拖動與采暖多用途動力供暖系統的綜合分析

徐則林，姜燕妮，殷培光，郝亞珍

（國電科學技術研究院，北京100081）

熱電聯產以高效、節能、環保、先進的熱電機組替代落后、污染物排放量大、分散供熱的小鍋爐，具有較好的經濟效益，是一種有效的能源梯級利用方法［1-5］.熱電聯產集中供熱是目前我國城市主要的供暖方式.當前熱電聯產機組的供熱汽源一般采用中壓缸排汽，壓力為0.3～0.5 MPa，溫度為235～265℃；由亞臨界以上參數的純凝機組改為供熱機組的汽源壓力一般為0.7～1.1 MPa，溫度達到340～360 ℃.而在實際供暖過程中，較溫暖地區所需的供水溫度一般低于80℃，寒冷地區所需的供水溫度為100 ℃左右，地暖方式（仍由城市管網供熱的地埋管形式，并非取于地下熱）所需供水溫度一般為40～60 ℃.無論是熱電聯產供熱機組還是純凝機組改造為供熱機組，供汽溫度都高于熱水溫度120～200K以上，地暖方式的溫差達到180～300K，這樣大的傳熱溫差會造成蒸汽可用能的巨大浪費［6-9］.平均1 kg蒸汽有500kJ以上可用能以熱能形式傳給熱網系統，雖然供熱系統熱效率很高，但 損失大、 效率低，由此可以看出傳統的供熱技術只是進行初淺的熱能分級，只注重傳遞熱能數量的多少，不注重傳遞熱能的品質.因此，筆者基于熱力學第二定律原理，以 效率方法評價供熱系統的優劣，提出拖動與采暖多用途動力供暖技術，在保證原有供熱質量的前提下實現蒸汽可用能最大限度地轉換為動力能，提高供熱系統的 效率.

1 拖動與采暖多用途抽汽背壓式小汽輪機供熱技術

目前，國內高參數、大容量純凝發電機組布點多，裝機容量相對過剩，機組負荷率低，由于地方供熱需求逐年遞增，因此純凝發電機組通過改造實現供熱是節能環保和可持續發展的客觀要求.但大機組供熱改造存在機組容量和參數與供熱需求總量不匹配的問題.為解決這一問題，筆者提出一種拖動與采暖多用途動力供暖系統.該系統適用于機組容量大、供熱量相對較小的地區，利用該系統與輔機汽動和回熱系統進行優化，不但在供暖期能為風機和水泵等提供驅動動力，完成供熱任務，而且在非供暖期能夠利用小汽輪機排汽余熱加熱機組凝結水以提高整個系統的回熱效果.

圖1 為拖動與采暖多用途動力供暖系統示意圖.抽汽背壓式小汽輪機驅動動力設備7，小汽輪機設有一個抽汽口3和一個排汽口2.入口蒸汽1來自主汽輪機的中壓缸排汽，在小汽輪機中把蒸汽可用能轉換為動力能后經2排出，再進入低溫熱源加熱器5加熱熱網循環水.小汽輪機抽汽3連接高溫熱源加熱器6，再次提高熱網循環水溫度.低溫熱源加熱器只作為基本的熱網加熱設備，用來回收小汽輪機的余熱，不具有調節熱網負荷的作用；高溫熱源加熱器在小汽輪機滿足功率調節的條件下只進行微量的熱網水溫度調節.整個熱網的供水溫度由其他熱源8進入熱網加熱器完成調節加熱作用.

圖1 拖動與采暖多用途動力供暖系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the heating system with dragging and heating cogeneration

2 中壓缸排汽供暖系統的熱力學分析

2.1 供暖期系統的熱力學分析

圖2為傳統純凝機組改造為供熱機組的熱網系統示意圖，熱網加熱器汽源來自中壓缸排汽1，換熱后疏水從2流出，3為熱網循環水回水，4為熱網循環水供水.其中，TH1為熱源流體進口溫度，TH2為熱源流體疏水溫度，TC3為冷源流體進口溫度（即熱網循環水回水溫度），TC4為冷源流體出口溫度（即熱網循環水供水溫度）.

