段春寧，陳玉龍，范常浩，華 山

(1.國能寧夏石嘴山發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 石嘴山 753202； 2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市供熱需求也不斷增加，傳統(tǒng)的熱電廠采用汽輪機(jī)抽汽來加熱一次網(wǎng)回水，較大的換熱溫差不僅造成了能源浪費(fèi)，降低效率，而且也無法滿足現(xiàn)有的供熱需求[1-3]。在新能源快速發(fā)展的今天，火電機(jī)組更多承擔(dān)了調(diào)峰的任務(wù)，機(jī)組設(shè)備長期在低效運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)運(yùn)行，降低了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和能源利用效率[4]。因此，研究余熱利用、提高資源綜合利用效率勢在必行。本文將低溫?zé)峋W(wǎng)回水、機(jī)組高背壓和熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，提出一種基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，有效提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能源綜合利用效率，增大供熱量和供熱面積，實現(xiàn)大幅節(jié)能減排，對我國建設(shè)智慧型城市供熱，發(fā)展清潔、零碳排放型城市具有重要意義[5-6]。

1 供熱系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

常見的供熱系統(tǒng)可分為鍋爐供熱、熱泵供熱、電熱和熱電聯(lián)產(chǎn)供熱四個類型，其對象系統(tǒng)可簡化為熱源、熱網(wǎng)和熱用戶三部分[7]，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供熱系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure ofthe heating system

熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)憑借其節(jié)約能源、高效、低污染和高可靠性的優(yōu)勢，逐漸發(fā)展成為我國城市的主要供熱方式，具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。但隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，供熱需求的不斷增加，供熱系統(tǒng)存在的問題日漸凸顯出來：

(1)我國熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組一般采用中壓缸抽汽作為供熱汽源來加熱一次網(wǎng)回水，而供熱抽汽溫度多在230～360 ℃之間，遠(yuǎn)高于熱網(wǎng)130 ℃的溫度水平。

(2)目前供熱系統(tǒng)供回水溫度在70～130 ℃的溫度水平，與20 ℃的平均采暖溫度差別較大。

(3)受熱力學(xué)基本規(guī)律的約束和現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展的限制，燃煤電廠的能源轉(zhuǎn)換率和利用率僅能達(dá)到40%左右，剩余約60%的能量以低品位余熱的形式被排放到環(huán)境中。

由于供熱系統(tǒng)中熱源、熱網(wǎng)和熱用戶之間能量品位存在失衡，熱源參數(shù)不合理，從而造成供熱系統(tǒng)效率低，能量資源浪費(fèi)嚴(yán)重，也進(jìn)一步加劇了環(huán)境污染等問題。因此，應(yīng)加大熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)的研究，實現(xiàn)熱能的“梯級利用”，以降低系統(tǒng)能耗，提高能源利用效率。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀

熱電聯(lián)產(chǎn)是集發(fā)電和供熱過程于一體的多聯(lián)產(chǎn)能源系統(tǒng)，它可以有效提高能源利用率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。常見且可以實現(xiàn)電、熱負(fù)荷較為靈活調(diào)整的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)主要有抽凝供熱技術(shù)和熱泵供熱技術(shù)[8-10]。

2.1 抽凝供熱技術(shù)

抽凝供熱技術(shù)主要是采用抽凝式汽輪機(jī)進(jìn)行供熱和發(fā)電，根據(jù)熱負(fù)荷的不同品質(zhì)選擇在汽輪機(jī)不同位置進(jìn)行抽汽，作為加熱汽源，剩余蒸汽做功后進(jìn)行凝結(jié)循環(huán)利用。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 抽凝供熱系統(tǒng)Fig.2 Steam extraction and condensation heating system

抽凝供熱系統(tǒng)具有負(fù)荷調(diào)整范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是我國目前熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展的主要機(jī)型，并且己實現(xiàn)大型化發(fā)展。但這種供熱方式仍存在一些問題，供熱系統(tǒng)抽汽溫度高于熱網(wǎng)水需求溫度200 ℃左右，雖然傳熱效率高，但換熱過程損失很大，而且汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器后汽化潛熱被全部排放至環(huán)境中，極大浪費(fèi)了熱量。

2.2 熱泵供熱技術(shù)

為進(jìn)一步提高能源利用效率，實現(xiàn)節(jié)能降耗，低品位能量的利用越來越得到重視。一般余熱的利用方式有兩種，一種是直接利用，另一種是通過熱泵技術(shù)實現(xiàn)對余熱的合理利用。從對余熱利用程度和節(jié)能效益角度考慮，熱泵技術(shù)都是最為合理的一種方式，其系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 熱泵供熱系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of the heat pump heating system

