彭 爍，蔡國(guó)忠，黃旭鵬，蔡 純，張澤雄，陳明光

（1.中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院，北京 102209；2.華能汕頭海門(mén)發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 汕頭 515132）

0 引言

當(dāng)前，工業(yè)企業(yè)正向“集約化、大型化、規(guī)?；⒁惑w化”的方向發(fā)展，針對(duì)化工、紡織等工業(yè)企業(yè)集中建設(shè)工業(yè)園區(qū)已成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。傳統(tǒng)的用熱企業(yè)以自建的小型鍋爐為主要供熱設(shè)備，其運(yùn)行參數(shù)不穩(wěn)定，供熱效率低下，所生產(chǎn)的蒸汽價(jià)格偏高，生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。集中式供熱系統(tǒng)的使用，不僅可以降低企業(yè)用戶(hù)使用蒸汽的成本[3-4]，提高供熱可靠性，更有利于保護(hù)園區(qū)內(nèi)的環(huán)境。利用集中式供熱系統(tǒng)供熱，已成為現(xiàn)代工業(yè)園區(qū)中企業(yè)用熱的主要方式[5]。

工業(yè)園區(qū)的快速發(fā)展以及熱負(fù)荷需求的增長(zhǎng)，對(duì)供熱機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響日益顯著[6]。供熱機(jī)組選擇合理的供汽方式有利于機(jī)組的節(jié)能降耗。

隨著工業(yè)的現(xiàn)代化，發(fā)電廠進(jìn)行工業(yè)供熱改造是必然趨勢(shì)[7-8]。關(guān)于工業(yè)供熱優(yōu)化改造已有很多研究。文獻(xiàn)[9]研究了高參數(shù)蒸汽驅(qū)動(dòng)小汽機(jī)供熱方式。該方式優(yōu)于原有的高參數(shù)蒸汽直接減溫減壓運(yùn)行方式，考慮過(guò)熱度回收后，供熱?損可降低14.47 GJ/h。文獻(xiàn)[10]對(duì)比了中排抽汽和高排抽汽2 種方式的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在經(jīng)濟(jì)效益最佳的臨界抽汽量點(diǎn)。在該點(diǎn)運(yùn)行時(shí)的經(jīng)濟(jì)性高于臨界值選擇中排抽汽工況。文獻(xiàn)[11]分析了減溫減壓器、壓力匹配器和背壓機(jī)排汽3 種供熱方案的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)背壓機(jī)排汽為最佳供汽方案。文獻(xiàn)[12]介紹了高壓和中壓工業(yè)供汽典型的供熱方式。文獻(xiàn)[13]針對(duì)采用3 段供熱抽汽的機(jī)組提出了節(jié)能改造方案：用冷再蒸汽與熱再蒸汽另加外置蒸汽冷卻器后，利用摻混汽去供熱，以減少高品位能的損失。該方案節(jié)能效果良好。

傳統(tǒng)供熱機(jī)組的研究?jī)?yōu)化目標(biāo)多是針對(duì)單抽機(jī)組[14]，關(guān)于雙抽機(jī)組的優(yōu)化研究則比較少，且對(duì)汽源點(diǎn)的優(yōu)化考慮不全面。

考慮供熱機(jī)組占火電機(jī)組裝機(jī)容量比重的增加，供熱熱網(wǎng)中的熱用戶(hù)負(fù)荷種類(lèi)隨熱用戶(hù)工藝生產(chǎn)進(jìn)步而多樣化的實(shí)際情況，為滿(mǎn)足園區(qū)工業(yè)用汽需求，本文對(duì)某1 GW 燃煤工業(yè)供汽機(jī)組變工況運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，提出了9 種供汽技術(shù)方案；研究了不同技術(shù)方案下機(jī)組的運(yùn)行域和能耗特性，以尋找最優(yōu)的運(yùn)行方式。

1 工業(yè)蒸汽供熱系統(tǒng)

供汽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 供熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Heating system structure

