热电联产机组新型高效耦合供热技术研究

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-03-03 09:28 热度：

　　[摘 要]热电联产机组多种新型高效供热技术耦合供热是实现热能梯级利用和提高资源综合利用效率的有效途径之一。提出了一种新型高效的耦合供热技术方案，建立了基于热量分析法和㶲分析法的能效评价方法，计算了纯凝工况、抽汽供热工况、耦合供热工况的热效率、热指数、供电煤耗及供热煤耗。结果表明：基于热量分析法计算得到耦合供热方式比抽汽供热的热效率高 19.59 百分点、热指数高 2.61 百分点、供电煤耗低 76.23 g/(kW·h);基于㶲分析方法计算得到耦合供热方式比抽汽供热的㶲效率高 3.61 百分点、㶲指数高 0.60 百分点、供电煤耗降低 21.62 g/(kW·h)、供热煤耗降低 0.09 kg/GJ;基于㶲分析法得到的抽汽供热的供电煤耗反而比纯凝工况的供电煤耗高;通过对抽汽供热的抽汽工况对比得到全厂最大供电量工况。研究结果为新型高效供热技术应用提供参考。

　　[关 键 词]热电联产;冷端余热;高背压;背压机;抽汽供热

　　目前，大型火力发电厂热电联产是实现热能梯级利用、提高资源综合利用效率的有效途径之一。传统的热电联产机组采用高参数抽汽减温减压供热，导致高品质热量浪费。热电联产机组能量的梯级利用水平，不仅要采用传统意义上热效率的高低来评价，而更要采用㶲效率的高低来评价。

　　近年来，相关研究提出了多种新型高效供热技术，如高背压供热[1-3]、背压机供热[4-5]、低压缸切缸[6]及热泵供热[7-9]等。为了达到供热温度需求，同时实现热量的梯级利用，热电联产机组一般采用多种供热技术耦合供热[10]。高背压供热技术是利用冷端余热将热网循环水加热至一定温度，再经汽轮机抽汽加热至供热温度[11-14]。高背压供热技术具体又分为湿冷机组高背压[12]、空冷机组高背压[13]及双背压[14]等多种方式。

　　若经冷端余热加热的热网循环水温度无法满足尖峰供热温度需求时，需经抽汽进一步加热。抽汽一般来自四段抽汽或低压缸切缸后的蒸汽，经背压机做功或发电后的排汽加热热网循环水实现热能梯级利用。杨志平等[3]以高背压供热耦合尖峰抽汽供热为对象，研究了高背压供热与抽汽供热负荷分配比例，得到了热负荷分配比例对供热经济性的影响。梁占伟等[5]采用㶲分析法研究了高背压耦合抽汽供热能耗，并提出了双机联调的优化方法及最佳运行工况。Li 等人[15]研究了空冷机组高背压耦合抽汽供热技术及热泵耦合抽汽供热技术，得到了不同耦合供热方式的供热煤耗。余炎等[16]提出了带给水泵的背压机排汽供热技术，经与抽汽供热技术相比提高了经济性。

　　以上研究成果为新型高效耦合供热技术研究奠定了基础。本文提出了一种新型高效的耦合供热技术方案，采用自主研发的热力系统集成优化软件(thermal power integration scheme，TPIS)搭建了热力系统仿真模型，建立了热量分析法和㶲分析法建立了能效评价方法，计算得到了热效率、㶲效率、热指数、㶲指数及供电煤耗，对比了纯凝工况、抽汽供热及耦合供热技术的热经济性及㶲经济性，证明了㶲分析法评价供热煤耗的优越性，以及本文提出的耦合供热方式较之于传统抽汽供热方式的显著经济性，可为新型高效供热技术应用提供参考。

　　1 研究对象

　　某电厂建设 4 台 600 MW 等级火电机组，总装机容量 2 520 MW。一期工程 2 台亚临界 600 MW 湿冷机组，二期工程 2 台超临界 660 MW 直接空冷机组。主要额定参数见表 1。该电厂先后对一、二期 4 台机组进行供热改造，实现连通管抽汽供热。抽汽供热系统如图 1 所示。

　　一期单台机组额定抽汽量 500 t/h，二期单台机组额定抽汽量 400 t/h。电厂现有热网首站 1 座，一期和二期的热网循环水泵、热网疏水泵和热网加热器布置于热网首站内。其中热网加热器和热网疏水泵为每台机组分别对应 1 台，共计 4 台;热网循环水泵为 4 台公用的液耦调速泵。全厂能够实现约 1 400 MW 供热能力。

