0 引言

随着国家能源结构的不断调整、节能减排压力的不断加大及风、光等清洁能源的迅速发展，传统燃煤电厂在能源结构中的占比越来越小，很多燃煤发电机组长期在非最佳运行工况下运行。对于热电联产机组，电负荷主要由电网的电负荷需求量来确定，电厂机组的电负荷由电网调度通过AGC进行控制，而热负荷则由电厂根据外部热用户对热负荷的需求进行自主调节。为了最大限度实现能源的合理利用，达到节能增效的目的，如何合理分配机组之间的热负荷便成为各热电厂关心的重要问题。

目前热电厂在实际运行过程中多采用3种传统方式进行热负荷调节：热负荷平均分配；由某一机组带全部或基本热负荷，其他机组进行调节；在保证热网供热指标的情况下由运行人员自主调节^[1]。以上3种方式虽能有效满足热用户对热负荷的需求，但未充分考虑能源的优化利用，存在一定的能源浪费，一定程度上影响全厂的经济效益。

随着社会发展与城市建设，热电厂为了满足不断增长的热负荷需求，出现了大量的扩建与改造机组，使得很多热电厂出现了不同容量、不同供热形式的多元供热机组，基于此如何合理分配各供热单元的供热量成为急需解决的问题。

本文利用热力学原理对能量特性进行分析，从而寻求一种能够有效指导热电厂实现供热最佳分配、提高全厂经济性的方法。

1 常见供热方式及供热能效分析 1.1 常见供热方式

目前热电厂除常见的调整抽汽方式外，为了增加供热能力，通过机组改造又新增加了高背压方式、热泵方式等多种供热方式。有些机组除了采用传统的排抽汽供热外，还增加了再热蒸汽通过减温减压进行供热，加之有些电厂为分期建设，加剧了整个热电厂供热的复杂性。

1.2 抽汽参数对供热量的影响

抽汽参数是指抽汽压力、温度等热力学指标，其大小反映了蒸汽中包含能量的多少。热电厂对外供热量的计算一般采用以下方法：

(1)

式中

由式（1）可知，在供热抽汽流量与供热疏水焓不变的情况下，供热抽汽焓越高，其供热能力越强。但从热力学角度分析，供热是高温热源向低温热源进行热能传递的过程，并不涉及热功转换，而作为热用户的低温热源最终将所接收的热能全部释放至环境而变为无用能。根据热力学第一、二定律，热能既有量的区分，也有质的差别。热能在周围环境条件下，能够最大限度转变为有用功的那部分能量为该热能的有用做功能，即有效能^[2-3]。对于等量的热能，所蕴含的有效能越多，其质量越高，可转化为有用功的量就越多。对于供热而言，相同供热热量下，热源所蕴含的有效能越多则损失越大。

在以环境温度为基准的情况下，单位质量蒸汽所蕴含的有效能计算公式为:

(2)

式中

由式（2）可知，蒸汽焓值h越高则其做功能力也越强，相同流量蒸汽可转化为电能的比例也越高。可见，高焓值蒸汽不仅具有更高的供热能力，而且具有更强的热功转换能力。对于热电厂，如何实现供热优化实际上就是如何在热与电之间合理分配蒸汽所包含的能量，最终实现有效能的优化利用。

对于单位质量的供热抽汽，其供热热量为：

(3)

式中

由式（3）可知，合理利用蒸汽过热、潜热及疏水所含的热能是实现能量优化分配的关键。表 1、表 2为某C300/235-16.7/0.35/537/537型机组分别由中压缸排汽供热和主蒸汽供热时的热量占比。通过对比可以发现，热电联产机组在供热过程中，热量主要源于蒸汽凝结释放的汽化潜热与疏水冷却释放的热量^[4]。由汽轮机热力循环可知，高温高压蒸汽主要通过汽轮机中的绝热膨胀过程进行热功转换，膨胀终点依然为蒸汽，即汽轮机实现热功转换的能量主要为蒸汽过热段热能，如果将其用于供热，则其在供热过程中的占比相对较小^[5]。同时由式（2）可知，高焓值蒸汽是有效能较高的高温蒸汽。因此，如何合理利用蒸汽过热部分能量便成为供热优化分配的关键。

