[科普中國]-以熱定電

出現(xiàn)背景

世界范圍內(nèi)能源與環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，我國等新興經(jīng)濟(jì)體正處在快速工業(yè)化和城市化的過程，對能源消費(fèi)和需求的增長保持著旺盛態(tài)勢。我國以煤能源主要結(jié)構(gòu)導(dǎo)致環(huán)境污染日趨惡化，酸雨覆蓋區(qū)占國土面積40%。煤炭燃燒是我國硫化物、可吸入顆粒物和氮氧化物等大氣污染物的主要來源之一。最近十年，我國一些大城市開始推廣天然氣采暖鍋爐，以減少燃煤供熱引起的污染物排放。從2012年1月1日起，我國開始執(zhí)行更為嚴(yán)格的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，在環(huán)渤海、長三角和珠三角等重點(diǎn)地區(qū)，新建燃煤發(fā)電廠和燃煤鍋爐氮氧化物、硫化物和煙塵的排放限值分別降低為100mg/m3、50mg/m3和20mg/m3。北京、天津和上海等大城市開始監(jiān)測PM2.5。“限煤改氣”成為我國調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保證能源供應(yīng)、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施之一，也是我國城市供熱產(chǎn)業(yè)在不阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下控制大氣污染、改善城市環(huán)境的重要趨勢1。

流程說明圖1為燃?xì)廨啓C(jī)頂循環(huán)發(fā)電的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)流程，系統(tǒng)集成原則為“以熱定電”?？諝饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入回?zé)崞黝A(yù)熱，預(yù)熱后的氣體進(jìn)入燃燒室與壓縮后的天然氣混合、燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗凰偷酵钙脚蛎涀龉Πl(fā)電，產(chǎn)生的余熱經(jīng)回?zé)崞鲹Q熱后進(jìn)入吸收式制冷機(jī)組用于供熱（制冷或采暖），出口的余熱經(jīng)逆流式換熱器生產(chǎn)生活熱水，以滿足用戶對熱能的需求，剩余的廢熱經(jīng)處理后排入大氣。該圖示是以滿足用能熱需求（制冷、采暖及生活熱水）為原則，確定原動機(jī)，進(jìn)而確定聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的電力輸出，其中用能熱需求由制冷、采暖及生活熱水表現(xiàn)出來2。

聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)組模型背壓式汽輪機(jī)背壓式汽輪機(jī)的工作原理與凝汽式汽輪機(jī)的工作原理基本相同；不同之處在于前者的排汽全部供給熱用戶使用，不像后者那樣有冷源損失，所以熱效率很高。背壓式汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門開度主要由排汽管調(diào)壓器的壓力信號控制，可以維持排汽壓力基本不變（恒壓調(diào)節(jié)），保證供熱質(zhì)量。因此，這種機(jī)組的發(fā)電出力完全取決于熱負(fù)荷的大小，多余或不足的電力可由電網(wǎng)或并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)。

背壓式汽輪機(jī)的工況圖如圖2所示，分析時(shí)可以近似地用一條折線或直線代替。該模型可用最小技術(shù)出力（B）和容量（C）兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來描述，必要時(shí)輔以斜率表示熱電之間的數(shù)量關(guān)系。由于背壓式汽輪機(jī)固有“以熱定電”的特性，因此當(dāng)熱負(fù)荷中斷時(shí)，它連同相應(yīng)的發(fā)電機(jī)都只能停止工作，這是背壓式汽輪機(jī)組最不利之處。

抽汽式汽輪機(jī)抽汽式汽輪機(jī)有一次抽汽和二次抽汽兩個(gè)類型，一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的簡化工況圖如圖3所示。圖中多邊形以內(nèi)的區(qū)域即為其工作區(qū)。二次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)原理和工況圖，與一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機(jī)的相仿。該模型的數(shù)學(xué)描述可用多邊形所有定點(diǎn)的坐標(biāo)表示，輸入順序依次為A1，A2，A3，…。其中，點(diǎn)A1為最小技術(shù)出力，點(diǎn)C為機(jī)組容量。

熱電機(jī)組特別是背壓式機(jī)組，熱、電出力的固有耦合關(guān)系決定了熱電機(jī)組帶負(fù)荷的不同次序會影響隨機(jī)生產(chǎn)模擬結(jié)果。取暖鍋爐和凝汽式汽輪機(jī)的工況圖退化為坐標(biāo)軸上的一條線段，執(zhí)行生產(chǎn)模擬程序時(shí)，只要輸入相應(yīng)的機(jī)組容量和最小技術(shù)出力數(shù)據(jù)即可3。

