熱電聯產機組在平峰轉供模式下的經濟性分析

徐 進

(大唐保定熱電廠，河北 保定 071051)

0 前言

目前大部分城市的供熱系統采用熱電聯產熱源集中供熱，在供熱高峰期時啟動城市中的集中熱源廠作為備用熱源，替代分散供熱的燃煤鍋爐，實現城區供熱的“無煤化、清潔化”。但隨著城市規模的逐漸擴大，居民采暖熱負荷也在逐年增加，城市集中供熱全覆蓋程度已不能滿足城市發展的需求。根據某市的供熱現狀，以燃煤高效的熱電聯產機組及區域鍋爐為熱源的集中供熱面積僅為供熱總面積的43.43%，以分散燃煤鍋爐為熱源的分散供熱面積占38.15%，2017—2018年采暖季該市新增實際供熱面積873萬m2，按嚴寒期月均值計算，需增加供熱能力354 MW，按日均峰值計算需增加供熱能力386 MW。另外整個供暖期熱負荷分布不均，供熱初、末期與高峰期熱負荷需求相差較大，使得熱電聯產熱源在供熱初期運行效率較低，供熱高峰期供熱能力達到最大，導致發電量減少，經濟性變差，且集中熱源廠的能源綜合利用效率遠低于熱電聯產機組，整個供暖期中城市集中熱源廠高負荷運行，造成一次能源的極大浪費。所以結合供熱期間環境溫度與采暖熱指標整合供熱資源，如何在將供熱能力發揮到最大的同時做到效益與環保雙贏成為了當前供熱工作的重點研究方向。

1 熱電聯產機組供熱能力及區域供熱現狀

1.1 機組供熱能力

多數熱電聯產機組以發電為主、供熱為輔，但近年來隨著煤價不斷攀升，供熱缺口逐年增大，熱電聯產機組在供暖期多采取“以熱定電”的模式運行，以提高電廠冬季的盈利能力[1]，即在發電的同時從汽輪機中抽出部分蒸汽，在犧牲一部分發電量的情況下對外輸送熱量，這種運行方式也就決定了熱電聯產機組在抽汽供熱的條件下供電量勢必與銘牌發電量有所差距，根據熱化發電量公式：

Wc=Qc(i0-ic)/[(ic-tc)×3 600]

(1)

式中：Wc是抽汽供熱汽流的發電量，單位kW·h；Qc是總供熱量，單位kJ；i0是新蒸汽焓，單位kJ/kg；ic是抽汽焓，單位kJ/kg；tc是供熱回水焓，單位kJ/kg。

供熱初期，熱電聯產機組提供工業抽汽與采暖抽汽對外供熱，以某350 MW超臨界機組為例，額定工業抽汽120 t/h，額定采暖抽汽370 t/h，Qc按照2.5×106kJ/(t/h)，新蒸汽焓3 398 kJ/kg，工業抽汽焓3 384 kJ/kg，采暖抽汽焓2 970 kJ/kg，50 ℃水的焓tc取209 kJ/kg，計算由于機組提供工業抽汽與采暖抽汽而損失的發電量Wc為39 243 kW·h，則供熱初期機組最大負荷為311 MW，該負荷即為冬季“以熱定電”模式下機組能發出的最大負荷。

1.2 區域供熱現狀

按照某市現有情況，進入供暖期后供熱區域內6臺熱電聯產機組與集中熱源廠全部投入運行，熱電聯產機組按照額定抽汽量可提供熱量 2 156 MW，按照居民采暖熱負荷38 W/m2計算，供熱期熱電聯產機組可負責供熱面積 5 673萬m2，另外集中熱源廠提供熱量523 MW，可負責供熱面積1 376萬m2。根據圖1所示的該市采暖熱負荷曲線，供暖期開始階段環境溫度較高，居民采暖負荷最小，此階段采暖熱指標也處于最低水平，隨著供熱期的推進，環境溫度達到最低時供暖需求也達到最大值，整個供熱期內采暖熱指標隨室外溫度降低而升高，最終反映出供熱初期與高峰期居民采暖需求有較大的差異。

圖1 某市采暖熱負荷曲線圖

機組以現有供熱方式運行，供熱初期熱電聯產機組提供熱量較多，運行經濟性較差，且供熱范圍內所有熱源點供熱量總和與最大熱負荷相比仍有一定缺口，這就需要熱電聯產機組在供熱期內在最大抽汽工況下運行。機組抽汽量加大后，發電量更低，按照某350 MW超臨界機組最大工業抽汽160 t/h、最大采暖抽汽385 t/h計算，最大抽汽工況下機組的電負荷為300 MW，機組經濟性更差。另外根據圖1中顯示的2020年的預計熱負荷及采暖面積，該市區域內現有熱源的供熱能力及集中供熱管網的發展規模已難以滿足2020年的供熱需求。

