國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人民生活水平的提高以及國(guó)家城鎮(zhèn)化的發(fā)展，對(duì)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(yīng)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(gè)途徑。火力發(fā)電廠在生產(chǎn)電力方便清潔能源產(chǎn)品的同時(shí)，自身能源浪費(fèi)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(jī)組能源使用效率見表1。

 表1 不同類型機(jī)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(jī)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(fèi)。如何最大限度的提高熱電廠的能源轉(zhuǎn)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?zé)崴透饔脩?，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?zé)嵩磳⒂杏梦渲?，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

2.1  提高火電能源轉(zhuǎn)換效率技術(shù)路線

要提高火力發(fā)電廠能源轉(zhuǎn)換效率，從現(xiàn)階段看主要有兩條技術(shù)路線。

1） 提高工質(zhì)的初參數(shù)

主汽溫度、再熱器溫度為700℃的高溫超超臨界機(jī)組的研制－即700℃計(jì)劃，其能源轉(zhuǎn)換效率57%、供電煤耗215g/kWh，這是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究的，中國(guó)也啟動(dòng)了700℃計(jì)劃。700℃計(jì)劃的目標(biāo)當(dāng)然好，但需要解決耐高溫特殊金屬材料，國(guó)內(nèi)外預(yù)計(jì)在2015～2020年開始進(jìn)行示范建設(shè)，真正工程化還較遠(yuǎn)，需要的基礎(chǔ)研究工作巨大。

2） 純凝汽輪機(jī)組或抽汽供熱機(jī)組凝汽器乏汽熱能的利用

即低溫?zé)嵩吹睦?，低溫?zé)嵩吹睦脤砟茉瓷a(chǎn)的變革。

如果將汽機(jī)凝汽器排出的余熱充分利用，將極大的提高機(jī)組的能源轉(zhuǎn)換效率，降低機(jī)組供電煤耗，表2是國(guó)內(nèi)主力機(jī)組煤耗指標(biāo)，從表看出超超臨界較亞臨界機(jī)組煤耗降低顯著。

表2典型機(jī)組運(yùn)行供電指標(biāo)

表3 是采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)在不同地區(qū)（供暖期不同）供電煤耗指標(biāo)（計(jì)算過程略），從中看出，采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)，機(jī)組全年等效供電煤耗小于超超臨界機(jī)組、接近700℃計(jì)劃實(shí)施后的指標(biāo)（215g/kWh），但從技術(shù)層面講較700℃計(jì)劃的實(shí)施難度小的多。

表3 采用循環(huán)水直接供熱的亞臨界機(jī)組運(yùn)行能耗指標(biāo)值(供熱期供熱量80%)

2.2 循環(huán)水直接發(fā)電供熱技術(shù)

通過對(duì)火力發(fā)電生產(chǎn)工藝系統(tǒng)的改進(jìn)，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(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，降低單位能源的碳消耗。

1） 循環(huán)水直接供熱技術(shù)

循環(huán)水直接供熱技術(shù)：利用汽機(jī)做完功乏汽的熱量加熱 熱網(wǎng)循環(huán)水直接對(duì)用戶供熱，實(shí)現(xiàn)將凝汽式或抽汽式供熱機(jī)組運(yùn)行時(shí)乏汽的熱量充分利用，見圖5，此技術(shù)將有效的提高機(jī)組的熱效率，供熱區(qū)域控制在10KM范圍內(nèi)。

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(jī)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(biāo)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(diào)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(shù)的機(jī)理

循環(huán)水直接供熱是采用專用的汽輪機(jī)，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(guān)系

從表4看出，當(dāng)機(jī)組排氣壓力從19.74kPa到59.21kPa時(shí)，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?qū)崿F(xiàn)中央供冷，相當(dāng)于延長(zhǎng)供暖期，火力發(fā)電電廠經(jīng)濟(jì)效益將進(jìn)一步提升。

一臺(tái)300MW亞臨界機(jī)組采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)，在保證發(fā)電出力不變的情況下，實(shí)現(xiàn)387MW的供熱；600MW機(jī)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(jī)組的供熱曲線[2]（表與圖是一一對(duì)應(yīng)）。從圖表1看出，當(dāng)機(jī)組抽氣量不同，機(jī)組所帶的負(fù)荷也發(fā)生變化，抽氣量越大，機(jī)組所帶的電負(fù)荷越小。

圖表1 300MW供熱機(jī)組供熱曲線

從上面供熱曲線看出，如果300MW供熱機(jī)組帶最大供熱負(fù)荷為350MW時(shí)，機(jī)組最高能帶電負(fù)荷為225MW，雖然熱電比為1.56，但機(jī)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(tái)300MW供熱機(jī)組與采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)降低熱－電功率共計(jì)112MW，相當(dāng)于循環(huán)水直接供熱機(jī)組比常規(guī)的抽汽供熱機(jī)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(jī)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(shù)其發(fā)電與供熱變化趨勢(shì)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)電量越小），有利于電網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)整。

循環(huán)水直接供熱技術(shù)大規(guī)模工程應(yīng)用，是熱能梯級(jí)利用和低溫?zé)嵩椿厥绽玫挠行侄?。此技術(shù)使燃煤電廠在供暖（冷）期能源利用效率達(dá)到90%以上，將為火力發(fā)電行業(yè)帶來新的發(fā)展生機(jī)，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(jī)組供電煤耗。

表5  各種類型機(jī)組主要指標(biāo)對(duì)比

2.4 采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)要解決的問題 

采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)，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：

