基于热能深度梯级利用的耦合供热变工况研究

乔加飞，梁占伟，张磊，王顺森

(1. 国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京 102209；2. 国能国华（北京）电力研究院有限公司，北京 102209；3. 西安交通大学 能源与动力工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

当前，控制温室气体排放以应对气候变化已在全球范围达成共识[1-2]。2020年中国提出“双碳”目标，彰显了中国在应对全球气候变化的积极态度[3-4]。在相当长时期内，中国电力生产仍以燃煤发电为主，燃煤发电占全国碳排放总量的30%以上[5-6]。探索热电联产机组高效发电和供热耦合技术是提高供电和供热效率、降低煤耗以及减少CO2排放的有效路径之一。

近年来，相关学者针对热电联产机组高效供热技术开展了探索研究。文献[7]研究了燃气热电联产机组耦合地源热泵供热方法，对比了该方法与燃气锅炉直接供热方法的二氧化碳减排特性，表明该方法可减少55%二氧化碳排放。文献[8]建立热电联产机组热量和㶲分析模型，研究了热电联产机组高背压供热温度特性，并提出了高背压排汽加热二次风的方法，解决了供热负荷较低时供电负荷受限的问题。文献[9]设计了6种灵活性供热方式，并提出了灵活性控制方法，通过工程试验提升了机组的发电量。文献[10]以300 MW机组为例开展了高低压旁路供热技术研究，结果表明高低压旁路供热不仅增加了经济效益，而且提升了机组的调峰灵活性。文献[11]针对660 MW空冷机组提出了汽轮机低压缸双背压供热方法，计算结果表明机组发电煤耗降低了6.8 g/(kW·h)，供热能力和调峰能力均提升15%。文献[12]研究了双抽供热机组的供热和运行特性，建立了热负荷和电负荷分配模型，得到了双抽供热方式下的热、电负荷最佳分配方案。文献[13-14]研究了双机多种耦合供热技术，建立了基于㶲分析的能效评价模型，得到了不同耦合供热方式供热煤耗、供电煤耗以及供热能力。文献[15]建立了多机组供热模式能耗分析模型，提出煤耗量优化模型，优化了厂内供热分配，降低了煤耗量。文献[16]研究了空冷机组高背压供热的经济性，通过对比不同供热期的高背压供热和抽汽供热，得到了空冷机组高背压供热的节能减排优势。文献[17]利用参比机组法研究了热网循环泵驱动方式对供热经济性的影响，结果表明由蒸汽驱动热网循环泵方式的煤耗率低于电驱动方式。

热电联产机组“以热定电”运行方式限制了机组的灵活性，为了提高热电联产机组的调峰能力，满足电网调度要求，热电联产机组不断升级改造，具备了一定的调峰能力。文献[18]综述了不同的热电联产调度模型，为调度模型的研究指明了方向。文献[19]提出了变分模态分解耦合深度信念网的冷热电负荷预测模型，实现了用户冷热电负荷的准确预测。文献[20]建立了以运营成本最优为目标的热电联产调度模型，可实时调整热电联产机组、储能等能源形式的运行状态。文献[21]建立了热电联产机组的运行特性模型，优化了热电负荷调度，提高了机组的调峰能力。

为了保证热电联产机组优化调度和变工况下的高效运行，本文提出了基于热能深度梯级利用的热电联产机组耦合供热系统，建立了基于热分析法的热电联产机组供电和供热能耗评价模型，基于热力系统集成优化软件（thermal power integration scheme, TPIS）仿真计算了热电联产机组耦合供热系统的能耗，研究了耦合供热系统变工况供热温度和供电供热能耗，为热电联产机组节能减碳提供技术支撑。

1 研究对象

1.1 机组热力系统

以某热电联产电厂的2台600 MW湿冷机组和2台660 MW空冷机组为研究对象，4台机组的额定参数见表1。

表1 机组额定参数Table 1 Nominal parameters of the unit

热电联产电厂已完成4台机组的通管抽汽供热改造。1、2号机组单台额定抽汽量为500 t/h，3、4号机组单台额定抽汽量为400 t/h。电厂建设热网首站1座，站内包括热网循环水泵、疏水泵以及热网加热器。每台机组分别对应1台热网加热器和疏水泵，4台热网循环水泵为公用的调速泵。4台热电联产机组抽汽供热能力可达到约1 400 MW。

