熱電聯產機組熱電解耦技術對比分析

王子杰，顧煜炯，2，劉浩晨，李長耘

（1 華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2 華北電力大學國家火力發電工程技術研究中心，北京 102206）

可再生能源發電設備在中國的裝機數量不斷增加，其發電量在電網中所占比重越來越大。而隨著中國城鎮化步伐的加快，在冬季供暖期間，因“供熱”導致三北地區棄風、棄光問題依然非常嚴重。造成這種問題的主要原因在于電廠“熱電耦合”作用導致機組調峰能力大幅下降。因此，國家出臺相關政策提倡發電企業進行機組靈活性改造，地方政府根據機組的調峰能力設置了相關調峰補償管理辦法。

通過現有技術可以解耦電廠“以熱定電”的約束，提高機組的調峰能力。目前主流的熱電解耦技術主要包括耦合熱泵、電鍋爐、蓄熱罐運行、低壓缸光軸運行以及低壓缸零出力等技術。陳永輝等研究得出采用電鍋爐對機組進行靈活性改造后可實現機組的上網電負荷接近零，大大提升了火電機組運行的靈活性。呂泉等分別研究了200MW、300MW 機組配置儲熱罐后對機組調峰能力的影響，結果表明配置儲熱罐后機組的調峰能力分別提高了21%和13%。張宇等以330MW 機組耦合熱泵為例研究了熱泵的熱電解耦性能及能耗，結果表明耦合熱泵可以提高熱電聯產機組的熱電比，降低機組上網電負荷。對供熱機組進行低壓缸零出力改造提高了機組運行的靈活性，同時擴大了機組的調峰范圍，提高了機組運行的經濟性。文獻[19]和文獻[20]研究了低壓缸光軸運行的熱電解耦能力及其運行的經濟性，采用低壓缸光軸運行可以提高機組的供熱能力，降低機組煤耗。

綜上所述，相關研究中對熱電聯產機組耦合熱電解耦技術后機組的熱力性能及解耦能力的對比分析還相對較少。因此，本文首先采用Ebsilon 軟件建立了600MW 機組熱力學模型；其次，使用Matlab 調用Ebsilon 模擬數據構建了機組的能耗模型；最后，基于能耗模型定量分析了600MW 熱電聯產機組耦合五種熱電解耦技術后機組供熱可行域的變化及可行域內機組能耗的分布規律，為電廠機組靈活性改造提供參考依據。

1 熱力學及能耗模型

1.1 案例機組熱力學模型

基于國內某600MW 汽輪機組熱力平衡圖，采用Ebsilon 建立了該機組的熱力系統模型。機組的主要性能參數見表1。以閥門全開工況（VWO）作為設計工況，機組采用“定滑”的運行方式，根據汽輪機熱力性能數據手冊對Ebsilon模型中鍋爐滑壓曲線及汽輪機缸效率曲線進行修正，機組在VWO-100%熱耗率驗收工況（THA）采用定壓運行，100%THA～30%THA采用滑壓運行方式。通過模擬機組100%THA、75%THA、50%THA、40%THA 和30%THA的電負荷數據與汽輪機熱力性能數據手冊中機組熱平衡圖數據進行對比，曲線修正前后誤差結果如圖1所示。從圖中可得，經過滑壓曲線和缸效率曲線修正后的模擬結果與機組熱平衡圖數據相比最大誤差小于0.5%，符合工程計算精度要求，驗證了所建機組熱力學模型的正確性。低壓缸零出力熱力學模型是通過調整低壓缸進氣量的同時關閉低壓加熱器后建立的；低壓缸光軸熱力學模型是通過將低壓缸效率調整為零的同時關閉低壓加熱器后建立的。

圖1 模擬結果相對誤差

表1 汽輪機主要性能參數

模型中機組的供熱以中壓缸排汽作為熱源，通過熱網加熱器加熱熱網回水，熱網加熱器將蒸汽溫度降到抽汽壓力下的飽和水溫度，且在供熱全工況中抽汽壓力保持不變。根據國內供熱實際運行情況，熱網供水溫度一般為90℃左右，因此假設熱網供回水溫度為90℃/60℃。本文中機組最小調峰率的計算方式是按照當前供熱負荷下系統最小輸出電負荷與機組最大電負荷（即機組純凝工況下最大出力）的比值，由式(1)計算。

