熱電聯產機組供熱抽汽余壓利用節能機理

王立功，許繼東，徐 鋼，陳 衡

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熱電聯產機組供熱抽汽余壓利用節能機理

王立功1，許繼東2，徐 鋼2，陳 衡2

（1.神華神東電力有限責任公司新疆米東熱電廠，新疆 烏魯木齊 830019；2.華北電力大學國家火力發電工程技術研究中心，北京 102206）

隨環境溫度上升和建筑能效的提高，一次網供水溫度從120~140 ℃降低到80~100 ℃，而常規熱電聯產機組的供熱抽汽壓力一般為0.3~0.5 MPa，遠高于熱網加熱器所需飽和蒸汽壓力（0.07~0.14 MPa），換熱過程存在較大?損，導致機組整體能效偏低。本文針對一種余壓利用熱網水加熱系統，即供熱抽汽先經過余壓利用透平做功發電，再進入熱網加熱器加熱熱網水，以某300 MW熱電聯產機組為研究對象，對余壓利用熱網水加熱系統進行熱力學分析。結果表明：在基準供熱工況下，與常規熱網水加熱系統相比，余壓利用熱網水加熱系統的?效率增加了16.9百分點，促使機組的供電標準煤耗率降低19.12 g/(kW·h)，熱電聯產熱效率提高了2.42百分點，節能效益顯著。

熱電聯產；節能機理；梯級利用；抽汽余壓；敏感性分析；供熱

熱電聯產先利用高品質蒸汽做功發電，之后將部分較低品質的蒸汽用于供熱，實現能量的梯級利用。在我國，典型燃煤機組的效率約為40%，而熱電聯產機組的總效率可高達60%~80%[1]。熱電聯產機組不僅能為建筑采暖提供熱網水加熱用汽，也可為石油、化工、輕紡、橡膠、冶金等行業提供工業用汽。由于熱電聯產具有能源利用率高、綜合污染物排放少等優點[2]，在國內外得到了廣泛應用[3-5]。截至2016年年底，我國熱電聯產機組的裝機容量已超過3億kW，約占火電總容量的30％[6]；2017年，我國新核準燃煤機組熱電聯產容量近2 000萬kW，同時各地還有大批有條件的純凝機組正在進行熱電聯產改造。熱電聯產機組的節能效果對于我國節能減排戰略意義重大。

雖然熱電聯產本身就是一種重要的節能技術，但是熱電聯產機組中存在余壓余熱利用不充分等問題，有待進行進一步節能優化。挖掘熱電聯產機組節能潛力，提高其能源利用效率，也是我國節能減排的重要發展方向之一[7-8]。常規熱電聯產機組的供熱方式為抽汽加熱一次網水[9]，即從汽輪機中、低壓缸連通管抽取蒸汽加熱熱網循環水，供熱抽汽壓力為0.3~0.5 MPa，飽和溫度為134~152 ℃。我國一次網供水設計溫度一般為120~130 ℃[10]。根據工程應用經驗，熱網加熱器上端差通常保持在10 ℃左右[11]。隨著氣候變暖和建筑節能技術的推廣，我國大部分地區一次網供水實際溫度僅為80~ 100 ℃[12-13]，則熱網加熱器所需蒸汽的飽和壓力為0.07~0.14 MPa，與供熱抽汽的壓力不匹配，在加熱過程中存在較大換熱?損，造成抽汽能量利用不充分，熱電聯產機組熱效率也隨之偏低。

針對供熱抽汽壓力過高導致換熱?損偏大的問題，許多學者進行了相關研究。戈志華等[14]提出增加背壓機，將較高壓力的抽汽先做功發電后再進行供熱的改造模式，并進行了理論計算和綜合經濟效益分析，其側重于對單機型和雙機型進行改造方案后的經濟性分析。張穎等[15]則提出了具體的應用方案，利用增設小汽輪機發電補償廠用電或者驅動熱網循環水泵，并對各個方案進行了經濟性比較。趙世飛等[16]提出了提出一種新型的增設無再熱汽輪機的熱電聯產系統，蒸汽在高壓缸做功后，部分蒸汽不進入鍋爐再熱器，直接進入增設的汽輪機膨脹做功，達到設計的供熱抽汽參數時排出進入熱網加熱器。供熱抽汽余壓利用的節能效果顯著，在工程應用方面已有電廠進行了相關改造，證明了該技術的可實施性。2016年，秦皇島秦熱發電有限責任公司6號機組供熱汽輪機示范投產，全廠年平均廠用電率降低2.1百分點；2017年，河北建投宣化熱電有限責任公司和衡水恒興發電有限責任公司余壓改造項目相繼投產，全廠年平均廠用電率分別降低0.71百分點和0.56百分點。