　　随着电厂周边县城的热负荷不断纳入，现有热网配置已不能满足需要，需要统筹考虑能量梯级利用的情况下，增大供热能力。基于该厂装机容量和供热量需求情况，提出了一种新型高效的耦合供热技术方案，该方案按 1、3 号机组组合，2、4 号机组组合单元制设计。以 1、3 号机组组合为例说明新型高效的耦合供热技术方案设备组成，3 号空冷机组改造为高背压供热，抽汽带凝背机，冬季背压供热，夏季纯凝机组带厂用电。1 号机组抽汽进入背压机带热网循环水泵，排汽进入热网加热器供热。综上，该耦合供热技术方案采用了 1 号机组背压机及 3 号机组高背压、凝背机、抽汽供热技术耦合供热方式。耦合供热系统如图 2 所示。

　　2 研究方法

　　2.1 热力系统仿真模型与验证

　　采用自主研发的 TPIS 软件，分别针对亚临界 600 MW 机组、超临界 660 MW 机组 2 台供热机组搭建了热力系统仿真模型，用于仿真计算，如图 3 所示。

　　为了验证 TPIS 软件建模仿真的准确性，分别利用图 3 所示的仿真模型计算了 4 个典型工况的发电机功率。TPIS 仿真计算的发电机功率和热平衡图中设计发电机功率对比结果见表 2 和表 3。由表 2 和表 3 可知，2 台机组 TPIS 仿真计算的发电机功率相对误差最大值均在 40%THA 工况，相对误差最大分别为 0.730%和 0.640%。由此可见，TPIS 仿真计算的结果满足工程仿真精度要求，仿真模型能够用于热力系统仿真。

　　2.2 能效评价方法

　　2.2.1 热量分析法

　　1)热效率与热指数 热电联产的产品为电能和供热热能，所消耗的能量为燃煤燃烧的热能。

　　3 结果与分析

　　原 4 台机组总抽汽供热量为 1 408.12 MW：其中原 1 号机组额定工况抽汽 500 t/h，供热量为 389.26 MW;原 3 号机组额定工况抽汽 400 t/h，供热量为 314.80 MW。耦合供热技术方案总供热量为 1 237.70 MW：其中1号机背压机供热量为378 MW， 3 号机高背压供热量为 562 MW，3 号机凝背机供热量为 297.7 MW。

　　为了便于分析，以总供热量 1 237.70 MW 为基准计算节能改造前后的效率、煤耗等指标。4 台机原额定工况最大抽汽供热量为 1 408.12 MW。为了实现抽汽供热 1 237.70 MW，4 台机组的抽汽供热量按以下分配：1 号机组和 2 号机组额定工况分别抽汽 390 t/h(最大抽汽量为 500 t/h)，分别供热量为 304.64 MW;3 号机组和 4 号机组额定工况分别抽汽 400 t/h(最大抽汽量为 400 t/h)，分别供热量为 314.80 MW。1 号机组和 3 号机组组合设计，按耦合供热方式运行时，1 号机组和 3 号机组额定工况的最大供热量为 1 237.70 MW。

　　供热量为 1 237.70 MW 时，分别采用热量分析法和㶲分析法对 4 台机抽汽供热与 1 号机组和 3 号机组组合耦合供热方式的热效率、㶲效率、热指数、供电煤耗及供热煤耗进行了对比分析。纯凝工况、抽汽供热、耦合供热方式 3 中工况的机组电功率见表 4。

　　需要特别说明的是：耦合供热方式时，仅 1 号机组和 3 号机组参与供热，而 2 号机组和 4 号机组纯凝工况运行，因此导致耦合供热方式的 1 号机组和 3 号机组发电功率大于抽汽供热的 1 号机组和 3 号机组发电功率，但耦合供热方式 4 台机组总发电功率明显大于抽汽供热 4 台机组总发电功率。

　　3.1 热量分析法

　　采用热量分析法分别研究了纯凝工况、抽汽供热、耦合供热方式的热效率、热指数、供电煤耗及供热煤耗，结果如图 4 所示。因为 1 号机组和 2 号机组的运行参数相同，3 号机组和 4 号机组的运行参数相同，因此图 4 中仅列出了 1 号机组和 3 号机组的计算结果。由图 4a)可以看出：供热后机组热效率明显高于纯凝工况热效率，而耦合供热方式的热效率比抽汽供热的热效率高 19.59 百分点;3 号机组耦合供热方式的热效率高达 90.30%，其主要原因是 3 号机组采用高背压供热方式，排汽余热得到充分利用。另外，凝背机实现了抽汽的梯级利用，利用抽汽先发电再供热，也有助于提高机组热效率。