式中，為機組最小調峰率，%；為機組供熱量為時系統輸出的最小電負荷，kW；為機組純凝工況下最大出力，kW。

1.2 能耗模型

輸入鍋爐的熱量與汽輪機所消耗的熱量及鍋爐效率、鍋爐管道效率有關，取值由式(2)計算。

式中，為輸入鍋爐的熱量，kW；為輸入汽輪機的熱量，kW；為鍋爐效率，%；為鍋爐管道效率，%。

機組的燃料消耗量由式(3)計算。

式中，為機組的燃煤消耗量，kg/s；LHV 為煤的低位發熱量，kJ/kg。

汽輪機消耗的熱量由式(4)計算。

式中，為主蒸汽流量，kg/s；為主蒸汽焓值，kJ/kg；為給水焓值，kJ/kg；為再熱蒸汽流量，kg/s；為再熱蒸汽焓值，kJ/kg；為高壓缸排氣焓值，kJ/kg。

機組的能量利用率為機組輸出能量與機組輸入能量的比值，由式(5)計算。機組輸入的能量主要包括煤的化學能，機組輸出的能量主要包括機組的發電量和供熱量。

式中，為機組的能量利用率，%；為機組的發電量，kW；為機組的供熱量，kW。

增加蓄熱罐后，在蓄熱罐放熱過程中系統的能量利用率由式(6)計算。

式中，為機組中蓄熱罐的放熱量，kW。

機組的?效率為機組輸出?與機組輸入?的比值，由式(7)計算。輸出?主要包括熱量?與電能?，輸入?主要為燃料的化學?。

式中，為機組的?效率，%；為機組的電能?；為機組供熱的熱量?；為機組輸入燃料的化學?。

增加蓄熱罐后，在蓄熱罐放熱過程中熱電聯產機組的?效率由式(8)計算。

式中，為機組中蓄熱罐釋放的熱量?。電能?由式(9)計算。

熱量?由式(10)～式(12)計算。

式中，為熱網循環水流量，kg/s；為熱網回水?；為熱網供水?；和為熱網供、回水的焓值，kJ/kg；和為熱網供、回水的熵，kJ/(kg·K)；為水在環境溫度下的焓值，kJ/kg；為水在環境溫度下的熵，kJ/(kg·K)；為環境溫度，K。

燃料的化學?由式(13)計算。

式中，HHV為燃料的高位發熱量，kJ/kg。

1.3 熱電解耦技術模型

假設電鍋爐、熱泵、蓄熱罐的最大放熱量為100MW，熱網水進出該設備的溫度均為60℃/90℃，低壓缸零出力、低壓缸光軸運行需要的冷卻蒸汽流量假設為40t/h。

電鍋爐的效率取98%，供熱消耗的電能由式(14)計算。

熱泵采用能效比（COP）為3的壓縮式熱泵，供熱消耗的電能由式(15)計算。

蓄熱罐采用常壓斜溫層蓄熱罐，忽略蓄熱罐的熱損失，熱源為熱網供水，冷源為熱網回水。蓄熱時熱網供水從罐體上部進入蓄熱罐，冷水從蓄熱罐下部排出進入熱網回水系統；放熱時，熱網回水從蓄熱罐下部進入罐體，熱水從蓄熱罐上部排出進入熱網供水系統。

2 結果分析與討論

2.1 供熱可行域

熱電聯產機組耦合熱電解耦技術后，供熱可行域的變化如圖2所示。圖2(a)中線段、、、所包圍的空間為案例機組的供熱可行域，由于熱電耦合的原因，當機組供熱負荷為500MW 時，機組發電量只能在～之間浮動，即在236.9～512.3MW之間調節。

機組耦合常壓蓄熱罐后，供熱可行域變為′′′，如圖2(b)所示。與傳統供熱機組相比耦合蓄熱罐后供熱可行域增加，′′′區域為蓄熱罐運行區域。當機組熱負荷為500MW 時，耦合蓄熱罐后電能的調節范圍由～變為～，機組的最大發電量由512.3MW 變為542.9MW，最小發電量由236.9MW 變為193.6MW，最小調峰率降低了約6.52%。

圖2 供熱可行域變化規律

機組耦合電鍋爐后，供熱可行域變為′′′，如圖2(c)所示。′′′區域為電鍋爐運行區域，線段′′、′′的范圍由電鍋爐最大放熱量決定。與傳統供熱機組相比，機組的最小發電量由點降到′點，這是由于電鍋爐將機組產生的一部分電能轉化為熱能。當機組熱負荷為500MW 時，耦合電鍋爐后機組電能的調節范圍由～變為～，最小發電量由236.9MW 變為91.6MW，最小調峰率降低了約21.86%。

圖2(d)中′′區域為機組耦合壓縮式熱泵后的供熱可行域。′′區域為熱泵運行區域，線段′′的范圍由熱泵最大熱負荷決定。當熱負荷為500MW 時，機組耦合電鍋爐后，電能的調節范圍由～變為～，最小發電量由236.9MW變為160.3MW，最小調峰率降低了約11.5%。

