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摘要：在电力行业的发展以节能降耗为主的背景下，低能耗供热、供热灵活性改造、长输低能耗热网技术成为热电联产机组供热技术发展的重要课题。本文对目前热电联产机组供热技术进行研究，总结对比了常见的供热技术方案，分析了供热灵活性改造、长输低耗热网技术，为降低燃煤机组集中供热能耗，合理选择热电联产机组的供热方式和改造方案提供了指导。
关键词：热电联产机组；供热技术；灵活性改造；长输低耗热网
Analysis on Heating Supply Technology and Flexible Transformation of Combined Heat and Power Unit
Abstract：Saving energy has become a main developing trend of power industry. Against this background，heat supply with low energy consumption，flexible transformation of heat supply and long-distance heat-supply network are three important issues of heat supply technology of combined heat and power unit. This paper research different heat supply technologies and contrast the common technologies. Besides，flexible transformation of heat supply and long-distance heat-supply network technology are analyzed. This paper can offer guidance to the reasonable selection of heat supply mode and renovation scheme which can decrease the energy consumption of heat supply
Key words：combined heat and power unit；heat supply technology；flexibletransformation；long-distance heat-supply network
引言
在国家控制能源消费总量，加强节能降耗，支持节能低碳和新能源、可再生能源发展的背景下，热电联产机组节能减排优势更加凸显。节能减排是实现我国经济社会可持续性发展的基本国策，对于电力行业，通过热电联产机组进行集中供热是实现国家节能减排的一项重要措施[1，2]。在我国三北地区，热电联产机组比重大，水电、纯凝机组等可调峰电源稀缺。以东北电网为例，冬季采暖期，热电机组按照“以热定电”方式运行，供热机组调峰能力仅为10%左右[3]。因调峰困难带来的后果也十分明显：一是电网低谷电力平衡异常困难，调度压力巨大，增加了电网安全运行风险[4]；二是电网消纳风电、光电及核电等新能源的能力严重不足，弃风问题十分突出，不利于地区节能减排和能源结构转型升级[5]；三是电网调峰与火电机组供热之间矛盾突出，影响居民冬季供暖安全，存在引发民生问题的风险[6]。因此，积极开展热电联产机组供热技术研究及灵活性优化，提高机组的调峰能力已十分必要。
目前国内已有多家企业及多位学者专家围绕热电联产煤机组的供热技术开展研究。各主机设备厂家都结合生产的主机设备特点推出了多种供热技术方案。以西安热工院为代表的电科院结合工程实践提出了切除低压缸等灵活性供热改造技术。裴哲义等人提出了主蒸汽减温减压供热等4种供热机组热电解耦方案，并分析不同热电解耦方式的风电消纳能力及煤耗水平[7]。刘振宇对燃煤电厂回收乏汽供热的技术路线进行了研究[8]。戈志华对大型纯凝机组的供热改造的节能收益进行了建模分析，提出了基于能量梯级利用的供热节能改进方案[9]。刘刚分别针对供热机组及纯凝机组提出不同的灵活性改造技术路线，提出火电机组在灵活性改造时的合理性建议[3]。
在热电联产供热技术的发展以节能降耗为主的背景下，清洁供热，灵活性改造及长输低能耗热网水网输送技术成为热电联产机组供热技术发展的重要课题。
1常见供热技术及应用
热电联产机组供热技术种类繁多，根据技术类型分类，可以分为抽汽供热技术、背压机供热技术、抽凝背供热技术、热泵供热技术和高背压供热技术。
1.1抽汽供热技术
