基于“熱負荷三角區”法的熱電聯產能耗分析與優化
2012-01-01 00:00:00王磊趙加寧丁立群廖春暉
湖南大學學報·自然科學版 2012年4期
摘 要：在對熱負荷延續時間圖分析的基礎上，指出了引起熱電聯產供熱系統能耗較大的“調峰三角區”和“低效率三角區”.在“三角區”內采用分布式燃氣鍋爐供熱具有顯著的節能效益.對不同緯度地區的9個城市“熱負荷三角區”的能耗分析與優化結果表明：“低效率三角區”對低緯度采暖地區的供熱能耗影響更大.考慮我國的實際情況，在燃氣資源豐富、燃氣價格不高或城市環境要求較高的地區，采用燃煤熱電聯產同時配以分布式燃氣鍋爐調峰的供熱方式，是區域供熱系統節能的有效措施.應發揮不同類型能源的優勢，合理匹配集中式熱源與分布式熱源，才能使變負荷條件下更具靈活性和可靠性.
關鍵詞：區域供熱；熱電聯產；三角區；能源效率
中圖分類號：TK01 文獻標識碼：A
Energy Efficiency Analysis and Optimization of Coalfired CHP based on “Low Heatload Triangle”
WANG Lei1， 2， ZHAO Jianing1， DING Liqun1，LIAO Chunhui1
(1.School of Municipal Environmental Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150090， China;
2. School of Energy Power Engineering，Northeast Dianli Univ，Jilin， Jilin 132012， China)
Abstract:This paper analyzed the energy efficiency of smallsized coalfired Combined Heat and Power(CHP) at part heatload， and presents the “low heatload Triangle” based on heatload duration diagram. The energy efficiency of coalfired CHP in the “low heatload Triangle” is much lower than separate generation because the heatload is so little. Therefore， it is an effective way to improve the energy efficiency of CHP plant by minimizing the “low heatload Triangle”. Separate generation instead of coalfired cogeneration can be a better scenario in this special area. The study of the CHP district heating in 9 cities of different latitudes in China has shown that distributed gas boilers can be used in the “Triangle Areas”， which can lead to a visible energy saving. But the energy saving rate has a remarkable difference among cities of different latitudes. So the cogeneration and separate generation sources should be reasonably matched for utilization so that the energy saving rate can be considerably enhanced.
Key words:district heating; CHP; low heatload triangle; energy efficiency
熱電聯產可以實現能源的梯級利用，按質用能，減少一次能源的消耗量，從而減少CO2的排放.所以近年來，為應對能源危機和環境惡化，很多國家都在鼓勵和推廣熱電聯產技術.歐盟以及聯合國亞太經濟社會委員會（ESCAP）都將熱電聯產視作污染物控制和提高能源效率的一項措施［1-2］.2002年，美國僅有9%為熱電聯產發電，預計到2020年，熱電聯產發電占總發電量的比例將達到29%［3］.自1998年起，中國已出臺了一系列措施［4-5］，對集中供熱熱源進行大規模的熱電聯產改造，拆除小鍋爐，推廣大型熱電聯產機組.與熱電分產相比，雖然聯產的燃料利用效率有大幅提高，但常常為了供熱而犧牲了一部分蒸汽的做功能力.現在普遍采用的抽汽供熱方式，使發電量大為降低.如何減少熱電聯產高品位的能源損失，提高機組熱能利用率是很多技術人員關注的難題.
由于熱、電負荷的變化不同步，國內熱電廠一般按“以熱定電”的方式運行.并且由于熱負荷變化范圍大，高峰熱負荷時間短，所以熱電機組多在非滿負荷狀態下運行.為延長熱電機組滿負荷運行時間，國內熱電廠的熱化系數約在0.5~0.8之間，尖峰熱負荷時汽輪機抽汽供熱不足部分由新蒸汽減溫減壓供給，或電廠內裝設調峰鍋爐補充，這部分蒸汽不參與生產電能，損失了一部分高品位熱能的做功能力.所以實際工程中的熱電聯產是聯產和分產的結合.當熱負荷較低時，熱電聯產的熱效率甚至低于熱電分產.熱電廠的年運行時間和熱負荷的大小是影響能耗的重要因素［6］. 因此，為提高熱電廠的熱能利用率，應盡可能延長熱電機組的滿負荷運行時間，避免在低熱負荷工況下運行.
本文在對熱負荷延續時間圖分析的基礎上，指出了引起熱電聯產供熱系統能耗較大的“調峰三角區”和“低效率三角區”；通過案例分析計算了B25+C50熱電聯產在部分負荷運行時的能耗；指出了B25+C50熱電聯產在不同地區的最優熱負荷.
