李秋白，殷 戈，黃啟龍，譚 銳，涂朝陽，張志業(yè)，陳國寶，林寶森

(1.國家能源集團科學技術研究院有限公司，江蘇 南京 210046；2.國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210046；3.國電福建電力有限公司，福建 福州 350009；4.國能(泉州)熱電有限公司，福建 泉州 362804)

1 引言

全球氣候變化是當前人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的重大威脅，保護地球生態(tài)安全、合作應對氣候變化，已成為當今國際社會廣泛共識。我國作為全球工業(yè)大國，一直致力于推動低碳發(fā)展，尤其是雙碳目標的提出，加快了我國能源結構的重構，作為當前二次能源的主力，煤電需進行節(jié)能、供熱以及靈活性改造，以適應新的電力形勢[1]。

供熱按照熱負荷性質可分為采暖供熱和工業(yè)供熱。采暖供熱集中在北方寒冷地區(qū)，需求較普遍，技術也相對成熟，在火電靈活性背景下，又發(fā)展出了諸如高背壓供熱[2-3]、低壓缸零出力[4]、多級抽汽供熱[5-6]等技術，成功案例也比較多。工業(yè)供熱與民用熱最大的區(qū)別在于用戶對供熱參數要求較嚴格，技術難度相對較大[7-9]。

工業(yè)供熱熱負荷伴隨我國工業(yè)持續(xù)發(fā)展，需求也不斷增加。要滿足工業(yè)供熱需求，既可采用企業(yè)自建供熱鍋爐方案，也可采用熱電聯產的集中供熱方案。自建供熱鍋爐方案存在效率較低、環(huán)保指標差、安全隱患大、管理不集中等問題，不符合國家節(jié)能環(huán)保的宏觀產業(yè)政策，因此國家正在逐步取消企業(yè)自建鍋爐的分散供熱系統(tǒng)，取而代之的是熱電聯產的集中供熱方案，熱電聯產集中供熱方案具有節(jié)約能源、減少排放、提高供熱蒸汽品質等多種優(yōu)勢[10-12]。在目前電力裝機產能相對過剩的大背景下，大量新建熱電聯產項目受到了電力建設總容量的制約。鑒于此，國家積極引導和鼓勵將部分現役純凝發(fā)電機組改造為供熱機組，既不增加電力裝機規(guī)模，又可增加供熱能力[13-18]。

純凝機組供熱改造過程中，根據供熱需求溫度和壓力等級不同，結合相關文獻研究結果[19-20]，可以將供熱概況的分為如下幾類：1)低參數供熱指壓力在1.0MPa以內，且溫度在300℃以內；2)中參數供熱指壓力在1.0～4.0MPa，且溫度在300～400℃；3)高參數供熱指壓力在4.0MPa及以上，且溫度在400℃及以上。在亞臨界機組上，低參數供熱改造一般從機組中、低壓連通管開孔，增加供熱抽汽調節(jié)閥，對外抽汽供熱；中參數供熱改造一般從機組一抽、冷再或熱再段抽汽。上述兩類供熱共同的特點是：供熱所需的蒸汽參數和汽輪機系統(tǒng)某些位置的蒸汽參數接近，可以直接從系統(tǒng)中找到抽汽點，采用打孔抽汽的方式供熱。而高參數供熱則無法在汽輪機系統(tǒng)內直接打孔抽汽，主要是無法從系統(tǒng)中找到參數匹配的抽汽點。為了滿足高參數供熱需求，常采用參數等級更高的蒸汽減溫減壓后供熱，高品位蒸汽的減溫減壓供熱，違反了“溫度對口，梯級利用”的用能原則[21]，熱經濟性較差。

因此，研究高參數供熱參數匹配問題，對提高供熱經濟性，實現煤電機組低發(fā)展具有重要意義。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本文以亞臨界300MW抽凝機組為研究對象，機組的主蒸汽參數壓力為16.67MPa，溫度為538℃，其主要參數見表1。

