小型热电厂热电联产系统中的能量梯级利用分析

前言

热电联产系统概念的提出，引领了热能循环研究思路的重大转变。此前人们多关注单一循环系统效能，如今研究者注重结合不同循环系统，构建高性能热力供应系统。这不仅是技术突破，更是从提高能源利用效率角度，重新认识和优化热电联产系统整体设计。总能梯级利用是热能充分利用的根本原理，强调在能源转换和利用中减少能量损失，实现多级利用，以提高系统能源利用效率。同时，它也是系统创新的核心，要求设计和运行热电联产系统时，兼顾单一设备或循环效率与系统综合性能及能源利用全局优化，使热电联产系统在能源利用上更高效、潜力更大。

一、热电联产技术的演进与应用

在全球能源转型背景下，热电联产技术因其显著的能效优势获得广泛关注。该技术通过能量梯级利用原理，实现热能和电能的高效协同生产，在提升能源综合利用率的同时大幅降低碳排放。我国北方地区因气候特点形成的集中供热需求，为热电联产系统提供了理想的应用场景。区域化集中供热模式不仅改善了传统分散供热的环境污染问题，更创造了可观的经济效益，使其逐步发展成为城市供热体系的核心解决方案。

在最近的几年里，我国的热电联产技术装备水平不断地得到了显著的提升和发展。以 200MW 级的供热机组为代表的技术装备，已经实现了大规模的应用和普及。这些技术装备在实际运行中的稳定性和经济性已经得到了充分的验证和认可。这些供热机组采用了先进的抽汽凝汽式设计，通过精确地控制蒸汽的分流，实现了热电联产的目标。具体来说，一部分蒸汽在推动汽轮机发电之后，会进入到凝汽器中；而另一部分蒸汽则会通过抽汽系统，被输送到热网换热站中去。未来，技术发展的重点方向将会集中在持续优化机组的热电比调节能力上。通过提高抽汽参数和增强系统的灵活性，我们可以进一步地强化能源综合利用的效率，从而实现更加高效和环保的能源利用。

二、小型热电厂热电联产系统中的能量梯级利用

（一）减少除氧器加热过程中的压差损失

在热电联产系统中，除氧器加热环节的压差损失直接影响整体能效。通过将压差能转化为机械能或电能的技术路径，可显著提升能源利用效率。以某热电厂锅炉给水系统改造为例，采用汽轮机驱动替代传统电动机方案：将 0.98MPa 、 300^∘C 的工业抽汽经 DN100 管道导入专用汽轮机，驱动给水泵运转后，排汽通过DN250 管道返回除氧器。

根据改造后的系统运行数据，我们可以看到，除氧器的电耗每小时减少了290 千瓦时，这意味着每年可以节省高达290 万千瓦时的电量。以当地每千瓦时 0.34 元的发电成本来计算，每年可以节约大约 85 万元的运行成本。此外，配置的 WOODWARD 调速器（调节范围在 2000-3000 转/ 分钟）确保了系统的稳定运行。这项技术还展示了其出色的应急处理能力——在 2009 年的一次雷击导致的停电事件中，汽轮机利用系统余汽继续运行，从而有效避免了锅炉缺水的严重事故。连续六年的稳定运行记录进一步验证了这项技术方案的安全性和可靠性。

（二）循环水制冷应用技术

随着生活品质的提升，区域能源系统正逐步实现供热与供冷的集成化。在传统蒸汽制冷模式下，1MPa 工业抽汽驱动制冷机组产生 7-13°C 冷媒水，经风机盘管实现末端供冷，但存在显著的蒸汽压降损失。

创新性地采用循环水梯级利用技术，通过巧妙地将抽凝机组循环热水（温度达到 90% ）作为制冷机的驱动热源，实现了供热与制冷的同步进行。这一系统经过严格的测试，结果表明：当以 1MPa 的抽汽作为驱动介质时，制冷效率可以达到惊人的 120% ；而当采用 90% 的热水作为驱动热源时，效率则为 90% 。这一数据充分展示了工质参数选择的重要性。具体来说，当 300^∘C 、 1MPa 、 10t/h 的蒸汽工质流经制冷系统时，蒸汽型制冷机制冷量可以达到 27600MJ/h ，而抽凝机制冷量则为20106MJ/h 。通过这种技术路径，实现了能量的梯级利用，显著提升了热电联产系统的综合能效与经济性。

（三）循环水供热应用技术

在区域供热系统中，热电厂的经济供热半径宜控制在 20 公里范围内，以确保热网水力工况的稳定性。实践表明，抽凝式汽轮机循环水供热方案较传统凝汽式供热具有显著优势。早期东北地区采用的凝汽式机组供热方案，虽能维持 60% 供水温度，但存在汽轮机运行参数偏离设计工况的问题，影响设备可靠性。

经过系统改造后的抽凝机组，不仅在保持原有的凝汽发电功能方面表现出色，还通过一系列技术创新实现了多重技术优势。首先，该机组能够将排汽加热循环水至 70–90^∘C ，这一过程显著提高了热能的利用效率。其次，配备了应急喷水冷却系统，使得在热网缺水的情况下，机组仍能维持低负荷安全运行，确保了系统的稳定性和可靠性。此外，通过优化热力系统，机组将凝汽器端差损失控制在 6% 以下，进一步提升了热能利用的效率。能效测试数据进一步验证了这些技术优势所带来的经济性提升效果。具体来说，在端差降低 15°C 的工况下，12MW 抽凝机组能够额外增加 500kW 的发电出力。这一数据充分展示了该技术方案在提升能效方面的显著效果，进一步证明了其在经济性方面的优越性。

（四）蒸汽压差做功技术的使用

这项技术的应用条件是将每小时 110 吨的蒸汽引入背压式汽轮机中进行发电。通过这种方式，蒸汽在汽轮机中做功，驱动发电机产生电能。随后，利用汽轮机排出的蒸汽进行供暖，确保在寒冷的冬季也能提供稳定的供暖服务。在这种技术的应用下，不仅能够满足供暖需求，还能在供暖的同时产生大量的电能。这种双重利用的方式，有效提升了整个系统的运行效率，使得能源利用更加高效和经济。通过这种技术的应用，可以实现能源的综合利用，降低能源消耗，提高能源利用的经济效益。

这项技术通过精确地控制蒸汽的引入量和压力，确保蒸汽在背压式汽轮机中高效地完成做功过程。具体来说，背压式汽轮机的设计巧妙地利用了蒸汽在通过叶片时的动力，使得蒸汽能够最大限度地转化为机械能。这种机械能进而驱动发电机的转动，从而产生电能，满足电力需求。与此同时，经过汽轮机做功后的蒸汽温度仍然较高，这种高温蒸汽完全可以被回收利用，用于供暖系统。通过这种方式，蒸汽在发电的同时，其剩余的热能也被充分利用，从而避免了能源的浪费，实现了能源的高效利用。

三、结论

小型热电厂规模的持续扩张对热电联产系统的能效优化提出了新的挑战。要实现系统热效率的突破性提升，关键在于科学应用能量梯级利用技术，构建多能互补的能源转化体系。本文系统研究了当前热电联产技术的发展现状，重点论证了能量梯级利用在提升系统综合能效中的核心作用。实践表明，通过合理配置热力循环参数、优化热电转换流程，可使热电厂的整体能源利用率显著提升。这种技术路径不仅显著提高了热电联产系统的运行经济性，更为实现“双碳”目标下的能源高效利用提供了切实可行的解决方案。未来，随着智能控制技术的深度融合，热电联产系统的能效水平有望实现新的突破。

参考文献

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