低壓缸零出力改造可以使機組在高背壓與抽凝兩種運行方式靈活切換，如圖2(e)所示。線段′′是機組以高背壓運行時，發電量與供熱量的關系曲線，供熱負荷變化范圍為326.1～927.9MW。當熱負荷為500MW 時，機組以抽凝方式運行時，電能調節范圍與圖2(a)一致，當機組以高背壓方式運行時發電量為。機組的最小發電量由236.9MW 變為134.6MW，最小調峰率降低了約15.39%。

低壓缸光軸運行供熱可行域[圖2(f)]與低壓缸零出力相比，供熱范圍相同，但發電負荷稍低。這是由于低壓缸零出力機組并未切除低壓缸運行，通入低壓缸的冷卻蒸汽仍會推動汽輪機低壓缸轉子出力，而光軸運行由于切除了低壓缸葉片，通入的冷卻蒸汽只起到冷卻作用。當熱負荷為500MW 時發電量為，與圖2(a)對比可得機組最小發電量由236.9MW 變為134MW，最小調峰率降低了約15.48%。采用低壓缸光軸運行并未實現真正意義上的熱電解耦，當外界熱負荷小于326.1MW時，進行低壓缸光軸改造后機組無法投入運行，同時當供熱量一定時發電量也為定值，無法實現機組的靈活運行。然而目前電廠并非單臺機組運行，以雙機組為例，當外界負荷高于光軸機組運行最小熱負荷時，其中一臺機組采用低壓缸光軸運行，一臺機組采用抽凝進行調峰運行，同樣可以實現機組靈活運行。

低壓缸光軸運行在供熱季及非供熱季需對低壓缸轉子進行頻繁更換，改變了機組的靜平衡與動平衡，從而增加了機組的軸系震動，不利于機組的穩定運行。與此同時，低壓缸零出力改造雖然可以解決低壓缸光軸運行時的弊端，但機組頻繁調峰會使低壓加熱器等部件頻繁投入和退出運行，加速設備的疲勞損壞，從而降低了設備的使用壽命。

2.2 供熱可行域內能量利用率分布規律

能量利用率為系統輸出能量與輸入能量的比值，機組的能量利用率可以反應機組運行的經濟性，能量利用率越高，系統經濟性越好。機組耦合熱電解耦技術后，能量利用率會發生相應變化，因此本文分析了熱電聯產機組耦合熱電解耦技術后供熱可行域內能量利用率的變化情況，如圖3、圖4所示。

圖3(a)為傳統熱電聯產機組供熱可行域內能量利用率的分布規律。圖中虛線表示機組運行方式的分界線，虛線以上機組采用定壓運行，虛線以下機組采用滑壓運行，如1.1 節中所述。機組的能量利用率主要由供熱量決定，隨著供熱量和發電量的增加，能量利用率從39.22%逐漸增加至82.79%。耦合蓄熱罐、電鍋爐和壓縮式熱泵的機組能量利用率變化與傳統熱電聯產機組相似，從圖3(b)～(d)中可得三種熱電解耦技術的最大能量利用率分別為83.98%、82.79%、87.74%，且分布在新增區域。雖然三種熱電解耦技術的最大供熱量相同，但三種熱電解耦技術的解耦原理不同導致最大供熱量所對應的發電量不同，從而影響了機組的能量利用率。

圖3 供熱可行域內能量利用率分布規律

機組進行低壓缸零出力改造后，以抽凝方式運行時，供熱可行域內能量利用率的分布與傳統熱電聯產機組相同，而采用高背壓運行時與低壓缸光軸運行情況相似，因此本文只分析低壓缸光軸運行的能量利用率，如圖4所示。與傳統熱電聯產機組及其他熱電解耦技術相比，采用低壓缸光軸運行使能量利用率大大增加，供熱可行域內能量利用率最大值約為89.2%，最小值約為87.5%。這是因為采用高背壓供熱可以將低壓缸在低負荷部分的衰減損失及機組的冷凝損失全部回收利用。

圖4 低壓缸光軸供熱機組能量利用率分布規律

2.3 供熱可行域內?效率分布規律

能量有高低品位之分，電能屬于高品位能源，而熱能屬于低品位能源，單純從“量”的角度不能準確分析設備的能耗。因此，本文引入?效率，從“質”與“量”上綜合評價不同熱電解耦技術對機組性能的影響，如圖5、圖6所示。

