能量梯级利用在热电联产中的应用

戈志华,胡学伟,杨志平

(华北电力大学能源与动力工程学院,北京 102206)

1 能量品位的概念

能量的形式多种多样,能量不仅在数量上具有守恒性 ,而且在质量上具有品位性,在其转换与传递过程中,存在品位的差异。热能是能量转换与传递的主要形式之一。电能、机械能可全部转变为热能,而热能却只能部分转变为机械能或电能,即电能、机械能的品位比热能高。在热能转换成机械能过程中,高温高压热源比低温低压热源转换潜力大。说明温度高或压力高的热能品位高[1]。分析能源结构并根据能量品位不同合理分配能量,优化能源利用方式,可减少能量品位的降低,达到节约能源,提高能源效率的目的。

1988年,吴仲华教授从能量转化的基本定律出发,阐述热能的梯级利用与品位概念和基于能的梯级利用的总能系统。提出了著名的 “温度对口、梯级利用”原则,包括:通过热机把能源最有效地转化成机械能时,基于热源品位概念的“温度对口、梯级利用”原则;把热机发电和余热利用或供热联合时,大幅度提高能源利用率的“功热并供的梯级利用”原则;把高温下使用的热机与中低温下工作的热机有机联合时,“联合循环的梯级利用”原则等[2,3]。

总能系统概念的提出,促使热力循环研究思路发生质变,人们不再囿于单一循环的优劣,而更着重于把不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环,并且把能源利用提高到系统高度来认识热机的发展应用,即在系统的高度上综合考虑能量转换过程中能的梯级利用,不同品位和形式的能的合理安排以及各系统构成的优化匹配,总体合理利用不同品位能,以获得最好的整体效果[4]。总能的梯级利用是能源高效利用的基本原理,也是相关系统集成创新的核心。

2 热电联产的发展

2.1 集中供热是城市采暖的必然趋势

能源成本的上涨和环境保护要求的提高,是大力发展高效而可靠的热电联产系统和集中供热系统的重要因素,因为它们可以综合性地充分发挥设备技术能源利用自动控制环境保护和热介质传输等方面的现代化新技术的优势。我国北方城市季节性特征明显,采暖期较长,一般为四到六个月,因此该地区对采暖供热的需求也较大,利用大型区域性热电厂进行集中供热,能够节约能源、减少环境污染,具有较高的热经济性,它逐渐成为我国北方寒冷地区供热的主要方式,目前这一地区的建筑70%以上采用集中供热方式采暖,其中一半以上以热电厂为热源[5,6]。

随着国内热电联产事业的发展,国产超高压200 MW供热机组得到了较为普遍的应用,如秦皇岛热电厂一期工程采用了两台哈尔滨汽轮机厂生产的200 MW超高压抽汽凝汽式汽轮机,北京石景山热电厂二期工程则采用了东方汽轮机厂的产品。经过十几年的运行证明,该级别机组技术成熟、运行可靠。同时,上个世纪90年代以来,国内供热机组的应用也逐渐向大型化发展,上海汽轮机厂、东方汽轮机厂和哈尔滨汽轮机厂都相继开发了300 MW亚临界热电联产汽轮机,在热电厂已经有了成熟的运行经验。

2.2 国内现行300 MW供热机组存在问题

对于供热机组来讲,进入汽轮机的工作蒸汽可以分为两股,供热流和凝汽流。凝汽流进入汽轮机,经通流部分各级做功、发电后进入凝汽器,这股汽流仅用于发电;供热流经通流部分前几级做功、发电后被抽出,进入热网加热器对外供热,这股蒸汽既发电又供热。

热电联产节能的主要原则是在多供热的基础上多发电,若增大供热抽汽量,则进入低压缸的凝汽流量减少,据弗流格尔公式,低压缸排汽参数也会因凝汽流量减少而降低,可以回收一部分冷源损失。而抽汽参数的降低可以使供热流的做功能力增强,在同样供热能力的基础上多发电。因此供热机组的发展重点应着眼于挖掘机组最大供热抽汽能力及降低抽汽参数两方面。

目前哈汽、东汽、上汽的300 MW供热机组(高中压合缸)均为抽-凝供热机 (NC机),是在引进型300 MW火电机组基础上,改造设计的。最大供热抽汽的供热流量为500 t/h左右,此时为确保机组安全,进入低压缸的凝汽流流量(即最小冷却流量)为150 t/h左右。

采暖抽汽流量较大,在汽缸上打孔抽汽在技术上很难实现,所以一般供热抽汽口均布置在中低压缸连通管上,原300 MW火电机组中、低压分缸压力为0.8 MPa。改进设计成供热机后,将中、低压分缸压力为0.5 MPa,其供热抽汽压力允许范围为0.25～0.5 MPa。

