直接空冷机组供热方案比选

郝相俊，耿卫众

（1.中国能源建设集团山西省电力勘测设计院有限公司， 山西 太原 030001；2.古交西山发电有限公司， 山西 古交 030206）

0 引言

随着城市化进程的不断推进及低效分散燃煤锅炉的拆除，城镇的热负荷缺口不断增加，需要大幅度地增加热源的供热能力。在我国北方干旱少雨的采暖供热区域，热源供热方式中热电联产机组供热应用广泛且较为经济[1]，采暖供热主要以空冷机组为主。 结合我国北方地区的供热方式，对直接空冷机组供热方案适用条件进行比较分析，以期为同类型机组供热改造方案的选择提供参考。

1 空冷机组的特点

空冷机组与湿冷机组相比显著的特点是全厂耗水量低[2]，机组排汽背压高。湿冷机组的设计背压通常为3～5 kPa， 空冷机组的设计背压通常为11～15 kPa，夏季运行甚至能高达35 kPa。 空冷机组的这部分乏汽余热对电厂来说是不可利用的废热，需要排掉， 而对于采暖供热系统是可利用的低温热源[3]，应科学地利用这部分热量。

2 供热参数

2.1 供热热媒

在采暖供热中， 常用的供热热媒是水和蒸汽。在这两种介质中，水具有输送距离长、热能利用率高的特点，蒸汽具有适用面广泛、输送距离短的特点。在热电联产机组中，机组供热能力大，供热区域大，供热距离长，故采暖供热通常采用水作为供热介质。

2.2 供热方式

集中供热系统由热源、热网和热用户3 部分组成。 根据热用户与热网连接方式的不同，分为直接连接和间接连接。直接连接是热用户直接连接于热网上，这种连接方式通常用于供热范围较小、供热高差变化较小的系统。间接连接方式是在热网与热用户之间设置水水换热器，用户系统与主管网系统形成两个独立的系统，用户与热网之间的水力工况互不影响。自热源厂至水水换热器之间的主管网通常称为供热一次网。 在热电联产机组中，由于供热区域大，热用户高差变化较大，为了保证整个热网的安全，通常采用间接供热的方式。 本文介绍的供热方式为间接供热方式，供回水参数为一次网供回水参数。

2.3 热网循环水参数

在较早的供热设计中， 一次网的设计供回水温度取得较高，通常为130/70 ℃。 目前，大部分热电厂的实际最高供回水温度都低于早前的设计供回水温度， 通常为110/50 ℃。 随着供热技术的发展， 为了提高供热管网输送能力及提高余热利用率，一些地区采用了大温差供热技术，比如设计供回水温度为130/30 ℃。回水温度越低，对回收机组的余热越有利，为了普适性，本文取设计供回水温度为110/50 ℃。

2.4 热网调节方式

本文介绍的热网调节方式是指一次网的调节方式。 目前常见的一次网调节方式主要有以下几种[4]：一是量调节，改变网路的循环水量（一般很少单独使用）；二是质调节，改变网路的供回水温度；三是分阶段改变流量的质调节；四是间歇调节，改变每天供暖小时数；五是质量—流量调节，即同时改变网路供水温度和流量。在一般的实际工程中，应用较多的为质调节和分阶段改变流量的质调节。 本文的计算以质调节为基准。

2.5 供热特性

本文以太原市的供热参数为例，介绍热网循环水的供回水变化曲线以及各供回水温度下的供热占比。 取设计供回水温度为110/50 ℃。

在太原市的供热过程中，热网循环水的供回水温度随着环境温度的降低，供、回水温度都逐渐升高，供回水温差变大；低温度的供水在整个采暖期间的占比较高，随着供水温度的升高，占比逐渐降低。 在空冷发电机组中，机组的实际运行排气背压（绝对压力）在11～15 kPa 之间，排汽温度约为48～54 ℃，以排汽温度为52 ℃为例，能把热网循环水加热至约50 ℃， 仅利用机组的乏汽余热的供热量就占到总供热量约16.6%。 这部分热量完全利用机组的余热，未增加机组的能耗。因此，在空冷机组供热中，这部分余热应该首先被利用。 若外网采用大温差供热技术，这部分余热利用量会更高，更应该利用这部分余热。采暖季随着环境温度的变化不同供水温度的占比如图1 所示。 由图1 可知，随着环境温度的降低，低温供水占比逐渐降低，高温供水占比逐渐升高。

图1 采暖季随环境温度变化不同供水温度的占比

3 供热方案

3.1 加热热网循环水基本方式

根据加热热源参数的不同，选用的加热设备也不同，加热热网循环水的基本方式可分为热网加热器加热、凝汽器加热、热泵加热。

3.1.1 热网加热器

热网加热器利用的加热蒸汽通常为机组的供热抽汽， 供热抽汽相对于供热是品质较高的热源，它的适用范围广，可以将热网循环水加热至设计范围内的任何所需温度。

3.1.2 凝汽器

凝汽器利用的加热蒸汽通常为机组的乏汽，受机组排汽压力的影响， 它的适用范围相对较窄，适合于对热网循环水的低温加热。

3.1.3 热泵

热泵是在一定高品位能的驱动下提取低品位能形成中品位的能。 根据驱动方式的不同，热泵分为压缩式热泵、吸收式热泵。在火力发电厂中，应用较多的为吸收式热泵，本文所指热泵为溴化锂吸收式热泵。

