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熱電聯(lián)產(chǎn)引言建筑節(jié)能在我國(guó)節(jié)能減排全局中占有重要地位，而北方城鎮(zhèn)供熱在我國(guó)建筑能耗中所占的比例最大(約占40％)，因此供熱節(jié)能是我國(guó)節(jié)能工作的重中之重。在北方城鎮(zhèn)的主要供暖方式中，熱電聯(lián)產(chǎn)因單位供暖煤耗遠(yuǎn)低于區(qū)域鍋爐和各類分散供暖方式(分戶燃?xì)夤┡碗姛峁┡?，是目前公認(rèn)的能源轉(zhuǎn)換效率最高的熱源形式。另一方面，當(dāng)前熱議的水源、地源熱泵供熱技術(shù)在北方地區(qū)得到了大力推廣，有些城市把這種形式作為應(yīng)用可再生能源的一種方式，并作為考核是否實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要標(biāo)志，但其實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果受到了置疑，文獻(xiàn)[1]指出，很難認(rèn)為電驅(qū)動(dòng)水源熱泵供暖是具有顯著節(jié)能效果的措施，北方地區(qū)的多數(shù)工程表明其能耗水平與大型燃煤鍋爐差別不大，只有在特定的條件下，才有可能低于大型燃煤鍋爐，而其能效完全不可能與熱電聯(lián)產(chǎn)方式相比。隨著城市規(guī)模的迅猛擴(kuò)張，我國(guó)很多地方出現(xiàn)了集中熱源不足的問(wèn)題，因供熱造成的城市環(huán)境與經(jīng)濟(jì)承載力問(wèn)題也日益凸現(xiàn)。然而，大容量、高參數(shù)供熱機(jī)組所產(chǎn)生的大量低壓缸排汽余熱目前基本上沒(méi)有得到利用，而是通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放到了這部分低品位余熱能量巨大，以北京市為例，6個(gè)主力熱電廠的總供熱能力約為4128MW，排放的循環(huán)水余熱量約為1240MW，如能將這部分余熱回收用于供熱，現(xiàn)有電廠的供熱能力可提高30％C2]。電廠循環(huán)水余熱利用存在的問(wèn)題是循環(huán)水的溫度通常比較低(冬季約為20～35℃)，達(dá)不到直接供熱的品位要求，需設(shè)法適當(dāng)提高溫度，可采用的方法有2個(gè)：一是降低排汽缸真空，提高乏汽溫度，即通常所說(shuō)的汽輪機(jī)組低真空運(yùn)行；二是以電廠循環(huán)水為低位熱源，采用熱泵技術(shù)吸取其中余熱實(shí)現(xiàn)供熱。汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)在理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的能效，國(guó)內(nèi)外都有很多成功的研究成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。但傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行技術(shù)因發(fā)電功率受用戶熱負(fù)荷的制約，需對(duì)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的改造，因而不適合應(yīng)用于大容量、高參數(shù)的供熱機(jī)組¨引。熱泵技術(shù)方面，文獻(xiàn)[5]"7]從提高系統(tǒng)熱力學(xué)完善性的角度出發(fā)，對(duì)利用低品位(低于40℃)余熱的熱電聯(lián)產(chǎn)供熱新模式進(jìn)行了理論分析，提出了"以30℃左右的常溫電廠循環(huán)水通往用戶，用熱泵就地吸收其熱量送往用戶，被冷卻后的熱網(wǎng)水再回凝汽器作循環(huán)冷卻水使用"的設(shè)想。此后，業(yè)內(nèi)開始關(guān)注這種新型的熱電聯(lián)供模式，并從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能環(huán)保等不同方面進(jìn)行了討論喁4¨。2電廠循環(huán)水余熱供熱技術(shù)現(xiàn)狀2．