目前，熱電聯產供熱抽汽余壓利用的研究及改造大都側重于改造方案的提出和熱經濟性的分析，而其節能機理有待進一步探索。為此，本文以中國西北地區某亞臨界300 MW熱電聯產機組為案例，基于熱力學第一定律和熱力學第二定律，詳細分析供熱抽汽余壓利用改造的熱電聯產機組與常規熱電聯產機組的熱力學性能及節能效益，探究熱電聯產機組供熱抽汽余壓利用技術節能機理。

1 案例機組介紹

案例機組系統示意如圖1所示。案例機組的汽輪機為一次中間再熱、雙缸雙排汽、直接空冷式，回熱系統包括3個高壓加熱器、3個低壓加熱器和1個除氧器。該機組采用常規抽汽加熱系統，供熱抽汽從中、低壓連通管抽出后，直接進入熱網加熱器加熱一次網循環水。另外，在中、低壓缸連通管上設有調節閥（LV閥），將中壓缸排汽壓力保持在0.4 MPa以上，以保證中壓缸末級葉片的安全性。

圖1 案例機組系統示意

該機組一次網供、回水設計溫度分別為130 ℃和70 ℃。由于氣候變暖和節能建筑的應用，近年來供、回水溫度有所下降。根據該機組近5年的實際供熱運行數據，本文選取最典型的88 ℃和50 ℃作為基準工況的供、回水溫度。

根據實際工程經驗，熱網加熱器的上端差通常為10 ℃左右，以確保熱網加熱器的經濟運行[16]。案例機組為了保證中壓缸末級葉片安全性，中壓缸排汽壓力應維持在0.4 MPa及以上，且在供熱給水溫度較低時熱網加熱器內部只能維持微負壓，為0.088 MPa。由此，實際情況中，不同供水溫度下供熱抽汽壓力與熱網加熱器所需蒸汽壓力的壓力差與供水溫度的關系曲線如圖2所示。由圖2可以看出，在供水溫度低于86 ℃時，壓力差達到最大，為0.312 MPa?？梢?，常規抽汽熱網水加熱系統仍存在著較大的節能優化空間。

圖2 供熱抽汽壓力差與供水溫度的關系曲線

2 余壓利用加熱系統

為充分利用供熱抽汽過剩壓力，減小換熱過程?損，提高熱電聯產機組效率，本文針對案例機組，在供熱抽汽管道中增設余壓透平。應用新型熱網水加熱系統的熱電聯產機組示意如圖3所示。

圖3 應用新型熱網水加熱系統的熱電聯產機組示意

抽取的加熱蒸汽（壓力為0.4 MPa以上）首先進入余壓利用透平膨脹做功，推動小發電機發電，膨脹后蒸汽壓力降低至約0.1 MPa或更低，然后蒸汽再進入熱網加熱器將熱網水加熱至所需溫度。新型熱網水加熱系統基于余壓利用發電系統回收供熱蒸汽余壓并轉化為電能，所發的電可直接接入廠用電系統。

3 模擬結果與討論

利用Ebsilon軟件搭建熱力系統模型。其中鍋爐選擇Steam_generator元件，汽輪機選擇Turbine元件，凝汽器選擇Condenser元件等進行連接。利用模型對案例機組各個平衡圖設計工況進行模擬，模擬驗證結果見表1。由表1可見，計算相對誤差在0.54%以內，證明所搭模型計算準確性較好。

