集中供热网蓄热式热电联产机组的综合热力学分析

何 烨， 李 超， 高佳圣， 周 艳

(青岛科技大学 机电工程学院，山东青岛 266061)

热电联产机组在满足世界各国采暖季的用热方面具有不可替代的作用，但也面临着供热量与热负荷之间峰谷错位的问题[1-2]。储能技术作为一种调节和控制能源部署方案中基本的、不可缺少的技术，被认为是解决峰谷错位问题的有效方法[3-5]，可有效提高热电联产系统的热效率。研究表明，储能系统集成到热电联产机组并同时运行时，通过配备控制系统，使储能系统在热电联产机组的供暖过饱和期提取化石能源(如煤或天然气)燃烧的热能，并在供暖不饱和期释放热能用以抵消该期间内超出热电联产机组供热量的热负荷，使热电联产的供热量与热用户的热负荷相匹配[6-7]。该技术在满足热用户需求的同时[8-9]，可以有效调节热电联产中综合发电单元和区域供热网络的匹配度，使机组运行更经济[10]，从而更有效地利用热能，减少燃煤消耗[11]。故储能辅助系统与热电联产的集成耦合日益受到国内外学者的重视。

为了深入分析储能系统集成在热电联产机组中的可行性及可靠性，近年来学者们开展了广泛的研究。Wang等[12]研究发现，在区域供热系统中应用太阳能蓄热可将清洁能源的份额提高13%，从而减少热电联产机组的耗煤量。Yan等[13]提出了一种混合储能容量的分配方法，建立了混合储能容量与峰谷差之间的数学模型，用于分析区域能源规划和能源系统更新。Rosato等[14]将基于土壤地埋管储能模式的季节性储能用于区域供热系统或热电联产系统，可减少区域供热系统对一次能源的消耗，提高热电联产的灵活性。Zhao等[15]研究表明，辅助热源模型在调控燃煤热电联产方面的灵活性更高。Hammer等[16]指出，在用户终端安装蓄热器可以大大减少供热网络的损失，且供热间歇性运行导致的额外低周疲劳是缩短蓄热器使用寿命的主要原因。Nuytten等[17]采用理论分析的方法确定了热电联产与储能结合的最大灵活性，指出影响系统运行灵活性的主要原因之一是系统延迟。Pagliarini等[18]提出了一个将储能与热电联产耦合的方案，并用数值模拟方法分析了该方案用于某一校园供热的加热控制方式，结果表明该方法能有效控制校园的总供热量。Wang等[19]提出了一种优化热电联产负荷分配的控制策略，以提高热电联产应对负荷骤变的能力。Sun等[20]利用实验研究方法，从热力学角度分析了可再生能源在短时期内与热电联产耦合供热的灵活性和运行特性，并通过动态模型定量分析了供热量的变化对用户室内温度的影响；结果表明，该方案可以显著提高热电联产系统的响应时间，且对热用户室内温度的影响不大。尽管许多学者和专家在热电联产与储能耦合运行方面做了大量工作，但在概念建模的层面来设计和评估储能系统方面，大部分研究只分析了储能装置的性能，储能系统与热电联产耦合运行时对供热网络运行的影响还鲜有涉及。而在储能系统与热电联产耦合的控制策略方面，大部分研究仅将储能系统作为简单黑盒来进行分析，并未考虑气温、供暖区域、热用户使用习惯以及储能系统自身变化对运行策略的影响。

为改善在热电联产过程中热用户对供热的总体体验，笔者提出了一种将储能辅助循环系统集成于热电联产的新方案。利用储能辅助循环系统，将冗余的热能从过饱和期转移到不饱和期并减少供热和负荷的偏差，从而提高热电联产系统的热经济性。同时基于某600 MW热电联产机组，从热力学角度及供热调控灵活性方面，定量分析集成了储能辅助循环系统的热电联产机组的热经济性及热敏感度，为这类热电联产机组的运行提供理论依据。

