热电联产机组节能发电组合研究

王永庆，张宏，苏耕，强文，黄伟钢，郭新伟

（1.陕西电力科学研究院，陕西西安 710054；2.陕西省电力公司，陕西西安 710048）

热电联产具有改善人民生活水平、合理利用和节约一次能源、减少污染物排放等优点[1]。国家先后发布《关于发展热电联产的规定》、《节能发电调度办法（试行）》等多项政策，旨在提高能源综合利用水平，推动电力工业节能减排工作[2]。

近年来，我国热电联产发展迅速，单机容量和在火力发电装机中比重大幅度提高。300 MW、600 MW等级抽汽凝汽机组逐渐成为主要热电联产机组，对发电计划、发电调度影响很大。

热电厂建设热网、发展用户工作滞后，供热负荷普遍偏低，多数机组达不到《关于发展热电联产的规定》的热电比等经济性指标。部分小火电机组以热电联产的名义继续发电，有悖于国家发展热电联产的精神。

国家政策要求按照“以热定电”的原则安排热电联产机组发电功率。“以热定电”是背压式汽轮机的热力特性，对于目前主流的抽汽凝汽式汽轮机，“以热定电”理解差异很大，导致发电企业、电网企业一直存在争议，严重影响国家政策的有效落实。

1 政策分析

1.1 国家相关政策

国家计委、国家经贸委、国家环保总局、建设部联合发布的《关于发展热电联产的规定》（急计基础[2000]1268号）规定，“供热式汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联产，应符合下列指标：1）总热效率年平均大于45%。2）热电联产的热电比：①单机容量在50 MW以下的热电机组，其热电比年平均应大于100%；②单机容量在50 MW至200 MW以下的热电机组，其热电比年平均应大于50%；③单机容量200 MW及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于50%。”

国家发展改革委、国家环境保护总局、国家电力监管委员会、国家能源领导小组办公室联合制定的《节能发电调度办法（试行）》（国办发[2007]53号）规定“燃煤热电联产发电机组按照‘以热定电’的原则安排发电负荷。超过供热所需的发电负荷部分，按冷凝式机组安排。”

此外，《节能发电调度办法实施细则（试行）》（发改能源[2007]3523号）、《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》（发改能源[2007]141号）以及《关于加快关停小火电机组若干意见》（国发[2007]2号）等文件和《节能发电调度办法（试行）》规定相类似，均提出按照“以热定电”的原则管理热电联产机组。

1.2 政策分析

《关于发展热电联产的规定》发布较早，主要从热电联产项目规划、审批、定价等方面提出指导意见。技术层面对热电联产机组热能利用水平评价的核心指标是热电比。热电比指热电联产机组同时供热量和发电量的比值。热电比评价指标的优点在于这一指标容易测量、计算，能粗略反映热电联产机组热能利用水平。热电比指标是按照当时全国燃煤发电机组的平均发电煤耗为基准，测算热电联产机组节能的大致热电比。显然《关于发展热电联产的规定》中相关指标在目前全国燃煤发电机组发电煤耗水平下已经不能适用；热电联产机组节能量除了与供热量有关外，还与汽轮机蒸汽参数以及供热抽汽的参数有很大的关系，热电比仅仅体现了供热量，因此在指导发电组合方案制定时在科学性和公正性方面存在技术缺陷；《关于发展热电联产的规定》指导发电组合方案制定时，对于实际热电联产机组热电比大于规定值的没有进一步鼓励措施，对于实际热电联产机组热电比小于规定值的，无法通过电量计划手段限制（热电联产机组发电功率和供热负荷存在制约关系）。以热电比为核心评价指标的热电联产机组节能发电组合存在上述问题，因此，从2007年以后发布的热电联产相关的国家政策中不再提及热电比的相关规定[3]。

