火力发电厂循环冷却水作为预制辐射采暖系统热源的可行性探讨（上）
在火力发电厂蒸汽动力循环过程中，存在着不可避免的冷源损失（凝汽损失）。在采暖季，在不对汽轮机进行改造的前提下，适当地提高汽轮机的排汽压力，产生温度较高的冷却水通过换热制备43℃/33℃左右低温采暖水作为预制辐射采暖系统的热源，极大地提高了火力发电厂总效率，满足国家对中小型火力机组关停并转的要求，减少环境的污染，延长发电机组的生命周期，节省投资。
一、前言
火力发电厂蒸汽动力循环可以简化为给水泵、锅炉、汽轮机和凝汽器等4个主要装置组成。水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入凝汽器被冷却凝结成水再回到给水泵中，完成一个循环。
在无回热、再热及抽汽供热的简单纯冷凝式汽轮机的朗肯循环热效率ηt可近似简化为：
ηt=（h1-h2）/（h1-h2′）（1）
其中：h1为汽轮机进气焓kJ/kg
h2为汽轮机排汽焓kJ/kg
h2′为给水焓值kJ/kg
根据式（1）按中压、次高压、高压汽轮机进、排汽参数查水蒸汽焓熵表计算得出朗肯循环热效率ηt，见表1。
从表1可以得出如下结论：
1、无回热、再热及抽汽供热的简单纯冷凝式汽轮机的朗肯循环热效率ηt极低，大量的终参数凝汽热量通过凝汽器排向大气或者水体；
2、在终参数不变的情况下，汽轮机初参数越高，朗肯循环热效率ηt越高；
3、在初参数不变的情况下，汽轮机终参数越低，朗肯循环热效率ηt越高。
鉴于此，现代化火力发电厂均向高压、高温等高参数大单机容量发展。从早期的低压、次中压、中压、次高压、高压逐渐向超高压、亚临界、超临界、超超临界发展。压力也从1.28MPa提高到31MPa，温度也从340℃提高到600℃。
此外，现代化汽轮机均采用给水回热循环、蒸气再热循环及抽汽供热系统等来减少凝汽器的凝汽损失，从根本上提高了循环热效率ηt。
随着耐高温材料的不断改进，亚临界、超临界蒸汽参数的采用，仅大型凝汽式发电机组的循环热效率ηt就可以达到50％。
火力发电厂总效率为：
ηep=3600Pe/（B·Qnet，q）=ηb·ηp·ηt·ηri·ηm·ηg （2）
ηep——发电厂总效率，%；
Pe——为发电功率，kW；
B——为燃煤量，kg/h；
Qnet，q——煤的低位发热量，kJ/kg；
ηb——锅炉效率，大型电站锅炉一般为90％～94％；
ηp——管道效率，大型电站一般为99％以上；
ηt——循环热效率，大型电站一般为40％～50％；
ηri——汽轮机相对内效率，大型汽轮机一般为90％～92％；
ηm——机械效率，大型汽轮机一般为99％以上；
ηg——发电机效率，大型发电机一般为96％～99％，与冷却方式、冷却介质种类等因素有关。
说明：汽轮机绝对内效率ηi=ηtηri，常用于分析发电厂循环方式、蒸汽参数改变有关的热经济性。汽轮发电机组的绝对电效率：ηe=ηiηmηg=ηtηriηmηg，因此式（2）变成
ηep=ηbηpηiηmηg=ηbηpηe（3）
从上述各项损失来看，应该说循环效率ηt对发电厂总效率ηep的影响最大。一般，当参数从低参数到超临界参数时，凝汽式电厂的总效率约在30~42%之间变化。
在火力发电厂蒸汽动力循环过程中，存在着不可避免的冷源损失（凝汽损失）。在采暖季，在不对汽轮机进行改造的前提下，适当地提高汽轮机的排汽压力，产生温度较高的冷却水通过换热制备43℃/33℃左右低温采暖水作为预制辐射采暖系统的热源，极大地提高了火力发电厂总效率，满足国家对中小型火力机组关停并转的要求，减少环境的污染，延长发电机组的生命周期，节省投资。