采暖期内,热网侧供水温度一般在100～130℃范围内变化,按照参数匹配原则,所要求的抽汽压力应在0.14～0.4 MPa范围内,而现有供热机组的抽汽压力远远高于这一范围,这就造成了能量的品位浪费。

3 能量梯级利用在热电联产中的应用

3.1 300 MW抽凝机组实例分析

以杨柳青电厂两台带基本负荷300 MW抽凝机组为例,计算供热抽汽参数与热网水参数匹配条件下对热网水进行分级加热与现有机组运行方式下热经济性,进行分析比较。原始数据见表1。

表1 杨柳青电厂热网加热器基本数据Tab.1 Basic date of heater for heating network in yang liuqing thermal power station

从表1中数据可知,带基本负荷情况下热网侧供水温度为116℃,给水端差为20℃,由此可知对应的抽汽压力下的饱和温度为136℃,忽略抽汽压损,这一饱和温度对应的抽汽压力为0.32 MPa,而实际运行的供暖抽汽压力为0.38 MPa。因为是对同等容量的机组进行热经济性比较,其供热能力一致。因此主要比较能量梯级利用与原始运行方式两种方案下的发电量损失。主要计算数据见表2。

表2 两种方案热经济性比较Tab.2 Thermal economy comparison of two projects

经计算,采取温度对口两级加热的抽汽方案,相较于一级加热,供热流的做功能力损失减少3 738 GJ/h,发电量减少10 704 kW◦h。供暖期4个月,上网电价按0.4元/kW◦h计,则折合成经济效益为1 230万元,即采取温度对口,分级加热布置供热抽汽口,单机供暖期多发电可带来经济效益1 230万元。

3.2 结果分析

现行300 MW NC机组供热抽汽压力范围为0.25～0.5 MPa,由表中数据分析可知,采取合理的抽汽参数分级进行采暖供热,其经济性相当显著。通过计算可得出以下结论:

(1)当机组承担的热负荷较小时,其优越性体现的较为明显,这是因为当热网水侧对供水要求较低时,抽汽压力要求更低,使供热流做工能力提高,从而避免高品位热能的浪费,因此,在参数匹配的原则下,对热网水进行分级加热,经济效益将会远远高于现行供热机组。

(2)通过计算数据可以发现,如果满足参数匹配原则进行供热抽汽,抽汽压力一般较低,而供热抽汽需要的蒸汽量很大,这样如果采取在低压缸打孔抽汽,技术上较难实现。供热抽汽的位置一般位于中低压连通管,因此,技术重点应着眼于降低中低压分缸压力。

(3)供热机组的选型,要根据所在地区的实际热负荷需求,尽可能使供热机的供热能力发挥到最大,并且在此基础上满足多发电。因此,分级加热可以在不同机组上实现,在实际热电厂中,一般都是几台机同时投运,可以通过机组串联实现热网水的逐级加热,实现能量的梯级利用。

4 结 论

本文通过计算能量梯级利用原理应用于300 MW抽凝机组的经济效益,可以得出以下结论:

(1)我国现行供热机组一般都是在原凝汽式机组基础上进行技术改造实现的,没有专门针对热电联产设计生产的产品,因此机组在运行时不可避免地存在着安全隐患及经济效益上的弊端。

(2)能量梯级利用原理从能量品位合理匹配的角度出发,有效降低得了不可逆过程的能量贬值。

(3)冷源损失的利用一直是热电联产事业亟待解决的问题,能量梯级利用原理应用于供热机组,本着温度对口,减小换热温差的原则,合理利用了供热抽汽,使机组在供热能力不变的前提下多发电,在环保和经济上的意义都是巨大的。

[1]李红华.提高对多种品位能量利用的认识,促进能量高效利用[J].节能,2007,(1):14-16.

[2]林汝谋,金红光,蔡睿贤.燃气轮机总能系统及其能的梯级利用原理[J].燃气轮机技术,2008,28(1):1-12.

[3]金红光,张国强,高林,等.总能系统理论研究进展与展望[J].机械工程学报,2009,45(3):39-48.

[4]纪军,刘涛,金红光.热力循环及总能系统学科发展战略思考[J].中国科学基金,2007,(6):327-332.

[5]胡玉清,马先才.我国热电联产领域现状及发展方向[J].黑龙江电力,2008,30(1):79-80.

[6]吕红缨,朱宁.300MW供热机组选型问题的探讨[J].重庆电力高等专科学校学报,2006,11(2):8-10.