表1 某亞臨界300MW機組主要參數Tab.1 Main parameters of a subcritical 300MW Unit

2.2 高參數供熱問題熱力學特性分析

熱電聯產循環(huán)中，主蒸汽進入汽輪機后，膨脹做功，按照供熱參數需求，在系統(tǒng)合適位置設抽汽口，抽出蒸汽對外供熱。抽汽點設置的原則是：壓力或溫度中先達到用戶參數約束條件的位置，即為最佳抽汽口位置。按照此設計原則，以亞臨界300MW機組參數為例，以主蒸汽作為循環(huán)起點蒸汽參數：壓力16.67MPa，溫度538℃，終點為用戶蒸汽參數：壓力4.0MPa，溫度400℃，通流效率分析參數見表2。

表2中數據說明，亞臨界機組如果能直接抽取4.0MPa,400℃的供熱蒸汽，從汽輪機進汽到抽汽之間，機組通流效率應設計為44.73%，這顯然將會大幅降低熱電聯產的經濟性。

表2 高參數供熱通流效率分析Tab.2 Analysis of high parameter heating flow efficiency

目前，汽輪機缸體設計和運行的效率一般在70%～90%的范圍內，為了分析在上述范圍內亞臨界機組內蒸汽參數變化特征，以主蒸汽作為循環(huán)起點蒸汽參數：壓力16.67MPa，溫度538℃，終點為用戶蒸汽參數：壓力4.0MPa，膨脹效率按照70%和90%來分析，結果見表3和表4。

由表3和表4中數據可以看出，如果按照膨脹終點為4.0MPa，終點參加均低于熱用戶所需的400℃，且通流效率越高，終點溫度差越大，無法滿足供熱需求。

表3 高參數供熱參數分析(70%通流效率，終點壓力4.0MPa)Tab.3 Analysis of high parameter heating parameters (70% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

表4 高參數供熱參數分析(90%通流效率,終點壓力4MPa)Tab.4 Analysis of high parameter heating parameters (90% flow efficiency,end pressure 4.0Mpa)

因此，從熱力學分析可知，在常規(guī)的缸效范圍內，無法采用直接抽汽的方式實現高參數供熱。

2.3 高參數供熱變工況特性分析

為了進一步探明高參數供熱參數匹配問題的原因，對汽輪機變工況分析，分析汽輪機內壓力和溫度變化特征，找出參數變化規(guī)律。

由弗留格爾公式可知，在不考慮溫度變化的情況下，各級抽汽的壓力和流量有如下關系[22]：

(1)

式中：G1為級組變工況流量，t/h；G為級組設計工況流量，t/h；p01為級組變工況級前壓力，MPa；p0為級組設計工況級前壓力，MPa；a為變工況下與設計工況下的通流面積之比。

由式(1)可以看出，級組前壓力與流量成正比關系。與通流面積比成反比關系；在回熱機組中，由于回熱抽汽和通流壓損存在，自主蒸汽以下，各抽汽點的壓力依次降低，如需提升壓力，可控的措施是改變通流面積，如采用座缸閥、旋轉隔板或者抽汽蝶閥，這些方法和減溫減壓一樣，都會降低通流效率，最經濟的方法是選擇接近供熱壓力的抽汽點，盡量減少節(jié)流的損失。

汽輪機變工況運行時，初參數一定的情況下[23]，級組抽汽溫度和通流效率有關，級組的效率計算公式為：

(2)

式中：ηri為級組相對內效率；h0為級組入口蒸汽焓值，kJ/kg；hc為級組出口蒸汽焓值，kJ/kg；hct為級組出口等熵蒸汽焓值，kJ/kg；

由上式可以推導出：

hc=h0-ηri(h0-hct)

(3)

由上式可以看出，級組入口參數和排汽壓力確定的情況下，級組出口排汽焓hc和級組相對內效率ηri負相關，而排汽焓和排汽溫度正相關，因此，如果僅從通流角度分析，提高排汽溫度，需要降低相對內效率，這顯然和熱電聯產的目的相左。因此，可以考慮間接加熱的方式，即先膨脹做功，降低蒸汽溫度，再通過外部加熱，提升蒸汽溫度，進而避免犧牲內效率，實現節(jié)能。