一、前言
火力发电厂蒸汽动力循环可以简化为给水泵、锅炉、汽轮机和凝汽器等4个主要装置组成。水在水泵中被压缩升压；然后进入锅炉被加热汽化，直至成为过热蒸汽后，进入汽轮机膨胀作功，作功后的低压蒸汽进入凝汽器被冷却凝结成水再回到给水泵中，完成一个循环。
在无回热、再热及抽汽供热的简单纯冷凝式汽轮机的朗肯循环热效率ηt可近似简化为：
ηt=（h1-h2）/（h1-h2′）（1）
其中：h1为汽轮机进气焓kJ/kg
h2为汽轮机排汽焓kJ/kg
h2′为给水焓值kJ/kg
根据式（1）按中压、次高压、高压汽轮机进、排汽参数查水蒸汽焓熵表计算得出朗肯循环热效率ηt，见表1。
从表1可以得出如下结论：
1、无回热、再热及抽汽供热的简单纯冷凝式汽轮机的朗肯循环热效率ηt极低，大量的终参数凝汽热量通过凝汽器排向大气或者水体；
2、在终参数不变的情况下，汽轮机初参数越高，朗肯循环热效率ηt越高；
3、在初参数不变的情况下，汽轮机终参数越低，朗肯循环热效率ηt越高。
鉴于此，现代化火力发电厂均向高压、高温等高参数大单机容量发展。从早期的低压、次中压、中压、次高压、高压逐渐向超高压、亚临界、超临界、超超临界发展。压力也从1.28MPa提高到31MPa，温度也从340℃提高到600℃。
此外，现代化汽轮机均采用给水回热循环、蒸气再热循环及抽汽供热系统等来减少凝汽器的凝汽损失，从根本上提高了循环热效率ηt。
随着耐高温材料的不断改进，亚临界、超临界蒸汽参数的采用，仅大型凝汽式发电机组的循环热效率ηt就可以达到50％。
火力发电厂总效率为：
ηep=3600Pe/（B·Qnet，q）=ηb·ηp·ηt·ηri·ηm·ηg （2）
ηep——发电厂总效率，%；
Pe——为发电功率，kW；
B——为燃煤量，kg/h；
Qnet，q——煤的低位发热量，kJ/kg；
ηb——锅炉效率，大型电站锅炉一般为90％～94％；
ηp——管道效率，大型电站一般为99％以上；
ηt——循环热效率，大型电站一般为40％～50％；
ηri——汽轮机相对内效率，大型汽轮机一般为90％～92％；
ηm——机械效率，大型汽轮机一般为99％以上；
ηg——发电机效率，大型发电机一般为96％～99％，与冷却方式、冷却介质种类等因素有关。
说明：汽轮机绝对内效率ηi=ηtηri，常用于分析发电厂循环方式、蒸汽参数改变有关的热经济性。汽轮发电机组的绝对电效率：ηe=ηiηmηg=ηtηriηmηg，因此式（2）变成
ηep=ηbηpηiηmηg=ηbηpηe（3）
从上述各项损失来看，应该说循环效率ηt对发电厂总效率ηep的影响最大。一般，当参数从低参数到超临界参数时，凝汽式电厂的总效率约在30~42%之间变化。
二、火力发电厂的现状
由于历史的原因，我国电力系统中存在一大批中小型燃煤发电机组，规模小、效益差、浪费资源、污染环境。为此1999年5月国务院办公厅以国办发［１９９９］44号文转发“国家经贸委关于关停小火电机组有关问题意见的通知”中要求：单机容量25MW以下（含25MW）的凝汽机组，1999年12月31日前一律予以关停；单机容量50MW以下（含50MW）的中压、低压常规燃煤（燃油）机组，2000年底前予以关停；单机容量50MW以下（含50MW）的高压常规燃煤、燃油机组，2003年底前基本关停。2000年8月国家经贸委以国经贸电力（2000）817号文：“关于做好2000年关停小火电机组工作的通知”。