　　由 2.2.1 节可知，热指数定义为总供热量与供热消耗电量的比值，是衡量供热热效率的指标。由图 4b)可以看出：耦合供热方式的热指数比抽汽供热的热指数高 2.61 百分点;3 号机组耦合供热方式的热指数高达 11.0%，再次说明采用高背压及凝背机供热的优势。

　　由图 4c)可以看出，耦合供热方式的供电煤耗比抽汽供热的供电煤耗低 76.23 g/(kW·h)，3 号机组耦合供热方式的供电煤耗降低至 131.28 g/(kW·h)，耦合供热方式可以明显降低供电煤耗。

　　由图 4d)可以看出，供热煤耗均为 38.62 kg/GJ。由此可知，基于热量分析法的供热煤耗无法衡量供热方式的先进性及优越性。

　　3.2 㶲分析法

　　㶲分析方法中将供热部分的㶲计入了总㶲，㶲分析方法详见 2.2.2 节。采用㶲分析法分别研究了纯凝工况、抽汽供热、耦合供热方式的热效率、热指数、供电煤耗及供热煤耗，结果如图 5 所示。因为 1 号机组和 2 号机组的运行参数相同，3 号机组和 4 号机组的运行参数相同，因此结果中仅列出了 1 号机组和 3 号机组的计算结果。

　　由图 5a)可以看出：耦合供热方式的㶲效率比抽汽供热的㶲效率高 3.61 百分点;3 号机组耦合供热方式的㶲效率明显较高，达到 45.49%，主要是因为高背压供热量增加的供热㶲明显大于高背压供热导致的发电量的减少。

　　由图 5b)可以看出：耦合供热方式的㶲指数比抽汽供热的㶲指数高 0.60 百分点，3 号机组耦合供热方式的㶲指数为 2.45%，同样反映出高背压供热可明显提高供热㶲。

　　由图 5c)可以看出：抽汽供热的供电煤耗比纯凝工况供电煤耗高 15.30 g/(kW·h)，也就是说基于㶲分析法得到的抽汽供热方式的供电煤耗反而比纯凝工况的供电煤耗增加。其主要原因为：一方面㶲分析法能够衡量能量品质的高低，计算能量中高品质能量的利用程度，高品质能量利用率越高其㶲效率越高;另一方面抽汽供热方式将高品质蒸汽抽去加热热网循环水供热，导致高品质的蒸汽㶲未得到充分利用，㶲利用率降低，而抽汽供热方式发电分摊的蒸汽量比纯凝器工况蒸汽量减少，导致抽汽供热方式发电效率降低，进而导致供电煤耗增加。耦合供热方式的供电煤耗比纯凝工况的供电煤耗降低 6.32 g/(kW·h)，比抽汽供热的供电煤耗降低 21.62 g/(kW·h)。3 号机组耦合供热方式的供电煤耗明显降低至 272.12 g/(kW·h)，由 2.2.2 节的㶲分析方法可知，这主要取决于供热㶲分摊总㶲的比例。

　　基于㶲分析法计算得到供热煤耗不同于基于热量分析法计算得到的供热煤耗;不同的供热方式基于㶲分析法计算得到的供热煤耗也有所不同，因此可以用于评价供热方式的优越性。由图 5d)可以看出：基于㶲分析法时，耦合供热方式的供热煤耗比抽汽供热的供热煤耗降低 0.09 kg/GJ;3 号机组的耦合供热方式的供热煤耗仅为 13.88 kg/GJ。

　　3.3 不同抽汽量对供电量的影响

　　采用本文建立热力系统模型，在相同的供热量情况下，计算了 4 台机组 3 种不同抽汽量对供电量的影响，结果见表 5。供热量为 1 237.70 MW，1 号机组和 2 号机组抽汽量为 400 t/h(最大抽汽量)时， 3 号机组和 4 号机组最小抽汽量为 390 t/h。在保证供热量为 1 237.70 MW，仿真计算了 3 个工况的抽汽量对供电量的影响，1 号机组和 2 号机组抽汽量为 400、350、300 t/h，对应的 3 号机组和 4 号机组抽汽量为 390、445、496 t/h。