表1 軟件模擬計算驗證

Tab.1 Verification of the software simulation

3.1 整體性能分析

以案例機組為研究對象，分別對常規熱電聯產機組和應用新型熱網水加熱系統的熱電聯產機組進行模擬計算和性能評估，結果見表2。

表2 常規熱電聯產機組與應用新型熱網水加熱系統的熱電聯產機組的熱力性能參數

Tab.2 Overall performances of the regular and proposed CHP units

在基準供熱工況的計算中，一次網供、回水溫度為88 ℃和50 ℃，余壓利用透平相對內效率設為75.0%，余壓利用發電機效率取為92.0%。由表2可見，由于增設了余壓發電裝置，熱電聯產機組的供電熱效率從49.86%上升到54.05%，供電標準煤耗率下降了19.12 g/(kW·h)，熱電聯產熱效率提高了2.42百分點。

圖4為常規熱電聯產機組與應用新型熱網水加熱系統的熱電聯產機組各級抽汽流量的對比情況。由圖4可知，在余壓利用系統應用之后，供熱抽汽在余壓利用透平膨脹做功后參數下降，于是在相同供熱負荷下，供熱抽汽流量增加了32.2 t/h，進而 導致低壓缸進汽流量下降，致使主發電機功率減小了5.9 MW，但是余壓利用系統增加發電出力22.7 MW，將余壓利用系統發電量補償廠用電后，熱電聯產機組的總供電功率提高了17.4 MW，故新型熱網水加熱系統具有明顯的節能效果。

圖4 應用新型熱網水加熱系統引起的各級抽汽流量變化

3.2 節能機理

為了進一步揭示新型余壓利用熱網水加熱系統的節能機理，基于熱力學第一定律、第二定律，繪制的常規熱網水加熱系統與新型余壓利用熱網水加熱系統在供熱抽汽加熱過程中的能流圖和?流圖如圖5、圖6所示。

圖5表明，由于余壓利用發電裝置的損耗，新型加熱系統中有效利用熱量的比例從92.3%下降至91.7%（發電：6.9%；供熱：84.8%），加熱過程的能量利用率減小了0.6百分點。

雖然加熱過程的能量利用率降低，但是從圖6可以看出，新型加熱系統中余壓利用裝置將抽汽余壓轉為22.7 MW電能并輸出，并且隨著蒸汽壓力的降低，加熱過程的?損失比例從38.1%下降至21.6%，使加熱過程的?效率從61.04%升高至77.94%，提高了16.9百分點。

圖7為熱網水加熱過程的圖像?示意。在新型加熱系統中，由于供熱抽汽在余壓利用透平中膨脹做功后參數下降，蒸汽的壓力從0.4 MPa下降至0.09 MPa，相應的飽和溫度從144 ℃降低至98 ℃，蒸汽的卡諾因子減小了0.08，使換熱過程的?損明顯降低，與常規加熱系統相比，余壓利用加熱系統的換熱?損降低了21.9 MW。因此，余壓利用加熱系統中抽汽的能量利用更加合理，可明顯提高加熱過程的?效率。

圖7 常規加熱系統與新型加熱系統的加熱過程圖像?分析

Fig.7 Graphical exergy analysis of the heating processes in regular and improved systems

因此，由于增設余壓發電裝置，可以回收利用抽汽的過剩壓力，實現能量的梯級利用，提高加熱過程的?效率，進而使熱電聯機組的供電熱效率升高4.19百分點，供電標準煤耗率下降19.12 g/(kW·h)，熱電聯產熱效率提高2.42百分點。

3.3 敏感性分析

在熱電聯產機組實際運行中，對外供電負荷、供熱負荷、中壓缸排汽壓力處于變動中，機組的熱力性能也隨之發生改變。由于案例機組增設了LV閥控制中壓缸排汽壓力，在分析的工況中，其中壓缸排汽壓力都保持在0.4 MPa，機組余壓利用范圍穩定。因此，本文針對供電負荷、供熱負荷2項參數對優化前后熱電聯產機組性能的影響進行分析。

圖8為定供熱功率為280 MW時，常規熱電聯產機組和余壓利用熱電聯產機組隨機組供電負荷變化的熱力性能特性。由圖8可以看出，隨著機組供電負荷的增加，2種熱電聯產機組供電標準煤耗率均上升，但供電標準煤耗率差值隨機組對外供電負荷的增加而減少，這說明隨著機組供電負荷增大，余壓利用系統的節能優勢變小。