• 循環(huán)水直接供熱汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子葉片和低壓缸設(shè)計(jì)問題

• 循環(huán)水直接供熱汽輪機(jī)凝汽器設(shè)計(jì)問題

• 循環(huán)水直接供熱電負(fù)荷和熱負(fù)荷調(diào)整問題

• 循環(huán)水直接供熱大型調(diào)整閥配置問題

• 循環(huán)水直接供熱回?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型問題

• 空冷機(jī)組循環(huán)水直接供熱凝汽器設(shè)計(jì)問題

• 空冷機(jī)組循環(huán)水直接供熱換熱器設(shè)計(jì)問題

• 循環(huán)水直接供熱精處理超溫運(yùn)行問題

• 循環(huán)水直接供熱熱網(wǎng)補(bǔ)水和水質(zhì)處理問題

• 循環(huán)水直接供熱熱控控制策略研究

• 循環(huán)水直接供熱機(jī)組與熱網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化控制問題

• 循環(huán)水直接供熱熱網(wǎng)設(shè)計(jì)問題

• 循環(huán)水直接供熱熱網(wǎng)協(xié)同控制問題

解決以上問題沒有不可逾越的技術(shù)障礙，通過努力，均能解決。循環(huán)水直接供熱技術(shù)較采用700℃計(jì)劃實(shí)現(xiàn)的路程近，適合中國(guó)國(guó)情。

2.5 進(jìn)一步提高火力發(fā)電廠熱能轉(zhuǎn)換效率的技術(shù) 

采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)，問題之一就是循環(huán)水直接供熱帶來精處理超溫運(yùn)行問題，如何在解決凝結(jié)水溫度超溫的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高電站的能源使用效率，其中一條途徑就是對(duì)現(xiàn)有發(fā)電廠熱力系統(tǒng)的合理改進(jìn)，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(duì)原有的回?zé)嵯到y(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)，主要是利用機(jī)組原有的開冷水系統(tǒng)對(duì)凝結(jié)水進(jìn)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(shù)將開冷水的熱量和原有凝結(jié)水冷卻的熱量再次加熱凝結(jié)水精處理后的凝結(jié)水，相當(dāng)于回收了開冷水的熱量。

一臺(tái)300MW機(jī)組可以回收輔機(jī)冷卻水熱量10.98MW,相當(dāng)于提高熱力系統(tǒng)效率1.6％；一臺(tái)600MW機(jī)組可以回收輔機(jī)冷卻水熱量18.3MW,相當(dāng)于提高熱力系統(tǒng)效率1.33％ 。

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(shè)計(jì)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(diào)節(jié)流量的調(diào)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(diào)節(jié)回水流量，控制小區(qū)溫度；此系統(tǒng)帶來的另一個(gè)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(jìn)一步提高能源使用效率就是實(shí)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(dòng)力，為用戶提供24h的熱水供應(yīng)，見圖6，在滿足城市人民生活水平不斷提高的基礎(chǔ)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(yīng)。

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(diào)，將用戶空調(diào)水冷卻到7℃，為用戶提供24h的冷氣供應(yīng)。

為了提高整個(gè)系統(tǒng)的能源效率，溴化鋰機(jī)組的冷卻水取之用戶熱水系統(tǒng)的冷水部分，將空調(diào)系統(tǒng)吸收的熱量回收到熱水系統(tǒng)。    

循環(huán)水直接供熱技術(shù)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(guó)的城鎮(zhèn)化發(fā)展和節(jié)能減排政策帶來的機(jī)遇?；鹆Πl(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱和相應(yīng)提高熱力系統(tǒng)效率的技術(shù)，將有效的提高電廠的能源轉(zhuǎn)換效率，機(jī)組供電煤耗將顯著降低，接近700℃計(jì)劃的煤耗指標(biāo)。城市利用循環(huán)水直接供熱（冷）技術(shù)，將顯著降低城市的能源消耗，實(shí)現(xiàn)城市低碳建設(shè)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(shù)，將有效的提高電廠的能源轉(zhuǎn)換效率，降低自身的能源消耗，在為社會(huì)做貢獻(xiàn)的同時(shí)，提高了自身的效益。

采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)，機(jī)組供電煤耗遠(yuǎn)低于超超臨界機(jī)組，接近于700℃的高溫超超臨界機(jī)組。

4.2 擴(kuò)展循環(huán)水直接供熱技術(shù)的應(yīng)用

火力發(fā)電廠采用循環(huán)水直接供熱技術(shù)將有效的提高電廠的能源轉(zhuǎn)換效率；城市利用循環(huán)水供熱、制冷和供應(yīng)熱水的“三聯(lián)供”技術(shù)，將顯著降低城市的碳排放，實(shí)現(xiàn)城市低碳建設(shè)和發(fā)展。為此，能源生產(chǎn)和能源消費(fèi)各方均應(yīng)積極有效的進(jìn)行工業(yè)示范和大規(guī)模推廣。

循環(huán)水直接供熱技術(shù)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(yīng)用，將為企業(yè)和社會(huì)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(shù)實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)，將有效的提高電廠的能源轉(zhuǎn)換效率，顯著降低城市的碳排放，實(shí)現(xiàn)城市低碳建設(shè)和發(fā)展。

政府要引導(dǎo)企業(yè)和社會(huì)各方面積極應(yīng)用低溫?zé)嵩矗岣吣茉词褂眯?，?shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。