圖2 純凝機組改造為供熱機組示意圖Fig.2 Schematic diagram of the heating unit retrofitted from condensing unit

對于穩流系統，若不計動能與位能的變化，并且取系統與環境組成孤立系統，則蒸汽在熱網加熱器中的單位質量付出 為

冷流體在加熱過程中的單位質量獲得 為

式中：h1、h2分別為蒸汽進、出口的焓；s1、s2分別為蒸汽進、出口的熵；h3、h4分別為冷流體進、出口的焓；s3、s4分別為冷流體進、出口的熵；T0為環境溫度（根據汽輪機膨脹極限背壓為3kPa時的飽和溫度確定），取24 ℃.

單位質量蒸汽在加熱過程中，與之相對應的冷源流體獲得的平均收益 為

式中：qm，水為循環水的質量流量；qm，汽為供熱蒸汽的質量流量.

熱交換器的平均 效率η為

式中：TH、TC分別為熱流體和冷流體的定性溫度.

可根據上式計算平均換熱溫差.

表1給出了傳統純凝超臨界機組改造為供熱機組時可選擇的參數.供熱汽源來自主汽輪機的中壓缸排汽，壓力為1.028 MPa，溫度為359.8 ℃，熱網循環水回水溫度TC3為41.55 ℃，冷源平均吸熱溫度為47.37 ℃，傳熱溫差達到212.47K.在此條件下，1kg蒸汽在熱網加熱器中的付出 很大，達到888.66kJ／kg，熱網加熱器的平均 效率很低，為20.27%.因此，在實際工程應用中，在不降低供熱質量的前提下應盡量減小傳熱溫差，這對減少 損失尤其重要.

圖3為應用新技術改造后的拖動與采暖多用途動力供暖系統熱網示意圖.在供熱初、末期所需的供水溫度較低，關閉閥門1，只需小汽輪機排汽2 加熱，供出熱水.在供熱高峰期，僅用小汽輪機排汽2提供的熱量不能達到供熱要求，還需要小汽輪機的抽汽3作為高溫熱源，經過高溫熱源加熱器換熱后供出熱水（作微量調節），以達到供熱所需的水溫.

表2為采用拖動與采暖多用途動力供暖技術的機組在100%負荷下的參數.熱網回水先經過低溫熱源加熱器預熱到52.74 ℃，再經過串聯的高溫熱源加熱器將水溫提高到58.25 ℃后供出，達到居民的供暖標準.熱網的熱負荷由其他熱源調節.經計算，蒸汽在拖動與采暖多用途動力供暖系統的高溫熱源加熱器中的單位質量付出 Δe′H為444.99 kJ／kg，高溫熱源加熱器的平均 效率η′為52.31%.蒸汽在低溫熱源加熱器中的單位質量付出 Δe″H為218.88kJ／kg，低溫熱源加熱器的平均 效率η″為71.89%.而汽輪機中壓缸排汽為供熱系統的熱源，加熱過程中熱源的 為888.66kJ／kg，平均 效率只有20.27%.目前普遍采用的地暖系統所需的單位面積供熱量與傳統供熱系統相當，但所需供熱介質（熱水）的溫度較低，所以整個供暖期90%以上的時間完全由低溫熱源加熱器加熱，由高溫熱源加熱器加熱的時間占10%左右.從上述計算分析可知，拖動與采暖多用途動力供暖系統在供暖期供熱汽源的平均壓力降到0.019 MPa，比汽輪機中壓缸排汽供熱汽源壓力降低了1.009 MPa；供暖期供熱汽源的平均溫度下降到54.42 ℃，比汽輪機中壓缸排汽供熱汽源溫度降低了205.42K，供熱汽源溫度與被加熱的熱網循環水的傳熱溫差為4.62K，汽輪機的排、抽汽供熱汽源的蒸汽溫度與被加熱的熱網循環水的傳熱溫差為212.47K.在2種供熱技術下完成同樣的供熱任務并達到同樣的供熱質量時，拖動與采暖多用途動力供暖系統中供熱汽源的單位質量付出 比傳統供暖系統減少了661.69kJ／kg，平均 效率大幅度提高，節能效果顯著.

