熱網循環水泵驅動方式對供熱機組綜合能耗的影響研究

王 洋，馬汀山，呂 凱，田忠玉，俞 駿，石 慧，楊凱旋，劉 明

（1.中國華能集團有限公司，北京 100031；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；3.西安交通大學能源與動力工程學院，陜西 西安 710049）

能源穩定供應是社會發展的基石，而電力是最主要的二次能源。火力發電是我國電力生產的基本保障。截至 2020 年底，我國火電發電量達到5.17 萬億kW·h，占全國總發電量的67.9%[1]。預計到2040 年，煤炭消耗仍將占我國一次能源消耗的35%，并且將主要用于電能供應的兜底保障和靈活調節[2]。另外，北方的大部分火電機組還承擔著保障民生的采暖供熱任務。近年來，熱電聯產機組由于能源利用率高而得到了較大的發展，裝機容量在火電裝機容量中的比例高達35%。挖掘供熱機組的節能潛力、降低供熱及發電成本對我國節能減排具有重要意義[3]，對我國實現“2030 碳達峰、2060 碳中和”戰略目標也具有重要支撐作用。

熱電聯產遵循了能量梯級利用的原理，供熱有抽汽[4]、高背壓[5]、熱泵[6]以及低壓缸零出力[7]等多種方式，已有學者針對單獨供熱方式或耦合供熱方式開展大量研究[8-10]。熱電聯產生產成本核算涉及到熱、電2 種產品的成本分攤方法及分攤合理性的問題。常規的分攤方法主要有熱量法、實際焓降法、做功能力法、等效熱降法，但這些方法都有各自的局限性[11-14]，主要區別在于供熱蒸汽冷源損失回收效益的分配。但是，目前的供熱機組附加能耗分配方法普遍忽略了供熱對機組的附加影響，如主蒸汽流量、高壓調速汽門開度、低壓缸排汽壓力、供熱調節蝶閥開度等。

為此，本文對供熱機組建立起一種新的折算供熱煤耗的計算方法，通過該方法，有效地對比分析供熱機組因為供熱量的大小以及抽汽參數的高低對機組供電煤耗的影響，使得計算結果可以直接進行對比，從而反映供熱機組設備和節能管理水平的高低。在供熱機組中，熱網循環水泵是熱網首站的主要設備，承擔著輸送熱網水的作用[15-16]。目前熱網循環水泵主要分為電動機驅動和蒸汽透平驅動2 種方式，2 種驅動方式對于機組供熱能耗的影響有著顯著區別。為了說明本文建立的折算方法的能耗分配效果，將其用于分析熱網循環水泵驅動方式對機組供熱能耗的影響。

1 供熱能耗計算方法

1.1 案例機組概況

某電廠3 號鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、自然循環、燃煤汽包鍋爐，爐膛采用雙拱形單爐膛，倒U 型布置，尾部雙煙道；燃燒方式為W 型火焰燃燒，固態排渣，平衡通風；鍋爐為露天布置，全鋼架懸吊結構。汽輪機為N315-16.7/537/537 型亞臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、凝汽式汽輪機。為了滿足供熱需求，進行供熱改造，利用中排抽汽加熱熱網回水。

1.2 供熱能耗分析方法

開展機組供熱能耗計算是進行供熱機組能耗評價的前提條件。火電機組熱力系統定量分析是火電機組經濟性診斷和能耗分析的重要組成部分。為了有效分析供熱機組的“供熱真實能耗”，本文提出“參比機組”的概念，并將“參比機組法”與熱量法[17]及?方法[18]進行對比。

1.2.1 參比機組法

參比機組是與供熱機組回熱系統級數相同，熱端參數（主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、再熱溫度）及冷端參數（低壓缸排汽壓力）隨工質流量變化規律相同的凝汽機組。圖1 為供熱機組，輸入煤量為Btp，煤的熱值為qL，供熱機組輸出能量包括熱負荷Q與電負荷Pe。圖2 為供熱機組的參比機組，該機組對應工況發電量為Pe，但不對外供應熱負荷。

圖1 供熱機組能量輸入與輸出關系Fig.1 The energy input and output of cogeneration unit

圖2 參比機組能量輸入與輸出關系Fig.2 The energy input and output of reference unit

參比機組法分配供熱與發電煤耗量的原則是，將供熱機組的煤耗量Btp與同等發電功率時的參比機組的煤耗量對比，多出部分的煤耗量即為供熱部分所需煤耗量，即：

式中：Btp為該供熱機組的總煤耗量；Btp(c)為該機組與供熱機組的電功率相同時參比機組的總煤耗量。

1.2.2 熱量法

熱量法是電力行業標準《火力發電廠技術經濟指標計算方法》（DL/T 904—2015）的理論基礎[17]。熱量法分配煤耗量的方式為基于分配至熱用戶的熱量消耗量Qtp(h)占供熱汽輪機組熱量使用量Qtp的比值來分配。