《节能发电调度办法（试行）》以节能发电组合位序为核心，《节能发电调度办法（试行）》以及同期发布的热电联产相关国家政策提出，通过“以热定电”进行热电联产机组节能评价、运行考核。“以热定电”从字面上很好地提现了热电联产机组发电组合方案的科学性和公正性。“以热定电”是背压式汽轮机供热方式的概念，指背压式汽轮机在某一供热参数下，供热负荷决定了发电功率。对于目前主流的抽汽式汽轮机供热方式，“以热定电”从技术角度没有定义，各省区对抽汽式汽轮机“以热定电”认识存在很大的差异，给热电联产机组节能发电组合工作的开展造成技术障碍。深入分析热电联产机组的节能理论和热力特性，给予“以热定电”有效的理论支持是开展热电联产节能发电组合的前提和关键。

2 热电联产机组节能原理

2.1 背压式汽轮机节能原理

背压式汽轮机简化热力系统如图1所示，背压式汽轮机热能利用原理如图2所示。主蒸汽进入汽轮机做功，除少量用于回热系统外，其他蒸汽做功后全部用于供热。进入系统的热能全部被用于发电和供热，是理想的热电联产方式。

图1 背压式汽轮机简化热力系统Fig.1 Simplified thermodynamic system diagram of the backpressure turbine

图2 背压式汽轮机热能利用原理Fig.2 Thermal energy utilization principle of the backpressure turbine

2.2 抽汽式汽轮机节能原理

本文以一次抽汽式汽轮机为例，一次抽汽式汽轮机简化热力系统如图3所示，一次抽汽式汽轮机热能利用原理如图4所示。能量转化过程（不考虑回热）：部分蒸汽进入汽轮机做功后通过抽汽对外供热，类似于背压式汽轮机，发电称热化发电；其他蒸汽在汽轮机中做功后排入凝汽器，类似于凝汽式汽轮机，发电称凝汽发电。抽汽式汽轮机的热化发电和热化供热部分蒸汽的热能被全部利用，热化发电是一次抽汽式汽轮机的节能发电部分；凝汽发电部分与凝汽式汽轮机发电相比没有节能效果（实际节能效果低于凝汽式）[4-6]。

图3 一次抽汽式汽轮机简化热力系统Fig.3 Simplified thermodynamic system diagram of the single extraction turbine

图4 一次抽汽式汽轮机热能利用原理Fig.4 Thermal energy utilization principle of the single extraction turbine

对于热化发电部分蒸汽当供热参数降低时更多的热能转换为高品位能量（电能），从而减少凝汽发电的热能损失。可见，热电比不能全面反映抽汽式汽轮机节能效果，热化发电是理想的节能评价指标。

热化发电是抽汽式汽轮机的节能发电，其节能原理和背压式汽轮机一致，具有“以热（热化供热）定电（热化发电）”的特征。因此，对于抽汽式汽轮机的节能运行方式下热化发电为其“以热定电”部分，凝汽发电为其非“以热定电”部分。

3 热电联产机组的热力特性

3.1 热电联产机组工况图

热电联产机组工况图通过曲线表示热电联产机组的主蒸汽流量、发电功率、供热流量、凝汽流量等之间的关系。利用热电联产机组工况图可以直观、简便地确定热电联产机组的安全工作范围[7-8]。

3.2 背压式汽轮机热力特性

背压式汽轮机工况图见图5。在确定的供热压力下，主蒸汽流量和发电功率为一条确定的曲线，即所谓的“以热定电”。背压式汽轮机供热-发电关系确定，不能参与调峰运行。

图5 背压式汽轮机工况图Fig.5 Working condition chart of the backpressure turbine

3.3 抽汽式汽轮机热力特性

本文以一次抽汽式汽轮机为例，一次抽汽式汽轮机工况图如图6所示。最大高压缸通流/锅炉蒸发量工况线、最大功率工况线、最小凝汽流工况线、纯凝汽工况线、最大低压缸通流工况线确定了一次抽汽式汽轮机安全工作范围[9-11]。