湖南大學學報(自然科學版)2012年
第4期王 磊等：基于“熱負荷三角區”法的熱電聯產能耗分析與優化
1 熱電聯產的耗能“三角區”
目前熱電廠主要有背壓式汽輪機和抽凝式汽輪機.背壓機是將汽輪機的排汽用來供熱的汽輪機，蒸汽的熱量在理論上被完全利用.背壓式汽輪機的運行方式是以熱定電，發電量依據熱負荷量而確定，機組不能單獨運行，也不能獨立調節來同時滿足熱用戶和電用戶的需要；熱負荷變化適應性差，特別是熱負荷偏離設計值較多時，汽輪機效率急劇下降，機組的發電功率會急劇下降，所以背壓機適合承擔穩定的熱負荷.抽凝機具有較好地調節性能，可同時滿足熱電兩種負荷的需要，當熱負荷為零時，抽汽式汽輪機變為凝汽式汽輪機仍可滿足發電額定功率.因此熱電廠常將背壓機和抽凝機配合使用，用背壓機承擔穩定負荷，用抽凝機承擔變負荷.
熱負荷Qh可以擬合成延續時間τ的函數：
Qh=f(τ)，τ∈［0，τzh］.（1）
全年供熱量：
Φyear=∫τzh0Qloaddτ=g(τ).（2）
熱電廠生產電能和熱能的耗熱量可按下式計算［7］：
聯產供熱耗熱量Qtph：
Qtph=Qh/ηbηp. （3）
聯產供熱標準煤耗率bstph：
bstph=BstphQh/106≈34.1ηbηb.（4）
聯產發電耗熱量Qtpe：
Qtpe=Qtp－Qtph.（5）
聯產發電熱效率ηtpe：
ηtpe=3.6PelQtpe.（6）
聯產發電標準煤耗率bstpe：
bstpe=BstpePel≈0.123ηtpe.（7）
式中：Qh為熱負荷，GJ/h；ηb為燃煤鍋爐效率；ηp為管道效率；Qtph為聯產抽汽供熱量，GJ；Qtp為熱電廠總耗熱量，GJ ； Pel為發電功率，MW；Bstph為供熱標準煤耗量，kg標準煤.Bstpe為發電標準煤耗量，GJ.
由式（1）~式（7）可知：聯產供熱標準煤耗量主要取決于鍋爐效率，對現代大型鍋爐，其值在40 kg標準煤/GJ［7］左右.所以對于聯產和分產，其供熱能耗相差不大.而聯產發電耗煤量隨熱負荷的減小而增大，在汽輪機承擔滿負荷時，發電煤耗可低于200 kg標準煤/kwh，但在汽輪機純凝運行時，發電煤耗超過400 kg標準煤/kwh，而目前我國主力600 MW機組的發電煤耗約323 g標準煤/kwh.這就說明在汽輪機隨著熱負荷調節過程中，在熱負荷較低時，聯產能耗是高于分產能耗的.這部分區域在熱負荷延續時間圖上形成一個三角形區域，所以減小“低效率三角區”面積是熱電聯產節能的有效措施.
圖1中的“調峰三角區”屬于分產供熱區，目前常用調峰鍋爐或減溫減壓器承擔這部分熱負荷.圖1中τfn表示第n臺汽輪機滿負荷運行的時間，τcn為變熱負荷運行時的能耗臨界點，在τcn點處，汽輪機的發電煤耗等于主力機組發電煤耗，按600 MW汽輪機發電煤耗計算，為323 g標準煤/kWh.在τcn點左側，聯產發電煤耗低于分產煤耗；在τcn右側，聯產發電煤耗高于分產煤耗，也就是說，在τcn點右側的“三角區”內，由于汽輪機所承擔的熱負荷較小，使熱電聯產的能耗大，燃料利用效率低，定義為“聯產低效率三角區”.第n-1臺機組的能耗臨界點τcn－1在采暖期結束點τzh的右側，所以第n-1臺機組運行過程中始終是比分產節能的.
圖1 熱電聯產能耗三角區
Fig.1 “Triangle Area” of CHP
在這個“低效率三角區”內，汽輪機運行能耗是高于熱電分產的.可采用調峰鍋爐承擔“低效率三角區”的熱負荷，也可以通過優化熱源集成方案從而減小三角區的面積.這兩部分三角區具有較大的節能潛力，常用的燃煤調峰鍋爐，由于其熱效率與鍋爐容量大小密切相關，所以適合建設少量大型調峰鍋爐，但燃煤鍋爐效率又受負荷影響很大，“三角區”內熱負荷的陡降趨勢會引起燃煤鍋爐效率降低.
