导读
通过对火力发电厂电能生产方式和城市用户用能方式的研究，提出了以循环水直接供热为基础的火力发电厂提高能源转化效率的技术，由此扩展了火力发电厂低温能源的使用。此技术实施将有效的降低能源生产和消费过程中的燃料消耗，降低碳排放强度，是城市低碳发展可选的技术路线。
1 前言
国民经济快速发展和人民生活水平的提高以及国家城镇化的发展，对能源需求将越来越大，今后能源供需矛盾将更加突出，解决问题的办法一是开源、二是节流。如何在能源供应困难的背景下，有效的提高火力发电厂的效率，是解决问题其中的一个途径。火力发电厂在生产电力方便清洁能源产品的同时，自身能源浪费巨大，其原因是火力发电热力循环过程中凝汽器乏汽的低品位高能量能源被排放到大气，且影响周边环境，不同类型机组能源使用效率见表1。
表1 不同类型机组能源利用效率
参数名称
单位
亚临界机组
超临界机组
超超临界机组
机组供电效率
%
38.00
41.00
44.00
厂用电率
%
6.50
4.30
4.00
机组发电效率
%
40.64
42.84
45.83
发电机效率
%
98.95
98.95
98.95
热力系统效率
%
41.07
43.30
46.32
锅炉效率
%
94.00
94.00
94.00
汽机效率
%
43.69
46.06
49.28
理论热电比
%
130
118
104
注：此表中的“理论热电比”是指采用循环水直接供热技术后全部乏汽用于供热时热功率与电功率的比值
以上数据看出，从亚临界到超超临界机组，62％～56％的能源没有带来效益，其中凝汽器排放的能源占56％～50％，且影响周边的环境，也造成火力发电厂碳排放量巨大。
为城市或工业园区供热的热电厂，采取的供热形式主要是抽汽供热，由于抽气参数高、且不能100% 抽汽，部分低温能源还是从凝汽器排放掉，造成能源浪费。如何最大限度的提高热电厂的能源转换效率，有不同的途径。研究低温能源的使用就是其一方面，这是本文探讨的主旨。
现有的城市供热是热电厂将110～130℃的高温热水送各用户，各用户通过换热站的“水水换热器”将用户暖气的水加热到70～80℃，见图2；如果热电厂直接提供70～80℃热水给用户，取消用户换热器，热电厂的低温热源将有用武之地，将极大的提高能源利用率，降低了城市的碳排放。
图2 现在的城市供热系统示意图
2 提高火电能源转换效率技术
火力发电厂在为社会提供电力清洁能源的同时，其大量低温热能被排放到环境中，造成能源的浪费，表1是不同类型机组能源使用效率，从表1看出，亚临界机组能源转化效率为38%，超临界机组效率为41%，超超临界机组效率为44%，再考虑输电、配电等损耗的基础上，火力发电厂到电能使用能源使用效率
2.1 提高火电能源转换效率技术路线
要提高火力发电厂能源转换效率，从现阶段看主要有两条技术路线。
1） 提高工质的初参数
主汽温度、再热器温度为700℃的高温超超临界机组的研制－即700℃计划，其能源转换效率57%、供电煤耗215g/kWh，这是国内外重点研究的，中国也启动了700℃计划。700℃计划的目标当然好，但需要解决耐高温特殊金属材料，国内外预计在2015～2020年开始进行示范建设，真正工程化还较远，需要的基础研究工作巨大。
2） 纯凝汽轮机组或抽汽供热机组凝汽器乏汽热能的利用
即低温热源的利用，低温热源的利用将带来能源生产的变革。
如果将汽机凝汽器排出的余热充分利用，将极大的提高机组的能源转换效率，降低机组供电煤耗，表2是国内主力机组煤耗指标，从表看出超超临界较亚临界机组煤耗降低显著。
表2典型机组运行供电指标
机组类别
供电煤耗（克/千瓦时）
供电煤耗（克/千瓦时）最优值
1000MW超超临界机组
289 - 293
283
600MW超临界机组
301 - 306
296
600MW亚临界机组
310 - 318
308
表3 是采用循环水直接供热技术在不同地区（供暖期不同）供电煤耗指标（计算过程略），从中看出，采用循环水直接供热技术，机组全年等效供电煤耗小于超超临界机组、接近700℃计划实施后的指标（215g/kWh），但从技术层面讲较700℃计划的实施难度小的多。
表3 采用循环水直接供热的亚临界机组运行能耗指标值(供热期供热量80%)
机组类别
等效供电煤耗（克/千瓦时）
－北京周边（供暖期4个月）
等效供电煤耗（克/千瓦时）
－呼伦贝尔（供暖期8个月）
600MW亚临界空冷
256.39
229.55
600MW亚临界湿冷
252.19
223.45
2.2 循环水直接发电供热技术
