高背压串联抽汽供热机组多变量因素运行经济性研究分析

康艳昌，郭金瑞，满昌平，徐铁军，闫玉峰

（1．华电电力科学研究院有限公司，山东 济南250000；2．华电滕州新源热电有限公司，山东 滕州277500）

0 引 言

目前我国热电联产机组的主要供热技术有中压缸抽汽供热、电厂耦合吸收式热泵、低压缸光轴、NCB汽轮机供热、高背压汽轮机供热等。中压缸抽汽供热和低压缸光轴供热技术，蒸汽参数较高，高品质蒸汽能量损失较大，电厂耦合吸收式热泵热力系统复杂，占地面积大；NCB汽轮机供热初始投资大；与以上供热技术相比，高背压汽轮机供热具有热力系统简单、技术改造投资成本低、技术成熟、冷源损失为零、供热面积大等优点，近年在我国北方地区被广泛应用。但是该技术电负荷和热负荷调整灵活性较差，一旦供热面积发生变化，只能通过增加热网循环水流量或者提高热网对外供热温度的方式提高对外供热负荷，就会造成供热机组实际运行参数与设计值相比有一定的偏差。如增加热网循环水流量，高背压供热机组的运行背压和循环水出水温度降低，须增加临机或本机抽汽，以提高热网首站对外供热温度，增加了临机或者本机的能耗；高背压机组循环水流量和凝汽器进、出水参数的变化，影响机组经济性指标，同时汽轮机低压缸效率也会发生变化，影响汽轮机做功能力，虽然高背压供热机组没有冷源损失，系统偏差和汽轮机本身性能偏离设计工况，对机组热耗率影响不大，但对机组本身的发电功率以及全厂供热机组的经济性有负面影响［1－3］。

为分析高背压串联抽汽供热机组在不同工况下的经济性指标，确定影响供热机组经济性的原因，本文通过对高背压机组电负荷、热网循环水流量、热网回水温度等多变量因素对全厂高背压机组和抽汽供热机组经济性指标的影响进行测试、计算，通过不同工况下供热机组的经济性变化，挖掘全厂供热机组整体的节能潜力，为全厂供热机组的节能优化提供依据。

1 节能优化的分析方法

1.1 高背压串联抽汽供热机组的计算模型

以某厂2号、3号、4号三台供热机组为模型进行测试分析，其中2号机组为高背压供热机组，3号、4号机组为抽汽供热机组，热网循环水经过2号机组凝汽器加热后，通过热网首站换热器，被3号、4号中排抽汽进行二次加热，对外进行供热。本次优化通过计算2号机组不同电负荷、热网不同循环流量、热网首站不同出口温度等工况下的经济性指标，分析全厂三台供热机组同时运行期间的节能效果和经营收益。

1.2 供热机组热耗率的计算方法

我国采用热耗率对高背压供热机组和抽汽供热机组的性能进行评价时，常规的方法是好处归电，将高背压机组的冷源损失和抽汽机组对外供热量全部视为发电以外的热量，在计算分析时不进行考虑，该方法能够反映供热机组在供热状态下的发电能耗，但无法反映汽轮机通流部分的改造效果和机组改造后的做功能力，无法反映机组发电和供热的加权能耗，不适于对供热机组发电和供热加权效益的综合评价。故本文通过对比全厂供热机组加权热耗率的经济性时，采用的是锅炉总吸热量［4－5］。

式中，HR为试验热耗率，kJ／（kW·h）；h为各流量对应的焓，kJ／kg；Pg为发电机有功功率，MW；Gms为主蒸汽流量，t／h；Gcrh为冷再热蒸汽流量，t／h；Ghrh为热再热蒸汽流量，t／h；Gshs为过热器减温水流量，t／h；Grhs为再热器减温水流量，t／h。

2 高背压串联抽汽供热机组的变工况测试

2.1 2号机组有功变化对全厂供热机组经济性的测试分析

2号机组电负荷升高时，汽轮机进汽量增大，低压缸排汽背压升高，凝汽器循环水对外供水温度升高，可以排挤3号、4号机组抽汽量，邻机电负荷不变时锅炉吸热量降低，机组经济性提高；同时本机汽缸效率会发生变化，汽轮机做功能力也会增强。2号机组有功由100 MW升至125 MW，全厂供热机组主要经济性指标变化情况如表1所示。