除了关停小火电之外，国家也对小热电进行了定义。2000年8月22日，国务院四部委联合下发了《关于发展热电联产的规定》。文件要求常规热电联产机组总热效率年平均应大于45%，单机容量50MW以下机组热电比年平均应大于100%；单机容量在５０MW至２００MW以下的热电机组，其热电比年平均应大于５０％；单机容量２００MW及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于５０％。不满足上述小热电效率要求的均为小火电范畴，属于关停并转之列。
2007年国务院批转发展改革委、能源办《关于加快关停小火电机组若干意见的通知》国发〔2007〕2号就加快关停小火电机组工作提出进一步要求：一、“十一五”期间，在大电网覆盖范围内逐步关停以下燃煤（油）机组（含企业自备电厂机组和趸售电网机组）：单机容量50MW以下的常规火电机组；运行满20年、单机100MW以下的常规火电机组；按照设计寿命服役期满、单机200MW以下的各类机组；供电标准煤耗高出2005年本省（区、市）平均水平10%或全国平均水平15%的各类燃煤机组；未达到环保排放标准的各类机组；按照有关法律、法规应予关停或国务院有关部门明确要求关停的机组。二、对在役的热电联产和资源综合利用机组，要实施在线监测，由省级人民政府组织对其开展认定和定期复核工作。不符合国家规定的，责令其限期整改；逾期不改或整改后仍达不到要求的，予以关停。三、热电联产机组供电标准煤耗高出第一条煤耗要求的，要结合热电联产规划，以“上大压小”或在役机组供热改造，按“先建设后关停”或“先改造后关停”的原则予以关停。在大中型城市优先安排建设大中型热电联产机组，在中小型城镇鼓励建设背压型热电机组或生物质能热电机组。鼓励运行未满15年的在役大中型发电机组改造为热电联产机组。新建机组或在役机组改造要与原供热机组的关停做好衔接。热电联产机组原则上要执行“以热定电”，非供热期供电煤耗高出上年本省（区、市）火电机组平均水平10%或全国火电机组平均水平15%的热电联产机组，在非供热期应停止运行或限制发电。并要求在大电网覆盖范围内，原则上不得建设单机容量300MW以下纯凝汽式燃煤机组。
由于历史的原因，我国电力系统中存在一大批中小型燃煤发电机组，规模小、效益差、浪费资源、污染环境。为此1999年5月国务院办公厅以国办发［１９９９］44号文转发“国家经贸委关于关停小火电机组有关问题意见的通知”中要求：单机容量25MW以下（含25MW）的凝汽机组，1999年12月31日前一律予以关停；单机容量50MW以下（含50MW）的中压、低压常规燃煤（燃油）机组，2000年底前予以关停；单机容量50MW以下（含50MW）的高压常规燃煤、燃油机组，2003年底前基本关停。2000年8月国家经贸委以国经贸电力（2000）817号文：“关于做好2000年关停小火电机组工作的通知”。
除了关停小火电之外，国家也对小热电进行了定义。2000年8月22日，国务院四部委联合下发了《关于发展热电联产的规定》。文件要求常规热电联产机组总热效率年平均应大于45%，单机容量50MW以下机组热电比年平均应大于100%；单机容量在５０MW至２００MW以下的热电机组，其热电比年平均应大于５０％；单机容量２００MW及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于５０％。不满足上述小热电效率要求的均为小火电范畴，属于关停并转之列。