表1 純凝機組改造為供熱機組時的可選參數Tab.1 Selectable parameters for retrofit from condensing unit into heating system

圖3 改造后的拖動與采暖多用途動力供暖系統熱網示意圖Fig.3 Heating network of the system with dragging and heating cogeneration

表2 采用拖動與采暖多用途動力供暖技術的機組在100%負荷下的熱網參數Tab.2 Heating network parameters of the system with dragging and heating cogeneration at 100%unit load

2.2 非供暖期系統的熱力學分析

圖4為非供暖期汽動引風機示意圖.圖4（a）為傳統的汽動引風機改造示意圖，汽動引風機采用凝汽式小汽輪機，小汽輪機凝結水經凝結水泵打入主凝汽器.此改造一般沒有節能意義，但可以增加發電機組的上網電量.

圖4 非供暖期的熱力系統圖Fig.4 Schematic diagram of the system in non-heating period

表3給出了引風機電動與汽動（純凝方式）時的參數.由表3可知，如果引風機汽動方式為純凝式小汽輪機，由于小汽輪機缸效率比主汽輪機低壓缸效率低，即使整個能量轉換過程中減少了發電機損失和電動機損失，汽動方式下系統最終的平均 效率還是比電動方式下降低了2%以上，所以純凝的引風機汽動方式并不節能，只是減少了廠用電量，增加了上網電量，在煤價低的情況下對發電企業的經濟效益有微量的提高.

表3 引風機電動和汽動（純凝方式）時的參數Tab.3 Parameters of induced draft fan respectively under power-driven and steam-driven mode %

圖4（b）為引風機拖動與采暖多用途動力供暖系統示意圖.引風機采用抽汽背壓式小汽輪機驅動，該系統將引風機汽動與機組的回熱系統進一步結合，在冬季供暖期，小汽輪機在拖動引風機的同時，其抽汽、排汽分別作為供暖系統的高、低溫熱源.此處主要敘述在非供暖期，小汽輪機排汽回熱進入凝結水系統的節能機理.以目前我國主要投入運行的600 MW 超臨界純凝機組為例，根據主汽輪機的凝結水溫度和小汽輪機排汽質量流量，可優化小汽輪機背壓為14～20kPa.此時雖然小汽輪機的缸效率比主汽輪機低壓缸效率低，但小汽輪機排汽背壓遠低于主汽輪機最末一段抽汽（第8段抽汽）的壓力，即小汽輪機排汽焓比第8段抽汽的排汽焓低，比主汽輪機的排汽焓高，小汽輪機背壓介于第8段抽汽壓力和主汽輪機背壓之間，所以小汽輪機的排汽余熱可以回收到凝結水中，相當于增加了一級回熱，給主汽輪機凝結水預熱，使低壓加熱器的入口凝結水溫度升高，相應第8段抽汽質量流量減少，對應的低壓加熱器傳熱熱流密度減小，端差降低（理論計算和實驗都已證明），由于蒸汽回熱的參數更低，使得低壓回熱蒸汽的總量增加4%左右，提高了整個系統的回熱效果，使機組相對熱耗下降.

3 工程應用及分析

2012年底采用該技術對國電滎陽電廠1 號機組完成了引風機汽動回熱／供熱改造工程，采用拖動與采暖多用途抽汽背壓式小汽輪機來拖動引風機，實現了小汽輪機的排汽余熱冬季用于供熱、夏季加熱凝結水的目標，達到蒸汽熱能深度梯級利用、純凝機組低壓回熱蒸汽總量增加及相對熱耗下降的目的.表4為600 MW 額定負荷下，純凝機組在非供暖期引風機汽動回熱系統下機組的性能指標.

由表4可以看出，引風機汽動回熱系統下機組的綜合供電煤耗下降1.05g／（kW·h），低壓回熱蒸汽總量增加7.86t，小汽輪機余熱蒸汽 比第8段抽汽 低69.05kJ／kg，機組相對熱耗下降16.82 kJ／（kW·h），小汽輪機由于背壓較高、排汽干度大，在科學的容量選型條件下，運行效率達到86%，比一般的汽動純凝機組改造前的效率高4%～5%，本次改造的運行結果表明，在非供暖期應用汽動回熱技術比電動變頻技術節能.

