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通過對火力發(fā)電廠電能生產(chǎn)方式和城市用戶用能方式的研究，提出了以循環(huán)水直接供熱為基礎的火力發(fā)電廠提高能源轉化效率的技術，由此擴展了火力發(fā)電廠低溫能源的使用。此技術實施將有效的降低能源生產(chǎn)和消費過程中的燃料消耗，降低碳排放強度，是城市低碳發(fā)展可選的技術路線。 1 前言  國民經(jīng)濟快速發(fā)展和人民生活水平的提高以及國家城鎮(zhèn)化的發(fā)展，對能源需求將越來越大，今后能源供需矛盾將更加突出，解決問題的辦法一是開源、二是節(jié)流。如何在能源供應困難的背景下，有效的提高火力發(fā)電廠的效率，是解決問題其中的一個途徑?；鹆Πl(fā)電廠在生產(chǎn)電力方便清潔能源產(chǎn)品的同時，自身能源浪費巨大，其原因是火力發(fā)電熱力循環(huán)過程中凝汽器乏汽的低品位高能量能源被排放到大氣，且影響周邊環(huán)境，不同類型機組能源使用效率見表1。 表1 不同類型機組能源利用效率
以上數(shù)據(jù)看出，從亞臨界到超超臨界機組，62％～56％的能源沒有帶來效益，其中凝汽器排放的能源占56％～50％，且影響周邊的環(huán)境，也造成火力發(fā)電廠碳排放量巨大。 為城市或工業(yè)園區(qū)供熱的熱電廠，采取的供熱形式主要是抽汽供熱，由于抽氣參數(shù)高、且不能100% 抽汽，部分低溫能源還是從凝汽器排放掉，造成能源浪費。如何最大限度的提高熱電廠的能源轉換效率，有不同的途徑。研究低溫能源的使用就是其一方面，這是本文探討的主旨。 現(xiàn)有的城市供熱是熱電廠將110～130℃的高溫熱水送各用戶，各用戶通過換熱站的“水水換熱器”將用戶暖氣的水加熱到70～80℃，見圖2；如果熱電廠直接提供70～80℃熱水給用戶，取消用戶換熱器，熱電廠的低溫熱源將有用武之地，將極大的提高能源利用率，降低了城市的碳排放。 圖2 現(xiàn)在的城市供熱系統(tǒng)示意圖 2 提高火電能源轉換效率技術 火力發(fā)電廠在為社會提供電力清潔能源的同時，其大量低溫熱能被排放到環(huán)境中，造成能源的浪費，表1是不同類型機組能源使用效率，從表1看出，亞臨界機組能源轉化效率為38%，超臨界機組效率為41%，超超臨界機組效率為44%，再考慮輸電、配電等損耗的基礎上，火力發(fā)電廠到電能使用能源使用效率<> 2.1 提高火電能源轉換效率技術路線 要提高火力發(fā)電廠能源轉換效率，從現(xiàn)階段看主要有兩條技術路線。 1） 提高工質的初參數(shù) 主汽溫度、再熱器溫度為700℃的高溫超超臨界機組的研制－即700℃計劃，其能源轉換效率57%、供電煤耗215g/kWh，這是國內外重點研究的，中國也啟動了700℃計劃。700℃計劃的目標當然好，但需要解決耐高溫特殊金屬材料，國內外預計在2015～2020年開始進行示范建設，真正工程化還較遠，需要的基礎研究工作巨大。 2） 純凝汽輪機組或抽汽供熱機組凝汽器乏汽熱能的利用 即低溫熱源的利用，低溫熱源的利用將帶來能源生產(chǎn)的變革。 如果將汽機凝汽器排出的余熱充分利用，將極大的提高機組的能源轉換效率，降低機組供電煤耗，表2是國內主力機組煤耗指標，從表看出超超臨界較亞臨界機組煤耗降低顯著。 表2典型機組運行供電指標
表3 是采用循環(huán)水直接供熱技術在不同地區(qū)（供暖期不同）供電煤耗指標（計算過程略），從中看出，采用循環(huán)水直接供熱技術，機組全年等效供電煤耗小于超超臨界機組、接近700℃計劃實施后的指標（215g/kWh），但從技術層面講較700℃計劃的實施難度小的多。 表3 采用循環(huán)水直接供熱的亞臨界機組運行能耗指標值(供熱期供熱量80%)
2.2 循環(huán)水直接發(fā)電供熱技術 通過對火力發(fā)電生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的改進，在城市或大工業(yè)園區(qū)周邊的電廠，在保證正常的發(fā)電條件下，最大限度的提高機組熱經(jīng)濟性，降低單位能源的碳消耗。 1） 循環(huán)水直接供熱技術 循環(huán)水直接供熱技術：利用汽機做完功乏汽的熱量加熱 熱網(wǎng)循環(huán)水直接對用戶供熱，實現(xiàn)將凝汽式或抽汽式供熱機組運行時乏汽的熱量充分利用，見圖5，此技術將有效的提高機組的熱效率，供熱區(qū)域控制在10KM范圍內。 表1數(shù)據(jù)說明，在不影響發(fā)電量的前提下，三種類型機組采用循環(huán)水直接供熱的熱電比均大于“1”，使火力發(fā)電廠能源得到充分的利用，供暖期能源利用率大于90％，全年等效供電煤耗指標見表3。 圖3中，紅色為冬季供熱的水流程，黑線為純凝發(fā)電狀態(tài)的水流程，蘭色是供熱期間的的熱水調節(jié)管路。