1汽輪機(jī)低真空運(yùn)行供熱技術(shù)凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱后，凝汽萬(wàn)方數(shù)據(jù)第10期李巖，等：電廠循環(huán)水余熱利用技術(shù)綜述器成為熱水供熱系統(tǒng)的基本加熱器，原來(lái)的循環(huán)冷卻水變成了供暖熱媒，在熱網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行閉式循環(huán)，可有效利用汽輪機(jī)凝汽所釋放的汽化潛熱。當(dāng)需要更高的供熱溫度時(shí)，則在尖峰加熱器中進(jìn)行二級(jí)加熱。該系統(tǒng)的流程圖見圖1。凝結(jié)水泵圖1凝汽式汽輪機(jī)低真空運(yùn)行系統(tǒng)流程圖盡管低壓缸真空度提高后，在相同的進(jìn)汽量條件下與純凝工況相比，發(fā)電量減少了，并且汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率也有所降低，但因降低了熱力循環(huán)中的冷源損失，系統(tǒng)總的熱效率仍會(huì)有很大程度的提高舊1"。2．1．1傳統(tǒng)低真空運(yùn)行供熱方式通常來(lái)說(shuō)，用戶采用常規(guī)的末端散熱器所要求的水溫較高，汽輪機(jī)在低于真空下運(yùn)行，排汽壓力需提高到0．5×105Pa左右，將熱網(wǎng)水在凝汽器中加熱到60一70℃。傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行供熱技術(shù)受到2方面的限制：首先，傳統(tǒng)的低真空運(yùn)行機(jī)組類似于背壓式供熱機(jī)組，通過(guò)的蒸汽量取決于用戶熱負(fù)荷的大小，所以發(fā)電功率受到用戶熱負(fù)荷的制約，不能分開進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)，即其運(yùn)行是"以熱定電"，因此只適用于熱負(fù)荷比較穩(wěn)定的供熱系統(tǒng)；其次，凝汽式汽輪機(jī)改造為低真空運(yùn)行供熱時(shí)，對(duì)小型和少數(shù)中型機(jī)組而言，在經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的變工況運(yùn)行計(jì)算，對(duì)排汽缸結(jié)構(gòu)、軸向推力的改變、末級(jí)葉輪的改造等方面做出嚴(yán)格校核和一定改動(dòng)后方可以實(shí)行，而這對(duì)現(xiàn)代大型機(jī)組則是不允許的，尤其對(duì)于中間再熱式大型汽輪機(jī)組，凝汽壓力過(guò)高會(huì)使機(jī)組的末級(jí)出口蒸汽溫度過(guò)高且蒸汽的容積流量過(guò)小，從而會(huì)引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，危及運(yùn)行安全。2．1．2低真空遠(yuǎn)行低溫供熱方式對(duì)于大型機(jī)組，允許的凝汽器進(jìn)口循環(huán)水最高溫度約為33℃，對(duì)應(yīng)的出口溫度不超過(guò)45℃，這個(gè)溫度水平恰好在一些高效散熱器(如地板輻射供暖)要求的溫度范圍內(nèi)。對(duì)此，有學(xué)者提出了一種適合于現(xiàn)代大型機(jī)組的低真空運(yùn)行方式：保持機(jī)組排汽壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)值，以40℃左右的循環(huán)水直接供給熱用戶的輻射供暖系統(tǒng)，如果凝汽器排熱負(fù)荷大于用戶熱負(fù)荷，多余的熱量通過(guò)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)排放到環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)熱電負(fù)荷的獨(dú)立調(diào)節(jié)。當(dāng)然，該系統(tǒng)也可以按"以熱定電"的方式運(yùn)行，即汽輪機(jī)排汽釋放的汽化潛熱全部用于供熱，此時(shí)熱效率無(wú)疑是最高的。這種系統(tǒng)稱為低真空運(yùn)行低溫供熱系統(tǒng)'1引。低真空運(yùn)行低溫供熱方式不會(huì)影響機(jī)組的正常安全運(yùn)行，發(fā)電功率也不受用戶熱負(fù)荷的制約，因此既適合于中小型機(jī)組，也適合于大容量機(jī)組。