在供暖期，與主汽輪機中壓缸排汽供熱相比，采用拖動與采暖多用途動力供暖技術時供熱汽源單位質量付出 減小了661.69kJ／kg，可供出余熱蒸汽量58.45t，在完成供暖的同時多轉換有用功9 231 kW，相當于供電煤耗下降4.54g／（kW·h），供暖期節約標準煤5 446t，非供暖期節約標準煤2 325 t，年減少CO2排放量2.02×104t以上.

表4 引風機汽動回熱系統下機組的性能指標Tab.4 Performance parameters of the induced draft fan after retrofit

此技術特別適用于我國中部地區（如山東、河南、陜西、河北南部等）純凝發電機組的供熱改造.因為這些地域中，有的地區冬季供暖溫度不高，供熱規模相對不大，有的地區通常不供暖，這些地區工農業生產規模較大、發電廠較多，但熱電廠相對較少，城鎮的純凝發電機組較多.此外，這些地區的發電機組裝機容量相對過剩，如果增加熱電聯產機組，一方面會增加環保壓力，另一方面會影響在役機組發揮作用，所以應盡量利用地處城鎮的純凝發電機組，將其改造為供熱機組來滿足人民生活和生產需求.本改造工程解決了機組容量大而供熱規模小、可選供熱參數高及 損失大的問題，為深度節能找到了科學的技術方法.

4 結 論

拖動與采暖多用途動力供暖系統在采暖期為風機和水泵等提供驅動動力，完成供熱任務，在非供暖期利用排汽余熱加熱機組凝結水以提高整個系統的回熱效果，解決了以前小汽輪機改造只能應用于持續的工業供熱而不能應用于居民供暖的問題.此系統與傳統供熱方式相比，在供暖期供熱汽源的溫度大幅下降，熱源加熱器的換熱溫差減小，損失降低，平均 效率大幅提高.在非供暖期，機組的低壓回熱蒸汽總量增加，機組相對熱耗下降，供電煤耗下降，廠用電率大幅下降，節能減排效果顯著.

［1］中國動力工程學會熱力專業委員會.我國城市集中供熱發展概況［J］.動力工程，1997，17（5）：89-91.

Thermal Engineering Specialized Comittee of the Chinese Power Engieering Society.The development sur-vey of domestic cities central heating［J］.Power Engineering，1997，17（5）：89-91.

［2］周大地.中國能源問題［M］.北京：新世界出版社，2006：25-70.

［3］蔣以任.節能減排與可持續發展［J］.動力工程學報，2010，30（1）：1-4.

JIANG Yiren.Energy-saving，emission-reduction and sustainable development of domestic energy industry［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30（1）：1-4.

［4］武學素.熱電聯產［M］.西安：西安交通大學出版社，1988：50-79.

［5］王振銘.我國熱電聯產的新發展［J］.電力技術經濟，2007，19（2）：47-49.

WANG Zhenming.Recent advances of combined heat and power in China［J］.Electric Power Technologic Economics，2007，19（2）：47-49.

［6］WU D W，WANG R Z.Combined cooling，heating and power：a review［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2006，32（5）：459-495.

［7］高慧云，肖寧.我國熱電聯產產業的發展趨勢［J］.發電設備，2010，24（6）：467-469.

GAO Huiyun，XIAO Ning.Development tendency of domestic heat power cogeneration industry［J］.Power Equipment，2010，24（6）：467-469.

［8］程鈞培.節能減排與火電新技術［J］.動力工程，2009，29（1）：1-4.

CHENG Junpei.Energy saving，emission reducing and new technologies for thermal power generation［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（1）：1-4.

［9］何建坤，張希良，李政，等.CO2減排情景下中國能源發展的若干問題［J］.科技導報，2008，26（2）：90-92.

HE Jiankun，ZHANG Xiliang，LI Zheng，etal.Energy issues faced by China in the scenario of CO2mitigation［J］.Science and Technology Review，2008，26（2）：90-92.