2007年国务院批转发展改革委、能源办《关于加快关停小火电机组若干意见的通知》国发〔2007〕2号就加快关停小火电机组工作提出进一步要求：一、“十一五”期间，在大电网覆盖范围内逐步关停以下燃煤（油）机组（含企业自备电厂机组和趸售电网机组）：单机容量50MW以下的常规火电机组；运行满20年、单机100MW以下的常规火电机组；按照设计寿命服役期满、单机200MW以下的各类机组；供电标准煤耗高出2005年本省（区、市）平均水平10%或全国平均水平15%的各类燃煤机组；未达到环保排放标准的各类机组；按照有关法律、法规应予关停或国务院有关部门明确要求关停的机组。二、对在役的热电联产和资源综合利用机组，要实施在线监测，由省级人民政府组织对其开展认定和定期复核工作。不符合国家规定的，责令其限期整改；逾期不改或整改后仍达不到要求的，予以关停。三、热电联产机组供电标准煤耗高出第一条煤耗要求的，要结合热电联产规划，以“上大压小”或在役机组供热改造，按“先建设后关停”或“先改造后关停”的原则予以关停。在大中型城市优先安排建设大中型热电联产机组，在中小型城镇鼓励建设背压型热电机组或生物质能热电机组。鼓励运行未满15年的在役大中型发电机组改造为热电联产机组。新建机组或在役机组改造要与原供热机组的关停做好衔接。热电联产机组原则上要执行“以热定电”，非供热期供电煤耗高出上年本省（区、市）火电机组平均水平10%或全国火电机组平均水平15%的热电联产机组，在非供热期应停止运行或限制发电。并要求在大电网覆盖范围内，原则上不得建设单机容量300MW以下纯凝汽式燃煤机组。
2007年国家发展改革委、建设部关于印发《热电联产和煤矸石综合利用发电项目建设管理暂行规定》的通知（发改能源［2007］141号）要求：热电联产项目中，优先安排背压型热电联产机组；背压型机组不能满足供热需要的，鼓励建设单机200MW及以上的大型高效供热机组；以热水为供热介质的热电联产项目覆盖的供热半径一般按20公里考虑，在10公里范围内不重复规划建设此类热电项目；以蒸汽为供热介质的一般按8公里考虑，在8公里范围内不重复规划建设此类热电项目。
在节能政策强有力的推动下，至“十一五”结束时，超设计寿命的200MW级机组已开始关停；新投产纯凝汽机组单机容量基本在600MW及以上；新增300MW以下机组基本都是热电联产机组和资源综合利用机组。
早期建设的一些中小型电厂，随着城市的发展，这些电厂已处于城市的中心地带或者市区近郊、而且机组老旧，煤耗高，属于国家关停并转小火电的对象。又由于我国多年来执行“以热定电”的政策，热电机组容量普遍偏小，除了热效益差外，也不能满足城市发展的需要。这些电厂为了生存，充分利用地理位置的优势以及原有工程技术人员和老工人的能力，纷纷将凝汽机组改造为热电机组，或将小热电改为较大热电，取代了多众分散的低效的供热锅炉房向周围工业企业和居民区供热，节约了燃料，减少了污染。
三、热电联产和集中供热的特点
按照工程热力学对热力循环的分析，工质从热源所吸收的热量不可能全部转变为功，其中有一部分不可避免地要传给冷源而成为冷源损失。汽轮机的排汽在凝汽器中凝结时被冷却水带走大量热量，其冷源损失也称为凝汽损失。热电联产，发电固有的热力学冷源损失部分（抽凝式机组）或者全部（背压式机组或抽汽背压式）用作供热了，避免了部分或者全部凝汽损失，从而节约了燃料，这就是“联产节能”。