圖3 循環(huán)水直接供熱熱力系統(tǒng)示意圖 2） 循環(huán)水直接供熱技術的機理 循環(huán)水直接供熱是采用專用的汽輪機，在供暖（或制冷）期將凝汽器排氣壓力提高，將熱網(wǎng)循環(huán)水直接加熱到70～80℃，為用戶提供供暖（或制冷）熱能，不同排氣壓力和溫度見表4。 表4 凝汽器排氣壓力與飽和溫度的關系
從表4看出，當機組排氣壓力從19.74kPa到59.21kPa時，能夠給用戶提供55℃到80℃的熱水用于供熱（考慮換熱器端差為5℃）。 如果城市能夠實現(xiàn)中央供冷，相當于延長供暖期，火力發(fā)電電廠經(jīng)濟效益將進一步提升。 一臺300MW亞臨界機組采用循環(huán)水直接供熱技術，在保證發(fā)電出力不變的情況下，實現(xiàn)387MW的供熱；600MW機組提供774MW的供熱。。 2.3 抽氣供熱與循環(huán)水供熱的差異 圖表1是300MW抽氣供熱機組的供熱曲線[2]（表與圖是一一對應）。從圖表1看出，當機組抽氣量不同，機組所帶的負荷也發(fā)生變化，抽氣量越大，機組所帶的電負荷越小。 圖表1 300MW供熱機組供熱曲線
從上面供熱曲線看出，如果300MW供熱機組帶最大供熱負荷為350MW時，機組最高能帶電負荷為225MW，雖然熱電比為1.56，但機組限制電功率出力75MW，供熱功率較循環(huán)水直接供熱少37MW,從中看出，一臺300MW供熱機組與采用循環(huán)水直接供熱技術降低熱－電功率共計112MW，相當于循環(huán)水直接供熱機組比常規(guī)的抽汽供熱機組增加能源輸出19.5％；循環(huán)水直接供熱還節(jié)省了電廠循環(huán)水泵的電耗（ 300MW 機組>2MW ）。 上述說明，循環(huán)水直接供熱較抽氣供熱能源利用率更高。 采用循環(huán)水直接供熱技術其發(fā)電與供熱變化趨勢是一致的，即供熱量越大，發(fā)電量也越大，與抽氣供熱變化正好相反（供熱量越大，發(fā)電量越?。?，有利于電網(wǎng)負荷的調整。 循環(huán)水直接供熱技術大規(guī)模工程應用，是熱能梯級利用和低溫熱源回收利用的有效手段。此技術使燃煤電廠在供暖（冷）期能源利用效率達到90%以上，將為火力發(fā)電行業(yè)帶來新的發(fā)展生機，將大幅度降低能源消耗，降低溫室氣體的排放，表5是不同機組供電煤耗。 表5 各種類型機組主要指標對比
2.4 采用循環(huán)水直接供熱技術要解決的問題 采用循環(huán)水直接供熱技術，能夠有效的提高火力發(fā)電廠的能源利用率，提高電廠效益，但要解決好以下問題：
解決以上問題沒有不可逾越的技術障礙，通過努力，均能解決。循環(huán)水直接供熱技術較采用700℃計劃實現(xiàn)的路程近，適合中國國情。 2.5 進一步提高火力發(fā)電廠熱能轉換效率的技術 采用循環(huán)水直接供熱技術，問題之一就是循環(huán)水直接供熱帶來精處理超溫運行問題，如何在解決凝結水溫度超溫的基礎上，進一步提高電站的能源使用效率，其中一條途徑就是對現(xiàn)有發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的合理改進，見圖4。
圖4 采用循環(huán)水直接供熱熱力系統(tǒng)示意圖 圖4紅色部分是對原有的回熱系統(tǒng)進行的改進，主要是利用機組原有的開冷水系統(tǒng)對凝結水進行降溫，滿足精處理裝置樹脂交換所需要的溫度。為了將開冷水的熱能回收，采用了溴化鋰技術將開冷水的熱量和原有凝結水冷卻的熱量再次加熱凝結水精處理后的凝結水，相當于回收了開冷水的熱量。 一臺300MW機組可以回收輔機冷卻水熱量10.98MW,相當于提高熱力系統(tǒng)效率1.6％；一臺600MW機組可以回收輔機冷卻水熱量18.3MW,相當于提高熱力系統(tǒng)效率1.33％ 。 3. 