火力發電廠循環冷卻水作為預制輻射采暖系統熱源的可行性探討（上）
在火力發電廠蒸汽動力循環過程中，存在著不可避免的冷源損失（凝汽損失）。在采暖季，在不對汽輪機進行改造的前提下，適當地提高汽輪機的排汽壓力，產生溫度較高的冷卻水通過換熱制備43℃/33℃左右低溫采暖水作為預制輻射采暖系統的熱源，極大地提高了火力發電廠總效率，滿足國家對中小型火力機組關停并轉的要求，減少環境的污染，延長發電機組的生命周期，節省投資。
一、前言
火力發電廠蒸汽動力循環可以簡化為給水泵、鍋爐、汽輪機和凝汽器等4個主要裝置組成。水在水泵中被壓縮升壓；然后進入鍋爐被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進入汽輪機膨脹作功，作功后的低壓蒸汽進入凝汽器被冷卻凝結成水再回到給水泵中，完成一個循環。
在無回熱、再熱及抽汽供熱的簡單純冷凝式汽輪機的朗肯循環熱效率ηt可近似簡化為：
ηt=（h1-h2）/（h1-h2′）（1）
其中：h1為汽輪機進氣焓kJ/kg
h2為汽輪機排汽焓kJ/kg
h2′為給水焓值kJ/kg
根據式（1）按中壓、次高壓、高壓汽輪機進、排汽參數查水蒸汽焓熵表計算得出朗肯循環熱效率ηt，見表1。
從表1可以得出如下結論：
1、無回熱、再熱及抽汽供熱的簡單純冷凝式汽輪機的朗肯循環熱效率ηt極低，大量的終參數凝汽熱量通過凝汽器排向大氣或者水體；
2、在終參數不變的情況下，汽輪機初參數越高，朗肯循環熱效率ηt越高；
3、在初參數不變的情況下，汽輪機終參數越低，朗肯循環熱效率ηt越高。
鑒于此，現代化火力發電廠均向高壓、高溫等高參數大單機容量發展。從早期的低壓、次中壓、中壓、次高壓、高壓逐漸向超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界發展。壓力也從1.28MPa提高到31MPa，溫度也從340℃提高到600℃。
此外，現代化汽輪機均采用給水回熱循環、蒸氣再熱循環及抽汽供熱系統等來減少凝汽器的凝汽損失，從根本上提高了循環熱效率ηt。
隨著耐高溫材料的不斷改進，亞臨界、超臨界蒸汽參數的采用，僅大型凝汽式發電機組的循環熱效率ηt就可以達到50％。
火力發電廠總效率為：
ηep=3600Pe/（B·Qnet，q）=ηb·ηp·ηt·ηri·ηm·ηg （2）
ηep——發電廠總效率，%；
Pe——為發電功率，kW；
B——為燃煤量，kg/h；
Qnet，q——煤的低位發熱量，kJ/kg；
ηb——鍋爐效率，大型電站鍋爐一般為90％～94％；
ηp——管道效率，大型電站一般為99％以上；
ηt——循環熱效率，大型電站一般為40％～50％；
ηri——汽輪機相對內效率，大型汽輪機一般為90％～92％；
ηm——機械效率，大型汽輪機一般為99％以上；
ηg——發電機效率，大型發電機一般為96％～99％，與冷卻方式、冷卻介質種類等因素有關。
說明：汽輪機絕對內效率ηi=ηtηri，常用于分析發電廠循環方式、蒸汽參數改變有關的熱經濟性。汽輪發電機組的絕對電效率：ηe=ηiηmηg=ηtηriηmηg，因此式（2）變成
ηep=ηbηpηiηmηg=ηbηpηe（3）
從上述各項損失來看，應該說循環效率ηt對發電廠總效率ηep的影響最大。一般，當參數從低參數到超臨界參數時，凝汽式電廠的總效率約在30~42%之間變化。