通过对火力发电生产工艺系统的改进，在城市或大工业园区周边的电厂，在保证正常的发电条件下，最大限度的提高机组热经济性，降低单位能源的碳消耗。
1） 循环水直接供热技术
循环水直接供热技术：利用汽机做完功乏汽的热量加热 热网循环水直接对用户供热，实现将凝汽式或抽汽式供热机组运行时乏汽的热量充分利用，见图5，此技术将有效的提高机组的热效率，供热区域控制在10KM范围内。
表1数据说明，在不影响发电量的前提下，三种类型机组采用循环水直接供热的热电比均大于“1”，使火力发电厂能源得到充分的利用，供暖期能源利用率大于90％，全年等效供电煤耗指标见表3。
图3中，红色为冬季供热的水流程，黑线为纯凝发电状态的水流程，兰色是供热期间的的热水调节管路。
图3 循环水直接供热热力系统示意图
2） 循环水直接供热技术的机理
循环水直接供热是采用专用的汽轮机，在供暖（或制冷）期将凝汽器排气压力提高，将热网循环水直接加热到70～80℃，为用户提供供暖（或制冷）热能，不同排气压力和温度见表4。
表4 凝汽器排气压力与饱和温度的关系
压力 kPa
4.93
9.87
19.74
29.61
39.47
49.34
59.21
69.08
78.95
温度 ℃
32.9
45.8
60
69
75.6
81.3
85.9
89.9
93.5
从表4看出，当机组排气压力从19.74kPa到59.21kPa时，能够给用户提供55℃到80℃的热水用于供热（考虑换热器端差为5℃）。
如果城市能够实现中央供冷，相当于延长供暖期，火力发电电厂经济效益将进一步提升。
一台300MW亚临界机组采用循环水直接供热技术，在保证发电出力不变的情况下，实现387MW的供热；600MW机组提供774MW的供热。。
2.3 抽气供热与循环水供热的差异
图表1是300MW抽气供热机组的供热曲线[2]（表与图是一一对应）。从图表1看出，当机组抽气量不同，机组所带的负荷也发生变化，抽气量越大，机组所带的电负荷越小。
图表1 300MW供热机组供热曲线
从上面供热曲线看出，如果300MW供热机组带最大供热负荷为350MW时，机组最高能带电负荷为225MW，虽然热电比为1.56，但机组限制电功率出力75MW，供热功率较循环水直接供热少37MW,从中看出，一台300MW供热机组与采用循环水直接供热技术降低热－电功率共计112MW，相当于循环水直接供热机组比常规的抽汽供热机组增加能源输出19.5％；循环水直接供热还节省了电厂循环水泵的电耗（ 300MW 机组>2MW ）。
上述说明，循环水直接供热较抽气供热能源利用率更高。
采用循环水直接供热技术其发电与供热变化趋势是一致的，即供热量越大，发电量也越大，与抽气供热变化正好相反（供热量越大，发电量越小），有利于电网负荷的调整。
循环水直接供热技术大规模工程应用，是热能梯级利用和低温热源回收利用的有效手段。此技术使燃煤电厂在供暖（冷）期能源利用效率达到90%以上，将为火力发电行业带来新的发展生机，将大幅度降低能源消耗，降低温室气体的排放，表5是不同机组供电煤耗。
表5 各种类型机组主要指标对比
机组类型
蒸汽压力MPa
蒸汽温度℃
电厂效率%
供电煤耗g/kWh
亚临界机组
17.0
540/540
38
324
超临界机组
25.5
567/567
41
300
高温超临界
25.0
600/600
44
278
超超临界机组
30.0
600/600/600
48
256
高温超超临界
30.0
700
57
215
亚临界600MW空冷机组
－循环水直接供热（供暖期4个月）
17.0
540/540
48
256.39
亚临界600MW湿冷机组
－循环水直接供热（供暖期4个月）
17.0
540/540
49
252.19
亚临界600MW空冷机组
循环水直接供热寒冷地区（供暖期8个月）
17.0
540/540
54
229.55
亚临界600MW湿冷机组
循环水直接供热寒冷地区（供暖期8个月）
17.0
540/540
55
223.45
2.4 采用循环水直接供热技术要解决的问题
采用循环水直接供热技术，能够有效的提高火力发电厂的能源利用率，提高电厂效益，但要解决好以下问题：
循环水直接供热汽轮机低压转子叶片和低压缸设计问题
循环水直接供热汽轮机凝汽器设计问题
循环水直接供热电负荷和热负荷调整问题
循环水直接供热大型调整阀配置问题
循环水直接供热回热系统设计和设备选型问题
空冷机组循环水直接供热凝汽器设计问题
空冷机组循环水直接供热换热器设计问题
循环水直接供热精处理超温运行问题