改變傳統(tǒng)的能源使用方式擴展低溫能源的使用 火力發(fā)電廠要實現(xiàn)循環(huán)水直接供熱技術，必須有大的熱用戶，此項技術能否實施，取決于政府的協(xié)調作用和電廠周邊的熱需求，不是所有電廠均能實現(xiàn)的，對城市周邊或大的工業(yè)園區(qū)，是有條件實施的，見下面的說明。 3.1 用戶供暖系統(tǒng) 熱電廠采用循環(huán)水為用戶直接供熱，用戶的供暖系統(tǒng)設計見圖5，用戶系統(tǒng)主要變化是將原有的“水水換熱器”更換為可調節(jié)流量的調整門。 圖5 采用循環(huán)水供熱用戶供暖系統(tǒng) 供熱小區(qū)通過調節(jié)回水流量，控制小區(qū)溫度；此系統(tǒng)帶來的另一個好處是20層高及以下的建筑，不需要小區(qū)熱網(wǎng)循環(huán)水泵，直接利用系統(tǒng)壓力即可滿足，降低了小區(qū)供熱電耗。 3.2 用戶制冷和熱水系統(tǒng) 進一步提高能源使用效率就是實現(xiàn)供熱、供冷、供熱水三聯(lián)供（有別于其他三聯(lián)供），即利用供暖管路夏季為城市提供制冷源動力，為用戶提供24h的熱水供應，見圖6，在滿足城市人民生活水平不斷提高的基礎上，也有效的降低了系統(tǒng)能源消耗。
圖6 循環(huán)水直接供熱用戶供冷和供熱水系統(tǒng) 圖6上部是用戶熱水系統(tǒng)，利用熱網(wǎng)來的熱水，通過小區(qū)的熱水加熱器，將水溫加熱到65～70℃，為用戶提供24h的熱水供應。 圖6下部是用戶制冷系統(tǒng)，利用熱網(wǎng)來的熱水，通過小區(qū)的溴化鋰中央空調，將用戶空調水冷卻到7℃，為用戶提供24h的冷氣供應。 為了提高整個系統(tǒng)的能源效率，溴化鋰機組的冷卻水取之用戶熱水系統(tǒng)的冷水部分，將空調系統(tǒng)吸收的熱量回收到熱水系統(tǒng)。 4 結論 循環(huán)水直接供熱技術是現(xiàn)階段最大限度的提高火力發(fā)電廠能源利用率的手段，是中國的城鎮(zhèn)化發(fā)展和節(jié)能減排政策帶來的機遇。火力發(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱和相應提高熱力系統(tǒng)效率的技術，將有效的提高電廠的能源轉換效率，機組供電煤耗將顯著降低，接近700℃計劃的煤耗指標。城市利用循環(huán)水直接供熱（冷）技術，將顯著降低城市的能源消耗，實現(xiàn)城市低碳建設和發(fā)展。 4.1 改變火力發(fā)電廠能源生產(chǎn)方式 火力發(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱等一系列節(jié)能技術，將有效的提高電廠的能源轉換效率，降低自身的能源消耗，在為社會做貢獻的同時，提高了自身的效益。 采用循環(huán)水直接供熱技術，機組供電煤耗遠低于超超臨界機組，接近于700℃的高溫超超臨界機組。 4.2 擴展循環(huán)水直接供熱技術的應用 火力發(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱技術將有效的提高電廠的能源轉換效率；城市利用循環(huán)水供熱、制冷和供應熱水的“三聯(lián)供”技術，將顯著降低城市的碳排放，實現(xiàn)城市低碳建設和發(fā)展。為此，能源生產(chǎn)和能源消費各方均應積極有效的進行工業(yè)示范和大規(guī)模推廣。 循環(huán)水直接供熱技術是提高火力發(fā)電廠效率的有效手段，一旦大規(guī)模工程應用，將為企業(yè)和社會發(fā)展帶來巨大效益，為降低溫室氣體排放提供了有效的解決方案。 4.3 改變用戶的用能方式 工業(yè)或民用用戶，從全局考慮能源的有效使用、特別是低溫能源的使用，配合火力發(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱技術實現(xiàn)能源供應，將有效的提高電廠的能源轉換效率，顯著降低城市的碳排放，實現(xiàn)城市低碳建設和發(fā)展。 政府要引導企業(yè)和社會各方面積極應用低溫熱源，提高能源使用效率，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 ～ END～
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