1.2 耦合供热系统

为了提升供热能力，满足周边供热需求，同时实现热电联产机组热能的深度梯级利用，提出了耦合供热系统方案。该系统将1、3号机组组合为一个热电联产单元，将2、4号机组组合为一个热电联产单元。以1、3号热电联产单元为例的耦合供热系统如图1所示。

图1 耦合供热系统Fig. 1 Illustration of coupling heat supply system

由图1可知，1号机组连通管抽汽先进入增建的1号背压机，进而带动热网循环泵，1号背压机排汽进入凝汽器加热热网回水；3号机组为空冷机组，增建高背压凝汽器，通过调整进入高背压凝汽器和空冷岛的排汽量，实现3号机组高背压供热；3号机组连通管抽汽先进入增建的2号背压机，进而带发电机供厂用电，2号背压机排汽进入凝汽器加热热网回水；原1、3号机组热网加热器利用连通管抽汽作为尖峰热源加热热网回水。综上，耦合供热系统采用了3号机组高背压供热方式、1号机组对应的1号背压机排汽供热方式、3号机组对应的2号背压机排汽供热以及1、3号机组抽汽尖峰供热，实现热能深度梯级利用，提高了热能利用效率，减少了热电联产机组的煤炭消耗。

2 研究方法

2.1 热力系统仿真模型与验证

采用TPIS软件搭建了热力系统仿真模型，如图2所示。仿真计算了4个不同工况的发电量，并将其与设计发电量比较，以验证本文热力系统仿真模型的准确性。仿真计算和设计发电量相对误差（δR）对比结果如图3所示。由图3可知，600 MW亚临界机组的最大相对误差为0.730%，660 MW超临界机组的最大相对误差为0.640%。由此可见，本文建立的热力系统仿真模型计算结果满足工程要求。

图2 热力系统仿真模型Fig. 2 Simulation model of thermal system

图3 热力系统仿真验证结果Fig. 3 Simulation results of thermal system

2.2 热分析模型

3 结果与分析

基于热能深度梯级利用的耦合供热系统涉及多种供热方式，这些供热方式在不同供热期内耦合供热以满足热用户需求。本文分4种工况开展仿真研究。

耦合供热方式Ⅰ：1号机组抽汽进入1号背压机排汽供热；

耦合供热方式Ⅱ：1号机组抽汽进入1号背压机排汽供热，3号机组高背压供热；

耦合供热方式Ⅲ：1号机组抽汽进入1号背压机排汽供热，3号机组高背压供热，同时3号机组抽汽进入2号背压机排汽供热；

耦合供热方式Ⅳ：1号机组抽汽进入1号背压机排汽供热，3号机组高背压供热，3号机组抽汽进入2号背压机排汽供热，同时1、3号机组抽汽供热。

3.1 供热温度特性

4种供热方式的供热温度特性如图4所示。进入供热期应先启动汽动热网循环泵，同时启动1号背压机对应的热网加热器。耦合供热方式Ⅰ的热网供水温度随着3号机组负荷的增加基本保持在44℃不变。耦合供热方式Ⅱ的热网供水温度随3号机组负荷的增加而逐渐增加。耦合供热方式Ⅱ是在供热方式Ⅰ的基础上增加了3号机组高背压供热，3号机组高背压供热可以通过调整进入空冷岛和高背压凝汽器的排汽比例来调整供水温度。因此，耦合供热方式Ⅱ的热网供水温度可由55℃调整至68℃。

图4 供热温度特性Fig. 4 Characteristics of heating temperature

耦合供热方式Ⅲ是在供热方式Ⅱ的基础上增加了2号背压机排汽供热，耦合供热方式Ⅲ的热网供水温度随着3号机组负荷的增加而逐渐增加至75℃，但并未随着1号机组负荷的增加而变化。

耦合供热方式Ⅳ是在供热方式Ⅲ的基础上增加了抽汽供热，其热网供水温度随着1、3号机组负荷的增加而逐渐增加，主要是因为随着1号机组负荷的增加，允许的最大抽汽量也随之增加，供热量增加，供热温度也逐渐增加。