熱電聯產機組總耗熱量為：

分配供熱的熱耗量為：

式中：D0為汽耗量，kg/h；Dh為供熱氣流流量，kg/h；h0為主蒸汽初焓，kJ/kg；hfw為給水比焓，kJ/kg；hh為抽汽比焓，kJ/kg；hh'為回水比焓，kJ/kg；ηb為鍋爐效率；ηp為主蒸汽管道效率。

分給供熱的熱能消耗量Qtp(h)在熱電聯產發電廠總熱能消耗量Qtp的比重稱為熱電分攤比βtp(1)，即：

1.2.3 ?方法

?方法是根據熱電聯產供給熱量的蒸汽做功能力（?）與主蒸汽的最大做功能力之比來分配[18]。

供熱抽汽做功能力為：

主蒸汽做工能力為：

即其熱量分攤比βtp(2)為：

式中：e0、eh為主蒸汽、供熱蒸汽比?，kJ/kg，計算公式見式(12)、式(13)。

式中：s0、sh、sen分別為主蒸汽、供熱蒸汽和膨脹至環境溫度的比熵，kJ/(kg·K)；Ten為環境溫度，取值為293.15 K。

本文的分析方法為變工況理論分析方法，供熱機組能耗分析的參比機組是供熱機組供熱改造之前的凝汽式機組，采用自編程建立參比機組和供熱機組的汽輪機變工況計算模型。為排除邊界條件影響，計算過程中供熱機組與參比機組的鍋爐效率、管道效率、機械效率、發電機效率以及煤的低位發熱量分別為90.6%、99%、99%、99%和29 307 kJ/kg，并根據正反平衡對模型準確性進行校驗。煤耗量采用變工況計算分析獲得。根據熱量法和?方法的計算模型即可獲得2 種能耗分配方法下的供熱煤耗率。參比機組法中，設定參比機組和供熱機組發電功率相同，此時2 機組煤耗量的差值即為供熱煤耗量，進而計算獲得參比機組法的供熱煤耗率。

2 供熱生產成本分析方法

供熱生產成本主要包括供熱煤耗、供熱電耗和供熱水耗3 部分。其中，供熱煤耗與供熱電耗之和為供熱總能耗。熱網循環水泵的驅動方式不同，供熱生產成本的計算方法不同。

熱網循環水泵有以下2 種驅動方式。

1）電動熱網循環水泵 熱網循環水泵耗電來自發電機出線端（采用電動熱網循環水泵的供熱機組簡稱電泵供熱機組，與之對應的參比機組簡稱電泵參比機組）；

2）汽動熱網循環水泵 熱網循環水泵小汽輪機的驅動蒸汽來自主汽輪機中壓缸排汽，驅動小汽輪機之后繼續進入加熱器加熱熱網水（采用汽動熱網循環水泵的供熱機組簡稱汽泵供熱機組，與之對應的參比機組簡稱汽泵參比機組）。

因為熱網循環水泵采用電泵或者汽泵對供熱水耗幾乎沒有影響，所以供熱機組采用電泵和汽泵供熱成本分析的重點在于供熱煤耗、供熱電耗及供熱總能耗的分析方法。值得說明的是，本節所述的供熱電耗單指熱網循環水泵。

2.1 供熱煤耗、供熱電耗一體化評估方法

利用供熱煤耗、供熱電耗一體化評估方法（簡稱一體化評估方法）對供熱總能耗（供熱煤耗與供熱電耗之和）進行評估，該方法的“參比機組”特點為：“參比機組”發電功率為供熱機組發電功率減去供熱電耗功率（如有）。

汽泵供熱機組和電泵供熱機組的能量輸入輸出關系分別如圖3、圖4 所示。其中，供熱機組的發電功率、供熱負荷分別為Nd、Q0。

圖3 汽泵供熱機組能量輸入輸出示意Fig.3 The energy input and output of cogeneration unit with steam circulating water pump in heating network

圖4 電泵供熱機組能量輸入輸出示意Fig.4 The energy input and output of cogeneration unit with electric circulating water pump in heating network

