南方地區火電廠集中供熱研究

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(1.廈門軌道交通集團有限公司，廈門　361000；2.廣西電網公司崇左供電局，廣西　崇左　532200；3.湖南電網公司長沙市望城區供電公司，湖南　長沙　410000)

1　引言

隨著社會的不斷進步和工業技術的飛速發展，人類將從工業時代以“規模效益”為特點的第一代能源利用方式轉向信息時代以“效益定規模”的第二代能源利用方式。節約和合理利用能源、保護環境是我國長期堅持的發展戰略方針。隨著我國社會和經濟的快速發展、城市化步伐的加快和可持續發展戰略的需求，我國能源生產和消費將逐步發生結構調整和改革。在結構調整與改革過程中，熱電聯產集中供熱以其自身的優勢，迎接全新機遇和挑戰，成為最有發展前景的能源產業之一，而南方地區的熱電聯產集中供熱以火電廠集中供熱為特色。

火電廠集中供熱是把火電廠中的高位熱能用于發電，低位熱能用于供熱，從而實現能源的合理利用[1-5]。火電廠集中供熱可以提高燃料利用效率，降低能耗、節約能源；可減少城市污染，改善周圍地區環境質量，是節約能源、改善大氣環境質量的有效途徑[6-8]。

2　南方地區發展火電廠集中供熱的必然性

2.1　火電廠集中供熱的優越性

火電廠集中供熱有利于提高能源綜合利用率，節約能源；有利于減少污染排放，保護環境；有利于改善供熱質量，保證工業園的通暢運行；能為電廠提供了一條熱能經營途徑，有利于提高電廠的經濟效益[9-12]。

(1)節約能源，提高能源利用率

火電廠集中供熱是將汽輪機中做完一部分功的仍具有一定溫度、壓力的蒸汽從汽輪機中抽出供外界熱用戶使用，一般火力發電廠全廠熱效率在40%左右，而集中供熱改造后全廠熱效率能達到70%；工業鍋爐熱效率較低，一般在50%～60%左右，容量較大的工業鍋爐效率在 70%～80%之間，而經集中供熱改造的火電廠鍋爐熱效率在80%～90%之間，熱效率可增大 20%～30%，極大提高了燃料利用率。

(2)減少排放，保護環境

火電廠集中供熱可取締供熱區內分散的小鍋爐房，實現了煤的集中運輸、貯存以及灰渣的集中處理，可改善市容；火電廠大型鍋爐配備有脫硫除塵設備，脫硫除塵效率高，且煙囪高大，有利于煙汽擴散，以高點源排放代替眾多小煙囪的多源排放，可大大改善環境質量。

(3)提高供熱質量

小鍋爐房自動化程度低，設備故障率高，供熱壓力與溫度時有波動，不易保證供熱質量；火電廠集中供熱運行模式為連續運行，自動化程度高，穩定可靠，供熱質量高。

(4)提高電廠經濟效益

一方面，受市場煤計劃電的限制，煤價高漲，傳統火電廠發電利潤低，甚至虧損，而供熱利潤相對較高，電廠進行集中供熱改造后，增加一條電廠熱能經營途徑；另一方面，當電廠處于深度調峰狀態時，供熱改造可以降低鍋爐最低穩燃負荷，有效防止鍋爐熄火，節約了生產成本，提高了電廠經濟效益。

2.2　社會可持續發展的需求

近年來，持續的霧霾天氣影響到了全國民眾的日常生產生活，對治理霧霾，全國上下無論民眾、行業及政府都表現出急迫性。而化石燃料燃燒產生的“二次顆粒”約占了霧霾成分的50%，在我國，以煤炭為主的能源結構短期無法改變，因此治理燃煤污染就成為當下的首要問題。大電廠按規定都需安裝脫硫、脫硝和脫粉塵設備，脫除率達到90%以上。若集中燃煤，尾氣中的污染物可以控制到和天然氣燃燒相近甚至更低的程度。世界平均煤炭集中利用度是60%左右，歐美日等能達到90%以上，而我國煤炭集中利用度不到50%。我國有近70萬臺中小鍋爐散燒約18億噸煤，不可能在每一臺后面安裝脫硫脫硝裝置。散燒一噸煤的污染是大型鍋爐減排(>90%)后的10倍以上；散燒18億噸煤的排放相當于180億噸以上集中燃燒產生的污染。