3.2 变工况下机组热效率

耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的机组热效率如图5所示。由图5可知，3种耦合供热方式的机组热效率均随着1号机组的负荷增加而降低，主要是由于供热可以显著提高机组的热效率，不同负荷下1号机组的供热量变化不大，随着1号机组负荷的增加导致供热量占比降低，机组热效率相应降低。耦合供热方式Ⅳ增加了1号机组的抽汽供热，显著提高了1、3号机组的总体热效率，尤其是1号机组高负荷工况，机组热效率增加更加明显。

图5 机组热效率Fig. 5 Thermal efficiency of the unit

3种耦合供热方式的机组热效率均随着3号机组的负荷增加而增加，主要是由于3号机组高背压供热可以通过调整进入空冷岛和高背压凝汽器的排汽比例来调供水温度，供热温度可由44℃调至68℃，供热量增加是引起机组热效率增加的主要原因。耦合供热方式Ⅲ是在供热方式Ⅱ的基础上增加了3号机组抽汽进入2号背压机排汽供热，供热量增加使得供热方式Ⅲ的机组热效率比方式Ⅱ有所增加。耦合供热方式Ⅲ的机组热效率随3号机组负荷的增加而显著增加，这是由于随着3号机组负荷的增加，抽汽量增加，2号背压机的供热量随之增加。耦合供热方式Ⅳ是在方式Ⅲ的基础上增加了3号机组抽汽供热，供热量的增加使得方式Ⅳ的机组热效率比方式Ⅲ有所增加。机组热效率随着3号机组负荷的增加而增加，主要是由于热电转换效率和3号机组抽汽供热量增加引起的。

3.3 变工况下热指数

耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的热指数变化如图6所示，由热指数的定义可知，热指数越高供热能耗越低。耦合供热方式Ⅱ的热指数随1号机组负荷的增加先增加后降低。耦合供热方式Ⅲ的热指数随1号机组负荷的增加而逐渐降低。耦合供热方式Ⅳ的热指数随1号机组负荷的增加而增加，且1号机组不同负荷的热指数相差较大，表明耦合供热方式Ⅳ的供热能耗随1号机组负荷的增加而大幅降低。

图6 热指数Fig. 6 The heat index

耦合供热方式Ⅱ的热指数随3号机组负荷的增加而增加，但增加幅度逐渐变缓，说明随着3号机组负荷的增加其供热能耗越来越低。耦合供热方式Ⅲ、Ⅳ的热指数均随着3号机组负荷的增加而增加，且增加幅度逐渐变大。

3.4 变工况下供电煤耗

耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的供电煤耗随负荷的变化情况如图7所示。由图7可知，3种耦合供热方式的供电煤耗均随着1号机组负荷的增加而增加，主要是因为随着1号机组负荷的增加，供热量在1号机组总输入热量的占比降低，即供热量相对于总输入热量的份额降低，导致供电煤耗增加。3种耦合供热方式的供电煤耗均随着3号机组负荷的增加而降低，一方面随着3号机组负荷的增加，3号机组排汽量逐渐增加，供热量相应增加，进而供电煤耗有所降低；另一方面，随着3号机组负荷的增加，抽汽量增加，供热量也相应增加，从而供电煤耗也有所降低。

图7 供电煤耗Fig. 7 The coal consumption of power supply

4 结论

（1）耦合供热方式Ⅰ的供水温度随着1、3号机组负荷的增加基本保持在44℃不变；耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ的供水温度随着3号机组负荷的增加而升高，分别可增至68℃和75℃；耦合供热方式Ⅳ的供水温度随着1、3号机组负荷的增加而逐渐增加，最高可达到90℃。

（2）热指数随着机组负荷变化呈现不同的变化趋势：耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的热指数均随着3号机组负荷的增加而增加；耦合供热方式Ⅱ的热指数随着1号机组负荷的增加先增加后降低；耦合供热方式Ⅲ的热指数随着1号机组负荷的增加逐渐降低；耦合供热方式Ⅳ的热指数随着1号机组负荷的增加而大幅降低。

（3）耦合供热方式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的机组热效率均随着1号机组负荷的增加而降低，随着3号机组负荷的增加而增加，机组热效率为63%～80%；相应地，3种耦合供热方式的供电煤耗均随着3号机组负荷的增加而降低，均随着1号机组负荷的增加而增加，该结果可为机组变工况优化运行提供指导。