2 最大抽汽工況下對機組的影響

2.1 低壓缸鼓風損失

汽輪機鼓風摩擦產生于存在部分進汽度的級中，當葉輪轉至無噴嘴處，不但不能做功，而且蒸汽還要隨葉輪一起轉動，汽輪機像鼓風機一樣的把蒸汽排出。這種情況下大量的機械能很快轉化成熱能而加熱了汽缸內部的空氣及金屬，使得汽缸內金屬溫度急劇升高，造成鼓風摩擦損失。

鼓風摩擦損失主要與角速度的3次方、動葉長度成正比，所以低壓缸的鼓風摩擦損失相對高、中壓缸更高。汽輪機在最大抽汽工況下運行時，有很大部分的蒸汽在進入低壓缸做功之前就被抽出對外供熱，同時導致機組電負荷降低，在汽輪機發電負荷較低、進汽量較小的同時作用下，低壓缸的鼓風效應變得更加明顯。鼓風摩擦損失熱量加熱了汽輪機通流部分，使脹差增大，對汽缸金屬內部組織及動、靜部分摩擦帶來一定危害。

2.2 熱網加熱器換熱效率

當機組采取最大抽汽工況運行時，熱網加熱器側流量升高，增大了加熱器水位控制的難度。加熱器水位升高后會淹沒一部分受熱面，擠占加熱器的對流換熱區域面積，使得被加熱的熱網循環水難以達到設計溫度，傳熱端差加大。另外加熱器水位太高時水會倒灌回汽輪機，造成汽輪機水沖擊，加熱器水位達到三號高溫加熱器水位值時會引起單側加熱器跳閘，影響供熱。

2.3 滑壓運行的適應性

隨著新能源發電大規模并網運行，電力系統面臨著重大的電能消納問題，這就對燃煤機組提出了實現快速深度調峰運行的要求[2]。熱電聯產機組在深度調峰運行下會出現汽輪機偏離設計工況的情況，進而導致機組出現瓦溫高、軸振大的故障，所以汽輪機多采用滑壓運行方式來提高在部分負荷工況下的運行經濟性。

由于機組的滑壓運行曲線為出廠時的原始設計曲線，或在非采暖期經過試驗而獲得[3]，所以滑壓運行方式勢必不滿足機組在抽汽工況下的運行經濟性要求，供熱期抽汽量達到最大時發電量最低，可能出現在低負荷時為了滿足抽汽供熱需求而將自動滑壓運行切換為手動定壓方式運行的情況，從而導致節流損失增大，機組效率降低。

3 平峰轉供模式具體方法

根據供熱初期與高峰期居民采暖熱指標的變化情況，合理分配熱電聯產機組與集中熱源廠的運行時間，在供熱初期與末期環境溫度較高的情況下，熱電聯產機組可按照較低的采暖熱指標滿足基本熱負荷，在供熱高峰期開始后啟動集中熱源廠對外供熱，實現整個供熱期內熱電聯產機組平峰運行、集中熱源廠調峰運行的方式，這樣可以在提高供熱資源的利用效率的同時兼顧機組經濟性與環保的要求。

以某市區域內6臺熱電聯產機組為例，若整個供熱期內按照采暖熱指標28 W/m2計算，6臺熱電聯產機組提供熱量可覆蓋7 700萬m2供熱面積，供熱初末期可滿足全市熱負荷需要。高峰期啟動集中熱源廠調峰運行，按照38 W/m2計算，集中熱源廠可提供1 376萬m2，高峰期剩余熱負荷由熱電聯產熱源提供，供熱量需求為2 403 MW。平峰轉供模式依據環境溫度的差異合理分配了采暖熱負荷的需求，在減少集中熱源廠運行時間的同時提高了熱電聯產機組額定抽汽工況運行時間，實現了能源高效利用，提高了機組經濟性。

4 熱電聯產機組經濟性分析與環境效益

4.1 供電收益

根據平峰轉供模式下供熱高峰期熱電聯產機組供熱需求量為2 403 MW，與6臺機組額定抽汽供熱總量基本持平，則供熱高峰期熱電聯產機組可基本維持額定抽汽工況運行。以某350 MW超臨界機組為例，整個供熱期中采用額定抽汽工況運行，該工況下機組負荷為“以熱定電”模式下的最大供電負荷，供電收益達到最大。額定抽汽工況相比最大抽汽工況供電負荷多11 MW,按照電價0.5元/kW·h計算整個供熱期機組供電收益為1 584萬元。