1 热电联产系统

1.1 原始机组简介

所研究的600 MW热电联产机组模型如图1所示。系统中从中压缸抽取的并用于加热一次网循环水的抽汽，温度范围约为230～280 ℃，压力范围约为0.35～0.5 MPa。通常一次网中的回水被加热到80～100 ℃，然后供应到二次网加热器中加热二次网的回水，使二次网的供水温度达到40～65 ℃后供给热用户。

图1 600 MW热电联产机组运行简图

1.2 集成储能辅助循环系统的热电联产机组

将储热辅助循环系统集成在原热电联产系统中，如图2所示。储能辅助循环以导热油为储热材料，主要设备包括1个高温储罐、1个低温储罐和2个板式换热器。储能辅助循环系统的运行主要由1个储存阀和1个释放阀控制。当热电联产机组的供热处于过饱和期时，储存阀打开，释放阀关闭，此时储热介质通过储存换热器获得一次循环水中的冗余热量，储存到高温储罐中；当热电联产机组的供热处于不饱和期时，储存阀关闭，释放阀打开，二次网循环水的一部分在释放换热器中吸收热量后作为补充供暖供给到热用户；最终释放热量后的储热介质会储存至低温储罐等待下一次循环。

图2 带储热的热电联产机组

2 系统参数配置

2.1 机组的参数配置

热电联产机组的原则性热力系统图和基本参数如图3和表1所示。该机组是标准的“三高、四低、一除氧”的回热系统，各级回热器参数见表2。由图3可知，该系统第5级抽汽的一部分作为第5级回热抽汽，另一部分进入一次网加热器，用于加热一次网循环水的回水。该机组用于中国北方某中型城市，同时根据该城市冬季平均室外温度，采暖负荷率取30 W/m2[21]，室内供热达标温度规定为18 ℃，参考条件下的室外温度由参考城市1月份的平均室外温度决定[22]；为保证低压缸末级叶片的安全运行，最小蒸汽质量流量限制在150 t/h，出口压力应保持在0.4 kPa以上[23]。

图3 600 MW热电联产机组的原则性热力系统图

表1 600 MW热电联产机组的额定参数

表2 机组各级回热器的参数

2.2 辅助循环系统的参数配置

表3 辅助循环系统的参数

如图4所示，在选择导热油的储热温度时，分别模拟了储热温度在70～80 ℃下辅助循环系统的效率。由图4可知，随着储热温度的升高辅助循环系统的效率持续降低。同时由于导热油与一、二次网供水温度的换热器端差限制，导热油的储热温度应在70～<90 ℃，因此导热油的储热温度选定为70 ℃。

图4 不同储热温度下辅助循环系统的效率

3 研究方法

3.1 系统模型与比较方案

采用Ebsilon Professional软件搭建了上述综合储能热电联产系统的物理模型。基于目标机组的热设计参数由表1和表2给出。比较方案设计如下：(1) 原始机组方案;(2) 以增加燃煤的方法确保供热饱和的增加燃煤供热方案(方案一)；(3) 增设储能循环系统的供热方案(方案二)。表4给出了Ebsilon Professional中主要组件的详细信息。

为了验证Ebsilon模型的可行性，采用汽轮机额定工况条件下，计算无储热参考机组供电输出的方式，结果如表5所示。从表5可以看出，与相关设备设计部门提供的测算参数相比，参数的计算值与设计值之间的相对误差均低于0.25%，说明该模型相对准确，可以用来确定热电联产机组的非设计运行参数。

表4 Ebsilon Professional主要组件的详细信息

表5 误差表

3.2 评价标准

燃料利用系数(ηtp)是用来评估热电联产系统供热和供电效率的常用指标，其表达式如下：

(1)

式中：Qfuel为燃料量，MW；Pe为发电量，MW；Qtp为热化供热量，MW。

需要注意的是，ηtp是一个定量指标，不能表示热能和电能的品级差异，而只能表示燃料在定量方面的有效利用程度，因此将其作为估算热电联产燃料消耗的指标。另一个衡量热电联产设备本身的利用率或节能的经济效果的指标是热电比Rtp。热电比是衡量加热装置的热化供热量与发电量的比值：

(2)