目前热电联产供热机组多数采用抽汽供热，将在汽轮机内做过功的蒸汽抽出对外供热，降低冷源损失，提高机组效率。但由于汽轮机低压缸在高速转动过程中需要有最低的冷却流量，因此并不能完全将所有蒸汽抽出，冷源损失仍然存在。抽凝式供热机组发电量不受外部热负荷的约束，是既发电又能供应热负荷的供热机组。抽凝式供热机组主要系统如图1所示。
图1 抽凝式供热机组示意图
随着国家能源政策的调整及电厂所在地区的热负荷需求的增加，对老的纯凝机组特别是中小容量的纯凝机组进行供热改造是提高机组循环热效率，提高机组运行经济性的重要手段。
（1）纯凝机组改供热机组的本体改造
纯凝发电机组改为供热机组的本体改造主要是抽汽供热。在凝汽式汽轮机的调节级或某个压力级后引出一根抽汽管道，通过逆止阀、快关阀及调节阀接至热网首站加热器，并可配置一个调压器，实现调整抽汽口压力或抽汽量的目的抽汽供热主要有三种的方式：连通管抽汽、回转隔板、汽轮机本体打孔抽汽。
（2）增加背压机的抽凝改供热本体改造
连通管上打孔抽汽时，由于抽汽压力往往高于所需求的供热压力，造成可用能的节流损失。为解决这一问题，基于能量梯级利用的原理，增加前置式背压机，将较高压力的抽汽先做功发电后再进行供热，产生电能基本满足厂用电，同时热网循环水泵采用背压机驱动，大大减少厂用电。华能某热电厂2×680MW机组应用此改造方案后，供热标煤耗下降27g/kWh，工程静态投资2.9亿，投资回收期3年。
1.2背压机供热
为了最大限度利用热能，提供循环热效率，背压机的蒸汽进入汽轮机膨胀做功后以高于大气压的压力排出，该排汽对外供热，承担工业和采暖热负荷的基本负荷。背压式汽轮机取消了回热加热器后，增加了机组发电与供热能力，但引起给水温度下降，发电煤耗升高。背压机组盈利的条件是增加的供热量与发电量的经济附加值大于煤耗升高引起的成本费用增加。由于背压机组是以热定电，如果机组热化系数过大，在整个供热期内过多的偏离设计工况运行，反而会降低经济效益，同时随着煤耗增加，污染物排放增加。背压机供热的原理图如图2所示。
图2 背压机供热原理图
1.3凝抽背供热技术
凝抽背是在联合循环机组基础上开发的新型机组。将汽轮机的高中压部分与低压部分通过离合器连接，由热端带动发电机，具有凝汽、抽汽、背压3种运行功能。根据热负荷的变化进行切换，在热负荷超过抽汽模式的供出量时，可以切除低压部分，机组按背压方式运行。该技术的优点是运行灵活，背压运行时几乎无冷源损失，但目前运行经验较少。
1.4热泵供热技术技术
汽轮机凝汽器排汽压力低（机组背压4～8kPa），冷凝温度低（20～40℃），因此余热的特点是品位较低，达不到直接供热要求。在电厂设置热泵吸取循环水余热是实现余热利用，提高供热效率的有效方式。热泵利用汽轮机抽汽驱动可回收利用各种低品位的余热或废热，达到节能减排降耗的目的。电厂余热回收使用的热泵包括吸收式热泵及压缩式热泵。
吸收式热泵是以蒸汽为驱动热源，溴化锂浓溶液为吸收剂，水为蒸发剂，利用水在低压真空状态下低沸点沸腾的特性，提取低位余热源的热量，通过吸收剂回收热量并转换制取工艺性或供暖用的热水。主机包括蒸发器、吸收器、冷凝器、再生器、冷凝器等所组成的热交换的组合体，另外还包括蒸汽调节系统以及先进的自动控制系统。
压缩式热泵主要由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、制冷剂、载冷剂、制冷管路、电气控制元件组成，是通过电力或蒸汽驱动压缩机，使制冷剂产生蒸发、冷凝循环实现热泵功能的装置。压缩式热泵需要消耗机械功完成余热和废热的回收，可采用蒸汽驱动、电力驱动，电厂主要用蒸汽驱动。
1.5高背压供热技术
高背压供热改造技术是将凝汽器中乏汽的压力提高，即降低凝汽器的真空度，提高冷却水温，将凝汽器改为供热系统的热网加热器，而冷却水直接用作热网的循环水，充分利用凝汽式机组排汽的汽化潜热加热循环水，将冷源损失降低为零，从而提高机组的循环热效率。高背压供热技术具有投资较低，供热量大，热效率高等优势，是未来大型热电联产机组的重要发展方向。
迄今为止，国内在低真空供热改造方面包括汽轮机本体、凝汽器和系统的改造设计及工程实施等都积累了丰富的经验。采用不换转子技术、单转子技术、双背压双转子互换技术、叶片拆除与重装技术、光轴技术等方案消除冷源损失，增大供热能力，提高热电厂的热效率。但对于这几种高背压供热方式，其满足运行的边界条件有较大差别。
双背压双转子互换供热改造技术是近几年快速发展的一种高效供热技术。供热期汽轮机采用专门制造的高背压供热低压转子，提高汽轮机的排汽背压，由热网循环水充当凝汽器循环冷却水。非供热期采用纯凝低压转子，凝汽器循环水切换到原循环冷却水供水状态，即汽轮机恢复原纯凝工况运行。该技术可以很好地满足供热需求，非供暖期可以保证纯凝设计运行工况。
高背压循环水供热改造技术是将凝汽器中乏汽的压力提高，提高冷却水温，将凝汽器改为供热系统的热网加热器，而冷却水直接用作热网的循环水，充分利用凝汽式机组排汽的汽化潜热加热循环水，将冷源损失降低为零，从而提高机组的循环热效率。高背压循环水供热原理如图3所示。