局限性與合理性局限性（1）按“以熱定電”原則發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，顧名思義，主要是強(qiáng)調(diào)裝設(shè)背壓機(jī)組，搞壓（焓）差發(fā)電。但裝有背壓機(jī)組的自備熱電廠，發(fā)電受熱負(fù)荷制約，沒有調(diào)整性能。這類電是不能調(diào)峰的，有時(shí)是給電網(wǎng)加大了平峰填谷的難度。背壓機(jī)組與抽凝機(jī)組相比，有很多優(yōu)點(diǎn)。主要的優(yōu)點(diǎn)是能消除凝汽器內(nèi)的冷源損失，熱能利用率最高，發(fā)電煤耗最低。但它同時(shí)也有不足， 即適應(yīng)負(fù)荷變化的性能差，完全是“以熱定電” ，機(jī)組的發(fā)電量受制于熱負(fù)荷的變化。特別是熱負(fù)荷偏離設(shè)計(jì)值較多時(shí)，汽機(jī)的效率急劇下降，會大大減少機(jī)組的發(fā)電量，影響熱電廠的節(jié)煤量和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也給熱電廠的運(yùn)行帶來困難4。

熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)中，背壓汽輪發(fā)電機(jī)組在額定熱負(fù)荷點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)效率最高。對于一個(gè)穩(wěn)定、連續(xù)和耗汽量較大的企業(yè)來說，選用背壓機(jī)組是合適的；但對于熱負(fù)荷隨工藝流程變化的幅度大、速率高，即熱負(fù)荷不夠穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果僅選用某一種型式的供熱機(jī)組，就勢必得不到較高的經(jīng)濟(jì)效益。有的熱電廠由于全是背壓機(jī)，熱負(fù)荷波動時(shí)又急于用電，不得不對空排汽發(fā)電，反而造成浪費(fèi)。有些純背壓機(jī)的熱電廠，由于熱負(fù)荷長時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)值，機(jī)組利用率很低，只好又在主廠房內(nèi)加裝小凝汽機(jī)，利用背壓機(jī)的排汽再發(fā)電，作為補(bǔ)救措施，因而達(dá)不到預(yù)想的經(jīng)濟(jì)效益。

背壓機(jī)低負(fù)荷時(shí)，會導(dǎo)致下列后果：

①****發(fā)電量減少，而廠用電率升高。

如B3-35/10機(jī)組，當(dāng)熱負(fù)荷下降至70%，其發(fā)電功率減至64%，熱電廠的正常生產(chǎn)需消耗一部分廠用電和廠用熱。供熱量越小，熱電廠的單位熱耗與電耗就上升越多。比如邵陽熱電廠，當(dāng)熱負(fù)荷為55%時(shí)，發(fā)電與供熱總的廠用電率為30.5% ，比設(shè)計(jì)值高82.5%；又如蘇州化工廠，當(dāng)熱負(fù)荷為37%時(shí)，熱電廠廠用電率為32%，約比設(shè)計(jì)值高1倍。

②****汽輪機(jī)的效率降低，經(jīng)濟(jì)性惡化。

對B6-35/10機(jī)組，進(jìn)汽量減少10%，汽輪機(jī)內(nèi)效率降低1.5%～4.5%；對B6-50/10機(jī)組，進(jìn)汽量減少10%，內(nèi)效率降低1%～2.5%。內(nèi)效率下降，熱化發(fā)電率會相應(yīng)下降。例如B6-35/10機(jī)組，在額定工況下，熱化發(fā)電率為28.4kW·h/GJ；在進(jìn)汽量為額定工況的70%工況下，熱化發(fā)電率降為26.1kW·h/GJ。低熱負(fù)荷時(shí)，發(fā)電煤耗也將顯著增加，當(dāng)熱負(fù)荷降低時(shí)，經(jīng)濟(jì)性將急劇惡化。

③****發(fā)電與供熱成本增加。

生產(chǎn)總成本基本上是由兩大部分組成：一是可變成本，約占總成本的70%～80%，包括燃料費(fèi)、灰渣的運(yùn)輸與處理和水處理費(fèi)用；二是固定成本，與產(chǎn)量無關(guān)，基本是不變值，約占總成本的20%～30%，其中包括工資、折舊、大修理費(fèi)和其他費(fèi)用。供熱量減少，發(fā)電量也減少，則分?jǐn)傇趩挝浑娔苌系暮蛦挝粺崮苌系墓潭ㄙM(fèi)用相對增加，導(dǎo)致成本增加。當(dāng)供熱量由額定工況減少至30%時(shí)，熱電廠的單位發(fā)電成本將升高近3倍。