热饱和度ζ是用来评价热电厂或供热站对热用户供热质量的指标，定义式如下：

HPLC指纹图谱法评价知柏地黄丸（浓缩丸）的质量…………………………………………………… 李雅静等（20）：2747

(3)

式中：Qload为供热负荷，MW；Qsup为供热量，MW；ki为加权值，取值范围为0～1；i为时间计数，取自然数0～23，即从0:00到当日23:00的取值。在本研究中，工作时间6:00—17:00的权重被设定为0.2，非工作时间18:00—次日5:00的权重被设定为0.8。

供热偏差s2是用来评价实际热饱和度与理想热饱和度偏差量的指标，定义式如下：

(4)

(5)

式中：ηex为系统效率；Ec,in和Ec,out为冷流体进、出系统的，MW；Eh,in和Eh,out为热流体进、出系统的，MW。

热流体是指在热交换中温度下降的流体，而冷流体是指温度上升的流体。其中Therminol VP-1导热油的热力参数可用经验公式来表征。

(6)

式中：T为流体温度，K；ρ为油的密度，kg/m3；cp为比热容，kJ/(kg·K)；λ为导热系数，W/(m·K)；ν为运动黏度，mm2/s；ps为饱和蒸气压，kPa；h为比焓，kJ/kg；s为比熵，kJ/(kg·K)。其中，h和s的液相流体零点标准是0 ℃。

相对误差由公式(7)确定：

(7)

式中：δ为测算参数的相对误差，%；Pe,d为测算参数的设计值；Pe,c为测算参数的计算值。

4 结果与讨论

4.1 总体参数结果

从建模结果中得到方案一、方案二和原始方案的总体运行参数，如表6所示。从表6可以看出，方案一的煤耗、汽耗以及热耗从原始方案的270.4 g/(kW·h)、3.07 kg/(kW·h)和7 923.8 kJ/(kW·h)增加到282.4 g/(kW·h)、3.12 kg/(kW·h)和8 277.4 kJ/(kW·h)，煤耗增加了12 g/(kW·h)，抽汽质量流量从原始方案的208.8 t/h提高至265.7 t/h，平均净热力输出则从原始方案的138.0 MW提高至154.5 MW，提升了11.96%，说明方案一在大幅提高供热总量的同时增大了汽耗和煤耗。在方案二中，由于供热网耦合储能系统的过程没有对机组本身进行改造，所以方案二的汽耗、煤耗和抽汽质量流量等参数都与原始方案相同，而平均净热力输出由于储能系统的散热损失从原始方案的138 MW下降至135.5 MW，下降了1.81%。说明方案二可以在不改变原机组运行的前提下，仅损失1.81%的供暖总量。

表6 3种方案的总体性能

3种方案的热饱和度ζ、供热偏差s2以及其他常规热经济性参数结果如表7所示。可以看出，在相同的电力负荷(600 MW)条件下，方案一的燃料利用系数ηtp和热电比Rtp从原始方案的0.510%和0.231%增加到了0.513%和0.258%。分析方案二的常规性能参数，因其储存过程和释放过程不可同时进行，需将方案二拆分成2个部分：储存过程的燃料利用系数和热电比为0.487%和0.175%；释放过程的燃料利用系数和热电比为0.530%和0.280%。显然，由于方案二的2个过程能在不同时间段对总体性能产生不同影响，燃料利用系数ηtp、热电比Rtp不恒定，因此其不能完整描述储能方案的热经济性。