在火力發電廠蒸汽動力循環過程中，存在著不可避免的冷源損失（凝汽損失）。在采暖季，在不對汽輪機進行改造的前提下，適當地提高汽輪機的排汽壓力，產生溫度較高的冷卻水通過換熱制備43℃/33℃左右低溫采暖水作為預制輻射采暖系統的熱源，極大地提高了火力發電廠總效率，滿足國家對中小型火力機組關停并轉的要求，減少環境的污染，延長發電機組的生命周期，節省投資。
一、前言
火力發電廠蒸汽動力循環可以簡化為給水泵、鍋爐、汽輪機和凝汽器等4個主要裝置組成。水在水泵中被壓縮升壓；然后進入鍋爐被加熱汽化，直至成為過熱蒸汽后，進入汽輪機膨脹作功，作功后的低壓蒸汽進入凝汽器被冷卻凝結成水再回到給水泵中，完成一個循環。
在無回熱、再熱及抽汽供熱的簡單純冷凝式汽輪機的朗肯循環熱效率ηt可近似簡化為：
ηt=（h1-h2）/（h1-h2′）（1）
其中：h1為汽輪機進氣焓kJ/kg
h2為汽輪機排汽焓kJ/kg
h2′為給水焓值kJ/kg
根據式（1）按中壓、次高壓、高壓汽輪機進、排汽參數查水蒸汽焓熵表計算得出朗肯循環熱效率ηt，見表1。
從表1可以得出如下結論：
1、無回熱、再熱及抽汽供熱的簡單純冷凝式汽輪機的朗肯循環熱效率ηt極低，大量的終參數凝汽熱量通過凝汽器排向大氣或者水體；
2、在終參數不變的情況下，汽輪機初參數越高，朗肯循環熱效率ηt越高；
3、在初參數不變的情況下，汽輪機終參數越低，朗肯循環熱效率ηt越高。
鑒于此，現代化火力發電廠均向高壓、高溫等高參數大單機容量發展。從早期的低壓、次中壓、中壓、次高壓、高壓逐漸向超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界發展。壓力也從1.28MPa提高到31MPa，溫度也從340℃提高到600℃。
此外，現代化汽輪機均采用給水回熱循環、蒸氣再熱循環及抽汽供熱系統等來減少凝汽器的凝汽損失，從根本上提高了循環熱效率ηt。
隨著耐高溫材料的不斷改進，亞臨界、超臨界蒸汽參數的采用，僅大型凝汽式發電機組的循環熱效率ηt就可以達到50％。
火力發電廠總效率為：
ηep=3600Pe/（B·Qnet，q）=ηb·ηp·ηt·ηri·ηm·ηg （2）
ηep——發電廠總效率，%；
Pe——為發電功率，kW；
B——為燃煤量，kg/h；
Qnet，q——煤的低位發熱量，kJ/kg；
ηb——鍋爐效率，大型電站鍋爐一般為90％～94％；
ηp——管道效率，大型電站一般為99％以上；
ηt——循環熱效率，大型電站一般為40％～50％；
ηri——汽輪機相對內效率，大型汽輪機一般為90％～92％；
ηm——機械效率，大型汽輪機一般為99％以上；
ηg——發電機效率，大型發電機一般為96％～99％，與冷卻方式、冷卻介質種類等因素有關。
說明：汽輪機絕對內效率ηi=ηtηri，常用于分析發電廠循環方式、蒸汽參數改變有關的熱經濟性。汽輪發電機組的絕對電效率：ηe=ηiηmηg=ηtηriηmηg，因此式（2）變成
ηep=ηbηpηiηmηg=ηbηpηe（3）
從上述各項損失來看，應該說循環效率ηt對發電廠總效率ηep的影響最大。一般，當參數從低參數到超臨界參數時，凝汽式電廠的總效率約在30~42%之間變化。
二、火力發電廠的現狀