廠外熱用戶(hù)所需蒸汽分為低壓蒸汽和中壓蒸汽2 類(lèi)。從抽汽口位置看：中壓供汽汽源包括冷再抽汽、熱再抽汽和主蒸汽減溫減壓后供汽；低壓供汽汽源包括冷再抽汽、熱再抽汽和中排抽汽。機(jī)組實(shí)現(xiàn)2 個(gè)等級(jí)的工業(yè)供汽，包括9 個(gè)技術(shù)路線(xiàn)，如表1 所示。

表1 機(jī)組的供汽技術(shù)路線(xiàn)Tab.1 Steam supply technical route of the unit

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 供熱機(jī)組計(jì)算模型

供熱系統(tǒng)主要的熱力設(shè)備包括汽輪機(jī)、凝汽器和各級(jí)回?zé)峒訜崞鳌９嵯到y(tǒng)的變工況是指系統(tǒng)的工況發(fā)生變動(dòng)，偏離設(shè)計(jì)工況或某個(gè)基準(zhǔn)工況。變工況的計(jì)算通常以某一個(gè)基準(zhǔn)工況為基礎(chǔ)。若考慮采用從定功率（定流量）角度進(jìn)行變工況計(jì)算，則首先要假定新蒸汽量（發(fā)電功率）、各級(jí)抽汽份額以及供熱份額，然后計(jì)算變工況后各級(jí)組通流量，再利用弗留格爾公式計(jì)算各級(jí)抽汽壓力、各級(jí)抽汽焓值、各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯倪M(jìn)出口參數(shù)，并以此計(jì)算出新的各級(jí)抽汽量以及新蒸汽量（發(fā)電功率）。如此反復(fù)迭代，直到前后2 次迭代計(jì)算的蒸汽量的偏差小于控制誤差為止。

若調(diào)整抽汽并對(duì)外供汽，則機(jī)組蒸汽通流量及通流面積發(fā)生相應(yīng)改變。為適應(yīng)弗留格爾公式的計(jì)算要求，供熱機(jī)組熱系統(tǒng)變工況的計(jì)算將以供熱抽汽口劃界：將汽輪機(jī)分為2 個(gè)或3 個(gè)區(qū)段，在各區(qū)段分別使用弗留格爾公式。

弗留格爾公式是供熱機(jī)組變工況特性分析的理論基礎(chǔ)。該公式反映了流量與級(jí)組前后參數(shù)的關(guān)系：

式中：G表示通過(guò)級(jí)組的蒸汽流量；P表示級(jí)組前后的蒸汽壓力；T表示級(jí)組前蒸汽的溫度；下標(biāo)數(shù)字“1”和“2”代表的含義分別為“級(jí)組前”和“級(jí)組后”，下標(biāo)數(shù)字“0”表示基準(zhǔn)工況，無(wú)下標(biāo)數(shù)字“0”則表示變化后的工況。

溫度項(xiàng)T1,0/T在參考工況和變工況條件下差異較小，因此假設(shè)為1。此時(shí)公式可以重寫(xiě)為：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)各級(jí)回?zé)峒訜崞鞯纳舷露瞬钆c凝汽器真空值均不變。

2.2 電熱特性

電熱特性描述了汽輪機(jī)進(jìn)汽量、中壓供汽量、低壓供汽量以及發(fā)電功率之間的關(guān)系。雙抽機(jī)組的工況圖，劃定了機(jī)組的可運(yùn)行范圍，是分析機(jī)組靈活性的重要指標(biāo)，可以給電廠運(yùn)行提供參考。本文雙抽供熱機(jī)組的能耗分析建立在電熱特性分析基礎(chǔ)之上。

2.3 能耗分析指標(biāo)

為了表征熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，可用傳統(tǒng)的方法確定供熱機(jī)組全廠指標(biāo)及各分項(xiàng)指標(biāo)。全廠指標(biāo)，包括燃料利用系數(shù)和?效率。將燃料消耗量按照一定的方法劃分給發(fā)電及供熱，即可分別計(jì)算出各分項(xiàng)指標(biāo)。

