南方地区火电厂集中供热研究

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(1.厦门轨道交通集团有限公司，厦门　361000；2.广西电网公司崇左供电局，广西　崇左　532200；3.湖南电网公司长沙市望城区供电公司，湖南　长沙　410000)

1　引言

随着社会的不断进步和工业技术的飞速发展，人类将从工业时代以“规模效益”为特点的第一代能源利用方式转向信息时代以“效益定规模”的第二代能源利用方式。节约和合理利用能源、保护环境是我国长期坚持的发展战略方针。随着我国社会和经济的快速发展、城市化步伐的加快和可持续发展战略的需求，我国能源生产和消费将逐步发生结构调整和改革。在结构调整与改革过程中，热电联产集中供热以其自身的优势，迎接全新机遇和挑战，成为最有发展前景的能源产业之一，而南方地区的热电联产集中供热以火电厂集中供热为特色。

火电厂集中供热是把火电厂中的高位热能用于发电，低位热能用于供热，从而实现能源的合理利用[1-5]。火电厂集中供热可以提高燃料利用效率，降低能耗、节约能源；可减少城市污染，改善周围地区环境质量，是节约能源、改善大气环境质量的有效途径[6-8]。

2　南方地区发展火电厂集中供热的必然性

2.1　火电厂集中供热的优越性

火电厂集中供热有利于提高能源综合利用率，节约能源；有利于减少污染排放，保护环境；有利于改善供热质量，保证工业园的通畅运行；能为电厂提供了一条热能经营途径，有利于提高电厂的经济效益[9-12]。

(1)节约能源，提高能源利用率

火电厂集中供热是将汽轮机中做完一部分功的仍具有一定温度、压力的蒸汽从汽轮机中抽出供外界热用户使用，一般火力发电厂全厂热效率在40%左右，而集中供热改造后全厂热效率能达到70%；工业锅炉热效率较低，一般在50%～60%左右，容量较大的工业锅炉效率在 70%～80%之间，而经集中供热改造的火电厂锅炉热效率在80%～90%之间，热效率可增大 20%～30%，极大提高了燃料利用率。

(2)减少排放，保护环境

火电厂集中供热可取缔供热区内分散的小锅炉房，实现了煤的集中运输、贮存以及灰渣的集中处理，可改善市容；火电厂大型锅炉配备有脱硫除尘设备，脱硫除尘效率高，且烟囱高大，有利于烟汽扩散，以高点源排放代替众多小烟囱的多源排放，可大大改善环境质量。

(3)提高供热质量

小锅炉房自动化程度低，设备故障率高，供热压力与温度时有波动，不易保证供热质量；火电厂集中供热运行模式为连续运行，自动化程度高，稳定可靠，供热质量高。

(4)提高电厂经济效益

一方面，受市场煤计划电的限制，煤价高涨，传统火电厂发电利润低，甚至亏损，而供热利润相对较高，电厂进行集中供热改造后，增加一条电厂热能经营途径；另一方面，当电厂处于深度调峰状态时，供热改造可以降低锅炉最低稳燃负荷，有效防止锅炉熄火，节约了生产成本，提高了电厂经济效益。

2.2　社会可持续发展的需求

近年来，持续的雾霾天气影响到了全国民众的日常生产生活，对治理雾霾，全国上下无论民众、行业及政府都表现出急迫性。而化石燃料燃烧产生的“二次颗粒”约占了雾霾成分的50%，在我国，以煤炭为主的能源结构短期无法改变，因此治理燃煤污染就成为当下的首要问题。大电厂按规定都需安装脱硫、脱硝和脱粉尘设备，脱除率达到90%以上。若集中燃煤，尾气中的污染物可以控制到和天然气燃烧相近甚至更低的程度。世界平均煤炭集中利用度是60%左右，欧美日等能达到90%以上，而我国煤炭集中利用度不到50%。我国有近70万台中小锅炉散烧约18亿吨煤，不可能在每一台后面安装脱硫脱硝装置。散烧一吨煤的污染是大型锅炉减排(>90%)后的10倍以上；散烧18亿吨煤的排放相当于180亿吨以上集中燃烧产生的污染。