循环水直接供热热网补水和水质处理问题
循环水直接供热热控控制策略研究
循环水直接供热机组与热网协同优化控制问题
循环水直接供热热网设计问题
循环水直接供热热网协同控制问题
解决以上问题没有不可逾越的技术障碍，通过努力，均能解决。循环水直接供热技术较采用700℃计划实现的路程近，适合中国国情。
2.5 进一步提高火力发电厂热能转换效率的技术
采用循环水直接供热技术，问题之一就是循环水直接供热带来精处理超温运行问题，如何在解决凝结水温度超温的基础上，进一步提高电站的能源使用效率，其中一条途径就是对现有发电厂热力系统的合理改进，见图4。
图4 采用循环水直接供热热力系统示意图
图4红色部分是对原有的回热系统进行的改进，主要是利用机组原有的开冷水系统对凝结水进行降温，满足精处理装置树脂交换所需要的温度。为了将开冷水的热能回收，采用了溴化锂技术将开冷水的热量和原有凝结水冷却的热量再次加热凝结水精处理后的凝结水，相当于回收了开冷水的热量。
一台300MW机组可以回收辅机冷却水热量10.98MW,相当于提高热力系统效率1.6％；一台600MW机组可以回收辅机冷却水热量18.3MW,相当于提高热力系统效率1.33％ 。
3. 改变传统的能源使用方式扩展低温能源的使用
火力发电厂要实现循环水直接供热技术，必须有大的热用户，此项技术能否实施，取决于政府的协调作用和电厂周边的热需求，不是所有电厂均能实现的，对城市周边或大的工业园区，是有条件实施的，见下面的说明。
3.1 用户供暖系统
热电厂采用循环水为用户直接供热，用户的供暖系统设计见图5，用户系统主要变化是将原有的“水水换热器”更换为可调节流量的调整门。
图5 采用循环水供热用户供暖系统
供热小区通过调节回水流量，控制小区温度；此系统带来的另一个好处是20层高及以下的建筑，不需要小区热网循环水泵，直接利用系统压力即可满足，降低了小区供热电耗。
3.2 用户制冷和热水系统
进一步提高能源使用效率就是实现供热、供冷、供热水三联供（有别于其他三联供），即利用供暖管路夏季为城市提供制冷源动力，为用户提供24h的热水供应，见图6，在满足城市人民生活水平不断提高的基础上，也有效的降低了系统能源消耗。
图6 循环水直接供热用户供冷和供热水系统
图6上部是用户热水系统，利用热网来的热水，通过小区的热水加热器，将水温加热到65～70℃，为用户提供24h的热水供应。
图6下部是用户制冷系统，利用热网来的热水，通过小区的溴化锂中央空调，将用户空调水冷却到7℃，为用户提供24h的冷气供应。
为了提高整个系统的能源效率，溴化锂机组的冷却水取之用户热水系统的冷水部分，将空调系统吸收的热量回收到热水系统。
4 结论
循环水直接供热技术是现阶段最大限度的提高火力发电厂能源利用率的手段，是中国的城镇化发展和节能减排政策带来的机遇。火力发电厂采用循环水直接供热和相应提高热力系统效率的技术，将有效的提高电厂的能源转换效率，机组供电煤耗将显著降低，接近700℃计划的煤耗指标。城市利用循环水直接供热（冷）技术，将显著降低城市的能源消耗，实现城市低碳建设和发展。
4.1 改变火力发电厂能源生产方式
火力发电厂采用循环水直接供热等一系列节能技术，将有效的提高电厂的能源转换效率，降低自身的能源消耗，在为社会做贡献的同时，提高了自身的效益。
采用循环水直接供热技术，机组供电煤耗远低于超超临界机组，接近于700℃的高温超超临界机组。
4.2 扩展循环水直接供热技术的应用
火力发电厂采用循环水直接供热技术将有效的提高电厂的能源转换效率；城市利用循环水供热、制冷和供应热水的“三联供”技术，将显著降低城市的碳排放，实现城市低碳建设和发展。为此，能源生产和能源消费各方均应积极有效的进行工业示范和大规模推广。
循环水直接供热技术是提高火力发电厂效率的有效手段，一旦大规模工程应用，将为企业和社会发展带来巨大效益，为降低温室气体排放提供了有效的解决方案。
4.3 改变用户的用能方式
工业或民用用户，从全局考虑能源的有效使用、特别是低温能源的使用，配合火力发电厂采用循环水直接供热技术实现能源供应，将有效的提高电厂的能源转换效率，显著降低城市的碳排放，实现城市低碳建设和发展。
政府要引导企业和社会各方面积极应用低温热源，提高能源使用效率，实现可持续发展。
～ END～
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来源：岳建华1 岳涛2 李勐2
（1神华国华（北京）电力研究院有限公司，2华北电力科学研究院有限责任公司）