電泵/汽泵參比機組的供電負荷均為Nd，其能量輸入輸出關系如圖5 所示。

圖5 參比機組1 能量輸入輸出示意Fig.5 The energy input and output of reference unit 1

此時，通過對比汽泵供熱機組和汽泵參比機組的輸入能量，獲得供熱煤耗（也即供熱總能耗）；通過對比電泵供熱機組和電泵參比機組的輸入能量，獲得供熱總能耗（也即供熱煤耗與供熱電耗的總和）。

2.2 供熱煤耗、供熱電耗獨立評估方法

供熱煤耗、供熱電耗獨立評估方法（簡稱獨立評估方法）將供熱煤耗、供熱電耗進行獨立評估。當供熱機組采用電泵時，獨立評估方法的“電泵參比機組”的特點為：“電泵參比機組”發電功率與電泵供熱機組發電功率相等，且同為電泵供熱機組供電功率與電泵消耗功率之和。

汽泵供熱機組和電泵供熱機組發電功率、供熱功率分別為Nd、Q0，與一體化評估方法保持一致，能量輸入輸出關系分別如圖3、圖4 所示。

在汽泵供熱機組中，不涉及熱網循環水泵電耗，所以汽泵參比機組的能量輸入輸出關系與一體化評估方法一致（圖5）。

電泵參比機組發電功率為Nd+Np，其能量輸入輸出關系如圖6 所示，通過比較電泵供熱機組輸入能量與電泵參比機組輸入熱量，獲得供熱煤耗，而供熱電耗進行單獨計算。需要指出的是，當需要進行汽泵與電泵供熱總能耗橫向比較時，需比較供熱總能耗（供熱煤耗與供熱電耗之和）。

圖6 參比機組2 能量輸入輸出示意Fig.6 The energy input and output of reference unit 2

3 供熱能耗分配方法對比

為了對比分析3 種供熱能耗分配方法的差異，獲得供熱機組能耗特性隨電負荷變化規律，選取固定電負荷或者固定熱負荷，對比熱量法汽泵供熱機組供熱煤耗率（bhq1）、?方法汽泵供熱機組供熱煤耗率（bhq2）、參比機組法汽泵供熱機組供熱煤耗率（bhq3）、熱量法電泵供熱機組供熱煤耗率（bhd1）、?方法電泵供熱機組供熱煤耗率（bhd2）、參比機組法電泵供熱機組供熱煤耗率（bhd3）之間的差異。

3.1 熱負荷固定、電負荷變化供熱能耗變化規律

選取熱負荷分別為50、75、100 MW 時，機組供熱煤耗率隨電負荷變化如圖7 所示。在電熱負荷相同時，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。無論采用一體化評估方法還是獨立評估方法，隨著電負荷的增加，bhq1、bhq2、bhd1和bhd2幾乎不變，bhq3和bhd3均逐漸降低，且bhq3對電負荷的變化更敏感，電負荷增大時bhq3降低的更多。無論采用一體化評估方法還是獨立評估方法，當熱負荷50 MW 時，電負荷由210 MW 增加至300 MW，bhq3由24.47 kg/GJ 降低至22.68 kg/GJ。

圖7 機組供熱煤耗率隨電負荷變化Fig.7 Variations of heating coal consumption rate with electric load

3.2 電負荷固定、熱負荷變化供熱能耗變化規律

選取電負荷分別為230、250、270 MW 時，供熱煤耗率隨熱負荷變化如圖8 所示。由圖8 可見：在電熱負荷相同時，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。無論采用一體化評估方法還是獨立評估方法，隨著熱負荷的增加，bhq1和bhq2均逐漸降低，bhd1、bhd2和bhq3幾乎不變。

圖8 機組供熱煤耗率隨熱負荷變化Fig.8 Variations of heating coal consumption rate with heat load

當熱負荷50 MW 時，電負荷由210 MW 增加至300 MW，bhd3在采用一體化評估方法時由25.09 kg/GJ 降低至24.54 kg/GJ，在采用獨立評估方法時由22.17 kg/GJ 增加至22.96 kg/GJ。

以上分析可以發現：熱量法供熱煤耗率最大，?方法與參比機組法計算的供熱煤耗率較為接近，這是由于其將供熱蒸汽的冷源損失全部歸到供熱方面。?方法對供熱蒸汽的冷源損失進行了合理分配，但是未考慮供熱汽流對機組的附加影響，例如高壓調速汽門開度、供熱蝶閥開度、旋轉隔板開度、凝汽器壓力等；參比機組法對供熱對機組的附加影響綜合進行考慮。