按式（2）计算凝汽式火力发电厂总效率ηep=30.5~42.0%，也就是说凝汽式汽轮机电站中燃料化学能转换为电能的总效率最高只有40％左右。背压式汽轮机的排汽用于供热，原来损失掉的排汽热能就被利用，凝汽损失为零，热能利用率显著提高，循环热效率ηt可达100％，按式（2）计算，背压式火力发电厂总效率ηep=76.2~83.9%。抽凝式汽轮机是抽取在汽轮机中膨胀做功后的尚有一定压力蒸汽作为供热汽源，减少由冷却水带走的凝汽凝结所释放的大量热量，因此减少了由冷却水带走的凝汽损失。当抽汽量为零时，抽凝式汽轮机就等于一台凝汽式汽轮机，它的热效率甚至比凝汽式汽轮机稍低。抽凝式汽轮机热能利用率随着抽汽量的增加而增大。抽凝式火力发电厂总效率介于凝汽式火力发电厂和背压式火力发电厂之间。
抽凝供热机组与纯凝汽机组结构特性有所不同，主要是汽缸的通流部分存在差异。一般抽凝供热机组纯凝汽运行时，热效率比同容量纯凝汽机组还要低，并且发电功率不允许超过额定值，否则汽缸低压段易过负荷。抽汽供热运行时，不仅使抽汽供热功能发挥效用，整机总热效率明显提高，而且依据机组供热工况图还可适当超出力10~20%运行，许可工况下的汽缸高压段、低压段都是安全的。当机组投入抽汽供热后，汽缸高压段承担的功率比纯凝工况大，低压段蒸汽通流量比纯凝工况减小，对汽轮机的轴向推力、监视段压力、高压段及低压段叶轮叶栅强度方面来讲反而更安全、稳定。由此可见，抽凝机组带热负荷运行，在允许范围内还可多发电，因此更有利于供热机组设备性能的发挥。但抽凝式汽轮机存在最大抽汽量，进入凝汽器的排汽量不能太小，因为凝汽量过小，无法带走因转子的鼓风摩擦损失产生的热量，会导致低压缸温度超温。
背压机“以热定电”、电负荷不可调节，热负荷大时，发电多，热负荷小时发电少，只有承担基本热负荷时，才能发挥最佳节能作用；而调节抽汽的抽凝式机组，热、电负荷可以各自调节，运行比较灵活，但有部分凝汽损失。所以，一个热电厂，一般有这两类机型，以适应各类热负荷和部分电负荷调节的需求。但由于采暖为季节性负荷，显然用背压机供暖是不合适的，除非非采暖季节停机。
另外也有抽汽背压式汽轮机，与抽凝式汽轮机相比较而言，其特点是大于大气压力的排汽也用作供热。
在节能政策强有力的推动下，至“十一五”结束时，超设计寿命的200MW级机组已开始关停；新投产纯凝汽机组单机容量基本在600MW及以上；新增300MW以下机组基本都是热电联产机组和资源综合利用机组。
早期建设的一些中小型电厂，随着城市的发展，这些电厂已处于城市的中心地带或者市区近郊、而且机组老旧，煤耗高，属于国家关停并转小火电的对象。又由于我国多年来执行“以热定电”的政策，热电机组容量普遍偏小，除了热效益差外，也不能满足城市发展的需要。这些电厂为了生存，充分利用地理位置的优势以及原有工程技术人员和老工人的能力，纷纷将凝汽机组改造为热电机组，或将小热电改为较大热电，取代了多众分散的低效的供热锅炉房向周围工业企业和居民区供热，节约了燃料，减少了污染。
三、热电联产和集中供热的特点
按照工程热力学对热力循环的分析，工质从热源所吸收的热量不可能全部转变为功，其中有一部分不可避免地要传给冷源而成为冷源损失。汽轮机的排汽在凝汽器中凝结时被冷却水带走大量热量，其冷源损失也称为凝汽损失。热电联产，发电固有的热力学冷源损失部分（抽凝式机组）或者全部（背压式机组或抽汽背压式）用作供热了，避免了部分或者全部凝汽损失，从而节约了燃料，这就是“联产节能”。