散烧煤是“雾霾”最重要的成因之一，如何使近70万台中小锅炉清洁“变身”是解决雾霾的关键。因此，增加集中燃煤，热电联产，同时加大环保执法力度，保证集中燃煤装置尾气排放达标，通过立法和加强环保执法，迫使中小燃煤锅炉逐步转型或淘汰是有效治理雾霾的措施之一，有利于提高能源利用率、节约能源、保护环境，是实现能源与环境协调发展、社会经济可持续发展的需要，是确保政府社会发展目标实现的重要措施之一。

3　南方地区火电厂集中供热发展面临的障碍

南方地区的火电厂集中供热发展正处于初期阶段，尚存在很多问题并面临着许多障碍，主要表现在以下两个方面。

3.1　供热体系的不完善

现存供热电厂大多以单独供应某家大型用热企业为主，供热企业和用热企业互相依托、相扶相持，模式单一；管网建设投入不够，热力管网配置受原热力规划约束，热力管网在政策上未能享受足够力度的支持，制约了热力系统的优化发展。

3.2　电网对于火电厂热电联产改造的反对

南方地区现阶段热电联产集中供热发展主要侧重于对传统火电厂的集中供热改造，改造后服务于电网与热网均为电厂的首要任务，而电厂的供电任务与供热任务必将相互影响。虽然供热改造降低了电厂的最低稳燃负荷，有利于调度时填谷，但是电厂供热改造对电网存在如下影响：电厂停机受供热的约束，影响丰水季节电网对火电机组的调度，甚至造成水电站弃水，影响节能减排，并且由于火电上网电价高于水电，提高了电网公司成本；供电紧张期间，受供热影响，机组最大出力不足，影响电网调峰调度；供热量的波动影响发电机出力的波动，一定范围内改变了发电机控制的数学模型，影响电网稳定控制；供热改造后对电网调频也会产生影响。由于电厂改造后对电网存在这些不利影响，致使电网公司极力反对火电厂的集中供热改造，阻碍了南方地区火电厂集中供热改造的发展进程。

4　南方地区火电厂集中供热改造发展方案

火电厂集中供热具有节约能源、改善环境等优点，如在改造发展过程中合理规划，不断改善系统和设备，节约能源和费用，提高供热的经济性与可靠性，同时协调好供热与供电的关系，发展火电厂集中供热将有很强的竞争力和很好的发展前景。

针对火电厂集中供热改造发展过程中面临的问题与挑战，我们应当采取相关措施促进南方火电厂集中供热健全稳定发展。具体措施包括：

(1)深化供热体制改革，推行供热热源、管网、换热站一体化，尽快改变多头分散的供热体制，整合优化供热资源，相对集中管理，实现规模经营，发挥规模效益。

(2)平衡电厂供热与供电之间的矛盾

对于新建的热电联产电厂，由于南方地区现阶段集中供热以工业供热为主，热负荷比较稳定，首先应当保证用户的供热质量，其次协调解决热电厂的供电并网问题。

对于传统火电厂的集中供热改造，应当深入分析各种电网和电厂运行模式下，电厂供热量对电网调度的影响，开展风险评估，确定可供热改造机组的分布和最大经济供汽量，并对火电厂按照如下方案进行改造：

(1)对汽轮机组进行抽凝式改造，改造前后汽轮机组热力系统示意图如图1、图2所示。

图1　抽凝式改造前热力系统示意图

图2　抽凝式改造后热力系统示意图

由以上两图可知，从改造后的汽轮机气缸中抽出的蒸汽为热用户供热，不同气缸中抽出的蒸汽可以满足不同的负荷需求，并且抽汽量可以通过调节阀控制，可以灵活调节热负荷与电负荷的波动，可以减小供热与供电之间的相互影响，从而可以实现供电与供热之间的灵活控制。

(2)对锅炉进行改进，提高锅炉的燃烧稳定性及热效率；对汽轮机的汽封进行改造，减少汽封间隙，从而减少漏汽量，保证机组经济性；对凝汽器进行改进，提高其真空度，增加整个汽水系统的相对压差，提高蒸汽做功能力，从而提高机组效率。通过对这些设备改造可以提高机组的热效率及抽气能力，在一定程度上可以减少集中供热对供电负荷能力的影响。