3 基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

以某電廠2×300 MW單元制空冷機(jī)組為例，構(gòu)建運(yùn)行安全、節(jié)能增效、經(jīng)濟(jì)合理的基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。

已知該電廠距離市區(qū)負(fù)荷中心在32 km以上，單臺機(jī)組額定抽汽工況下抽汽量為420 t/h、壓力為0.8 MPa、排汽量220 t/h、背壓為15 kPa，兩臺機(jī)組發(fā)電后低壓蒸汽(抽汽和凝汽)的總供熱功率為922 MW。

3.1 低位能分級加熱技術(shù)

低位能分級加熱技術(shù)(如圖4所示)是指通過利用多臺機(jī)組乏汽串聯(lián)加熱的形式保證供熱系統(tǒng)基本熱負(fù)荷，同時采用抽汽進(jìn)行尖峰加熱，以使得熱源參數(shù)大幅下降，實現(xiàn)機(jī)組的平均熱源溫度接近甚至低于供水溫度，為大容量熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)[11-12]。

圖4 低位能分級加熱原理圖Fig.4 Schematic diagram of low-level energy graded heating

當(dāng)冷流體進(jìn)出口參數(shù)及供熱量不變時，降低換熱過程中熱流體的平均溫度可以有效減少熱網(wǎng)換熱器中得損失。如圖4所示，一個三級加熱的低位能供熱系統(tǒng)，供水溫度可達(dá)到110 ℃，而平均熱源溫度只有108.93 ℃，平均熱源溫度低于供水溫度，標(biāo)志著重要的技術(shù)進(jìn)步。

3.2 高背壓與熱泵結(jié)合技術(shù)

對于大型單元制機(jī)組，即使是在低溫?zé)峋W(wǎng)回水條件下，如果單獨(dú)采用機(jī)組高背壓技術(shù)也是很難實現(xiàn)全部機(jī)組凝汽余熱回收的。因此，本文在機(jī)組高背壓、熱網(wǎng)水側(cè)分級加熱的基礎(chǔ)上增設(shè)吸收式熱泵，一次網(wǎng)回水依次進(jìn)入#3機(jī)凝汽/水換熱器、#4機(jī)凝汽/水換熱器、吸收式熱泵和熱網(wǎng)加熱器逐級加熱，其中#4機(jī)組的一部分凝汽(約165 t/h，占75%)余熱的回收由吸收式熱泵來承擔(dān)。

通過系統(tǒng)熱平衡計算，機(jī)組高背壓和吸收式熱泵結(jié)合的主要系統(tǒng)參數(shù)見表1。

由表1可知，增設(shè)吸收式熱泵后，#4機(jī)組的一部分凝汽余熱的回收由熱泵來承擔(dān)，可以顯著降低#4機(jī)組的背壓，使該機(jī)組的凝汽供熱等效電顯著降低，進(jìn)而使熱源綜合供熱等效電在熱網(wǎng)水分級加熱的基礎(chǔ)上又降低了2.0 kWh/GJ。吸收式熱泵的實質(zhì)是充分利用蘊(yùn)含在原本用于供熱的抽汽當(dāng)中的做功能力，驅(qū)動熱泵循環(huán)來實現(xiàn)低品位余熱的回收，在沒有額外消耗高品位能的前提下，降低了機(jī)組高背壓所要付出的能效代價。

表1 機(jī)組高背壓與熱泵結(jié)合的主要系統(tǒng)參數(shù)

3.3 基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)

在機(jī)組高背壓設(shè)置以及與熱泵技術(shù)結(jié)合思路分析基礎(chǔ)之上[13-15]，本文提出一種基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)，系統(tǒng)流程詳見圖5。

1.抽凝兩用機(jī)組;2.空冷島;3.凝汽/水換熱器;4.熱泵機(jī)組;5.熱網(wǎng)加熱器;E.蒸發(fā)器;C.冷凝器圖5 基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)Fig.5 Cogeneration system based on the principle of cascade utilization of thermal energy

根據(jù)圖5基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)圖我們可以看出：

(1)返回電廠的溫度為t1，流量為G的熱網(wǎng)水首先與流量為G1的廠內(nèi)旁通水混合，流量增加至G2后依次進(jìn)入#3機(jī)凝汽/水換熱器、#4機(jī)凝汽/水換熱器，被兩臺機(jī)組的凝汽加熱至th，再按原混合的比例分成流量為G的熱網(wǎng)水和流量為G1的旁通水，設(shè)置熱泵機(jī)組，熱網(wǎng)水經(jīng)吸收式熱泵的吸收器和冷凝器(或壓縮式熱泵的冷凝器)加熱至tH，旁通水經(jīng)熱泵的蒸發(fā)器降溫至t1與返回電廠的熱網(wǎng)回水混合，周而復(fù)始。