但此供熱方式存在2個(gè)缺點(diǎn)：一是供熱溫度低，不適于傳統(tǒng)的散熱末端；二是可利用的溫差有限，一般不超過(guò)10℃，小溫差大流量必然會(huì)增大輸送能耗，制約了其合理的供熱半徑。這2個(gè)缺點(diǎn)可能會(huì)影響到熱負(fù)荷，如果熱負(fù)荷不太大，考慮隨天氣變化的因素，循環(huán)水的熱量沒(méi)有得到全部利用甚至利用的份額很小，此時(shí)的系統(tǒng)綜合能效和經(jīng)濟(jì)性將會(huì)受到影響。2．1．3"NCB"新型大容量供熱機(jī)組文獻(xiàn)[15]針對(duì)300MW供熱機(jī)組提出了。NCB"供熱汽輪機(jī)模式，其特點(diǎn)是在抽凝機(jī)組的基礎(chǔ)上，高、低壓缸2根軸分別帶動(dòng)2臺(tái)發(fā)電機(jī)，如圖2所示。l高巾壓缸21弓電機(jī)3低壓缸42號(hào)電機(jī)5低壓缸調(diào)節(jié)閥6供熟抽汽控制糾7凝汽器8熱網(wǎng)加熱囂圖2"NCB"新型供熱機(jī)組原理圖在非供熱期，供熱抽汽控制閥6全關(guān)、低壓缸調(diào)節(jié)閥5全開，汽輪機(jī)呈純凝工況(N)運(yùn)行，具有純凝式汽輪機(jī)發(fā)電效率高的優(yōu)點(diǎn)；在正常供熱期，低壓缸調(diào)節(jié)閥5和供熱抽汽控制閥6都處于調(diào)控狀態(tài)，汽輪機(jī)呈抽汽工況(C)運(yùn)行，具有抽凝供熱汽輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)外界熱負(fù)荷的需要調(diào)整供熱抽汽量，同時(shí)保持較高的發(fā)電效率；在高峰供熱期。供熱抽汽控制閥6全開、低壓缸調(diào)節(jié)閥5全關(guān)，汽輪機(jī)呈背壓工萬(wàn)方數(shù)據(jù)12建走科學(xué)第26卷況(B)運(yùn)行，具有背壓供熱汽輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可做到最大供熱能力，低壓缸部分處于低速盤車狀態(tài)，可隨時(shí)投運(yùn)。通過(guò)確定合理的分缸壓力，這種模式最大程度地利用了品位適中的高中壓缸排汽，將其用于加熱熱網(wǎng)水可使冷源損失大大減少。顯然，這是一種大容量機(jī)組低真空背壓運(yùn)行的新思路，目前該技術(shù)仍處于理論階段。2．2熱泵回收余熱技術(shù)電廠循環(huán)水與目前常用的低溫?zé)嵩聪啾?，具有顯著的優(yōu)勢(shì)：1)蘊(yùn)含的熱量巨大，溫度適中且穩(wěn)定；2)水質(zhì)好，與地表水、城市污水相比，不會(huì)因腐蝕、阻塞等因素影響傳熱效果；3)環(huán)保效果顯著，由于利用余熱，可減少冷卻塔向環(huán)境的散熱和水分蒸發(fā)，降低對(duì)電廠周邊環(huán)境的熱濕污染。近幾年，熱泵技術(shù)在我國(guó)得到了普遍推廣應(yīng)用，熱泵可以采用吸收式，利用蒸汽、燃?xì)獾茸鳛轵?qū)動(dòng)能源；也可以采用壓縮式，利用電力作為驅(qū)動(dòng)能源。2．2．1分布式電動(dòng)熱泵供熱方式如圖3所示，將電動(dòng)壓縮式熱泵分散置于各小區(qū)熱力站中，同時(shí)將電廠凝汽器出口的循環(huán)水引至各小區(qū)的熱力站，進(jìn)入熱泵機(jī)組降溫后再返回電廠凝汽器中被汽輪機(jī)排汽加熱，完成循環(huán)；熱泵回收循環(huán)水余熱加熱二次網(wǎng)熱水為用戶供暖或提供生活熱水。圖3分布式電動(dòng)熱泵供熱系統(tǒng)流程圖l汽輪機(jī)2凝汽器3冷卻塔4電動(dòng)壓縮式熱泵這種方式可根據(jù)各個(gè)熱力站的供熱參數(shù)選擇合適的熱泵機(jī)組。熱泵的能源利用效率較高，但是需鋪設(shè)單獨(dú)的循環(huán)水管道，受循環(huán)水供回水溫差的限制，管道投資巨大，輸送泵耗高，無(wú)法遠(yuǎn)距離輸送，供熱半徑僅限制在電廠周邊3-5km范圍內(nèi)。2．2．2集中式電動(dòng)熱泵供熱方式如圖4所示，將電動(dòng)壓縮式熱泵機(jī)組集中設(shè)置于電廠內(nèi)，凝汽器出口的部分循環(huán)水進(jìn)入熱泵蒸發(fā)器，作為低位熱源，放熱降溫后返回凝汽器中被汽輪機(jī)排汽加熱，完成循環(huán)；將一次網(wǎng)70℃回水由熱泵一級(jí)加熱至80-90℃，再由汽一水換熱器二級(jí)加熱至130℃后送人城市熱網(wǎng)中?！