在热源厂的供热系统中，热泵适用于对热网循环水的中温加热。利用空冷机组乏汽余热型热泵的出水温度能达到80～90 ℃。

3.2 供热方案

3.2.1 方案简介

根据空冷机组的特点以及基本加热方式的不同，形成了以下供热方案：方案一——常规背压凝汽器+热网加热器供热方案（注：“+”表示串联，下同），以下简称常规供热方案；方案二——常规背压凝汽器+热泵+热网加热器供热方案， 以下简称热泵供热方案； 方案三——高背压凝汽器+热网加热器，以下简称高背压供热方案。

a） 常规供热方案。 本方案是对热网循环水进行两级梯级加热，首先通过凝汽器利用机组的常规背压乏汽对热网循环水进行初级加热，然后利用热网加热器对热网循环水进行终级加热，达到所需的温度后向外供热。

b） 热泵供热方案。 本方案是对热网循环水进行三级梯级加热，首先通过凝汽器利用机组的常规背压乏汽对热网循环水进行初级加热，然后再利用热泵对热网循环水进行加热，最后利用热网加热器对热网循环水进行终级加热，达到所需的温度后向外供热。

c） 高背压供热方案。 本方案是对热网循环水进行两级梯级加热，与常规方案的不同在于抬高了机组的运行背压，即提高了加热蒸汽的温度，在乏汽加热能力范围内， 热网循环水的出水温度升高，乏汽余热利用量增加。

常规方案与热泵方案相比，热泵方案利用机组的乏汽量增加，热泵方案优于常规方案。

常规方案与高背压方案相比，高背压方案提高了机组的乏汽余热利用量， 但是机组背压抬高，机组能耗增加，因此需要分析常规供热方案与高背压供热方案的适用条件。

热泵方案与高背压方案都比常规方案提高了机组的乏汽余热利用量，热泵方案是在一定高品位能驱动下提取机组的乏汽余热，高背压方案是通过提高机组的背压来提取机组的乏汽余热，这两种方案哪一种更节能，需要分析热泵方案与高背压方案的适用条件。

3.2.2 供热方案比选

a） 基本参数。基本参数主要包括机组参数和供热参数。 第一，机组参数。 目前供热改造的主流机组为300 MW 亚临界纯凝机组、300 MW 亚临界供热机组、600 MW 亚临界纯凝机组、600 MW 超临界纯凝机组。 本文以热源厂装机容量为2×300 MW 亚临界纯凝机组、2×300 MW 亚临界供热机组、2×600 MW亚临界供热机组、2×600 MW 超临界供热机组为例进行比较。各机组的供热抽汽参数、排汽背压参数如表1 所示。 第二， 供热参数。 设计供回水温度110/50 ℃，凝汽器换热的上端差取1 ℃，热泵的制热性能系数取1.7， 热网循环水经热泵加热后设计出水温度取85 ℃。

表1 机组参数表

b） 比较原则。 本文以供热标煤耗作为比选基准，耗标煤量较低的方案为优选方案。

c） 供热方案比较。由供热特性可知，在设计工况下，低温供水的占比最低，即高背压供热或热泵供热占比最低。 因此，当在设计工况下利用低温供热方案为优选方案时，在其他部分负荷工况下也是优选方案。

第一，常规方案与高背压方案比较。 根据基本参数及比较原则，进行了常规方案与高背压方案的比较。 在设计工况下，高背压方案优于常规方案的临界曲线如图2、图3 所示。

图2 2×300 MW 机组高背压方案优于常规方案的临界曲线

图3 2×600 MW 机组高背压方案优于常规方案的临界曲线

由图2、图3 可知，常规方案与高背压方案相比，当供热负荷较大时适合采用高背压方案，随着机组背压的提升，适用的供热负荷也逐渐减小。 以2×600 MW 超临界机组为例，当机组设计背压(绝对压力)为45 kPa，供热负荷大于550 MW 时，采用高背压方案较优，当供热负荷低于550 MW 时，采用常规方案优。

第二，热泵方案与高背压方案比较。 根据基本参数及比较条件，进行了热泵方案与高背压方案的比较。 在设计工况下，高背压方案优于热泵方案的临界曲线如图4、图5 所示。

图4 2×300 MW 机组高背压方案优于热泵方案的临界曲线

图5 2×600 MW 机组高背压方案优于热泵方案的临界曲线

由图4、图5 可知，热泵方案与高背压方案相比，当供热负荷较大时适合采用高背压方案， 但是当机组背压较低时，供热负荷已超出了机组的供热能力。因此，对于仅2 台机组的供热系统，高背压方案适合背压提升较高的情况。以2×600 MW 机组为例，背压提高至35 kPa 以上时，高背压供热才开始有优势。

4 结束语

每一种供热方案都有一定的使用范围， 在实际的工程中， 应根据不同的情况进行针对性地分析。 本文针对目前主流机组的参数，研究了不同供热方案的适用条件以及不同供热方案的使用范围， 对各主流机组初期选择供热方案具有一定的指导意义。