(2)該流程構(gòu)建需要增設(shè)#3和#4機(jī)凝汽/水換熱器、熱泵機(jī)組(蒸汽型吸收式熱泵)以及進(jìn)入電廠的熱網(wǎng)水管道和旁通水管道。分別調(diào)整#3和#4機(jī)組背壓至Pb1和Pb2，用于實現(xiàn)對熱網(wǎng)回水的梯級加熱。兩臺機(jī)組抽汽的一部分提供給熱泵機(jī)組，剩余部分提供給熱網(wǎng)加熱器。

3.3.1 供熱能耗分析

一次網(wǎng)的設(shè)計供水溫度為130 ℃，返回電廠的一次網(wǎng)的設(shè)計回水溫度35 ℃，熱網(wǎng)水依次經(jīng)由#3機(jī)組凝汽/水換熱器、#4機(jī)組凝汽/水換熱器、蒸汽型吸收式熱泵以及熱網(wǎng)加熱器四級加熱，改造前供熱方案與改造后供熱方案的能耗計算及對比分析如下：

式中：Δe—單位質(zhì)量冷流體在加熱過程中獲得的熱量；Q水—循環(huán)水的質(zhì)量流量；Q汽—供熱蒸汽的質(zhì)量流量。

(2)熱交換器的效率為：

式中：ΔeH—蒸汽在熱網(wǎng)加熱器中單位質(zhì)量付出的能量。

(3)熱泵回收乏汽余熱熱功率為：

式中：QF—回收乏汽余熱熱功率，MW；GRW—熱網(wǎng)水流量，t/h；GWC—汽輪機(jī)抽汽流量，t/h；h0—熱泵出口熱網(wǎng)水焓，kJ/kg；hi—熱泵進(jìn)口熱網(wǎng)水焓，kJ/kg；hWC—抽汽至熱泵蒸汽焓，kJ/kg；hC—抽汽疏水焓，kJ/kg。

結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)，對原始供熱方案與改進(jìn)供熱方案的總能耗量與效率進(jìn)行對比分析，如表2所示。

表2 能耗分析表

續(xù)表

3.3.2 數(shù)據(jù)對比及節(jié)能分析

(1)由表2可以看出，改進(jìn)后的供熱方案相較原始供熱方案，小時供熱量由446.23 GJ/h增長至576.34 GJ/h,熱網(wǎng)加熱器效率由46.65%升高為62.14%，充分體現(xiàn)了溫度對口、熱能梯級利用的思想，進(jìn)而可以實現(xiàn)更高的系統(tǒng)能源利用效率。

(2)這種熱網(wǎng)梯級加熱流程是在低溫?zé)峋W(wǎng)回水的前提條件下，將熱泵技術(shù)和機(jī)組高背壓技術(shù)有機(jī)結(jié)合與集成而構(gòu)建的。熱泵和機(jī)組高背壓兩種技術(shù)的配置是相輔相成的，即在相同余熱回收目標(biāo)下，增加機(jī)組高背壓技術(shù)配置(提高機(jī)組背壓、配套增設(shè)凝汽/水換熱器)可以降低熱泵技術(shù)配置(降低熱泵余熱回收容量)，反之亦然。

4 總結(jié)

為進(jìn)一步響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能源利用效率，建設(shè)清潔供熱、零碳排放新型城市，本文提出基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)，將低溫?zé)峋W(wǎng)回水、機(jī)組高背壓和熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合。

(1)增設(shè)了旁通水系統(tǒng)并且構(gòu)建了由凝汽加熱、熱泵、抽汽加熱組成的熱網(wǎng)水梯級加熱流程，可顯著降低凝汽/水換熱器的出水溫度，改善機(jī)組背壓；

(2)將熱網(wǎng)水回水進(jìn)行梯級加熱，依次提高加熱熱源的品位，充分體現(xiàn)了溫度對口、熱能梯級利用的思想，大大提高能源綜合利用效率和效率。

基于熱能梯級利用原理的熱電聯(lián)產(chǎn)優(yōu)化技術(shù)，有效回收汽輪機(jī)凝汽余熱，實現(xiàn)熱能傳遞的梯級利用，提高了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能源利用效率，為同類型機(jī)組供熱改造提供新思路。