在不同電熱負荷及評估方法下，?方法與參比機組法計算的供熱煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ。參比機組法全局考慮機組由于供熱引起的煤耗增加量，將供熱蒸汽對機組的影響綜合進行考慮，不需要對其進行單個計算分析，比較合理。以下采用參比機組法計算機組供熱能耗，分析熱網循環水泵驅動方式對機組供熱能耗的影響。

4 熱網循環水泵2種驅動方式經濟性對比

為了對比分析熱網循環水泵2 種驅動方式對機組供熱能耗的影響，選取固定電負荷或者固定熱負荷，采用一體化評估方法及獨立評估方法（單獨計算煤耗、電耗）分別進行對比電泵供熱機組和汽泵供熱機組的供熱能耗差異。

4.1 定熱負荷

選取熱負荷50、75、100 MW，分別采用一體化評估方法和獨立評估方法對熱網循環水泵2 種驅動方式的經濟性進行計算分析。

采用一體化評估方法和獨立評估方法時，各機組的總煤耗量隨電負荷變化分別見表1、表2。

表1 一體化評估方法時各機組的總煤耗量隨電負荷變化Tab.1 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the integrated evaluation method

表2 獨立評估方法時各機組的總煤耗量隨電負荷變化Tab.2 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the independent evaluation method

在相同的電熱負荷下，2 種評估方得到的供熱機組的煤耗量相同；2 種評估方法的不同在于參比機組。汽泵供熱機組的總煤耗量相較于電泵供熱機組降低了0.23～0.32 t/h，且電負荷越大，汽泵供熱機組降低的總煤耗量越多。

bhq3與bhd3的差值Δbhqd隨電負荷變化如圖9 所示。由圖9 可以看出：采用一體化評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率降低了0.63～1.79 kg/GJ，同時熱負荷一定時，電負荷越大，|Δbhqd|越大；采用獨立評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率增加1.36～2.78 kg/GJ。

圖9 Δbhqd 隨電負荷變化（定熱負荷）Fig.9 Variations of Δbhqd with electric load

由圖9 還可以看出：當熱負荷為50 MW 時，電負荷越大，|Δbhqd|越小；當熱負荷為75 MW 和100 MW 時，電負荷越大，|Δbhqd|存在一個微弱的增大趨勢后明顯減小。

4.2 定電負荷

選取電負荷230、250、270 MW，分別采用一體化評估方法和獨立評估方法對熱網循環水泵2 種驅動方式的經濟性進行計算分析。

采用一體化評估方法和獨立評估方法時，各機組的總煤耗量隨電負荷變化分別見表3、表4。由表3、表4 可見，汽泵供熱機組的總煤耗量相較于電泵供熱機組降低了0.23～0.26 t/h。

表4 獨立評估方法時各機組的總煤耗量隨熱負荷變化Tab.4 Changes of the total coal consumption of the units with heat load when using the independent evaluation method

圖10 為Δbhqd（Δbhqd=bhq3-bhd3）隨電負荷變化。由圖10 可見：采用一體化評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率降低了0.48～1.03 kg/GJ；電負荷一定時，熱負荷越小，|Δbhqd|越大。采用獨立評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率增加了1.09～2.00 kg/GJ。由圖10 還可以看出，電負荷一定時，熱負荷越大，|Δbhqd|越小。

圖10 Δbhqd 隨電負荷變化（定電負荷）Fig.10 Variations of Δbhqd with electric load

5 結論

1）熱負荷固定或電負荷固定時，采用一體化評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用獨立評估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。熱量法將供熱蒸汽的冷源損失全部歸到供熱方面，所以bhq1和bhd1較大；?方法對供熱蒸汽的冷源損失進行了合理分配，但是?方法未考慮供熱汽流對機組的附加影響，?方法與參比機組法計算的供熱煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ 變化。

2）熱負荷固定時，汽泵供熱機組的總煤耗量相較于電泵供熱機組降低了0.23～0.32 t/h；采用一體化評估方法和獨立評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率分別降低0.63～1.79 kg/GJ、增加1.36～2.78 kg/GJ。

3）電負荷固定時，汽泵供熱機組的總煤耗量相較于電泵供熱機組降低了0.23～0.26 t/h；采用一體化評估方法、獨立評估方法時，汽泵替代電泵，在所計算的工況下供熱煤耗率分別降低0.48～1.03 kg/GJ、增加1.09～2.00 kg/GJ。