本文采用的分項(xiàng)指標(biāo)為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，分別采用熱量法和?分?jǐn)偡ㄓ?jì)算。

（1）燃料利用系數(shù)

燃料利用系數(shù)為輸出電、熱2 種產(chǎn)品的總能量與輸入能量之比。

機(jī)組熱耗：

熱電廠總熱耗量：

熱電廠供熱量：

熱電廠的燃料利用系數(shù)為：

式中：Q0、Qtp、Qh分別為機(jī)組熱耗、熱電廠總熱耗量、熱電廠供熱量，MJ/h；G0、Grh、Gh1、Gh2分別為主蒸汽、再熱蒸汽、中壓供汽和低壓供汽的流量，t/h；Δhrh為再熱蒸汽在鍋爐中的吸熱量，J/g；h0、hfw、hh1、hh2、hbs分別為主蒸汽焓、給水焓、中壓供汽焓、低壓供汽焓、補(bǔ)水焓，J/g；ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率；ηh,tp為熱電廠的燃料利用系數(shù)；Pe為機(jī)組發(fā)電功率，MW。

（2）?效率

熱電廠的?效率：

式中：ηe,tp為熱電廠的?效率；eh1和eh2分別為中、低壓熱負(fù)荷的?，J/g。

（3）熱量法發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率（以下簡(jiǎn)稱(chēng)熱法煤耗率）

熱量法即“好處歸電法”，其思想是將熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的總熱耗量按機(jī)組供熱量和發(fā)電量的比例來(lái)分配。該方法是我國(guó)目前常用的一種熱、電成本分?jǐn)偡ā?/p>

分配到供熱的熱耗量占熱電廠總熱耗量的比值為熱電分?jǐn)偙?，即?/p>

分配給供熱方面的熱耗量：

分配給發(fā)電方面的熱耗量：

發(fā)電熱效率：

熱量法發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率：

式中：αk1代表熱量法的熱電分?jǐn)偙?；Qtp(e),h和Qtp(h),h分別代表總熱耗量中通過(guò)熱量法分配給發(fā)電、供熱方面的熱耗量，MJ/h；ηtp(e),h為通過(guò)熱量法計(jì)算的發(fā)電熱效率；btp(e),h為通過(guò)熱量法計(jì)算的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/(kW·h)。

（4）?分?jǐn)偡òl(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率（以下簡(jiǎn)稱(chēng)?法煤耗率）

?分?jǐn)偡ǖ暮诵乃枷胧牵嚎紤]到熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工質(zhì)能量的品位具有差異性，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，按熱負(fù)荷和新蒸汽的?比例來(lái)分配總熱量。熱電分?jǐn)偙韧ㄟ^(guò)下式計(jì)算：

分配給供熱方面的熱耗量：

分配給發(fā)電方面的熱耗量：

發(fā)電熱效率：

?分?jǐn)偡òl(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率：

式中：αk2代表?分?jǐn)偡ǖ臒犭姺謹(jǐn)偙?；Qtp(e),e和Qtp(h),e分別代表總熱耗量中通過(guò)?分?jǐn)偡ǚ峙浣o發(fā)電、供熱方面的熱耗量，MJ/h；ηtp(e),e為通過(guò)?分?jǐn)偡ㄓ?jì)算的發(fā)電熱效率；btp(e),e為通過(guò)?分?jǐn)偡ㄓ?jì)算的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，g/(kW·h)。

3 案例分析

本文以某燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，研究：當(dāng)機(jī)組負(fù)荷及供熱抽汽量等因素變化時(shí)，機(jī)組能耗特性的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得最優(yōu)的供汽方式。

3.1 機(jī)組參數(shù)

參考機(jī)組為某1 GW 超超臨界燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)：?jiǎn)屋S、4 缸、4 排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐：π 型結(jié)構(gòu)、變壓直流鍋爐，回?zé)峒訜崞鳛椤叭摺⑺牡?、一除氧”?/p>

表2 示出了該機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)。該機(jī)組的變工況計(jì)算以THA 工況為基準(zhǔn)工況。

