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摘 要：在对热负荷延续时间图分析的基础上，指出了引起热电联产供热系统能耗较大的“调峰三角区”和“低效率三角区”.在“三角区”内采用分布式燃气锅炉供热具有显著的节能效益.对不同纬度地区的9个城市“热负荷三角区”的能耗分析与优化结果表明：“低效率三角区”对低纬度采暖地区的供热能耗影响更大.考虑我国的实际情况，在燃气资源丰富、燃气价格不高或城市环境要求较高的地区，采用燃煤热电联产同时配以分布式燃气锅炉调峰的供热方式，是区域供热系统节能的有效措施.应发挥不同类型能源的优势，合理匹配集中式热源与分布式热源，才能使变负荷条件下更具灵活性和可靠性.
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关键词：区域供热；热电联产；三角区；能源效率�
中图分类号：TK01 文献标识码：A
Energy Efficiency Analysis and Optimization of �Coal�fired CHP based on “Low Heat�load Triangle”
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WANG Lei��1, 2�, ZHAO Jia�ning��1��, DING Li�qun�1,LIAO Chun�hui�1�
(1.School of Municipal & Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, Heilongjiang 150090, China;�
2. School of Energy & Power Engineering，Northeast Dianli Univ,Jilin, Jilin 132012, China)
Abstract:This paper analyzed the energy efficiency of small�sized coal�fired Combined Heat and Power(CHP) at part heat�load, and presents the “low heat�load Triangle” based on heat�load duration diagram. The energy efficiency of coal�fired CHP in the “low heat�load Triangle” is much lower than separate generation because the heat�load is so little. Therefore, it is an effective way to improve the energy efficiency of CHP plant by minimizing the “low heat�load Triangle”. Separate generation instead of coal�fired cogeneration can be a better scenario in this special area. The study of the CHP district heating in 9 cities of different latitudes in China has shown that distributed gas boilers can be used in the “Triangle Areas”, which can lead to a visible energy saving. But the energy saving rate has a remarkable difference among cities of different latitudes. So the cogeneration and separate generation sources should be reasonably matched for utilization so that the energy saving rate can be considerably enhanced.
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Key words:district heating; CHP; low heat�load triangle; energy efficiency
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热电联产可以实现能源的梯级利用，按质用能，减少一次能源的消耗量，从而减少CO�2的排放.所以近年来，为应对能源危机和环境恶化，很多国家都在鼓励和推广热电联产技术.欧盟以及联合国亚太经济社会委员会（ESCAP）都将热电联产视作污染物控制和提高能源效率的一项措施��［1-2］�.2002年，美国仅有9%为热电联产发电，预计到2020年，热电联产发电占总发电量的比例将达到29%��［3］�.自1998年起，中国已出台了一系列措施��［4-5］�，对集中供热热源进行大规模的热电联产改造，拆除小锅炉，推广大型热电联产机组.与热电分产相比，虽然联产的燃料利用效率有大幅提高，但常常为了供热而牺牲了一部分蒸汽的做功能力.现在普遍采用的抽汽供热方式，使发电量大为降低.如何减少热电联产高品位的能源损失，提高机组热能利用率是很多技术人员关注的难题.�
由于热、电负荷的变化不同步，国内热电厂一般按“以热定电”的方式运行.并且由于热负荷变化范围大，高峰热负荷时间短，所以热电机组多在非满负荷状态下运行.为延长热电机组满负荷运行时间，国内热电厂的热化系数约在0.5~0.8之间，尖峰热负荷时汽轮机抽汽供热不足部分由新蒸汽减温减压供给，或电厂内装设调峰锅炉补充，这部分蒸汽不参与生产电能，损失了一部分高品位热能的做功能力.所以实际工程中的热电联产是联产和分产的结合.当热负荷较低时，热电联产的热效率甚至低于热电分产.热电厂的年运行时间和热负荷的大小是影响能耗的重要因素��［6］�. 因此，为提高热电厂的热能利用率，应尽可能延长热电机组的满负荷运行时间，避免在低热负荷工况下运行. �
本文在对热负荷延续时间图分析的基础上，指出了引起热电联产供热系统能耗较大的“调峰三角区”和“低效率三角区”；通过案例分析计算了B25+C50热电联产在部分负荷运行时的能耗；指出了B25+C50热电联产在不同地区的最优热负荷.
