基于“热负荷三角区”法的热电联产能耗分析与优化＊

王 磊，赵加宁，丁立群，廖春晖

（1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

热电联产可以实现能源的梯级利用，按质用能，减少一次能源的消耗量，从而减少CO2的排放.所以近年来，为应对能源危机和环境恶化，很多国家都在鼓励和推广热电联产技术.欧盟以及联合国亚太经济社会委员会（ESCAP）都将热电联产视作污染物控制和提高能源效率的一项措施［1－2］.2002年，美国仅有9%为热电联产发电，预计到2020年，热电联产发电占总发电量的比例将达到29%［3］.自1998年起，中国已出台了一系列措施［4－5］，对集中供热热源进行大规模的热电联产改造，拆除小锅炉，推广大型热电联产机组.与热电分产相比，虽然联产的燃料利用效率有大幅提高，但常常为了供热而牺牲了一部分蒸汽的做功能力.现在普遍采用的抽汽供热方式，使发电量大为降低.如何减少热电联产高品位的能源损失，提高机组热能利用率是很多技术人员关注的难题.

由于热、电负荷的变化不同步，国内热电厂一般按“以热定电”的方式运行.并且由于热负荷变化范围大，高峰热负荷时间短，所以热电机组多在非满负荷状态下运行.为延长热电机组满负荷运行时间，国内热电厂的热化系数约在0.5～0.8之间，尖峰热负荷时汽轮机抽汽供热不足部分由新蒸汽减温减压供给，或电厂内装设调峰锅炉补充，这部分蒸汽不参与生产电能，损失了一部分高品位热能的做功能力.所以实际工程中的热电联产是联产和分产的结合.当热负荷较低时，热电联产的热效率甚至低于热电分产.热电厂的年运行时间和热负荷的大小是影响能耗的重要因素［6］.因此，为提高热电厂的热能利用率，应尽可能延长热电机组的满负荷运行时间，避免在低热负荷工况下运行.

本文在对热负荷延续时间图分析的基础上，指出了引起热电联产供热系统能耗较大的“调峰三角区”和“低效率三角区”；通过案例分析计算了B25＋C50热电联产在部分负荷运行时的能耗；指出了B25＋C50热电联产在不同地区的最优热负荷.

1 热电联产的耗能“三角区”

目前热电厂主要有背压式汽轮机和抽凝式汽轮机.背压机是将汽轮机的排汽用来供热的汽轮机，蒸汽的热量在理论上被完全利用.背压式汽轮机的运行方式是以热定电，发电量依据热负荷量而确定，机组不能单独运行，也不能独立调节来同时满足热用户和电用户的需要；热负荷变化适应性差，特别是热负荷偏离设计值较多时，汽轮机效率急剧下降，机组的发电功率会急剧下降，所以背压机适合承担稳定的热负荷.抽凝机具有较好地调节性能，可同时满足热电两种负荷的需要，当热负荷为零时，抽汽式汽轮机变为凝汽式汽轮机仍可满足发电额定功率.因此热电厂常将背压机和抽凝机配合使用，用背压机承担稳定负荷，用抽凝机承担变负荷.

热负荷Qh可以拟合成延续时间τ的函数：

全年供热量：

热电厂生产电能和热能的耗热量可按下式计算［7］：

联产供热耗热量Qtph：

联产供热标准煤耗率bstph：

联产发电耗热量Qtpe：

联产发电热效率ηtpe：

联产发电标准煤耗率bstpe：

式中：Qh为热负荷，GJ／h；ηb为燃煤锅炉效率；ηp为管道效率；Qtph为联产抽汽供热量，GJ；Qtp为热电厂总耗热量，GJ；Pel为发电功率，MW；Bstph为供热标准煤耗量，kg标准煤.Bstpe为发电标准煤耗量，GJ.