表2 機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of the unit

為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)中、低壓蒸汽參數(shù)的要求，且考慮供汽距離和一定的過(guò)熱度，設(shè)定：熱電廠中壓供汽參數(shù)值要達(dá)到壓力 2.9 MPa、溫度320 ℃；低壓蒸汽參數(shù)要達(dá)到壓力0.8 MPa、溫度230 ℃。

3.2 雙抽機(jī)組電熱特性

雙抽供熱機(jī)組的工況圖如圖2（a）所示。上象限中繪出了汽輪機(jī)低壓工業(yè)蒸汽量為0 時(shí)的工況圖，下象限中繪出了汽輪機(jī)低壓工業(yè)蒸汽量不為0 時(shí)的工況圖。圖2（b）顯示了9 種供汽方式的中壓工業(yè)蒸汽量、低壓工業(yè)蒸汽量以及與發(fā)電功率之間的耦合關(guān)系對(duì)比。從圖中可以看出，“主汽+熱再”方式的中壓供汽量和低壓供汽量的調(diào)節(jié)范圍最大，而“冷再+冷再” 方式的調(diào)節(jié)范圍相對(duì)最小。

圖2 機(jī)組電熱特性對(duì)比Fig.2 Comparison of power-heat characteristics of the unit

3.3 雙抽機(jī)組能耗特性對(duì)比

當(dāng)中、低壓供汽熱負(fù)荷較小時(shí)，不同技術(shù)方案的電熱特性差別不大。本節(jié)將在綜合能耗分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，選出最優(yōu)的供汽方案。

3.3.1 燃 料利用系數(shù)與 ?效率

本節(jié)對(duì)比了這9 種供汽方式在3 個(gè)典型工況點(diǎn)。工況一：Pe=500 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=150 t/h。工況二：Pe=600 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=200 t/h。工況三：Pe=800 MW、Gh1=200 t/h、Gh2=200 t/h。各工況的燃料利用系數(shù)與?效率如圖3 所示。當(dāng)發(fā)電功率較小時(shí)，“冷再+冷再”方式的燃料利用系數(shù)和?效率最大，其次是“冷再+熱再”方式；當(dāng)發(fā)電功率較大時(shí)，“冷再+中排”方式的燃料利用系數(shù)和?效率最大，其次是“熱再+中排”方式。在工況一時(shí)，“冷再+冷再”方式的燃料利用系數(shù)和?效率相較于“冷再+熱再”方式分別提高0.36%和0.37%；在工況三時(shí)，“冷再+中排”方式的燃料利用系數(shù)和?效率相對(duì)于“熱再+中排”方式分別提高0.32%和0.33%。表3 總結(jié)了不同供汽方式的燃料利用系數(shù)與?效率特性。

表3 不同供汽方式的燃料利用系數(shù)與?效率特性Tab.3 Summary of fuel utilization coefficient and exergy efficiency characteristics in different steam supply modes

圖3 各工況燃料利用系數(shù)與?效率對(duì)比Fig.3 Comparison of fuel utilization coefficient and exergy efficiency in different working conditions

3.3.2 發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率

對(duì)比9 種供汽方式在3 個(gè)典型工況點(diǎn)的熱法煤耗率與?法煤耗率，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同供汽方式發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率對(duì)比Fig.4 Comparison of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

當(dāng)發(fā)電功率較小時(shí)，“冷再+冷再”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率最小，其次是“冷再+熱再”方式；當(dāng)發(fā)電功率較大時(shí)，“冷再+中排”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率最小，其次是“熱再+中排”方式。熱法煤耗率和?法煤耗率的變化趨勢(shì)與燃料利用系數(shù)和?效率一致。在工況一時(shí)，“冷再+冷再”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率相對(duì)于“冷再+熱再”方式分別降低1.18 g/(kW·h)和1.20 g/(kW·h)；在工況三時(shí)，“冷再+中排”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率相對(duì)于“熱再+中排”方式分別降低1.01 g/(kW·h)和1.01 g/(kW·h)。

表4 總結(jié)了不同供汽方式的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率特性。

表4 不同供汽方式的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率特性總結(jié)Tab.4 Summary of characteristics of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