表1 2号机组有功变化时全厂供热机组主要指标

如表1所示，2号机组电负荷越高，2号凝汽器背压升高导致2号机循环水供水温度升高，可减少3号、4号机组抽汽量。2号机组高背压运行时，虽然没有冷源损失，汽轮机低压缸排汽的热量全部被循环水带走对外供热，2号机组电负荷的高低对2号机组的热耗有无明显影响，但是2号机组电负荷升高25 MW时，背压升高2．754 kPa，循环水供水温度升高2．1℃，可以减少3号、4号机抽汽量27．62 t／h，2号机组热耗降低428．84 kJ／（kW·h），3 号 机 组 热 耗 降 低114．32 kJ／（kW·h），4 号 机 组 热 耗 降 低91．58 kJ／（kW·h），2号、3号、4号三台供热机组的加权热耗率下降115．27 kJ／（kW·h），全厂供热机组的经济性提高。

2.2 热网循环水流量变化对供热机组经济性的测试分析

热网循环流量越大，流速越快，换热器的换热系数越大，换热能力越强，但是在热网二次网流速一定的情况下，热网一次网流速越快，热网二次网从一次网吸收热量的时间缩短，会导致换热量降低。热网循环水流量越大，热网的能耗也会升高，热网循环水流量降低，可能无法满足热网末端换热站的换热需求，影响对外供 热 效 果。 热 网 循 环 水 流 量 由10 000 t／h降 至8 500 t／h时，全厂供热机组主要经济性指标变化情况如表2所示。

表2 热网变流量时供热机组主要指标

供热循环水流量约10 000 t／h时，热网供、回水温差分别为31．68℃，三台供热机组的加权热耗为9 479．20 kJ／（kW·h）；供热循环水流量约8 500 t／h时，热网供、回水温差分别为36．48℃，三台供热机组的加权热耗为9 419．58 kJ／（kW·h）。热网循环水流量由10 000 t／h降至8 500 t／h，热网循环水供回水温差升高4．8℃，三台供热机组的供热电负荷和热网热负荷接近的情况下，三台供热机组的加权热耗降低59．62 kJ／（kW·h），说明热网循环水小流量大温差经济性更高。

热网循环水流量10 000 t／h时，三台供热机组每小时每元毛收益时锅炉吸热量20 860 kJ；热网循环水流量8 500 t／h时，三台供热机组每小时每元毛收益时锅炉吸热量20 830 kJ。说明热网循环水小流量大温差，供热机组发电和供热的总收益升高。

2.3 热网回水温度变化时供热机组经济性的分析

热网热负荷变化，热网一次网最明显的变化就是热网回水温度［6］，热网热负荷变化主要有两个方面的原因：一是环境温度变化后热网一次网未进行相应调整（如2月至3月），二是热网二次网调整后热网一次网未进行相应调整（如11月至1月）。热网一次网回水温度越高，热电企业在对外供热热量一定的情况下，回水热量越高，也就是在锅炉吸热量不变的情况下，用户从热网二次网的吸热量降低，热网二次网从热网一次网的吸热量降低，导致热电企业对外售热量降低，热电企业的利润被热网二次网的热力公司挤压。图1为该厂供热季热网一次网回水温度变化情况。

图1 供热季热网回水温度变化趋势图

图中供热季热网回水温度逐月升高，尤其是到了供热季末期，2月份供热南线和供热北线的回水分别高达53．02℃和52．25℃，说明用户与热网二次网的换热量和热网二次网和一次网的换热量在逐月减少。

冬季供暖作为民生工程，供热初期受到全社会关注，一般采用过量供热的方式，热网回水温度相对较低；供热末期随着环境温度的逐渐升高，热网的热负荷逐渐下降，热网低负荷时，如果热电企业依旧采用供热初期和供热中期的供热方式，就会造成热网回水温度偏高，供热经济性下降。

3 结 论

（1）2号机组高背压运行时，虽然没有冷源损失，2号机组电负荷越高，循环水供水温度升高，既可减少3号、4号机组抽汽量，又可提高本机汽轮机汽缸效率，2号机组负荷相差25 MW时，在首站对外供水温度不变的情况下，三台机组热耗差634．74 kJ／（kW·h），加权热耗升高约115．27 kJ／（kW·h）。

（2）热网循环水流量降低后，热网循环水供回水温差会增大，热网循环水小流量大温差供热机组的加权热耗和每小时每元收益时锅炉吸热量都会降低，供热机组的经济性和盈利能力更好。

（3）供热中期和末期，热网一次网的供水温度应根据热网回水温度及时调整，避免长期维持一次网供水温度不变，造成热网回水温度偏高，影响热电企业的对外供热量，热网热负荷变化时，热网一次网及时进行调整，避免对外供热能量的浪费。