由于歷史的原因，我國電力系統中存在一大批中小型燃煤發電機組，規模小、效益差、浪費資源、污染環境。為此1999年5月國務院辦公廳以國辦發［１９９９］44號文轉發“國家經貿委關于關停小火電機組有關問題意見的通知”中要求：單機容量25MW以下（含25MW）的凝汽機組，1999年12月31日前一律予以關停；單機容量50MW以下（含50MW）的中壓、低壓常規燃煤（燃油）機組，2000年底前予以關停；單機容量50MW以下（含50MW）的高壓常規燃煤、燃油機組，2003年底前基本關停。2000年8月國家經貿委以國經貿電力（2000）817號文：“關于做好2000年關停小火電機組工作的通知”。
除了關停小火電之外，國家也對小熱電進行了定義。2000年8月22日，國務院四部委聯合下發了《關于發展熱電聯產的規定》。文件要求常規熱電聯產機組總熱效率年平均應大于45%，單機容量50MW以下機組熱電比年平均應大于100%；單機容量在５０MW至２００MW以下的熱電機組，其熱電比年平均應大于５０％；單機容量２００MW及以上抽汽凝汽兩用供熱機組，采暖期熱電比應大于５０％。不滿足上述小熱電效率要求的均為小火電范疇，屬于關停并轉之列。
2007年國務院批轉發展改革委、能源辦《關于加快關停小火電機組若干意見的通知》國發〔2007〕2號就加快關停小火電機組工作提出進一步要求：一、“十一五”期間，在大電網覆蓋范圍內逐步關停以下燃煤（油）機組（含企業自備電廠機組和躉售電網機組）：單機容量50MW以下的常規火電機組；運行滿20年、單機100MW以下的常規火電機組；按照設計壽命服役期滿、單機200MW以下的各類機組；供電標準煤耗高出2005年本省（區、市）平均水平10%或全國平均水平15%的各類燃煤機組；未達到環保排放標準的各類機組；按照有關法律、法規應予關停或國務院有關部門明確要求關停的機組。二、對在役的熱電聯產和資源綜合利用機組，要實施在線監測，由省級人民政府組織對其開展認定和定期復核工作。不符合國家規定的，責令其限期整改；逾期不改或整改后仍達不到要求的，予以關停。三、熱電聯產機組供電標準煤耗高出第一條煤耗要求的，要結合熱電聯產規劃，以“上大壓小”或在役機組供熱改造，按“先建設后關停”或“先改造后關停”的原則予以關停。在大中型城市優先安排建設大中型熱電聯產機組，在中小型城鎮鼓勵建設背壓型熱電機組或生物質能熱電機組。鼓勵運行未滿15年的在役大中型發電機組改造為熱電聯產機組。新建機組或在役機組改造要與原供熱機組的關停做好銜接。熱電聯產機組原則上要執行“以熱定電”，非供熱期供電煤耗高出上年本省（區、市）火電機組平均水平10%或全國火電機組平均水平15%的熱電聯產機組，在非供熱期應停止運行或限制發電。并要求在大電網覆蓋范圍內，原則上不得建設單機容量300MW以下純凝汽式燃煤機組。
由于歷史的原因，我國電力系統中存在一大批中小型燃煤發電機組，規模小、效益差、浪費資源、污染環境。為此1999年5月國務院辦公廳以國辦發［１９９９］44號文轉發“國家經貿委關于關停小火電機組有關問題意見的通知”中要求：單機容量25MW以下（含25MW）的凝汽機組，1999年12月31日前一律予以關停；單機容量50MW以下（含50MW）的中壓、低壓常規燃煤（燃油）機組，2000年底前予以關停；單機容量50MW以下（含50MW）的高壓常規燃煤、燃油機組，2003年底前基本關停。2000年8月國家經貿委以國經貿電力（2000）817號文：“關于做好2000年關停小火電機組工作的通知”。