3.4 冷再供中壓、中排供低壓分析

在發(fā)電功率、中壓供汽量、低壓供汽量這3 個(gè)變量中，選取固定參數(shù)研究冷再供中壓和中排供低壓方式的能耗特性變化規(guī)律。如圖5（a）所示，固定發(fā)電功率和中壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨低壓供汽量的增加而增大；如圖5（b）所示，固定發(fā)電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨中壓供汽量的增加而增加：隨著供熱量增加，熱電比增加，故機(jī)組的燃料利用系數(shù)會(huì)增加。圖5（a）中，低壓供汽量很小時(shí)，?效率的變化曲線(xiàn)有一個(gè)拐點(diǎn)，這是因?yàn)椋旱蛪汗┢繌牧愕接?，中排處突然憋壓?dǎo)致了一定的節(jié)流損失；隨著供汽量增大，冷源損失減小，?效率增大。如圖5（c）所示，固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發(fā)電功率的增加而增加，燃料利用系數(shù)呈降低趨勢(shì)。

圖5 冷再供中壓、中排供低壓的能耗特性Fig.5 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and immediate pressure turbine exhaust steam for LPIS

3.5 冷再供中壓、冷再供低壓分析

在發(fā)電功率、中壓供汽量、低壓供汽量這3 個(gè)變量中，選取固定參數(shù)以研究冷再供中壓、冷再供低壓方式的能耗特性變化規(guī)律。如圖6（a）所示，固定發(fā)電功率和中壓供汽量條件下，?效率隨低壓供汽量的增加而增加，燃料利用系數(shù)隨低壓供汽量的增加整體呈上升趨勢(shì)：這是因?yàn)樵诖藭r(shí)的電負(fù)荷下，冷再供中壓有一定的節(jié)流損失，而用憋壓后的蒸汽減溫減壓去供低壓會(huì)造成比較大的能量損失。隨著低壓供汽量的增大，節(jié)流損失減小，供熱量增加帶來(lái)的熱經(jīng)濟(jì)性可以抵消節(jié)流損失，?效率會(huì)增加。如圖6（b）所示，固定發(fā)電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨中壓供汽量的增加而增加。如圖6（c）所示，固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發(fā)電功率的增加而增加，燃料利用系數(shù)隨發(fā)電功率的增加而降低。

圖6 冷再供中壓、冷再供低壓的能耗特性Fig.6 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and cold reheat steam for LPIS

4 結(jié)論

本文對(duì)燃煤工業(yè)供汽機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行了變工況分析，針對(duì)9 種供汽技術(shù)方案，研究了不同方案下機(jī)組的運(yùn)行域和能耗特性，得出如下結(jié)論。

（1）對(duì)于所提出的9 種供汽方式，在發(fā)電功率、中壓供汽量、低壓供汽量相同時(shí)，燃料利用系數(shù)、?效率、?法煤耗率、熱法煤耗率的對(duì)比趨勢(shì)是一致的。電負(fù)荷較低時(shí)，最優(yōu)的供汽方式為冷再供中壓、冷再供低壓方式；電負(fù)荷較高時(shí)，最優(yōu)的供汽方式為冷再供中壓、中排供低壓方式。

（2）對(duì)于冷再供中壓、中排供低壓方式，在固定發(fā)電功率和中壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨低壓供汽量的增加而增加；在固定發(fā)電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨中壓供汽量的增加而增加；在固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發(fā)電功率的增加而增加，燃料利用系數(shù)呈降低趨勢(shì)。

（3）對(duì)于冷再供中壓、冷再供低壓方式，在固定發(fā)電功率和中壓供汽量條件下，?效率隨低壓供汽量的增加而增加，燃料利用系數(shù)隨低壓供汽量的增加整體呈上升趨勢(shì)；在固定發(fā)電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數(shù)與?效率隨中壓供汽量的增加而增加；在固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發(fā)電功率的增加而增加，燃料利用系數(shù)隨發(fā)電功率的增加而降低。