式單對4號機組是可行的。

剩余的2 570 t/h 熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組加熱至74.6 ℃，所需要熱負荷為91.7 MW，驅動汽源需82.3 t/h，乏汽需46 t/h。

3 號機熱泵機組、4 號機高背壓凝汽器、4 號機熱泵凝汽器三者的循環(huán)水混合后進入熱網(wǎng)加熱器。根據(jù)溫度中和原理，5 250 t/h 101.4 ℃的水和5 250 t/h 74.6 ℃的水混合后的水溫是88 ℃。利用3 號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器都投入運行，加熱5 250 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水所需的3 號機五抽汽量為224.2 t/h。3 號機供熱工況下，還以負荷190 MW 為例，五抽供熱泵和熱網(wǎng)加熱器用汽可抽400 t/h，乏汽量為145 t/h。五抽汽總用量224.2+82.3=306.5 ＜400 t/h，乏汽總用量 （46 ＜145）t/h，抽汽量和乏汽量均滿足需求。

由此可知，供熱寒冷期4 號機組負荷225 MW以上時，3 號機負荷在190 MW 以上，以上運行方式可行。

2.2.3 供熱嚴寒期的運行方式

從全年供熱嚴寒期的機組負荷分布占比來看，基本集中在230～260 MW 之間，同樣考慮背壓對低壓缸末級葉片的保護，在討論供熱寒冷期的運行方式時，機組在任何背壓下均可安全運行。但為了經(jīng)濟性，需要分析選擇背壓35 kPa 運行，還是背壓40 kPa 運行。確定了機組背壓再匹配抽汽和乏汽量，在此基礎上使3 號機熱泵機組和4 號機高背壓凝汽器的熱網(wǎng)循環(huán)水流量分配的更合理一些。

供熱嚴寒期時要求的熱網(wǎng)循環(huán)水供水溫度平均值為95 ℃，此時對應的回水溫度平均值為47 ℃，循環(huán)水流量為12 000 t/h，需要熱負荷672 MW。

第一，4 號機機組背壓35 kPa 時。4 號機高背壓凝汽器加熱6 030 t/h 的循環(huán)水從47 ℃到71.5 ℃所需乏汽為235.4 t/h，剩余的48.6 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，200 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，此時可加熱4 220 t/h 的循環(huán)水至71.5 ℃，剩余的1 750 t/h 熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組也加熱至71.5 ℃，所需熱負荷為50 MW，驅動汽源需 44.8 t/h，乏汽需25 t/h。根據(jù)溫度中和原理，6 000 t/h 118.5 ℃的水和6 000 t/h 71.5 ℃的水混合后的水溫是95 ℃。利用3 號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器都投入運行，加熱6 000 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水，所需3 號機五抽汽量為449 t/h。3號機在額定供熱工況下（232 MW），五抽供熱泵和熱網(wǎng)加熱器用汽可抽500 t/h，乏汽量為165 t/h。五抽用汽量449+44.8=493.8＜500 t/h，乏汽總用量（25＜165）t/h，抽汽量和乏汽量均滿足需求。

當機組負荷穩(wěn)定，主蒸汽溫度、壓力、再熱汽溫度保持不變，僅汽輪機背壓p 變化時，背壓變化將引起機組功率和機組熱耗量變化，從4號機在A 修后的性能試驗得出，機組背壓每提高1 kPa，機組熱耗增加 30 kJ/（kW·h）。

75%THA 工況下，4 號機熱耗有所下降，較2019 年 A 修后的 8 916.61 kJ/（kW·h）[6]降低了3 985.76 kJ/（kW·h）。

第二，4 號機機組背壓40 kPa 時。4 號機高背壓凝汽器加熱6 030 t/h 的循環(huán)水從47 ℃到74.6 ℃所需乏汽為285.5 t/h，剩余的48.5 t/h 乏汽進入空冷凝汽器，150 t/h 乏汽進入4 號機熱泵凝汽器，此時可加熱3 170 t/h 的循環(huán)水至74.6 ℃，剩余的2 800 t/h 熱網(wǎng)循環(huán)水通過3 號機熱泵機組也加熱至74.6 ℃，所需熱負荷為90.2 MW，驅動汽源需要80.67 t/h，乏汽需要45.4 t/h。根據(jù)溫度中和原理，6 000 t/h 115.4 ℃的水和6 000 t/h 74.6 ℃的水混合后的水溫是95 ℃。利用3 號機五抽供汽，31、32 熱網(wǎng)加熱器都投入運行，加熱6 000 t/h 的熱網(wǎng)循環(huán)水，所需3 號機五抽汽量為390 t/h。3號機在額定供熱工況下（232 MW），五抽供熱泵和熱網(wǎng)加熱器用汽可抽500 t/h，乏汽量為165 t/h。五抽用汽量390+80.67=470.67＜500 t/h，乏汽總用量45.4＜145 t/h，抽汽量和乏汽量均滿足需求。

75%THA 工況下，4 號機熱耗較 2019 年 A 修后的8 916.61 kJ/（kW·h） 降低了3 886.8 kJ/（kW·h）。

由此可知，4 號機機組背壓35 kPa 時比背壓40 kPa 時的熱耗多降低 50～100 kJ/（kW·h），基本沒差別。背壓40 kPa 較35 kPa，3 號機五抽汽少用了23.1 t/h，循環(huán)水流量分配也較合理，調節(jié)性更強，所以嚴寒期4 號機背壓選擇40 kPa。

3 熱電機組運行優(yōu)化結果

通過分析，得出了供熱初末期、寒冷期、嚴寒期時段，4 號機不同負荷下，熱網(wǎng)加熱器、熱泵機組、高背壓凝汽器三者的熱負荷配比，運行方式優(yōu)化如表2 所示。

結論：通過供熱運行方式的優(yōu)化，4 號機組的發(fā)電標準煤耗由原來的331.78 g/（kW·h） 降至為現(xiàn)在的168.2 g/（kW·h）[7]，節(jié)能減排效果明顯，具有良好的節(jié)能效益、環(huán)保效益和社會效益。

表2 熱網(wǎng)加熱器、熱泵機組、高背壓凝汽器的運行方式優(yōu)化對比