按式（2）计算凝汽式火力发电厂总效率ηep=30.5~42.0%，也就是说凝汽式汽轮机电站中燃料化学能转换为电能的总效率最高只有40％左右。背压式汽轮机的排汽用于供热，原来损失掉的排汽热能就被利用，凝汽损失为零，热能利用率显著提高，循环热效率ηt可达100％，按式（2）计算，背压式火力发电厂总效率ηep=76.2~83.9%。抽凝式汽轮机是抽取在汽轮机中膨胀做功后的尚有一定压力蒸汽作为供热汽源，减少由冷却水带走的凝汽凝结所释放的大量热量，因此减少了由冷却水带走的凝汽损失。当抽汽量为零时，抽凝式汽轮机就等于一台凝汽式汽轮机，它的热效率甚至比凝汽式汽轮机稍低。抽凝式汽轮机热能利用率随着抽汽量的增加而增大。抽凝式火力发电厂总效率介于凝汽式火力发电厂和背压式火力发电厂之间。
抽凝供热机组与纯凝汽机组结构特性有所不同，主要是汽缸的通流部分存在差异。一般抽凝供热机组纯凝汽运行时，热效率比同容量纯凝汽机组还要低，并且发电功率不允许超过额定值，否则汽缸低压段易过负荷。抽汽供热运行时，不仅使抽汽供热功能发挥效用，整机总热效率明显提高，而且依据机组供热工况图还可适当超出力10~20%运行，许可工况下的汽缸高压段、低压段都是安全的。当机组投入抽汽供热后，汽缸高压段承担的功率比纯凝工况大，低压段蒸汽通流量比纯凝工况减小，对汽轮机的轴向推力、监视段压力、高压段及低压段叶轮叶栅强度方面来讲反而更安全、稳定。由此可见，抽凝机组带热负荷运行，在允许范围内还可多发电，因此更有利于供热机组设备性能的发挥。但抽凝式汽轮机存在最大抽汽量，进入凝汽器的排汽量不能太小，因为凝汽量过小，无法带走因转子的鼓风摩擦损失产生的热量，会导致低压缸温度超温。
背压机“以热定电”、电负荷不可调节，热负荷大时，发电多，热负荷小时发电少，只有承担基本热负荷时，才能发挥最佳节能作用；而调节抽汽的抽凝式机组，热、电负荷可以各自调节，运行比较灵活，但有部分凝汽损失。所以，一个热电厂，一般有这两类机型，以适应各类热负荷和部分电负荷调节的需求。但由于采暖为季节性负荷，显然用背压机供暖是不合适的，除非非采暖季节停机。
另外也有抽汽背压式汽轮机，与抽凝式汽轮机相比较而言，其特点是大于大气压力的排汽也用作供热。
如前所述，热电联产机组的发电一般可以分为凝汽汽流发电和抽汽供热汽流发电两块。前者由于热电联产机组容量一般较小，蒸汽初参数较低，其发电效率不如大型纯凝汽机组来得高；但后者由于不存在凝汽（冷源）损失，其热效率很高，以致于其综合热效率可能超过大型高效的纯凝汽发电机组，这正是国家鼓励大力发展热电联产和热电联产机组大型化的根本原因。
热电厂的大型锅炉热效率比分散供热小锅炉高，从而节约了燃料，减少了城市的烟尘污染；还能集中对烟气进行脱硫、脱硝、高效除尘处理；也减少了冷却水对环境的热污染，这都是集中供热所带来的好处。也就是“集中节能”。 （待续）-- 九源（北京）国际建筑顾问有限公司 姚善新
热电厂的大型锅炉热效率比分散供热小锅炉高，从而节约了燃料，减少了城市的烟尘污染；还能集中对烟气进行脱硫、脱硝、高效除尘处理；也减少了冷却水对环境的热污染，这都是集中供热所带来的好处。也就是“集中节能”。 （待续）-- 九源（北京）国际建筑顾问有限公司 姚善新