由式（1）～式（7）可知：联产供热标准煤耗量主要取决于锅炉效率，对现代大型锅炉，其值在40kg标准煤／GJ［7］左右.所以对于联产和分产，其供热能耗相差不大.而联产发电耗煤量随热负荷的减小而增大，在汽轮机承担满负荷时，发电煤耗可低于200 kg标准煤／kwh，但在汽轮机纯凝运行时，发电煤耗超过400kg标准煤／kwh，而目前我国主力600MW机组的发电煤耗约323g标准煤／kwh.这就说明在汽轮机随着热负荷调节过程中，在热负荷较低时，联产能耗是高于分产能耗的.这部分区域在热负荷延续时间图上形成一个三角形区域，所以减小“低效率三角区”面积是热电联产节能的有效措施.

图1中的“调峰三角区”属于分产供热区，目前常用调峰锅炉或减温减压器承担这部分热负荷.图1中τfn表示第n台汽轮机满负荷运行的时间，τcn为变热负荷运行时的能耗临界点，在τcn点处，汽轮机的发电煤耗等于主力机组发电煤耗，按600MW汽轮机发电煤耗计算，为323g标准煤／kWh.在τcn点左侧，联产发电煤耗低于分产煤耗；在τcn右侧，联产发电煤耗高于分产煤耗，也就是说，在τcn点右侧的“三角区”内，由于汽轮机所承担的热负荷较小，使热电联产的能耗大，燃料利用效率低，定义为“联产低效率三角区”.第n－1台机组的能耗临界点τcn－1在采暖期结束点τzh的右侧，所以第n－1台机组运行过程中始终是比分产节能的.

图1 热电联产能耗三角区Fig.1 “Triangle Area”of CHP

在这个“低效率三角区”内，汽轮机运行能耗是高于热电分产的.可采用调峰锅炉承担“低效率三角区”的热负荷，也可以通过优化热源集成方案从而减小三角区的面积.这两部分三角区具有较大的节能潜力，常用的燃煤调峰锅炉，由于其热效率与锅炉容量大小密切相关，所以适合建设少量大型调峰锅炉，但燃煤锅炉效率又受负荷影响很大，“三角区”内热负荷的陡降趋势会引起燃煤锅炉效率降低.

与燃煤锅炉相比，燃气锅炉供热不仅能有效地解决城市污染问题，还具有以下优点：燃气锅炉的供热负荷适应性强，调节灵活；燃气锅炉启动快，减少预备工作带来的各种消耗；燃气锅炉不需要煤及煤渣的堆放地，节省用地，同时可以减少运煤除渣的车辆流量，改善城市交通环境；燃气锅炉节约了燃煤锅炉的除尘设备，锅炉内没有结渣问题；燃气锅炉比燃煤锅炉辅助设备少，所需工作人员少，负担工资及福利费少；燃气锅炉燃料输送及其它辅助设备少，功率小，所以耗电量低［8－10］.

由于天然气是空间燃烧，锅炉效率主要与受热面大小、供热介质的温度和换热强化等因素有关.由于天然气锅炉不产生灰分，受热面布置不考虑灰堵和清灰问题，可以采用波纹管和旋流片等强化传热方式，所以燃气锅炉无论规模大小，其效率一般差别不大，热水锅炉一般都在90%左右［10］.因此，在供热系统的换热站内可以设置小型燃气锅炉，做为“三角区”内的热源.

2 “三角区”能耗分析方法

目前集中供热系统通常采用热电厂与调峰锅炉作为热源，称为方案一，其耗热量用Φ（1）total表示；本文提出的燃煤燃气联合供热方案，称为方案二，耗热量用Φ（2）total表示.燃煤燃气联合热源的节能率可以表示为：

其中方案一的总耗热量为：

两种方案的耗热量之差为：

式中：ΦLETAi为第i个低效率三角区的汽轮机耗热量，GJ；Φ（1）i为方案一中第i个汽轮机的供热发电总耗热量，GJ；ηsg为分产发电效率；Apeak为调峰三角区的供热量，GJ；Pi，τ为第i台机组在τ时刻的发电功率，MW；ELETAi为第i个低效率三角区的总发电量，GJ；ALETAi为第i个低效率三角区的供热量，即第i个三角区的面积，GJ；Qfj为第j台汽轮机的最大供热能力，GJ／h.

在热化系数为0.5～1区间内，燃煤燃气联合供热的节能率可采用遗传算法进行寻优，具体计算过程如图2所示.