傳統熱電聯產機組供熱可行域內?效率的分布規律如圖5(a)所示。機組運行方式不同導致?效率在供熱可行域內變化規律不同，圖中虛線為機組運行方式的分界線，與圖3(a)中虛線含義相同。從圖中可得，電能對熱電聯產機組?效率的影響起決定性作用，隨著機組發電量的降低和供熱量的增加，機組的?效率逐漸降低，在最小電負荷時機組的?效率最低為34.35%。

機組耦合蓄熱罐、電鍋爐和壓縮式熱泵后，供熱可行域內?效率分布如圖5(b)～(d)，與圖5(a)對比分析可得，供熱可行域內的?效率分布與傳統熱電聯產機組相似，最大?效率點在原供熱可行域內，最小?效率點分布在新增供熱可行域中。新增區域?效率的變化趨勢與傳統供熱可行域內?效率的變化趨勢相比，壓縮式熱泵與電鍋爐使?效率呈減小趨勢，蓄熱罐使?效率呈增加趨勢。這是由于電鍋爐和壓縮式熱泵通過消耗高品位的電能產生低品位的熱能，從而導致系統的?效率降低，但由于熱泵的COP值大于1，消耗相同的電能產生的熱量比電鍋爐多，因此采用熱泵時系統的?效率比電鍋爐高。

圖5 供熱可行域內?效率分布規律

?效率只討論低壓缸光軸運行，具體原因上節已經闡述。圖6 為低壓缸光軸運行的?效率曲線。隨著供熱量和發電量的增加?效率從32.93%逐漸增加至38.98%。該運行方式與傳統熱電聯產機組相比?效率有所下降，這是由于高背壓機組將高品位的蒸汽轉變為了低品位的熱能，而高背壓機組即使回收了大量的冷凝損失，但仍不足以與大溫差換熱造成的不可逆?損失保持平衡。

圖6 低壓缸光軸供熱機組?效率分布規律

4種熱電解耦方式在供熱可行域內最小?效率的對比如圖7所示。?效率最小的為電鍋爐，其值為17.79%；壓縮式熱泵?效率為32.52%與光軸運行（32.93%）相差不大；?效率最大的為蓄熱罐，值為34.35%。結合2.1 節和2.2 節中熱電解耦能力與能量利用率綜合分析4種熱電解耦方式的能耗特性可得，采用壓縮式熱泵和光軸運行可以增加較多的最小調峰能力及獲得較高的能量利用率和?效率，然而采用光軸或低壓缸零出力技術會影響機組壽命與安全運行。綜合機組壽命與運行安全、熱電解耦能力、能量利用率和?效率分析，機組采用壓縮式熱泵可以提高機組運行的經濟性，當機組仍不能滿足外界負荷需求時可采用壓縮式熱泵與蓄熱罐耦合運行。

圖7 供熱可行域內最小?效率對比

3 結論

熱電聯產機組通過耦合熱電解耦技術可以提高機組運行的靈活性，減少棄風、棄光率。本文建立了600MW 機組的熱力學模型，分析了熱電解耦技術對機組供熱可行域及可行域內機組熱力性能的影響，得出以下結論。

（1）熱電解耦技術可以增加機組的供熱可行域范圍，同時提高機組的調峰能力。當外界熱負荷為500MW 時，與傳統熱電聯產機組相比，耦合熱電解耦技術后機組最小調峰能力由大到小分別為：電鍋爐＞低壓缸光軸運行＞低壓缸零出力＞壓縮式熱泵＞蓄熱罐。

（2）傳統供熱機組的能量利用率隨著供熱量和發電量的增加而增加，且機組的供熱量對能量利用率起決定性作用。機組耦合蓄熱罐、電鍋爐和熱泵后供熱可行域中最大能量利用率分別為83.98%、82.79%、87.74%，低壓光軸運行能量利用率最高為89.2%。

（3）電能在傳統熱電聯產機組中對?效率的影響起決定性作用，隨著機組發電量的降低和供熱量的增加，機組的?效率逐漸降低。耦合熱電解耦技術后，供熱可行域中?效率最小的為電鍋爐，其值為17.79%；其次為壓縮式熱泵，值為32.52%；低壓缸光軸運行?效率為32.93%；蓄熱罐?效率為

34.35%。

（4）采用電鍋爐可以大大降低機組最小電負荷，但電鍋爐的能量利用率與?效率在所有熱電解耦技術中最低，因此采用電鍋爐不符合節能減排要求。綜合解耦能力、機組安全性、設備使用壽命及能耗分析，熱電聯產機組采用壓縮式熱泵或壓縮式熱泵與蓄熱罐耦合運行是種節能的熱電解耦方式。