羟笀D4集中式電動(dòng)熱泵供熱系統(tǒng)流程圖熱泵機(jī)組集中設(shè)置，回收的低位余熱量直接進(jìn)入城市熱網(wǎng)，不需新建循環(huán)水管網(wǎng)，能節(jié)省大量初投資和時(shí)間成本；但是熱網(wǎng)回水溫度較高，熱泵處于較高的制熱溫度，能效較低，循環(huán)水余熱回收的經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)給電廠帶來(lái)了用電增容的巨大壓力。2．2．3集中式吸收熱泵供熱方式如圖5所示，集中式吸收熱泵供熱方式的流程與集中式電動(dòng)熱泵供熱方式相似。熱泵機(jī)組集中設(shè)置，利用汽輪機(jī)供暖蒸汽驅(qū)動(dòng)熱泵回收循環(huán)水余熱來(lái)增加電廠的供熱能力。循環(huán)水余熱在電廠加熱環(huán)節(jié)進(jìn)入城市熱網(wǎng)，無(wú)需建設(shè)專門的輸送管道；同樣由于熱網(wǎng)回水溫度較高，熱泵的能源利用效率低下，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性不佳，同時(shí)熱網(wǎng)水在熱泵加熱段的升溫幅度不大，回收循環(huán)水余熱的能力受電廠蒸汽產(chǎn)量的限制，難以實(shí)現(xiàn)循環(huán)水余熱的全部回收。電廠內(nèi)l汽輪機(jī)2凝汽器3冷卻塔4電動(dòng)壓縮式熱泵5汽一水換熱囂圖5集中式吸收熱泵供熱系統(tǒng)流程圖2．3電廠循環(huán)水余熱回收技術(shù)評(píng)述相對(duì)于吸收式熱泵機(jī)組，壓縮式熱泵機(jī)組直接使用電力驅(qū)動(dòng)，其位置的設(shè)置更加靈活，相同容量下機(jī)組的體積和初投資都小于吸收式機(jī)組。但是，在相同的供熱工況下，其綜合能源利用率低于蒸汽驅(qū)動(dòng)的吸收式熱泵，且由于電和蒸汽價(jià)格的巨大差異，壓縮式熱泵機(jī)組的供熱運(yùn)行成本顯著高于吸收式。因此在具備蒸汽等熱源的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先考慮使用吸收萬(wàn)方數(shù)據(jù)第lO期李巖，等：電廠循環(huán)水余熱利用技術(shù)綜述13式熱泵機(jī)組來(lái)構(gòu)建供熱系統(tǒng)。分布式熱泵供熱能更好地適應(yīng)不同用戶熱負(fù)荷形式，集中式熱泵供熱可以擺脫電廠循環(huán)水余熱與用戶在空間上的制約。在工程實(shí)踐中，尤其當(dāng)供熱系統(tǒng)容量龐大或電廠周邊沒(méi)有足夠規(guī)模的用戶熱負(fù)荷時(shí)，后者的優(yōu)勢(shì)顯得更為突出¨"。傳統(tǒng)的汽輪機(jī)組低真空循環(huán)水供熱技術(shù)存在熱電耦合性強(qiáng)、不能分別獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及機(jī)組需改造，不適用于現(xiàn)代大容量、高參數(shù)機(jī)組等問(wèn)題。常規(guī)的熱泵回收循環(huán)水余熱技術(shù)解決了一部分余熱利用的問(wèn)題，但是由于熱網(wǎng)回水溫度高，加熱升溫的幅度范圍小，熱泵制熱能效差，同時(shí)無(wú)法解決一次供熱管網(wǎng)輸送瓶頸問(wèn)題，限制了循環(huán)水余熱的回收。3大型熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)循環(huán)水余熱利用技術(shù)的要求目前大容量、高參數(shù)抽凝機(jī)組(單機(jī)容量300Mw以上)將成為我國(guó)北方集中供熱的主導(dǎo)熱源形式。但由于我國(guó)城市建設(shè)快速發(fā)展，聯(lián)產(chǎn)熱源容量相對(duì)不足，城市供熱管網(wǎng)輸送能力偏低且建設(shè)改造困難，導(dǎo)致熱電聯(lián)產(chǎn)在城市供熱中的比例不增反降，燃煤鍋爐房等能效低的供熱方式所占比例卻不斷增加，加重了能源的消耗和CO：的排放。3．1大型熱電聯(lián)產(chǎn)對(duì)循環(huán)水余熱利用技術(shù)的要求1)增加電廠的供熱能力。在不增設(shè)新的熱源、不增加污染物排放的情況下，利用循環(huán)水供熱增加電廠的供熱容量，緩解目前集中供熱熱源不足的問(wèn)題。2)解決熱量輸送問(wèn)題。