與燃煤鍋爐相比，燃氣鍋爐供熱不僅能有效地解決城市污染問題，還具有以下優點：燃氣鍋爐的供熱負荷適應性強，調節靈活；燃氣鍋爐啟動快，減少預備工作帶來的各種消耗；燃氣鍋爐不需要煤及煤渣的堆放地，節省用地，同時可以減少運煤除渣的車輛流量，改善城市交通環境；燃氣鍋爐節約了燃煤鍋爐的除塵設備，鍋爐內沒有結渣問題；燃氣鍋爐比燃煤鍋爐輔助設備少，所需工作人員少，負擔工資及福利費少；燃氣鍋爐燃料輸送及其它輔助設備少，功率小，所以耗電量低 ［8-10］.
由于天然氣是空間燃燒，鍋爐效率主要與受熱面大小、供熱介質的溫度和換熱強化等因素有關.由于天然氣鍋爐不產生灰分，受熱面布置不考慮灰堵和清灰問題，可以采用波紋管和旋流片等強化傳熱方式，所以燃氣鍋爐無論規模大小，其效率一般差別不大，熱水鍋爐一般都在90%左右［10］.因此，在供熱系統的換熱站內可以設置小型燃氣鍋爐，做為“三角區”內的熱源.
2 “三角區”能耗分析方法
目前集中供熱系統通常采用熱電廠與調峰鍋爐作為熱源，稱為方案一，其耗熱量用Φ(1)total表示；本文提出的燃煤燃氣聯合供熱方案，稱為方案二，耗熱量用Φ(2)total表示.燃煤燃氣聯合熱源的節能率可以表示為：
δ=Φ(1)total－Φ(2)totalΦ(1)total=ΔΦΦ(1)total=H(τ) .（8）
其中方案一的總耗熱量為：
Φ(1)total=∑ni=1Φ(1)i+Apeak/ηcoal.（9）
兩種方案的耗熱量之差為：
ΔΦ=∑ni=1ΦLETAi+Apeak/(ηcoal-ηgas)-
∑ni=1(ALETAi/ηgas)-∑ni=1(ELETAi/ηsg).
（10）
ELETAi=3.6×∫τfi－1τciPi，τdτ .（11）
ALETAi=∫τfi－1τciQh－∑i－11Qfjτfi－1－τcidτ.
(12）
式中：ΦLETAi為第i個低效率三角區的汽輪機耗熱量， GJ；Φ(1)i 為方案一中第i個汽輪機的供熱發電總耗熱量，GJ;ηsg為分產發電效率；Apeak為調峰三角區的供熱量，GJ；Pi，τ為第i臺機組在τ時刻的發電功率，MW；ELETAi為第i個低效率三角區的總發電量，GJ；ALETAi為第i個低效率三角區的供熱量，即第i個三角區的面積，GJ；Qfj為第j臺汽輪機的最大供熱能力，GJ/h.
在熱化系數為0.5~1區間內，燃煤燃氣聯合供熱的節能率可采用遺傳算法進行尋優，具體計算過程如圖2所示.
圖2 燃煤燃氣聯合熱源供熱節能潛力計算流程圖
Fig.2 Flow chart for calculation of energy saving rate
3 案例分析
在基本負荷比為0.5~1.0的范圍內，以B25型背壓機和C50型抽凝機為基本熱源，同時采用燃氣鍋爐承擔“調峰三角區”和“低效率三角區”內的熱負荷，與傳統的燃煤鍋爐調峰相比，佳木斯地區可節能3.4%~4.4%，而石家莊地區可節能1.4%~5.8%，如圖3所示.這是因為，低緯度的石家莊采暖期短，C50型汽輪機可以不在“低效率三角區”內運行，這樣熱電聯產在整個采暖期內，其熱效率始終高于分產效率；而長春以北的城市，由于采暖期時間較長，無論熱源承擔多大的熱負荷，C50型汽輪機都不可避免地在“低效率三角區”內運行，使得這期間聯產的熱效率低于分產熱效率，所以對于B25+C50型汽輪機，長春以北的城市中，采用燃氣調峰的節能率至少在3.4%以上，但由于高緯度地區“三角區”的總供熱量占全年供熱量的比例較小，所以長春以北的城市采用燃氣調峰的最大節能率在4.5%以內.由于“調峰三角區”和“低效率三角區”的存在，熱電廠供熱系統最節能的熱源方案不是純粹的熱電聯產，而是聯產和分產的相結合.為增大聯產的節能效益，應盡可能地減小“調峰三角區”和“低效率三角區”的面積.受采暖期時間的影響，C50型汽輪機在佳木斯市在最節能工況時仍存在完整的三角區，如圖4所示，在低負荷運行時，C50型汽輪機的發電煤耗高達486 g標煤/kWh；而C50型汽輪機在石家莊市的最節能工況時，如圖5所示，其三角區面積已大幅減小，且在最低熱負荷時，C50型汽輪機的發電煤耗約367 g標煤/kWh.由此可知，“低效率三角區”對低緯度采暖地區的供熱能耗影響更大.