抽凝機(jī)組雖然比背壓機(jī)組煤耗高，熱效率比背壓機(jī)組低，但具有一定的靈活性，供熱量和發(fā)電量能獨(dú)立調(diào)節(jié)，負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)。當(dāng)熱負(fù)荷低時(shí)，可以少供熱多發(fā)電，保持鍋爐在經(jīng)濟(jì)狀態(tài)下運(yùn)行。抽凝機(jī)組在抽汽量下降時(shí)，內(nèi)效率上升，效益提高。另外，抽凝機(jī)組可多發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)?shù)仉姛岜葍r(jià)較高情況下，使企業(yè)效益很顯著。因此，有時(shí)化工廠選用背壓與抽凝供熱式機(jī)組聯(lián)合供熱方式更恰當(dāng)，即以背壓機(jī)組承帶基本熱負(fù)荷，抽凝機(jī)組承帶變動熱負(fù)荷，從而達(dá)到機(jī)組和整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定生產(chǎn)。而且，抽凝機(jī)和背壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)，如背壓機(jī)低于額定工況運(yùn)行，其發(fā)電機(jī)可以多帶無功功率，可相應(yīng)提高抽凝機(jī)的功率因素，抽凝機(jī)還可以超發(fā)，效益將更好。一些大的化工廠單獨(dú)選用抽凝機(jī)組也多有所見。

只有裝背壓機(jī)組才能真正做到“以熱定電”。但是背壓機(jī)組只能在額定熱負(fù)荷下平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)才是合適的，才是節(jié)能的。若熱負(fù)荷變化大而頻繁，能耗就會上升。但實(shí)際上，在通常情況下，熱負(fù)荷變化是大的，熱負(fù)荷變化平穩(wěn)的情況較少見，只發(fā)生于局部，因此不能以少概全。

（2）熱負(fù)荷在一天中，一季之中，一年之中變化是十分大的，最小值與最大值相差好幾倍。那么，“以熱定電”到底以哪個(gè)熱來定呢？顧名思義，只能用最大熱量來定發(fā)電設(shè)備。這在通常情況下也是不經(jīng)濟(jì)、不合理的，不能充分發(fā)揮汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備的利用率。

（3）熱電聯(lián)產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，能源在各個(gè)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)都會有損失，應(yīng)該系統(tǒng)地、全面地看待、權(quán)衡，不能只重視一個(gè)而忽略其它?！耙詿岫姟钡哪遣糠譄峄l(fā)電雖然減少了冷源損失，是節(jié)能的因素，但是如果熱負(fù)荷變化大而頻繁，則鍋爐運(yùn)行效率低，汽輪機(jī)內(nèi)效率低，損失增加等費(fèi)能因素所起作用，就可能有過之而無不及。由此可以看出，把以熱定電作為原則的提法是不夠辯證的。

（4）影響熱電廠建設(shè)的外部條件和因素有許多，熱負(fù)荷的大小及變化的情況是重要的因素，只能實(shí)事求是，因地制宜來建設(shè)。其裝機(jī)規(guī)模與機(jī)型選擇，應(yīng)該在使熱電廠綜合熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)的前提下，經(jīng)多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，擇優(yōu)決定，而不能僅按“以熱定電”的原則來決定。把一個(gè)因素強(qiáng)調(diào)到不適當(dāng)?shù)某潭?，把?fù)雜的建廠條件簡單化，就不能實(shí)事求是地決策，也就無裝機(jī)方案的優(yōu)化可言，從而會影響熱電廠的經(jīng)濟(jì)效益。這種教訓(xùn)實(shí)在太多了，不能再繼續(xù)下去了。由此可見，“以熱定電”的提法是簡單化和不實(shí)事求是的。

（5）“以熱定電”的提法也是和我國能源發(fā)展戰(zhàn)略以電力為中心的政策相悖的。1989年11月，中國科學(xué)院技術(shù)學(xué)部能源專組在向中央負(fù)責(zé)同志提交的我國能源發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告中，提出了“因地制宜大力推行熱電聯(lián)產(chǎn)的分專題報(bào)告”，回避了“以熱定電”的提法。因地制宜，就是按建設(shè)的具體條件定規(guī)模，大熱電、小熱電不可偏廢。能建大熱電的地方，就不應(yīng)該建設(shè)小熱電。要在節(jié)約能源、改善環(huán)境的前提下，做好供熱規(guī)劃，統(tǒng)籌考慮。

合理性按“以熱定電”原則發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，一般地說，是指導(dǎo)自備熱電廠建設(shè)的一個(gè)正確的方針。如化工自備熱電廠帶的是本企業(yè)的熱負(fù)荷，熱負(fù)荷的量和變化規(guī)律是可以準(zhǔn)確預(yù)測的，選用背壓機(jī)組帶基本熱負(fù)荷，是有較好節(jié)能效益的。另一方面，化工系統(tǒng)熱源有其特殊性，有大量的廢熱和余熱可利用，典型的有硫酸余熱和炭黑尾氣，此時(shí)按“以熱定電”的原則，選擇合適的余熱鍋爐和發(fā)電機(jī)組是正確的。在有些情況下，按“以熱定電”原則發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)是合理的，應(yīng)該加以肯定。