除了關停小火電之外，國家也對小熱電進行了定義。2000年8月22日，國務院四部委聯合下發了《關于發展熱電聯產的規定》。文件要求常規熱電聯產機組總熱效率年平均應大于45%，單機容量50MW以下機組熱電比年平均應大于100%；單機容量在５０MW至２００MW以下的熱電機組，其熱電比年平均應大于５０％；單機容量２００MW及以上抽汽凝汽兩用供熱機組，采暖期熱電比應大于５０％。不滿足上述小熱電效率要求的均為小火電范疇，屬于關停并轉之列。
2007年國務院批轉發展改革委、能源辦《關于加快關停小火電機組若干意見的通知》國發〔2007〕2號就加快關停小火電機組工作提出進一步要求：一、“十一五”期間，在大電網覆蓋范圍內逐步關停以下燃煤（油）機組（含企業自備電廠機組和躉售電網機組）：單機容量50MW以下的常規火電機組；運行滿20年、單機100MW以下的常規火電機組；按照設計壽命服役期滿、單機200MW以下的各類機組；供電標準煤耗高出2005年本省（區、市）平均水平10%或全國平均水平15%的各類燃煤機組；未達到環保排放標準的各類機組；按照有關法律、法規應予關停或國務院有關部門明確要求關停的機組。二、對在役的熱電聯產和資源綜合利用機組，要實施在線監測，由省級人民政府組織對其開展認定和定期復核工作。不符合國家規定的，責令其限期整改；逾期不改或整改后仍達不到要求的，予以關停。三、熱電聯產機組供電標準煤耗高出第一條煤耗要求的，要結合熱電聯產規劃，以“上大壓小”或在役機組供熱改造，按“先建設后關停”或“先改造后關停”的原則予以關停。在大中型城市優先安排建設大中型熱電聯產機組，在中小型城鎮鼓勵建設背壓型熱電機組或生物質能熱電機組。鼓勵運行未滿15年的在役大中型發電機組改造為熱電聯產機組。新建機組或在役機組改造要與原供熱機組的關停做好銜接。熱電聯產機組原則上要執行“以熱定電”，非供熱期供電煤耗高出上年本省（區、市）火電機組平均水平10%或全國火電機組平均水平15%的熱電聯產機組，在非供熱期應停止運行或限制發電。并要求在大電網覆蓋范圍內，原則上不得建設單機容量300MW以下純凝汽式燃煤機組。
2007年國家發展改革委、建設部關于印發《熱電聯產和煤矸石綜合利用發電項目建設管理暫行規定》的通知（發改能源［2007］141號）要求：熱電聯產項目中，優先安排背壓型熱電聯產機組；背壓型機組不能滿足供熱需要的，鼓勵建設單機200MW及以上的大型高效供熱機組；以熱水為供熱介質的熱電聯產項目覆蓋的供熱半徑一般按20公里考慮，在10公里范圍內不重復規劃建設此類熱電項目；以蒸汽為供熱介質的一般按8公里考慮，在8公里范圍內不重復規劃建設此類熱電項目。
在節能政策強有力的推動下，至“十一五”結束時，超設計壽命的200MW級機組已開始關停；新投產純凝汽機組單機容量基本在600MW及以上；新增300MW以下機組基本都是熱電聯產機組和資源綜合利用機組。
早期建設的一些中小型電廠，隨著城市的發展，這些電廠已處于城市的中心地帶或者市區近郊、而且機組老舊，煤耗高，屬于國家關停并轉小火電的對象。又由于我國多年來執行“以熱定電”的政策，熱電機組容量普遍偏小，除了熱效益差外，也不能滿足城市發展的需要。這些電廠為了生存，充分利用地理位置的優勢以及原有工程技術人員和老工人的能力，紛紛將凝汽機組改造為熱電機組，或將小熱電改為較大熱電，取代了多眾分散的低效的供熱鍋爐房向周圍工業企業和居民區供熱，節約了燃料，減少了污染。
三、熱電聯產和集中供熱的特點