由上述分析可知，高參數供熱主要問題是供熱壓力和溫度匹配問題，常規(guī)的打孔抽汽方案無法滿足要求，需要從壓力和溫度分別調節(jié)，實現二者的匹配，制定相應的技術方案。

基于上述分析，本文提出了“分級匹配，梯級利用”的高參數供熱技術方法，即將供熱的壓力和溫度分級匹配，增加匹配的靈活性，實現供熱參數的精準控制，從而達到了梯級利用目的。

2.4 高參數供熱技術方案

由前述分析可知，高參數供熱方案制定時，需要從壓力匹配和溫度匹配兩個角度單獨分析。壓力匹配方面：額定負荷下，亞臨界機組主蒸汽和一段抽汽、超臨界及以上等級機組主蒸汽、一段抽汽、冷再熱蒸汽和熱再熱蒸汽壓力，可以滿足供熱熱壓力需求，但溫度偏低；溫度匹配方面：采用蒸汽加熱的方式，如高溫蒸汽和低溫蒸汽混合、供熱蒸汽再熱、煙氣在再熱等方法，可以提升蒸汽溫度，滿足供熱的需求，組合上述壓力和溫度的技術，即可得到對應的技術方案。

根據前述分析，把壓力和溫度匹配技術組合后，制定了三種技術方案：方案1蒸汽混溫技術方案；方案2煙氣源再熱技術方案和方案3蒸汽源再熱技術方案，各方案詳細介紹如下：

方案1蒸汽混溫技術方案：如圖1所示，按照壓力匹配原則，該方案采用主蒸汽和一抽抽汽作為抽汽源；主蒸汽溫度高于供熱溫度，一抽溫度低于供熱溫度，兩者按照混合后蒸汽溫度滿足供熱蒸汽溫度為原則，進行流量匹配，并在聯箱內混合，實現溫度和壓力均衡。

圖1 方案1示意圖Fig.1 Schema 1 schematic diagram

方案2煙氣源再熱技術方案[24]：此方案從機側抽取供熱蒸汽，進入爐側再熱。在爐內布置供熱專用加熱受熱面，用于加熱機側缸體新增供熱抽汽，蒸汽經過爐側加熱到供熱溫度后，滿足對外中壓供熱的需求，其供熱系統(tǒng)簡單示意圖見圖2。

圖2 方案2示意圖(爐內加熱方式)Fig.2 Schema 2 schematic diagram (Heating in Boiler)

方案3蒸汽源再熱技術方案[25-26]：此方案適合機組同時供熱高壓供熱和中壓供熱的系統(tǒng)。該方案設計一個汽汽換熱器，換熱器高溫蒸汽來自于機組熱再蒸汽，低溫蒸汽來自于缸體新增供熱抽汽，經過汽汽換熱器換熱后，低溫蒸汽溫度提升至供熱所需溫度，滿足高壓供熱需求；高溫蒸汽冷卻后，減溫減壓后用于中壓供熱。該方案巧妙的利用中壓供熱抽汽加熱高壓供熱抽汽，在提高高壓供熱的同時，降低了中壓供熱溫度，減少中壓供熱噴水量，實現能量的合理利用。方案示意圖如圖3。

圖3 方案3示意圖Fig.3 Schema 3 schematic diagram

3 結果與討論

3.1 技術方案適用性分析

方案1系統(tǒng)布置較為簡單，改造范圍小，供熱靈活，但由于直接對主蒸汽進行減溫減壓，其經濟性較差，不符合國家節(jié)能減排大戰(zhàn)略要求。

方案2煙氣源再熱技術方案，該方案的優(yōu)點是：高參數供熱再熱能力強。煙氣流量大，再熱能力強，能夠滿足不同流量的高參數供熱加熱需求；蒸汽溫度調節(jié)方便。采用噴水減溫可以方便實現對高參數供熱蒸汽溫度的控制。缺點是：一是低供熱流量下，爐側受熱面需設置防超溫系統(tǒng)。為了保證爐側供熱蒸汽再熱受熱面不超溫，需設置最小冷卻蒸汽流量，根據設計加熱流量的不同，最小冷卻蒸汽流量在50～100t/h之間，即高參數供熱所需蒸汽流量低于最小冷卻蒸汽流量時，機側抽汽量需按照最小冷卻蒸汽流量抽取，在爐側加熱后，一部分對外供熱，一部分回到系統(tǒng)內(如再熱器入口)，繼續(xù)做功，這樣就造成了做功損失，降低了節(jié)能的效果。二是改造范圍大。由于爐側需要同步改造，系統(tǒng)由機側抽汽至爐側加熱，改造范圍大，改造費用高。