散燒煤是“霧霾”最重要的成因之一，如何使近70萬臺中小鍋爐清潔“變身”是解決霧霾的關鍵。因此，增加集中燃煤，熱電聯產，同時加大環保執法力度，保證集中燃煤裝置尾氣排放達標，通過立法和加強環保執法，迫使中小燃煤鍋爐逐步轉型或淘汰是有效治理霧霾的措施之一，有利于提高能源利用率、節約能源、保護環境，是實現能源與環境協調發展、社會經濟可持續發展的需要，是確保政府社會發展目標實現的重要措施之一。

3　南方地區火電廠集中供熱發展面臨的障礙

南方地區的火電廠集中供熱發展正處于初期階段，尚存在很多問題并面臨著許多障礙，主要表現在以下兩個方面。

3.1　供熱體系的不完善

現存供熱電廠大多以單獨供應某家大型用熱企業為主，供熱企業和用熱企業互相依托、相扶相持，模式單一；管網建設投入不夠，熱力管網配置受原熱力規劃約束，熱力管網在政策上未能享受足夠力度的支持，制約了熱力系統的優化發展。

3.2　電網對于火電廠熱電聯產改造的反對

南方地區現階段熱電聯產集中供熱發展主要側重于對傳統火電廠的集中供熱改造，改造后服務于電網與熱網均為電廠的首要任務，而電廠的供電任務與供熱任務必將相互影響。雖然供熱改造降低了電廠的最低穩燃負荷，有利于調度時填谷，但是電廠供熱改造對電網存在如下影響：電廠停機受供熱的約束，影響豐水季節電網對火電機組的調度，甚至造成水電站棄水，影響節能減排，并且由于火電上網電價高于水電，提高了電網公司成本；供電緊張期間，受供熱影響，機組最大出力不足，影響電網調峰調度；供熱量的波動影響發電機出力的波動，一定范圍內改變了發電機控制的數學模型，影響電網穩定控制；供熱改造后對電網調頻也會產生影響。由于電廠改造后對電網存在這些不利影響，致使電網公司極力反對火電廠的集中供熱改造，阻礙了南方地區火電廠集中供熱改造的發展進程。

4　南方地區火電廠集中供熱改造發展方案

火電廠集中供熱具有節約能源、改善環境等優點，如在改造發展過程中合理規劃，不斷改善系統和設備，節約能源和費用，提高供熱的經濟性與可靠性，同時協調好供熱與供電的關系，發展火電廠集中供熱將有很強的競爭力和很好的發展前景。

針對火電廠集中供熱改造發展過程中面臨的問題與挑戰，我們應當采取相關措施促進南方火電廠集中供熱健全穩定發展。具體措施包括：

(1)深化供熱體制改革，推行供熱熱源、管網、換熱站一體化，盡快改變多頭分散的供熱體制，整合優化供熱資源，相對集中管理，實現規模經營，發揮規模效益。

(2)平衡電廠供熱與供電之間的矛盾

對于新建的熱電聯產電廠，由于南方地區現階段集中供熱以工業供熱為主，熱負荷比較穩定，首先應當保證用戶的供熱質量，其次協調解決熱電廠的供電并網問題。

對于傳統火電廠的集中供熱改造，應當深入分析各種電網和電廠運行模式下，電廠供熱量對電網調度的影響，開展風險評估，確定可供熱改造機組的分布和最大經濟供汽量，并對火電廠按照如下方案進行改造：

(1)對汽輪機組進行抽凝式改造，改造前后汽輪機組熱力系統示意圖如圖1、圖2所示。

圖1　抽凝式改造前熱力系統示意圖

圖2　抽凝式改造后熱力系統示意圖

由以上兩圖可知，從改造后的汽輪機氣缸中抽出的蒸汽為熱用戶供熱，不同氣缸中抽出的蒸汽可以滿足不同的負荷需求，并且抽汽量可以通過調節閥控制，可以靈活調節熱負荷與電負荷的波動，可以減小供熱與供電之間的相互影響，從而可以實現供電與供熱之間的靈活控制。

(2)對鍋爐進行改進，提高鍋爐的燃燒穩定性及熱效率；對汽輪機的汽封進行改造，減少汽封間隙，從而減少漏汽量，保證機組經濟性；對凝汽器進行改進，提高其真空度，增加整個汽水系統的相對壓差，提高蒸汽做功能力，從而提高機組效率。通過對這些設備改造可以提高機組的熱效率及抽氣能力，在一定程度上可以減少集中供熱對供電負荷能力的影響。

