近年来，北方建设的直接空冷机组除采取直接抽汽供热方式外，还可采用如下供热方式：高背压乏汽供热（以下简称高背压供热）、利用吸收式热泵回收汽轮机乏汽余热（以下简称吸收式热泵供热）及电驱动热泵回收乏汽余热（以下简称电热泵供热）方式。直接空冷机组的设计背压高（夏季运行时排汽背压可高达34 kPa），抽取汽轮机低压缸的排汽进行供热（即高背压供热）在国内已有应用^{[1, 2, 3]}；此外，吸收式热泵供热也得到了一定的应用，而电热泵供热技术由于其热经济性不具备优势未能被广泛应用。本文采用热量法对直接空冷机组直接抽汽供热、高背压乏汽供热、吸收式热泵供热及电热泵供热4种方式进行热经济性分析，为发电厂供热方案选择及节能改造提供参考。

直接抽汽供热是最常见的供热方式，是利用汽轮机中做功后的部分抽汽对外供热，其余蒸汽继续在汽轮机低压缸中进行膨胀做功，乏汽排出汽轮机后进入空冷岛放热变成凝结水后再回到回热系统。由于供热抽汽减少了排汽凝结水的流量，因而减少了乏汽在空冷凝汽器中的放热量，同时降低了冷源损失^{[4, 5]}。

高背压供热是利用直接空冷机组排汽余热供热，由于降低了机组冷源损失，从而提高了能源利用率。该供热方法可以在不扩大机组规模的前提下，回收冷源损失，增加供热量，增大供热面积，从而达到提高汽轮机经济效益及供热效率的目的。高背压乏汽供热系统示意图见图 1。

图1(Figure 1)

图1 直接空冷机组高背压乏汽供热系统示意图

如图 1所示，在直接空冷机组汽轮机主排汽管路上加入一旁路，使排汽至热网凝汽器，然后经过凝汽器表面换热加热热网循环水；在凝汽器的入口蒸汽管道上装有真空电动碟阀，在排汽支管上装有隔离阀，便于在机组运行时对凝汽器进行调整。热网凝汽器循环水进出水管路系统与一次换热循环水系统相通^{[6, 7, 8, 9]}。

热电厂的吸收式热泵主要采用第一类溴化锂吸收式热泵，一般以抽汽为驱动热源、水为制冷剂、溴化锂溶液为吸收剂。它的性能系数（COP）一般在1.5~2.5。本文参与计算的吸收式热泵性能系数为2.4。

吸收式换热机组通过汽轮机采暖抽汽驱动，通过回收汽轮机排出的部分乏汽加热一次网回水。一次网回水经机组换热加热后，进入尖峰加热器，经汽轮机部分抽汽再加热后送至换热首站。其系统示意图见图 2所示。

图2(Figure 2)

图2 直接空冷机组吸收式热泵供热系统示意图

电热泵供热是以电能驱动热泵机械运转。电热泵的理想循环是逆卡诺循环，但实际循环都不是逆卡诺循环，即实际能效系数都比理论能效系数低。电热泵供热系统示意图如图 3所示。

图3(Figure 3)

图3 电热泵供热系统示意图

机组在冬季供热时，低温低压的制冷剂流经蒸发器，由冷源吸热升温后进入压缩机，形成高温高压蒸汽；然后进入冷凝器向热源放热冷凝，再经节流阀节流，降温降压后形成低干度的湿蒸汽，即低温低压制冷剂，再流经蒸发器从热源吸热蒸发，完成一个循环。

本文中参与计算的电热泵能效系数为3.6，能效等级为一级。

以某330 MW直接空冷机组为例。该机组汽轮机为NZK330-16.67/538/538型、一次中间再热、双缸双排汽、单轴、直接空冷供热凝汽式汽轮机。锅炉为亚临界自然循环汽包炉，最大连续出力（BM⁃CR）1120 t/h，锅炉效率和管道效率总计为92.5%，主蒸汽压力16.67 MPa，主蒸汽温度538 ℃，主汽焓值3398.9 kJ/kg。

采用直接抽汽供热方式时，供热抽汽流量来自中压缸排汽，供热抽汽压力为0.4 MPa，供热抽汽焓为2948 kJ/kg，对应低压缸排汽压力为0.01 MPa。高背压供热方式下通过将空冷岛部分散热管束退出运行使排汽背压提高至34 kPa，汽轮机低压缸排出蒸汽的平均焓值为2539.7 kJ/kg。采用吸收式热泵供热时，汽轮机抽汽参数同直接抽汽供热方式，驱动吸收式热泵的热源来自采暖抽汽。

直接抽汽供热方式下供热抽汽量为550 t/h，对应的供热量为1 302 911 MJ/h，其他供热方式均按相同的供热量计算。

为分析直接空冷机组不同供热方式的热经济效益，可分别计算高背压供热、吸收式热泵供热、电热泵供热以及直接抽汽供热方式相比热电分产供热方式增加的经济效益。其计算过程需要对机组热力系统进行热平衡计算，并利用热电联产热经济性的分析方法分别计算发电与供热两方面的热经济指标；而发电和供热两方面的热耗分配则采用热量法。