　　3 个工况的全厂总供电量分别为 2.086、2.076、 2.065 GW，抽汽工况 1 的全厂供电量最大。因此，当供热量为 1 237.70 MW 时，抽汽工况 1 能到使全厂供电量最大，可为电厂优化运行提供指导。

　　本文来源于：《热力发电》杂志创刊于1972年，为我国热能动力学科和热力发电技术重要刊物，主要报道国内热能动力技术科学的基础研究和热力发电(火力、核能、地热及其它可再生能源发电)技术的开发利用，包括：化石燃料及其清洁燃烧、热力设备及热力系统、电站辅机、电站自动控制、电厂化学、电厂金属材料、电力环境保护及综合利用，以及电厂信息化、状态评价、技术监督、启动调试、设备性能鉴定等，并适时报道国外热能动力科学技术的发展动态。

　　4 结 论

　　1)本文提出的耦合供热方式热效率、热指数比抽汽供热的热效率、热指数分别提高 19.59 百分点和 2.61 百分点，耦合供热方式的供电煤耗比抽汽供热的供电煤耗降低 76.23 g/(kW·h)，以热量分析法评价得到耦合供热方式比抽汽供热有显著优势。

　　2)基于热量分析法计算得到不同供热方式的供热煤耗均为 38.62 kg/GJ，基于㶲分析法计算得到耦合供热方式的供热煤耗比抽汽供热的供热煤耗降低 0.09 kg/GJ，基于㶲分析法计算得到 3 号机组的耦合供热方式的供热煤耗仅为 13.88 kg/GJ，表明㶲分析法的供热煤耗可用于衡量供热方式的先进性及优越性。

　　3)抽汽供热方式高品质蒸汽用于供热致使㶲未得到充分利用，导致基于㶲分析法计算得到抽汽供热的供电煤耗较纯凝工况不降反升高 15.30 g/(kW·h)，而耦合供热方式的供电煤耗比纯凝工况降低 6.32 g/(kW·h)，说明多种新型高效供热技术耦合供热是降低煤耗的有效途径。

　　4)当供热量为 1 237.70 MW 时，抽汽供热的最优为抽汽工况1，其全厂供电量最大为 2.086 GW。其结果可为电厂优化运行提供指导。——论文作者：王祖林 1，梁占伟 2，张 磊 2，乔加飞 2，王顺森 3

　　[参 考 文 献]

　　[1] 时斌, 王宁玲, 李晓恩, 等. 供水温度对高背压热电联产系统能耗水平的影响[J]. 化工进展, 2018, 37(1): 96-104. SHI Bin, WANG Ningling, LI Xiao’en, et al. Impacts of water supply temperature on energy consumption of high back pressure cogeneration system[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2018, 37(1): 96-104.

　　[2] 戈志华, 孙诗梦, 万燕, 等. 大型汽轮机组高背压供热改造适用性分析[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(11): 3216-3222. GE Zhihua, SUN Shimeng, WAN Yan, et al. Applicability analysis of high back-pressure heating retrofit for largescale steam turbine unit[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(11): 3216-3222.

　　[3] 杨志平, 时斌, 李晓恩, 等. 热负荷分配比例对抽凝背压供热机组能耗影响[J]. 化工进展, 2018, 37(3): 875-883. YANG Zhiping, SHI Bin, LI Xiao’en, et al. Impacts of heat load distribution ratio on energy consumption of extraction steam- high back pressure heating cogeneration unit[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2018, 37(3): 875-883.

　　[4] 殷戈, 谭锐, 蔡培, 等. 背压机技术在供热优化改造中应用研究[J]. 汽轮机技术, 2018, 60(5): 389-392. YIN Ge, TAN Rui, CAI Pei, et al. Research on application of back press technology in heat supply optimization[J]. Turbine Technology, 2018, 60(5): 389-392.

　　[5] 梁占伟, 张磊, 徐亚涛, 等. 双机联调抽汽-高背压联合供热㶲分析与优化[J]. 动力工程学报, 2020, 40(3): 247-255. LIANG Zhanwei, ZHANG Lei, XU Yatao, et al. Exergy analysis and optimization of steam extraction-high back pressure combined heating for dual cogeneration units combined dispatching[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2020, 40(3): 247-255.

文章名称：热电联产机组新型高效耦合供热技术研究

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