图3 高背压循环水供热原理图
1.6供热技术比较
表1是目前各类供热技术的比较。选取了目前较为常用的常规抽汽供热、高背压供热、抽凝背供热、热泵供热共4种供热技术，对各技术的适用场合、技术方案、优缺点、供热能力、节能效果、投资等方面进行了比较。
表1 各类供热技术的比较
2供热技术的优化研究
2.1 灵活性改造
热电联产电厂由于输出的有热能和电能两种能量形式，如果增加储能设施，可以将多余的热能、电能通过储能设施转变成热能储存起来，在用电低谷时，通过减少上网电量，增加光电、风电的上网电量，避免由于“以热定电”运行出现“风热冲突”，达到电网深度调峰目的。
目前常见的灵活性改造主要包括蓄热调峰技术、汽轮机旁路供热技术、电锅炉供热技术和低压缸切除技术。
（1）蓄热调峰技术
蓄热调峰技术通过设置储热罐（热水/熔岩罐等）存储热量，作为电网负荷较低时机组供热抽汽的补充，从而间接实现热电解耦。以热水储热为例，在电网高峰时段，增加供热抽汽加热热网循环水并储存在储热罐中，电网低谷时段，由储热罐储存的热水对外供热。其优点是不改动主机，热力系统改造较小，等效于抽汽供热。缺点是改造投资大，储热罐占地面积大。
（2）汽轮机旁路供热技术
汽轮机旁路分为低压旁路和高压旁路。汽轮机旁路供热方案通过对机组旁路系统进行改造，使得机组运行时，主再热蒸汽的部分或全部能够通过旁路对外供热，实现机组热电解耦。通过汽轮机旁路进行供热可达到“停机不停炉”的效果，再热阀参与调解，该方案改造改造方案简洁，投资小，但供热经济性较差，需要解决蒸汽流量匹配问题。运行时需要考虑高压缸末级叶片强度限制，再热温度偏低，机组轴向推力等问题。
（3）电热锅炉供热技术该技术为在热源侧设置电热锅炉，电热锅炉出口安装必要的阀门、管道连接至热网系统。在热电联产机组运行时，根据需求，调节电锅炉用电量（转化为热量）实现热电解耦，达到满足电热需求的目的。机组采取加装电锅炉改造后，电锅炉功率可以根据热网负荷需求实时连续调整，调整响应速率快，运行较为灵活，电负荷甚至可降至“0”，机组深度调峰幅度较大。目前主要设备有直接电热锅炉和蓄热式电加热锅炉。其优点是不改动主机，热力系统改造较小。缺点是改造投资大，占地面积大、单机容量小、热经济性差。
（4）切除低压缸供热技术
切除低压缸方案是在供热期采用可完全密封的液压蝶阀切除低压缸原进汽管道进汽，将该部分蒸汽用来供热，同时，通过新增旁路管道通入少量的冷却蒸汽，用于带走低压转子转动产生的鼓风热量，使低压缸在高真空条件下“空转”运行，实现低压缸“零出力”，从而大幅减少冷源损失，显著降低发电功率，在保障供热需求或提高机组供热能力的情况下，提高机组的电调峰能力和供热经济性，具有显著的社会效益、环保效益显著。其原理见图4。
图4 切除低压缸方案原理示意图
该技术于2016年由西安热工研究院作为技术总牵头率先在华能临河1号330MW机组进行了试验探索。2017年接着实施了华能临河2号330MW机组、国电延吉1号200MW机组、国家电投辽宁东方1号350MW机组、华能天津杨柳青7号300MW机组等改造项目。
2.2长输低耗热网
长输低耗热网的主要由厂内热源、长输供热管线及市区热网及热力站组成，输送距离可达到40公里。目前长输低耗热网技术已在太原古交主管线工程中得到应用。工程总投资48亿元，敷设四根DN1400供热主管道37.8千米（两供两回）。济南也正在建设由章丘电厂向济南市区供热的供热工程，供热能力可达1950万平方米。
长输低耗热网相对与常规设计热网在输送介质压降、温降和质量损耗方面优势明显。常规设计蒸汽管网压降每公里0.06-0.1MPa，蒸汽管网温降每公里一般10℃，常规设计总质量损耗一般5%-10%。长输低耗热网压降每公里0.03-0.06MPa，蒸汽管网温降每公里5℃-8℃，常规设计总质量损耗3%-5%。通过采用旋转补偿器、隔热节能管托、优质保温材料、成型保温管道、钢套管地埋管道等技术可以进一步降低损耗，提高经济性。
对于热电联产电厂，长输低耗热网增加了供热距离，原有供热半径内蒸汽负荷量少的电厂可以增加供热距离和热负荷，同时通过利用热泵技术和高背压技术等可以进一步提高经济性。
3结论
本文对目前热电联产机组供热技术及应用进行深入研究，系统梳理总结了主要的供热技术方案及应用情况，并对主要供热方案进行对比，研究了供热灵活性改造、长输低耗热网技术，为降低燃煤机组集中供热的能耗，合理选择供热方式，高效设计、建设、优化热电联产机组提供了指导。
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论文作者:黄汝玲,苗井泉,尹书剑
论文发表刊物:《河南电力》2018年9期
论文发表时间:2018/10/22
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