湖南大学学报(自然科学版)2012年
第4期王 磊等：基于“热负荷三角区”法的热电联产能耗分析与优化
1 热电联产的耗能“三角区”�
目前热电厂主要有背压式汽轮机和抽凝式汽轮机.背压机是将汽轮机的排汽用来供热的汽轮机，蒸汽的热量在理论上被完全利用.背压式汽轮机的运行方式是以热定电，发电量依据热负荷量而确定，机组不能单独运行，也不能独立调节来同时满足热用户和电用户的需要；热负荷变化适应性差，特别是热负荷偏离设计值较多时，汽轮机效率急剧下降，机组的发电功率会急剧下降，所以背压机适合承担稳定的热负荷.抽凝机具有较好地调节性能，可同时满足热电两种负荷的需要，当热负荷为零时，抽汽式汽轮机变为凝汽式汽轮机仍可满足发电额定功率.因此热电厂常将背压机和抽凝机配合使用，用背压机承担稳定负荷，用抽凝机承担变负荷.�
热负荷�Q��h�可以拟合成延续时间τ的函数：�
Q��h�=f(τ)，τ∈［0，τ���zh��］.（1）�
全年供热量：
��Φ���year��=∫��τ��zh���0Q���load�d�τ=g(τ).（2）�
热电厂生产电能和热能的耗热量可按下式计算��［7］�：��
联产供热耗热量Q���tph��： �
Q���tph��=Q��h�/η��b�η��p�. （3）�
联产供热标准煤耗率b�s���tph��：�
b�s���tph��=B�s���tph��Q�h/�10��6≈34.1η��b�η��b�.（4）�
联产发电耗热量Q���tpe��：�
Q���tpe��=Q���tp��－Q���tph��.（5）�
联产发电热效率η���tpe��：�
η���tpe��=3.6P���el��Q���tpe��.（6）�
联产发电标准煤耗率b�s���tpe��：�
b�s��tpe�=B�s���tpe��P���el��≈0.123η���tpe��.（7）�
式中：Q��h为热负荷，GJ/h�；η��b为燃煤锅炉效率�；η��p�为管道效率；Q���tph��为联产抽汽供热量,�GJ�；Q���tp��为热电厂总耗热量，�GJ� ； P���el��为发电功率，�MW�；B�s���tph��为供热标准煤耗量，�kg标准煤�.B�s���tpe��为发电标准煤耗量，�GJ.�
由式（1）~式（7）可知：联产供热标准煤耗量主要取决于锅炉效率，对现代大型锅炉，其值在40 kg标准煤/GJ��［7］�左右.所以对于联产和分产，其供热能耗相差不大.而联产发电耗煤量随热负荷的减小而增大，在汽轮机承担满负荷时，发电煤耗可低于200 kg标准煤/kwh，但在汽轮机纯凝运行时，发电煤耗超过400 kg标准煤/kwh,而目前我国主力600 MW机组的发电煤耗约323 g标准煤/kwh.这就说明在汽轮机随着热负荷调节过程中，在热负荷较低时，联产能耗是高于分产能耗的.这部分区域在热负荷延续时间图上形成一个三角形区域，所以减小“低效率三角区”面积是热电联产节能的有效措施.�
图1中的“调峰三角区”属于分产供热区，目前常用调峰锅炉或减温减压器承担这部分热负荷.图1中�τ�f�n表示第n台汽轮机满负荷运行的时间，τ�c�n为变热负荷运行时的能耗临界点，在τ�c�n�点处，汽轮机的发电煤耗等于主力机组发电煤耗，按600 MW汽轮机发电煤耗计算，为323 g标准煤/kWh.在�τ�c�n�点左侧，联产发电煤耗低于分产煤耗；在�τ�c�n右侧，联产发电煤耗高于分产煤耗，也就是说，在τ�c�n点右侧的“三角区”内，由于汽轮机所承担的热负荷较小，使热电联产的能耗大，燃料利用效率低，定义为“联产低效率三角区”.第n-1台机组的能耗临界点τ�c��n－1�在采暖期结束点τ��zh�的右侧，所以第n-1台机组运行过程中始终是比分产节能的.���
�图1 热电联产能耗三角区�
Fig.1 “Triangle Area” of CHP�
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在这个“低效率三角区”内，汽轮机运行能耗是高于热电分产的.可采用调峰锅炉承担“低效率三角区”的热负荷，也可以通过优化热源集成方案从而减小三角区的面积.这两部分三角区具有较大的节能潜力，常用的燃煤调峰锅炉，由于其热效率与锅炉容量大小密切相关，所以适合建设少量大型调峰锅炉，但燃煤锅炉效率又受负荷影响很大，“三角区”内热负荷的陡降趋势会引起燃煤锅炉效率降低.�
与燃煤锅炉相比，燃气锅炉供热不仅能有效地解决城市污染问题，还具有以下优点：燃气锅炉的供热负荷适应性强，调节灵活；燃气锅炉启动快，减少预备工作带来的各种消耗；燃气锅炉不需要煤及煤渣的堆放地，节省用地，同时可以减少运煤除渣的车辆流量，改善城市交通环境；燃气锅炉节约了燃煤锅炉的除尘设备，锅炉内没有结渣问题；燃气锅炉比燃煤锅炉辅助设备少，所需工作人员少，负担工资及福利费少；燃气锅炉燃料输送及其它辅助设备少，功率小，所以耗电量低�� ［8-10］�.�
由于天然气是空间燃烧，锅炉效率主要与受热面大小、供热介质的温度和换热强化等因素有关.由于天然气锅炉不产生灰分，受热面布置不考虑灰堵和清灰问题，可以采用波纹管和旋流片等强化传热方式，所以燃气锅炉无论规模大小，其效率一般差别不大，热水锅炉一般都在90%左右��［10］�.因此，在供热系统的换热站内可以设置小型燃气锅炉，做为“三角区”内的热源.
2 “三角区”能耗分析方法�
目前集中供热系统通常采用热电厂与调峰锅炉作为热源，称为方案一，其耗热量用�Φ���(1)���total�表示；本文提出的燃煤燃气联合供热方案，称为方案二，耗热量用�Φ���(2)���total�表示.燃煤燃气联合热源的节能率可以表�示为：��
��δ=Φ���(1)���total�－�Φ���(2)���total��Φ���(1)���total�=Δ�ΦΦ���(1)���total�=�H(τ) .（8）�
其中方案一的总耗热量为：�
Φ���(1)���total�=∑�n�i=1�Φ��(1)��i+A���peak��/η���coal��.（9）�
两种方案的耗热量之差为：�
�Δ�Φ=∑n�i=1�Φ���LETA���i+A���peak��/(η���coal��-η���gas��)-�
∑n�i=1�(A���LETA���i/η���gas��)-∑n�i=1�(E���LETA���i/η��sg�).�
（10）�
E���LETA���i=3.6×∫��τ�f��i－1����τ�c�i�P��i,τ��d�τ .（11）�
A���LETA���i=∫��τ�f��i－1����τ�c�i�Q�h－∑�i－1�1Q�f�jτ�f��i－1�－τ�c�i�d�τ.�
(12）�
式中：Φ���LETA���i为第i个低效率三角区的汽轮机耗热量,� GJ�；Φ��(1)��i 为方案一中第i个汽轮机的供热发电总耗热量，�GJ�;η��sg�为分产发电效率；A���peak��为调峰三角区的供热量，�GJ�；P��i,τ�为第i台机组在τ时刻的发电功率，�MW�；E���LETA���i为第i个低效率三角区的总发电量，�GJ�；A���LETA���i为第i个低效率三角区的供热量，即第i个三角区的面积，�GJ�；Q�f�j为第j台汽轮机的最大供热能力，��GJ/h.�
在热化系数为0.5~1区间内，燃煤燃气联合供热的节能率可采用遗传算法进行寻优，具体计算过程如图2所示.��
�图2 燃煤燃气联合热源供热节能潜力计算流程图�
Fig.2 Flow chart for calculation of energy saving rate��
3 案例分析�
在基本负荷比为0.5~1.0的范围内，以B25型背压机和C50型抽凝机为基本热源，同时采用燃气锅炉承担“调峰三角区”和“低效率三角区”内的热负荷，与传统的燃煤锅炉调峰相比，佳木斯地区可节能3.4%~4.4%，而石家庄地区可节能1.4%~�5.8%�，如图3所示.这是因为，低纬度的石家庄采暖期短，C50型汽轮机可以不在“低效率三角区”内运行，这样热电联产在整个采暖期内，其热效率始终高于分产效率；而长春以北的城市，由于采暖期时间较长，无论热源承担多大的热负荷，C50型汽轮机都不可避免地在“低效率三角区”内运行，使得这期间联产的热效率低于分产热效率，所以对于B25+C50型汽轮机，长春以北的城市中，采用燃气调峰的节能率至少在3.4%以上，但由于高纬度地区“三角区”的总供热量占全年供热量的比例较小，所以长春以北的城市采用燃气调峰的最大节能率在4.5%�以内.��由于“调峰三角区”和“低效率三角区”的存在，热电厂供热系统最节能的热源方案不是纯粹的热电联产，而是联产和分产的相结合.为增大联产的节能效益，应尽可能地减小“调峰三角区”和“低效率三角区”的面积.受采暖期时间的影响，C50型汽轮机在佳木斯市在最节能工况时仍存在完整的三角区，如图4所示，在低负荷运行时，C50型汽轮机的发电煤耗高达486 g标煤/kWh；而C50型汽轮机在石家庄市的最节能工况时，如图5所示，其三角区面积已大幅减小，且在最低热负荷时，C50型汽轮机的发电煤耗约367 g标煤/kWh.由此可知，“低效率三角区”对低纬度采暖地区的供热能耗影响更大.�
地区�图3 不同地区采用燃煤燃气联合供热的节能区间�
Fig.3 Scope of energy saving rate by using�
gas�boilers in “Triangle Area” in different cities �
�
供暖时间/h�图4 B25+C50型汽轮机在佳木斯市的节能最优热负荷曲线�
Fig.4 Optimal heat load duration curve of�
B25+C50 steam turbines in Jiamusi��
分布式燃气调峰是一种节能效果显著的热源方案.其原因在于，采用小型燃气锅炉承担“低效率三角区”内的热负荷，保证了联产汽轮机在运行时间内发电煤耗高于分产煤耗；另外由于燃气锅炉本身效率高，没有不完全燃烧的问题，不受炉膛温度的影响，而且燃气锅炉效率与锅炉大小和负荷变化关系不大，可灵活地设置在多个热力站内调峰.与燃煤锅炉相比，在热负荷变化时燃气锅炉仍然可以保持很高的热效率.�
供暖时间/h�图5 B25+C50型汽轮机在石家庄市的节能最优热负荷曲线�
Fig.5 Optimal heat load duration curve of�
B25+C50 steam turbines in Shijiazhuang��
4 结 论�
在对热负荷延续时间图分析的基础上，指出了引起热电联产供热系统能耗较大的“调峰三角区”和“低效率三角区”.“调峰三角区”是分产供热区；“低效率三角区”是联产的高耗能区，在此区域内，汽轮机运行能耗是高于热电分产的.这两个三角区具有较大的节能潜力，采用分产供热比联产供热更为节能，并可通过分布式燃气调峰热源替代传统的集中式燃煤调峰热源，或通过优化热源集成方案从而减小三角区的面积.�
对B25+C50型汽轮机在不同纬度地区的9个城市能耗计算，结果表明：受采暖期时间长短的影响，低纬度地区的运行能耗受热负荷的影响较大，而高纬度地区的运行能耗受热负荷的影响较小.考虑我国的实际情况，在燃气资源丰富、燃气价格不高或城市环境要求较高的地区，采用燃煤热电联产同时配以燃气锅炉调峰的供热方式，可显著提高热能综合利用效率.应发挥不同类型能源的优势，合理匹配集中式热源与分布式热源，才能使变负荷条件下更为节能.参考文献�
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