圖8 機組供電負荷對常規熱電聯產機組與余壓利用熱電聯產機組供電標準煤耗率的影響

圖9為定供電負荷230 MW時，常規機組和余壓利用機組供電標準煤耗率隨供熱負荷的變化。

圖9 供熱負荷對常規熱電聯產機組和余壓利用熱電聯產機組供電標準煤耗率的影響

由圖9可以看出：當供熱負荷增加時，2種機組的供電標準煤耗率均呈下降趨勢；與此同時，余壓利用系統的節能效果隨供熱負荷的升高變得更加顯著；當供熱負荷從150 MW增大至300 MW時，2種機組的供電標準煤耗率差值從11.82 g/(kW·h)增加至23.15 g/(kW·h)。

4 結 論

本文針對常規熱網水加熱系統在供熱抽汽加熱過程存在?損過大、抽汽能量利用不充分的問題，提出基于余壓利用的熱網水加熱系統，并以某300 MW熱電聯產機組為研究對象，對加熱系統的熱力學性能及節能機理進行分析，得到如下結論。

1）在基準供熱工況下，由于余壓利用系統的應用，熱電聯產機組的供電功率提高17.4 MW，供電標準煤耗率下降19.12 g/(kW·h)，供電熱效率升高4.19百分點，熱電聯產熱效率上升2.42百分點。

2）與常規熱網水加熱系統相比，余壓利用熱網水加熱系統的能量利用率下降了0.6百分點，但余壓利用系統將抽汽的過剩壓力轉化為電能，使蒸汽的能量利用更加合理，因此加熱過程的?效率提高了16.9百分點。

3）隨著機組供電負荷降低、供熱負荷的升高，余壓利用系統的節能作用增大，可帶來更大的節能收益。

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Energy saving mechanism of waste pressure utilization of extraction steam for heating in combined heat and power cogeneration units

WANG Ligong1, XU Jidong2, XU Gang2, CHEN Heng2

(1. Shenhua Shendong Power Co., Ltd., Xinjiang Midong Thermal Power Plant, Urumqi 830019, China;2. National Thermal Power Engineering and Technology Research Center, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

With the increase of ambient temperature and the improvement of building energy efficiency, the supply-water temperature of the first-class heating network has decreased from 120~140 ℃ to 80~100 ℃, while the pressure of the extracted heating steam from the intermediate-pressure cylinder is generally 0.3~0.5 MPa in a conventional combined heat and power (CHP) unit, which is much higher than the needed steam pressure (0.07~0.14 MPa) of the supply-water heater. On account of superfluous steam pressure, a large exergy loss occurs in the heating process, resulting in a low energy efficiency of the unit. A heating system with waste pressure utilization (WPU) was introduced in this paper. The extraction steam firstly flows into the WPU turbine and drives the WPU generator to produce electricity, and then enters the supply-water heater to heat the supply-water. On the basis of a typical 300 MW CHP unit, the thermal performance of the new heating configuration was analyzed and assessed. The results show that, compared with the conventional heating system, the exergy efficiency of the improved heating system increased by 16.9 percentage points, which reduced the unit’s standard coal consumption rate by 19.12 g/(kW·h), and raised the overall efficiency of the unit by 2.42 percentage points. The energy-saving benefits are significant.

cogeneration, energy saving mechanism, cascade utilization, extraction residual pressure, sensitivity analysis, heat supply

TM621

A

10.19666/j.rlfd.201810217

王立功, 許繼東, 徐鋼, 等. 熱電聯產機組供熱抽汽余壓利用節能機理[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 8-13. WANG Ligong, XU Jidong, XU Gang, et al. Energy saving mechanism of waste pressure utilization of extraction steam for heating in combined heat and power cogeneration units[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 8-13.

2018-10-15

國家自然科學基金項目(51476053)

National Natural Science Foundation of China (51476053)

王立功(1967—)，男，高級工程師，主要從事火電廠管理、運行與節能優化等工作。

徐鋼(1978—)，男，博士，教授，xgncepu@163.com。

（責任編輯 劉永強）