按照工程熱力學對熱力循環的分析，工質從熱源所吸收的熱量不可能全部轉變為功，其中有一部分不可避免地要傳給冷源而成為冷源損失。汽輪機的排汽在凝汽器中凝結時被冷卻水帶走大量熱量，其冷源損失也稱為凝汽損失。熱電聯產，發電固有的熱力學冷源損失部分（抽凝式機組）或者全部（背壓式機組或抽汽背壓式）用作供熱了，避免了部分或者全部凝汽損失，從而節約了燃料，這就是“聯產節能”。
按式（2）計算凝汽式火力發電廠總效率ηep=30.5~42.0%，也就是說凝汽式汽輪機電站中燃料化學能轉換為電能的總效率最高只有40％左右。背壓式汽輪機的排汽用于供熱，原來損失掉的排汽熱能就被利用，凝汽損失為零，熱能利用率顯著提高，循環熱效率ηt可達100％，按式（2）計算，背壓式火力發電廠總效率ηep=76.2~83.9%。抽凝式汽輪機是抽取在汽輪機中膨脹做功后的尚有一定壓力蒸汽作為供熱汽源，減少由冷卻水帶走的凝汽凝結所釋放的大量熱量，因此減少了由冷卻水帶走的凝汽損失。當抽汽量為零時，抽凝式汽輪機就等于一臺凝汽式汽輪機，它的熱效率甚至比凝汽式汽輪機稍低。抽凝式汽輪機熱能利用率隨著抽汽量的增加而增大。抽凝式火力發電廠總效率介于凝汽式火力發電廠和背壓式火力發電廠之間。
抽凝供熱機組與純凝汽機組結構特性有所不同，主要是汽缸的通流部分存在差異。一般抽凝供熱機組純凝汽運行時，熱效率比同容量純凝汽機組還要低，并且發電功率不允許超過額定值，否則汽缸低壓段易過負荷。抽汽供熱運行時，不僅使抽汽供熱功能發揮效用，整機總熱效率明顯提高，而且依據機組供熱工況圖還可適當超出力10~20%運行，許可工況下的汽缸高壓段、低壓段都是安全的。當機組投入抽汽供熱后，汽缸高壓段承擔的功率比純凝工況大，低壓段蒸汽通流量比純凝工況減小，對汽輪機的軸向推力、監視段壓力、高壓段及低壓段葉輪葉柵強度方面來講反而更安全、穩定。由此可見，抽凝機組帶熱負荷運行，在允許范圍內還可多發電，因此更有利于供熱機組設備性能的發揮。但抽凝式汽輪機存在最大抽汽量，進入凝汽器的排汽量不能太小，因為凝汽量過小，無法帶走因轉子的鼓風摩擦損失產生的熱量，會導致低壓缸溫度超溫。
背壓機“以熱定電”、電負荷不可調節，熱負荷大時，發電多，熱負荷小時發電少，只有承擔基本熱負荷時，才能發揮最佳節能作用；而調節抽汽的抽凝式機組，熱、電負荷可以各自調節，運行比較靈活，但有部分凝汽損失。所以，一個熱電廠，一般有這兩類機型，以適應各類熱負荷和部分電負荷調節的需求。但由于采暖為季節性負荷，顯然用背壓機供暖是不合適的，除非非采暖季節停機。
另外也有抽汽背壓式汽輪機，與抽凝式汽輪機相比較而言，其特點是大于大氣壓力的排汽也用作供熱。
在節能政策強有力的推動下，至“十一五”結束時，超設計壽命的200MW級機組已開始關停；新投產純凝汽機組單機容量基本在600MW及以上；新增300MW以下機組基本都是熱電聯產機組和資源綜合利用機組。
早期建設的一些中小型電廠，隨著城市的發展，這些電廠已處于城市的中心地帶或者市區近郊、而且機組老舊，煤耗高，屬于國家關停并轉小火電的對象。又由于我國多年來執行“以熱定電”的政策，熱電機組容量普遍偏小，除了熱效益差外，也不能滿足城市發展的需要。這些電廠為了生存，充分利用地理位置的優勢以及原有工程技術人員和老工人的能力，紛紛將凝汽機組改造為熱電機組，或將小熱電改為較大熱電，取代了多眾分散的低效的供熱鍋爐房向周圍工業企業和居民區供熱，節約了燃料，減少了污染。
三、熱電聯產和集中供熱的特點