2 有效能的利用与供热优化分配 2.1 热力过程中有效能的变化

在热力学中，有效能是以高于环境温度的物体作为高温热源，以环境作为低温热源所能转换的最大功量。如果不经热功转换而直接将有效能释放到环境中，即为最大的有效能损失量，其计算公式如公式（4）所示：

(4)

式中

参照表 1、表 2数据，若环境温度为273 K，释放热能为1000 GJ，2种不同参数蒸汽造成的主汽有效能损失E_Q-主汽和抽汽有效能损失E_Q-抽汽计算结果为：

由式（2）可知，当蒸汽经历一个热力过程后，其有效能的变化量反映了其做功能力的变化量。相对于环境温度来说，通过式（5）即可计算出其做功能力的损失量：

(5)

式中

利用式（5）对表 1、表 2中数据进行计算，计算时暂设T₀为273 K。则主汽有效能的变化量Δe_主汽和抽汽有效能Δe_抽汽的变化量分别为：

通过以上计算可以看出，无论是在单位供热量还是单位抽汽量下，利用低参数蒸汽对外供热所造成的有效能损失均低于利用高参数蒸汽对外供热。也就是在供热过程中如果能够实现有效能损失最少，便可实现热经济性最优。

2.2 供热优化方法

由以上分析计算可知，为了降低有效能的损失，在满足热用户需求的前提下应尽可能采用低参数蒸汽进行供热。分析公式（2）、（4）、（5），热电厂供热过程中，供热抽汽在热网加热器中放热的冷源为热网回水，其温度高于外部环境气温，且热网回水温度为热网运行过程中供热抽汽所能达到的最低温度，为了能够真实反映供热抽汽在供热期间的有效能损失，T₀需以热网回水温度来计算。同时由于供热抽汽的疏水会重新返回热力系统，其所携带的有效能也会返回热力系统，因此有效能的损失应减去这一部分返回的有效能。这部分高于热网回水温度且减去疏水返回部分的可用于发电的能称为可用能。在供热过程中，可用能损失越多，相同情况下机组发电能力越低，经济性越差，因此可以利用单位供热量下可用能的损失率作为供热优化分配的指标。可用能损失率利用公式（6）进行计算：

(6)

式中

对于多元供热电厂，根据供热参数即可方便获得每台机组的供热可用能损失率φ，利用公式（7）即可达到供热的最佳分配。

(7)

式中

通过式（7）可知，在运行调整过程中优先采用供热可用能损失最小的机组供热即可实现供热的优化分配。具体优化分配计算过程如图 1所示。

3 供热优化计算实例

以某C300/235-16.7/0.35/537/537型1号、2号供热机组为例进行计算，设计为抽汽供热。2号机组通过热泵改造，利用热泵吸收低压缸排汽热量进行供热，热泵供热系数1.8，热泵驱动汽源为原供热抽汽汽源。1号、2号机组供热对比计算结果如表 3所示，优化前后节能效益计算结果如表 4所示。由表 3、表 4中结果可知，供热方式优化后可以在节约可用能的同时获得很好的经济效益。

4 结语

综上所述，对于多元供热热电厂，通过可用能损失率可以方便快捷地实现供热的优化分配。供热可用能损失率是一个能够有效反映供热过程中能损的指标参数，它的得出并不需对整个热力过程进行全面性计算，其计算的便捷性使其在供热优化分配方面具有很高的应用前景，具有与采用通过全面性热力计算结果相同的供热优化分配指导意义。同时由于其在计算过程中的参数应用很少，便于数据的网络传输与在线计算，有利于热电厂实现机组供热的实时运算和及时调整，从而实现供热的节能、高效和最优。