(3)新建备用锅炉，备用锅炉的容量根据热负荷而定，并需要考虑热负荷的潜在增长可能，留出一定裕度，备用锅炉可以依托已有热网对热用户进行集中供热，由火电厂控制系统统一控制。改造后的火电厂热力系统如图3所示。

图3　集中供热改造后的火电厂热力系统示意图

备用锅炉与火电机组大型锅炉协调为热用户供热，实现热网负荷与电网负荷之间的灵活控制。

5　集中供热改造后火电厂的运行方式

为达到节约能源减少污染的目的，改造后火电厂的经济调度运行显得至关重要，论文对改造后的集中供热火电厂提出了如下调度运行方案。

设火电厂总供热量为A、总发电量为B，若火电厂有C台凝汽式机组与D台抽凝式机组，则总供热量A将有效的分配给D台抽凝式机组，总发电量B将有效分配给C+D台机组，本文以所有机组的燃料消耗量最少为目标函数分配电厂热、电负荷给各机组，目标函数表达式如下：

(1)

式中，Q表示总燃料消耗量：

Bj表示第j台机组的供电量，Bjmin≤Bj≤Bjmax，Bjmin、Bjmax分别为第j台机组的最小供电量与最大供电量。

通过以上目标函数实现各运行机组热、电负荷的有效分配，实现燃料的高效利用。为保证电网的安全经济运行及热网供热的可靠性，当Bj∈(95%Bjmax,Bjmax)(此时电网处于用电高峰，火电机组可能需满负荷运行以满足供电需求)时，此时仅考虑电网与热网的安全稳定运行。根据电网负荷预测结果决定备用锅炉的启停，当预测结果显示Bj≥Bjmax，则立即启用备用锅炉，逐渐把热负荷转移至备用锅炉，对热用户实施集中供热，火电机组则满负荷给电网供电，保证电网与热网的安全运行，否则不开启备用锅炉，当用电高峰期后Bj持续降低并小于Bjmax时，则关停备用锅炉并把热负荷转至火电机组。

当Bj≤Bjmin(此时火电厂供电处于低谷状态，火电机组可能需要关停以满足电网调度)时，此时不仅应当考虑供电供热的可靠性，而且需要考虑火电厂整个电力系统与热力系统运行的经济性。根据负荷预测结果及综合经济效益决定火电机组的关停与备用锅炉的启停，若没有热负荷的约束，火电机组应当关停停止发电，但火电厂集中供热改造后，火电机组仍可能运行为满足热用户的需求。由于南方地区集中供热现阶段主要针对工业用户，供热量基本恒定，此时的综合经济效益主要考虑设备运行时总的经济消耗，目标函数为：

F=F(D)-F(G)

(2)

其中：

F(D)=(αD+βD+γD)t+φD

(3)

F(G)=(αG+βG+γG)t+φG

(4)

F(D)—Bj≤Bjmin时火电机组运行总的经济消耗；

αD—Bj≤Bjmin时火电机组每天的运行维护消耗；

βD—Bj≤Bjmin时火电机组运行每天的人工费用；

γD—Bj≤Bjmin时火电机组每天的燃料消耗费用；

t—负荷预测结果显示Bj≤Bjmin的连续天数；

φD—火电机组每次启停的经济消耗。

F(G)—Bj≤Bjmin时备用锅炉为热网供热时的经济消耗；

αG— 备用锅炉为热网供热时每天的运行维护消耗；

βG— 备用锅炉为热网供热时每天的人工费用；

γG— 备用锅炉为热网供热时每天的燃料消耗费用；

φG— 备用锅炉每次启停的经济消耗。

当F>0时，此时火电机组运行供热的经济消耗大于备用锅炉运行的经济消耗，此时应当关停火电机组，启用备用锅炉为热用户供热；当F<0时，此时备用锅炉运行的经济消耗更大，应当继续维持火电机组运行，备用锅炉停用，以实现经济效益的最大化。

6　结论

本文总结了火电厂集中供热的优越性，得出了南方地区在能源结构调整大环境下进行火电厂集中供热改造的必要性；同时分析了现阶段南方地区火电厂集中供热存在的问题，提出了促进南方地区火电厂集中供热改造的健康快速发展的措施，提出了改造后的集中供热火电厂的调度运行方案，有利于南方地区火电厂集中供热改造。

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