地區圖3 不同地區采用燃煤燃氣聯合供熱的節能區間
Fig.3 Scope of energy saving rate by using
gasboilers in “Triangle Area” in different cities
供暖時間/h圖4 B25+C50型汽輪機在佳木斯市的節能最優熱負荷曲線
Fig.4 Optimal heat load duration curve of
B25+C50 steam turbines in Jiamusi
分布式燃氣調峰是一種節能效果顯著的熱源方案.其原因在于，采用小型燃氣鍋爐承擔“低效率三角區”內的熱負荷，保證了聯產汽輪機在運行時間內發電煤耗高于分產煤耗；另外由于燃氣鍋爐本身效率高，沒有不完全燃燒的問題，不受爐膛溫度的影響，而且燃氣鍋爐效率與鍋爐大小和負荷變化關系不大，可靈活地設置在多個熱力站內調峰.與燃煤鍋爐相比，在熱負荷變化時燃氣鍋爐仍然可以保持很高的熱效率.
供暖時間/h圖5 B25+C50型汽輪機在石家莊市的節能最優熱負荷曲線
Fig.5 Optimal heat load duration curve of
B25+C50 steam turbines in Shijiazhuang
4 結 論
在對熱負荷延續時間圖分析的基礎上，指出了引起熱電聯產供熱系統能耗較大的“調峰三角區”和“低效率三角區”.“調峰三角區”是分產供熱區；“低效率三角區”是聯產的高耗能區，在此區域內，汽輪機運行能耗是高于熱電分產的.這兩個三角區具有較大的節能潛力，采用分產供熱比聯產供熱更為節能，并可通過分布式燃氣調峰熱源替代傳統的集中式燃煤調峰熱源，或通過優化熱源集成方案從而減小三角區的面積.
對B25+C50型汽輪機在不同緯度地區的9個城市能耗計算，結果表明：受采暖期時間長短的影響，低緯度地區的運行能耗受熱負荷的影響較大，而高緯度地區的運行能耗受熱負荷的影響較小.考慮我國的實際情況，在燃氣資源豐富、燃氣價格不高或城市環境要求較高的地區，采用燃煤熱電聯產同時配以燃氣鍋爐調峰的供熱方式，可顯著提高熱能綜合利用效率.應發揮不同類型能源的優勢，合理匹配集中式熱源與分布式熱源，才能使變負荷條件下更為節能.參考文獻
［1］ KNUTSSON D，WERNER S，AHLGRENE O. Combined heat and power in the Swedish district heating sectorimpact of green certificates and CO2 trading on new investments［J］. Energy Policy，2006，34:3942-3952.
［2］ RONG A，HAKONENH，LAHDELMA R. An efficient linear model and optimisation algorithm for multi-site combined heat and power production［J］. European Journal of Operational Research，2006，168: 612-632.
［3］ RONG A，LAHDELMA R. An efficient linear programming model and optimization algorithm for trigeneration［J］. Applied Energy，2005，82: 40-63.
［4］ 陳和平. 我國熱電聯產政策及狀況的評述［J］. 熱力發電，2001，2: 2-4.
CHEN Heping. Review of policy and status on CHP in China［J］. Thermal Power Generation，2001，2: 2-4. (In Chinese)
［5］ 張騏，趙保安. 熱電聯產的可持續發展［J］. 煤氣與熱力，2007，27(8):76-79.
ZHANG Qi， ZHAO Baoan. Sustainable development of heat and power cogeneration［J］. Gas Heat，2007，27(8):76-79. (In Chinese)
［6］ MARBE ，HARVEY S， BEMTSSON T. Biofuel gasification combined heat and powerimplementation opportunities resulting from combined supply of process steam and district heating［J］. Energy，2004，9(8):1117-37.
［7］ 楊玉恒. 熱力發電廠［M］.北京：中國電力出版社，2000：30-90.
YANG Yuheng. Thermal power plant［M］. Beijing:China Electric Power Press，2000:30-90. (In Chinese)
［8］ MARBE A，HARBVERYS， BERNTSSON T. Technical，environmental and economic analysis of cofiring of gasified biofuel in a natural gas combined cycle(NGCC) combined heat and power (CHP)Plant［J］. Energy，2006，(31):1614-1619.
［9］ SUN Zhigao. Energy efficiency and economic feasibility analysis of cogeneration system driven by gas engine［J］. Energy and Building，2008，(40): 126-130.
［10］ZAPOROWSKI B，SZCZERBOWSKIR. Energy analysis of technological systems of natural gasfired combined heat and power plants［J］. Applied Energy，2003，75(1/2): 43-50.