(3)新建備用鍋爐，備用鍋爐的容量根據熱負荷而定，并需要考慮熱負荷的潛在增長可能，留出一定裕度，備用鍋爐可以依托已有熱網對熱用戶進行集中供熱，由火電廠控制系統統一控制。改造后的火電廠熱力系統如圖3所示。

圖3　集中供熱改造后的火電廠熱力系統示意圖

備用鍋爐與火電機組大型鍋爐協調為熱用戶供熱，實現熱網負荷與電網負荷之間的靈活控制。

5　集中供熱改造后火電廠的運行方式

為達到節約能源減少污染的目的，改造后火電廠的經濟調度運行顯得至關重要，論文對改造后的集中供熱火電廠提出了如下調度運行方案。

設火電廠總供熱量為A、總發電量為B，若火電廠有C臺凝汽式機組與D臺抽凝式機組，則總供熱量A將有效的分配給D臺抽凝式機組，總發電量B將有效分配給C+D臺機組，本文以所有機組的燃料消耗量最少為目標函數分配電廠熱、電負荷給各機組，目標函數表達式如下：

(1)

式中，Q表示總燃料消耗量：

Bj表示第j臺機組的供電量，Bjmin≤Bj≤Bjmax，Bjmin、Bjmax分別為第j臺機組的最小供電量與最大供電量。

通過以上目標函數實現各運行機組熱、電負荷的有效分配，實現燃料的高效利用。為保證電網的安全經濟運行及熱網供熱的可靠性，當Bj∈(95%Bjmax,Bjmax)(此時電網處于用電高峰，火電機組可能需滿負荷運行以滿足供電需求)時，此時僅考慮電網與熱網的安全穩定運行。根據電網負荷預測結果決定備用鍋爐的啟停，當預測結果顯示Bj≥Bjmax，則立即啟用備用鍋爐，逐漸把熱負荷轉移至備用鍋爐，對熱用戶實施集中供熱，火電機組則滿負荷給電網供電，保證電網與熱網的安全運行，否則不開啟備用鍋爐，當用電高峰期后Bj持續降低并小于Bjmax時，則關停備用鍋爐并把熱負荷轉至火電機組。

當Bj≤Bjmin(此時火電廠供電處于低谷狀態，火電機組可能需要關停以滿足電網調度)時，此時不僅應當考慮供電供熱的可靠性，而且需要考慮火電廠整個電力系統與熱力系統運行的經濟性。根據負荷預測結果及綜合經濟效益決定火電機組的關停與備用鍋爐的啟停，若沒有熱負荷的約束，火電機組應當關停停止發電，但火電廠集中供熱改造后，火電機組仍可能運行為滿足熱用戶的需求。由于南方地區集中供熱現階段主要針對工業用戶，供熱量基本恒定，此時的綜合經濟效益主要考慮設備運行時總的經濟消耗，目標函數為：

F=F(D)-F(G)

(2)

其中：

F(D)=(αD+βD+γD)t+φD

(3)

F(G)=(αG+βG+γG)t+φG

(4)

F(D)—Bj≤Bjmin時火電機組運行總的經濟消耗；

αD—Bj≤Bjmin時火電機組每天的運行維護消耗；

βD—Bj≤Bjmin時火電機組運行每天的人工費用；

γD—Bj≤Bjmin時火電機組每天的燃料消耗費用；

t—負荷預測結果顯示Bj≤Bjmin的連續天數；

φD—火電機組每次啟停的經濟消耗。

F(G)—Bj≤Bjmin時備用鍋爐為熱網供熱時的經濟消耗；

αG— 備用鍋爐為熱網供熱時每天的運行維護消耗；

βG— 備用鍋爐為熱網供熱時每天的人工費用；

γG— 備用鍋爐為熱網供熱時每天的燃料消耗費用；

φG— 備用鍋爐每次啟停的經濟消耗。

當F>0時，此時火電機組運行供熱的經濟消耗大于備用鍋爐運行的經濟消耗，此時應當關停火電機組，啟用備用鍋爐為熱用戶供熱；當F<0時，此時備用鍋爐運行的經濟消耗更大，應當繼續維持火電機組運行，備用鍋爐停用，以實現經濟效益的最大化。

6　結論

本文總結了火電廠集中供熱的優越性，得出了南方地區在能源結構調整大環境下進行火電廠集中供熱改造的必要性；同時分析了現階段南方地區火電廠集中供熱存在的問題，提出了促進南方地區火電廠集中供熱改造的健康快速發展的措施，提出了改造后的集中供熱火電廠的調度運行方案，有利于南方地區火電廠集中供熱改造。

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