图2 燃煤燃气联合热源供热节能潜力计算流程图Fig.2 Flow chart for calculation of energy saving rate

3 案例分析

在基本负荷比为0.5～1.0的范围内，以B25型背压机和C50型抽凝机为基本热源，同时采用燃气锅炉承担“调峰三角区”和“低效率三角区”内的热负荷，与传统的燃煤锅炉调峰相比，佳木斯地区可节能3.4%～4.4%，而石家庄地区可节能1.4%～5.8%，如图3所示.这是因为，低纬度的石家庄采暖期短，C50型汽轮机可以不在“低效率三角区”内运行，这样热电联产在整个采暖期内，其热效率始终高于分产效率；而长春以北的城市，由于采暖期时间较长，无论热源承担多大的热负荷，C50型汽轮机都不可避免地在“低效率三角区”内运行，使得这期间联产的热效率低于分产热效率，所以对于B25＋C50型汽轮机，长春以北的城市中，采用燃气调峰的节能率至少在3.4%以上，但由于高纬度地区“三角区”的总供热量占全年供热量的比例较小，所以长春以北的城市采用燃气调峰的最大节能率在4.5%以内.

由于“调峰三角区”和“低效率三角区”的存在，热电厂供热系统最节能的热源方案不是纯粹的热电联产，而是联产和分产的相结合.为增大联产的节能效益，应尽可能地减小“调峰三角区”和“低效率三角区”的面积.受采暖期时间的影响，C50型汽轮机在佳木斯市在最节能工况时仍存在完整的三角区，如图4所示，在低负荷运行时，C50型汽轮机的发电煤耗高达486g标煤／kWh；而C50型汽轮机在石家庄市的最节能工况时，如图5所示，其三角区面积已大幅减小，且在最低热负荷时，C50型汽轮机的发电煤耗约367g标煤／kWh.由此可知，“低效率三角区”对低纬度采暖地区的供热能耗影响更大.

图3 不同地区采用燃煤燃气联合供热的节能区间Fig.3 Scope of energy saving rate by using gas－boilers in“Triangle Area”in different cities

图4 B25＋C50型汽轮机在佳木斯市的节能最优热负荷曲线Fig.4 Optimal heat load duration curve of B25＋C50steam turbines in Jiamusi

分布式燃气调峰是一种节能效果显著的热源方案.其原因在于，采用小型燃气锅炉承担“低效率三角区”内的热负荷，保证了联产汽轮机在运行时间内发电煤耗高于分产煤耗；另外由于燃气锅炉本身效率高，没有不完全燃烧的问题，不受炉膛温度的影响，而且燃气锅炉效率与锅炉大小和负荷变化关系不大，可灵活地设置在多个热力站内调峰.与燃煤锅炉相比，在热负荷变化时燃气锅炉仍然可以保持很高的热效率.

图5 B25＋C50型汽轮机在石家庄市的节能最优热负荷曲线Fig.5 Optimal heat load duration curve of B25＋C50steam turbines in Shijiazhuang

4 结 论

在对热负荷延续时间图分析的基础上，指出了引起热电联产供热系统能耗较大的“调峰三角区”和“低效率三角区”.“调峰三角区”是分产供热区；“低效率三角区”是联产的高耗能区，在此区域内，汽轮机运行能耗是高于热电分产的.这两个三角区具有较大的节能潜力，采用分产供热比联产供热更为节能，并可通过分布式燃气调峰热源替代传统的集中式燃煤调峰热源，或通过优化热源集成方案从而减小三角区的面积.

对B25＋C50型汽轮机在不同纬度地区的9个城市能耗计算，结果表明：受采暖期时间长短的影响，低纬度地区的运行能耗受热负荷的影响较大，而高纬度地区的运行能耗受热负荷的影响较小.考虑我国的实际情况，在燃气资源丰富、燃气价格不高或城市环境要求较高的地区，采用燃煤热电联产同时配以燃气锅炉调峰的供热方式，可显著提高热能综合利用效率.应发挥不同类型能源的优势，合理匹配集中式热源与分布式热源，才能使变负荷条件下更为节能.

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