热电联产发电较热电分产发电节煤，热电分产发电煤耗即为代替电厂发电的标准煤耗量B_cp^s：

W_h，W_c—热电厂供热汽流和凝汽流的发电功率，kW；

W—代替电厂的发电功率，W=W_h+W_c，kW；

η_i—代替式汽轮机的绝对内效率；

η_b—锅炉效率；

η_p—主蒸汽管道效率；

η_m—汽轮机机械效率；

η_g—发电机效率。

而热电联产发电标准煤耗量B_tsp(e)^s由供热汽流发电的煤耗量和凝汽流发电的煤耗量组成：

b_e,c^s —热电联产凝汽流发电的标准煤耗率，kg/kWh；

η_ic —供热式汽轮机的绝对内效率。

根据式（1）和式（2）可得热电联产发电较热电分产发电节约的标煤量ΔB_e^s=B_cp^s-B_tp(e)^s。

选择不同供热方式时，如果供热量相同，发电所节约的煤量就是热电联产所节约的煤量，因此不同供热方式所节约的煤耗率Δbe s为：

由于热电联产机组发电与供热同时进行，所以其热经济指标分发电和供热两个方面。热电厂的总热耗量Q_tp为：

式中  Q_tp(e)—热电厂用于发电的热耗量，kJ/h；

Q_tp(h)—热电厂用于供热的热耗量，kJ/h。

热电联产发电热耗率q_tp(e)：

式中P_e—供热机组的发电功率，kW；

η_tp（e）—热电联产发电热效率。

热电联产发电煤耗率b_tp(e)^s：

式中q_l—标准煤的发热量，kJ/kg。

由于直接抽汽供热方式抽取中压缸排汽供热，而高背压供热方式利用汽轮机低压缸排汽供热，相当于用于供热的抽汽返回汽轮机在低压缸多做了一部分功W+；但是由于背压的提高，不参与供热的蒸汽由于参数的提高做功量减少了W-。汽轮机做功变化量ΔW为：

其中

式中D_h—供热抽汽流量，kg/h；

h_h—供热抽汽焓值，kJ/kg；

h_c—低压缸排汽焓值，kJ/kg；

D_c—高背压供热机组的凝汽量，kg/h；

h_c1—高背压改造前低压缸排汽焓值，kJ/kg。

要保证高背压供热方式较直接抽汽供热方式节能，就要保证ΔW为正值。

热电厂需要确定分别用于发电和供热的热耗量。在基于热量法分配热电厂总热耗量Q_tp时，分配到供热方面的热耗量Q_tp（h）虽然是由汽轮机抽汽或排汽对外供出的热量，但被认为是热电厂锅炉生产的蒸汽直接对外供出的热量。热量法是按热电联产电厂生产的热量占热电厂汽轮机使用热量的比重来分配Q_tp。按照热量法，热电联产供热方面的节煤量为0，发电方面产生的节煤量即代表热电厂全部的节煤量。热量法的公式表示如下。

供热热耗量：

总热耗量：

发电热耗量：

h_h′—回水焓，kJ/kg；

Q₀—汽轮机的热耗量，kJ/h；

D₀—汽耗量，kg/h；

h₀—主蒸汽初焓，kJ/kg；

h_fw—给水焓，kJ/kg。

Q_tp（h）占Q_tp的比重称为热电分摊比β_tp（1），即

则有：

以330 MW直接空冷机组为例，计算上述4种供热方式机组在额定供热工况下采用最大抽汽量时的热经济指标。结果如表 1、图 4—图 7所示。

表1(Table 1)

表 1 不同供热方式的热经济指标

表 1 不同供热方式的热经济指标

图4(Figure 4)

图4 不同供热方式的节约煤耗率对比图

图5(Figure 5)

图5 不同供热方式的汽轮机热耗率对比图

图6(Figure 6)

图6 不同供热方式的发电标准煤耗率对比图

图7(Figure 7)

图7 不同供热方式的发电标准煤耗量对比图

在额定供热工况下，上述4种供热方式由于平均发电功率的不同，节约煤耗率与节约煤耗量之间并不完全为正比关系。由图 4—图 7可知，在相同的供热负荷下，高背压供热方式节煤最为显著，其次是吸收式热泵供热方式，电热泵供热方式由于自身能效系数的限制，与直接抽汽供热方式相比并不节能。

在供热量相同的前提下，4种供热方式与热电分产方式相比，高背压供热方式发电标准煤耗率最低，为171 g/kWh，电热泵供热方式最高，为226.8 g/kWh，但与热电分产方式相比发电标准煤耗率均下降。

根据发电煤耗率的计算结果，与直接抽汽供热相比，高背压供热和吸收式热泵供热方式均能实现进一步节能，其中高背压供热方式节约能量最多；而电热泵供热方式与直接抽汽供热方式相比则消耗更多的能量。由此可见，高背压供热方式相比其他供热方式而言，热经济性更高，节能效果更为显著。

以上计算是以直接抽汽供热方式额定供热抽汽量对应的供热量为基础进行的，而高背压供热方式要求背压提高至34 kPa后，其加热的热网循环水能满足用户供暖的需求。当环境温度进一步降低或抽汽热负荷较小时，高背压供热方式的热经济性会降低，低于吸收式热泵供热方式，甚至低于直接抽汽供热方式，因此对高背压供热方式还应做进一步分析，以确定其运行条件。

利用直接空冷机组排汽压力高的特性而采取不同的供热方式，可有效提高能量的利用效率。通过对以上4种供热方式的研究分析，可以明确每一种供热方式的环境适应性以及节能性，对指导发电厂供热方案选取及节能改造具有一定参考价值，对现有直接空冷供热机组的节能运行、潜力挖掘有指导意义。