需要提高集中管網(wǎng)的輸送能力，同時(shí)解決常規(guī)熱量和回收的循環(huán)水余熱的輸送，降低熱量輸送的循環(huán)水泵電耗。3)供熱機(jī)組的節(jié)能增效。從供熱機(jī)組中抽汽會(huì)減少一部分發(fā)電，對(duì)于大型供熱機(jī)組不同壓力(0．3-1．0MPa之間)的供暖抽汽，其單位抽汽量的放熱量差值不大，但在汽輪機(jī)內(nèi)的做功能力卻相差較大。若合理的確定熱媒的品位，對(duì)熱網(wǎng)水進(jìn)行"溫度對(duì)口"的梯級(jí)加熱，可在滿足相同供熱量的情況下做到多發(fā)電。汽輪機(jī)凝汽余熱參與供熱，可大大拓寬多級(jí)加熱運(yùn)用的領(lǐng)域，電廠循環(huán)水供熱技術(shù)應(yīng)該更加充分地利用這一優(yōu)勢(shì)。3．2基于吸收式循環(huán)技術(shù)2007年，清華大學(xué)提出了"基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱"的新技術(shù)¨"埔o。如圖6所示，流程涉及2個(gè)新型關(guān)鍵技術(shù)：一是于小區(qū)熱力站內(nèi)設(shè)置吸收式換熱機(jī)組，大幅度降低熱網(wǎng)回水溫度，一方面使熱網(wǎng)的供回水溫差由60℃增加到110℃，增加管網(wǎng)的輸送能力，另一方面為電廠余熱回收爭(zhēng)取了更低的制熱能級(jí)和更大的升溫幅度；二是于電廠內(nèi)設(shè)置電廠余熱回收專用機(jī)組，利用供暖蒸汽作為驅(qū)動(dòng)能源回收循環(huán)水余熱，將20℃的一次網(wǎng)回水"溫度對(duì)口"的逐級(jí)加熱到130oC，供暖蒸汽供熱量與循環(huán)水余熱量的比例在2：1左右，這與大容量供熱機(jī)組額定工況下抽汽與凝汽的比例趨近吻合，從整個(gè)供暖季來(lái)看，余熱供熱量占了總供熱量的近一半左右。該項(xiàng)技術(shù)有如下突出特點(diǎn)：1)可將系統(tǒng)供熱能力增加30％以上；2)可將管網(wǎng)輸送能力提高80％，大幅度節(jié)約新(改)建管網(wǎng)的投資，降低熱網(wǎng)循環(huán)水泵的電耗；3)回收熱電廠循環(huán)水余熱，節(jié)省的供暖蒸汽可在低壓缸繼續(xù)作功發(fā)電，增加汽輪機(jī)的發(fā)電能力，提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的整體能效，系統(tǒng)供熱能耗可降低約40％左右。l汽輪機(jī)2凝汽器3冷卻塔4電J余熱刨收專用熱泵5吸收式換熱機(jī)紐圖6基于吸收式循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱系統(tǒng)流程圖4總結(jié)1)當(dāng)前大容量供熱機(jī)組存在大量的凝汽器排熱，如能用于供熱，可顯著提高電廠的熱效率，帶來(lái)非常豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)低真空運(yùn)行技術(shù)不適用于現(xiàn)代大容量、高參數(shù)機(jī)組，低真空運(yùn)行低溫供熱、"NCB"供熱機(jī)組等技術(shù)，拓寬了低真空運(yùn)行技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。3)水源熱泵技術(shù)的應(yīng)用需要考慮能源效率、經(jīng)濟(jì)成本和熱量的輸送等問(wèn)題，需根據(jù)實(shí)際情況確定合理的系統(tǒng)型式。4)既有的低真空運(yùn)行和熱泵回收循環(huán)水余熱技術(shù)因自身存在的缺陷，均不能有效地與大型熱電聯(lián)產(chǎn)結(jié)合，但其回收循環(huán)水余熱的原理和思路值得萬(wàn)方數(shù)據(jù)14建友科學(xué)第26卷借鑒。5)利用"基于吸收式循環(huán)的熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱"技術(shù)，可將提高熱源供熱能力、增加管網(wǎng)輸送能力以及電廠的節(jié)能增效有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱領(lǐng)域一項(xiàng)有前景的技術(shù)創(chuàng)新。
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