4.2 轉供熱量收益

供熱高峰期集中熱源廠提供的熱量可以代替熱電聯產機組需提供的部分熱量，平峰轉供模式下單臺機組可轉供熱量87 MW,按照熱電聯產機組對外提供熱量28元/GJ計算，供熱高峰期機組轉供熱量收益1 249萬元。

4.3 節約供熱標煤耗

平峰轉供后，熱電聯產機組可在整個供熱期維持額定抽汽工況運行，相比最大抽汽工況可節省供熱標煤耗量，根據：

Δbg=ΔQ/(Qb×ηb×ηg)

(2)

式中：Δbg是減少供熱標煤耗量，單位kg/h；ΔQ是供熱量差值，單位GJ/h；Qb是標煤發熱量，kJ/kg；ηb是鍋爐效率；ηg是管道效率。

以某350 MW超臨界機組為例，供熱量ΔQ為工業抽汽與采暖抽汽供熱變化量的總和，分別按照額定工業抽汽量120 t/h，最大工業抽汽量160 t/h，抽汽焓值3 384 kJ/kg，工業抽汽疏水焓84 kJ/kg，額定采暖抽汽量370 t/h，最大采暖抽汽量370 t/h，采暖抽汽焓值2 970 kJ/kg，采暖抽汽疏水焓377 kJ/kg計算供熱量差值ΔQ為170.8 GJ/h。

標煤發熱量Qb取29 308 kJ/kg，鍋爐效率ηb取0.93，管道效率ηg取0.99，計算出減少供熱標煤耗量Δbg為6.3 t/h。若以標煤單價463元/t計算，一個供熱期內熱電聯產機組因平峰轉供而節約的供熱標煤成本為840萬元。

4.4 環境效益

平峰轉供的環境效益主要體現在縮短了整個供熱期內集中熱源廠的運行時間。由于集中區域鍋爐相比熱電聯產機組熱效率較低、能耗高，且脫硫、脫硝、除塵設備不完善，所以平峰轉供模式大大的縮短了區域熱源鍋爐的運行時間，在減少一次能源消耗的同時降低了污染物的排放量，根據：

B=Q/(Qb×ηb×ηgw)

(3)

式中：B是區域鍋爐標煤耗量，單位t/h；Q是區域鍋爐供熱量，單位kJ/kg；Qb是標煤發熱量，單位kJ/kg；ηb是供熱鍋爐效率；ηgw是管網效率。

標煤發熱量Qb取29 308 kJ/kg，供熱鍋爐效率ηb取0.85，管網效率ηgw取0.99，分別計算集中熱源廠整個供熱期運行與高峰期運行的煤耗，平峰轉供模式下區域內所有集中熱源廠整個供熱期可節約供熱標煤耗總量為10.9萬t，按照每天減少燃煤37 847 kg計算，供暖期集中熱源廠每天可減排CO299.1 t、SOX0.32 t、NOX0.28 t。

綜上所述，供熱初、末期熱電聯產機組可以維持額定抽汽工況運行，擴大供熱面積，高峰期將調峰供熱量轉供給集中熱源廠，節省機組供熱成本，整個供熱期內熱電聯產機組總收益如表1所示。

表1 平峰轉供模式下熱電聯產機組經濟性指標 萬元

5 結論與建議

(1)采用平峰轉供模式可以減少高能耗、低效率的供熱鍋爐運行時間，降低一次能源消耗量。

(2)依據環境溫度采用相適應的采暖熱指標是實行平峰轉供的基礎，供熱初、末期熱電聯產機組以較低的采暖熱指標對外供熱，有利于擴大區域供熱面積，緩解供熱壓力。

(3)熱電聯產機組可在保證供熱的條件下維持“以熱定電”模式下的最大電負荷運行，在提高經濟性的同時保證機組安全穩定運行。機組在高峰期轉供的部分熱量不僅可以降低運行成本，還可增加供熱收益。

(4)平峰轉供可以為熱電聯產機組帶來可觀的收益，但在城市規模逐年擴大的情況下，集中供熱的發展無法滿足熱用戶增多的需求，如何提高未來城市集中供熱覆蓋率是能否實現平峰轉供的關鍵。

參考文獻：

[1] 龐樂，王寶玉，黃立彬.熱、電負荷分配的經濟效益分析[J].中國電力，2016，49(4)；131-133.

[2] 俞金樹.大流量抽汽工況下汽輪機運行方式綜合優化策略[J].熱能動力工程，2017，32(6)；123-128.

[3] 萬杰，許天寧，李澤等.熱電聯產機組抽汽供熱期的汽輪機滑壓運行優化辦法[J].節能技術，2015，33(1)；33-37.