表7 3种方案的热经济性 Tab.7 Thermal economy of three schemes 单位：%

为了弥补常规热经济性参数的不足，使用热饱和度和供热偏差来进一步说明方案二的性能。当地24 h内方案一与方案二的供热-负荷曲线图如图5所示。从图5可以看出，早上6:00到下午17:00的冗余热量被补充到晚上18:00到第二天早上5:00，从而得出没有经过改造的原始方案热饱和度ζ为88.8%，供热偏差为5.32%。方案一与方案二的热饱和度都提高至100%，方案一的供热偏差达到6.37%，而方案二的供热偏差降低至4.34%，相比原始方案降低了0.98%。这是由于方案一提高的供热总量是全局性的，即不仅在夜间提高供热量，白天也同样被提高了，这在白天和夜间具有不同价值权重(ki)的指标(热饱和度和供暖偏差)下，极大地放大了方案一的不合理性。而方案二充分考虑了白天和夜间供热需求的差异性，并针对这种差异性适当增设了相应的储存和释放冗余热量的循环，从而在不增加燃煤消耗的基础上，大幅降低了供热偏差。因而，在热电联产的基础上增设辅助的储能系统在确保电网需求的基础上，方案二可以有效地提高住宅热用户的供热质量。

图5 供热与负荷的24 h 曲线图

4.2 热力学分析

为了说明方案一和方案二的热力学机制，对2种方案进行能流分析和分析。能流分析的结果如图6和图7所示。对于热用户与区域供暖系统之间的局部过程的分析，结果见图8和图9。

图6 方案一的整体能流图

图7 方案二的整体能流图

图8 方案一的区域供暖局部流图

图6中，在不改变发电量的情况下，方案一中的煤耗增量使得主蒸汽和再热蒸汽的总焓从1 956.3 MW提升至1 988.6 MW，焓增达到32.3 MW，这些额外焓增将全部用于供热而非发电。方案二中，主蒸汽和再热蒸汽的总能量与原方案保持一致，即1 956.3 MW，发电功率保持与另2个方案一致的600 MW。此外，从区域供热网的能量分布来看，方案一比方案二多消耗了40.3 MW的热量，管道中的热损失也增加了27.6 MW，方案一增加的耗能均来自于多燃烧的煤。因此表明在方案二调节供热网的质量达到和方案一相同效果的情况下，不会增加煤耗。

图9 方案二的区域供暖局部流图

4.3 敏感性分析

辅助循环系统的敏感性分析主要包括二次网供水、回水温度的波动对该系统的影响。各工况所对应供、回水温度如表8所示。储能总量、供暖偏差、储罐温度和辅助循环系统的效率结果如图10所示。

表8 各工况下的供、回水温度

(a) 储能温度和室外温度的变化

如图10(a)所示，在区域供热网络中，二次网供水及回水的温度与室外温度成反比，即室外温度越高则供水、回水的温度越低，这会显著影响辅助循环系统与区域供热网络的协同。同时由于二次网循环水温的变化，与之进行热交换的导热油温度也会发生变化，从而储罐的储能温度也发生变化。需要注意的是，随着二次网循环水温的下降，高温储罐中的温度保持在70 ℃不变，而低温储罐中的温度则如图10(a)所示发生变化，以保证热网中的水与导热油的换热能正常进行。

这种情况下，储热总量将随着水温的升高而减少，而供热偏差将逐渐增加，如图10(b)所示。同时，如图10(c)所示，当二次网的供水温度高于60 ℃时，辅助循环系统的效率平稳下降，但在低于60 ℃时由于辅助循环系统的冷端温度(低温储罐的温度)已开始持续下降，所以效率出现了急剧下降。因此，方案二在室外温度较低时优势更明显。

5 结 论

(1) 通过热力学分析，与增加燃煤方案相比，储能方案的煤耗减少了12 g/(kW·h)，热损失减少了27.6 MW。在此基础上，储能方案的效率比增加燃煤方案提高了2.22百分点，这表明储能方案能够更高效地利用从蒸汽轮机中低压段抽汽的热量。

(2) 方案二的热饱和度从原始方案的88.8%提高到100%，相比原始方案供热偏差降低0.98百分点。方案一虽然也提高了热饱和度，但供热偏差相比原始方案升高1.05百分点。通过使用这2个指标，可以更完整地描述储能方案的热经济性，弥补常规热经济性参数不足的问题。

(3) 通过进行辅助循环系统的敏感性分析，发现随着室外温度的升高，供热偏差也随之升高，而储能方案下的储热总量逐渐减少。辅助循环系统的效率会随着室外温度的升高而下降，这说明室外温度越低，储能系统的优势更明显。