供热抽汽量确定的情况下，一次抽汽式汽轮机蒸汽流量和发电功率的关系由等抽汽量工况线表示，即安全运行工况下的“以热定电”。一次抽汽式汽轮机工况图是在给定供热压力下绘制的，实际运行工况下，需要根据供热压力修正发电功率。

图6 一次抽汽式汽轮机工况图Fig.6 Working condition chart of single extraction turbine

4 热电联产机组节能发电组合方案

4.1 基本思想

发电长期组合——年度组合，发电中期组合——月度组合，发电短期组合——日组合。

背压式汽轮机的发电功率完全取决于供热负荷，而且全部发电符合节能要求，按照实际的供热负荷曲线计算发电功率曲线。抽汽式汽轮机的发电功率受到供热负荷的限制，最佳节能运行方式（热化发电+最小凝汽流发电）与汽轮机安全运行方式（工况图确定）不一致。热电联产节能发电组合方案，中、长期组合以节能为目标确定，短期组合以安全为目标确定。对“以热定电”发电量进行鼓励，对日组合累计发电量超出中长期组合发电量的进行限制，保证发电机组安全前提下鼓励增加热化发电量。

4.2 热电联产年度、月度发电组合方案（发电计划）

热电厂预测各类供热负荷和供热参数，将年度、月度供热负荷预测信息发布，作为制订热电联产机组发电量计划的依据。

发电计划部门根据热电联产机组所承担的热化供热量及供热参数确定热电联产机组的热化发电量。

抽汽式汽轮机的凝汽发电部分参与凝汽式汽轮机的发电组合。为保证抽汽式汽轮机的安全，优先保证其最小凝汽发电量。

热电联产机组中长期组合发电量=热化发电量+凝汽发电部分发电组合发电量。

4.3 热电联产日发电组合方案（发电调度）

热电厂确定次日的各类供热负荷和供热参数，在当日9:00前向电力调度部门发布，电力调度部门在16:00前向热电厂发布次日的发电功率曲线。

最低发电功率：在给定供热负荷、抽汽参数下可长期安全可靠运行的最低发电功率，与抽汽流量、抽汽参数、汽轮机低压缸最小通流量及锅炉的最低稳燃工况等有关；最高发电功率：在给定供热负荷、抽汽参数下可长期安全可靠运行的最高发电功率，与抽汽流量、抽汽参数、锅炉最大蒸发量及汽轮机高压缸的最大通流量等有关。

最低发电功率和最高发电功率经抽汽压力修正后确定发电功率和调峰运行范围。

4.4 热电联产发电量分解方案（发电考核）

年度、月度按照实际供热量和供热参数计算热电联产机组的热化发电量，同时根据热化发电量给予一定比例的奖励发电量，非“以热定电”部分在凝汽发电机组中的中长期组合发电量为计划内凝汽发电量，年度实际发电量扣除热化发电量、奖励发电量和计划内凝汽发电量为计划外发电量。热电联产机组发电量被人为分解为热化发电量、奖励发电量、计划内凝汽发电量、计划外发电量4种发电成分，计划、调度部门对不同的发电成分进行不同的考核，例如差别电价等，鼓励热电联产机组的节能发电量，限制其非节能超发电量。

5 结语

热电联产具有改善人民生活水平，合理利用和节约一次能源，减少污染物排放等优点。发展和规范热电联产对落实国家节能和环保政策，促进电力企业结构调整具有重要意义。

开展热电联产节能发电组合目的在于引导和鼓励发电企业发展热用户，扩大热力管网建设，开展热能利用水平技术改造，加快关停和限制小火电机组、城市供暖锅炉、工矿企业热电分产项目，实现节能减排的目标。

本文阐述的热电联产机组节能发电组合是在兼顾节能运行方式、安全运行方式的前提下，按照“以热定电”的原则制定热电联产机组的年度、月度、日发电组合发电量，实现电量计划部门、发电调度部门对热电厂科学、公平、有效的管理。

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