方案3蒸汽源再熱技術方案再熱系統(tǒng)放置在機側，該方案的優(yōu)點是：再熱系統(tǒng)獨立性高，該方案再熱系統(tǒng)布置在汽機側，再熱系統(tǒng)為外置式，對主循環(huán)系統(tǒng)影響較??；高參數供熱流量調節(jié)適應性好，在機組負荷滿足的條件下，采用外置的換熱器，可以根據供熱需求靈活調節(jié)供熱蒸汽流量。缺點是：一是存在高參數供熱和中參數供熱耦合的現象。在但該方法對供熱的匹配要求較高，即高參數和中參數供熱流量應滿足一定的比例，才能滿足高參數供熱的加熱要求，這種方案適合有較穩(wěn)定的高參數供熱機組，有足夠中參數熱負荷的能力消納再熱蒸汽加熱后的蒸汽，這就限制了機組供熱的靈活性。二是關鍵設備目前沒有投運業(yè)績。機側再熱中的核心設備汽汽交換器，目前在國內外火電領域，暫無投運案例。

此外，方案3在能夠保證充分的中參數熱用戶時和方案2的節(jié)能效果基本相當；從技術成熟度上講，方案2技術更成熟；從系統(tǒng)壓損角度分析，方案3系統(tǒng)壓力較小；從供熱再熱能力角度分析，方案2供熱能力強。

綜上所述，方案2和方案3各有優(yōu)劣，可以根據具體邊界條件，合理選用；方案1不符合國家政策，不推薦使用。

3.2 技術方案節(jié)能分析

以某亞臨界300MW機組為例，在額定抽汽量下各方案分析數據見下表5。

表5 各方案技術經濟性參數對比(主進汽量1094t/h，高壓供熱165t/h)Tab.5 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam :1094t/h, high-pressure heating: 165t/h)

采用不同的供熱蒸汽再熱方式，機側供電煤耗是不變的，主要原因是：再熱方式影響冷再和熱再抽汽的流量分配，而再熱系統(tǒng)抽汽是屬于汽輪機系統(tǒng)之外的抽汽，只有總抽汽量(冷再和熱再抽汽量之和)相同，對于機側來講，對熱耗影響是相同的。在供熱量為100t/h時，各方案的分析數據見表6。

表6 各方案技術經濟性參數對比(主進汽量1094t/h，高壓供熱100t/h)Tab.6 Comparison of technical and economic parameters of various schemes (main steam : 1094t/h, high-pressure heating :100t/h)

由上述兩個工況對比分析來看，高壓供熱量越大，則采用方案2和方案3相比較方案1的節(jié)能量越大，這是因為在供熱量大時，方案1需要抽汽的主蒸汽流量越大，經濟性越差。

4 結論

本文針對熱電聯產中高參數供熱參數匹配困難問題開展研究，分析了問題的主要矛盾，制定出了3種供熱方案，從適用性和經濟性對方案進行了分析，得出如下結論。

(1)高參數供熱壓力和溫度匹配存在矛盾，主要原因是熱電聯產機組中蒸汽壓力和溫度的變化特性存在差異，無法同時滿足熱負荷參數需求。

(2)綜合汽輪機和鍋爐特性，采用壓力和溫度分級匹配技術，能夠解決高參數供熱參數匹配問題。

(3)針對高參數供熱問題，制定了蒸汽混溫技術方案、煙氣源再熱技術方案和蒸汽源再熱技術方案，均能滿足供熱需求，為解決同類問題提供參考。