按照工程熱力學對熱力循環的分析，工質從熱源所吸收的熱量不可能全部轉變為功，其中有一部分不可避免地要傳給冷源而成為冷源損失。汽輪機的排汽在凝汽器中凝結時被冷卻水帶走大量熱量，其冷源損失也稱為凝汽損失。熱電聯產，發電固有的熱力學冷源損失部分（抽凝式機組）或者全部（背壓式機組或抽汽背壓式）用作供熱了，避免了部分或者全部凝汽損失，從而節約了燃料，這就是“聯產節能”。
按式（2）計算凝汽式火力發電廠總效率ηep=30.5~42.0%，也就是說凝汽式汽輪機電站中燃料化學能轉換為電能的總效率最高只有40％左右。背壓式汽輪機的排汽用于供熱，原來損失掉的排汽熱能就被利用，凝汽損失為零，熱能利用率顯著提高，循環熱效率ηt可達100％，按式（2）計算，背壓式火力發電廠總效率ηep=76.2~83.9%。抽凝式汽輪機是抽取在汽輪機中膨脹做功后的尚有一定壓力蒸汽作為供熱汽源，減少由冷卻水帶走的凝汽凝結所釋放的大量熱量，因此減少了由冷卻水帶走的凝汽損失。當抽汽量為零時，抽凝式汽輪機就等于一臺凝汽式汽輪機，它的熱效率甚至比凝汽式汽輪機稍低。抽凝式汽輪機熱能利用率隨著抽汽量的增加而增大。抽凝式火力發電廠總效率介于凝汽式火力發電廠和背壓式火力發電廠之間。
抽凝供熱機組與純凝汽機組結構特性有所不同，主要是汽缸的通流部分存在差異。一般抽凝供熱機組純凝汽運行時，熱效率比同容量純凝汽機組還要低，并且發電功率不允許超過額定值，否則汽缸低壓段易過負荷。抽汽供熱運行時，不僅使抽汽供熱功能發揮效用，整機總熱效率明顯提高，而且依據機組供熱工況圖還可適當超出力10~20%運行，許可工況下的汽缸高壓段、低壓段都是安全的。當機組投入抽汽供熱后，汽缸高壓段承擔的功率比純凝工況大，低壓段蒸汽通流量比純凝工況減小，對汽輪機的軸向推力、監視段壓力、高壓段及低壓段葉輪葉柵強度方面來講反而更安全、穩定。由此可見，抽凝機組帶熱負荷運行，在允許范圍內還可多發電，因此更有利于供熱機組設備性能的發揮。但抽凝式汽輪機存在最大抽汽量，進入凝汽器的排汽量不能太小，因為凝汽量過小，無法帶走因轉子的鼓風摩擦損失產生的熱量，會導致低壓缸溫度超溫。
背壓機“以熱定電”、電負荷不可調節，熱負荷大時，發電多，熱負荷小時發電少，只有承擔基本熱負荷時，才能發揮最佳節能作用；而調節抽汽的抽凝式機組，熱、電負荷可以各自調節，運行比較靈活，但有部分凝汽損失。所以，一個熱電廠，一般有這兩類機型，以適應各類熱負荷和部分電負荷調節的需求。但由于采暖為季節性負荷，顯然用背壓機供暖是不合適的，除非非采暖季節停機。
另外也有抽汽背壓式汽輪機，與抽凝式汽輪機相比較而言，其特點是大于大氣壓力的排汽也用作供熱。
如前所述，熱電聯產機組的發電一般可以分為凝汽汽流發電和抽汽供熱汽流發電兩塊。前者由于熱電聯產機組容量一般較小，蒸汽初參數較低，其發電效率不如大型純凝汽機組來得高；但后者由于不存在凝汽（冷源）損失，其熱效率很高，以致于其綜合熱效率可能超過大型高效的純凝汽發電機組，這正是國家鼓勵大力發展熱電聯產和熱電聯產機組大型化的根本原因。
熱電廠的大型鍋爐熱效率比分散供熱小鍋爐高，從而節約了燃料，減少了城市的煙塵污染；還能集中對煙氣進行脫硫、脫硝、高效除塵處理；也減少了冷卻水對環境的熱污染，這都是集中供熱所帶來的好處。也就是“集中節能”。 （待續）-- 九源（北京）國際建筑顧問有限公司 姚善新
熱電廠的大型鍋爐熱效率比分散供熱小鍋爐高，從而節約了燃料，減少了城市的煙塵污染；還能集中對煙氣進行脫硫、脫硝、高效除塵處理；也減少了冷卻水對環境的熱污染，這都是集中供熱所帶來的好處。也就是“集中節能”。 （待續）-- 九源（北京）國際建筑顧問有限公司 姚善新
