热网循环水泵驱动方式对供热机组综合能耗的影响研究

王 洋，马汀山，吕 凯，田忠玉，俞 骏，石 慧，杨凯旋，刘 明

（1.中国华能集团有限公司，北京 100031；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；3.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西 西安 710049）

能源稳定供应是社会发展的基石，而电力是最主要的二次能源。火力发电是我国电力生产的基本保障。截至 2020 年底，我国火电发电量达到5.17 万亿kW·h，占全国总发电量的67.9%[1]。预计到2040 年，煤炭消耗仍将占我国一次能源消耗的35%，并且将主要用于电能供应的兜底保障和灵活调节[2]。另外，北方的大部分火电机组还承担着保障民生的采暖供热任务。近年来，热电联产机组由于能源利用率高而得到了较大的发展，装机容量在火电装机容量中的比例高达35%。挖掘供热机组的节能潜力、降低供热及发电成本对我国节能减排具有重要意义[3]，对我国实现“2030 碳达峰、2060 碳中和”战略目标也具有重要支撑作用。

热电联产遵循了能量梯级利用的原理，供热有抽汽[4]、高背压[5]、热泵[6]以及低压缸零出力[7]等多种方式，已有学者针对单独供热方式或耦合供热方式开展大量研究[8-10]。热电联产生产成本核算涉及到热、电2 种产品的成本分摊方法及分摊合理性的问题。常规的分摊方法主要有热量法、实际焓降法、做功能力法、等效热降法，但这些方法都有各自的局限性[11-14]，主要区别在于供热蒸汽冷源损失回收效益的分配。但是，目前的供热机组附加能耗分配方法普遍忽略了供热对机组的附加影响，如主蒸汽流量、高压调速汽门开度、低压缸排汽压力、供热调节蝶阀开度等。

为此，本文对供热机组建立起一种新的折算供热煤耗的计算方法，通过该方法，有效地对比分析供热机组因为供热量的大小以及抽汽参数的高低对机组供电煤耗的影响，使得计算结果可以直接进行对比，从而反映供热机组设备和节能管理水平的高低。在供热机组中，热网循环水泵是热网首站的主要设备，承担着输送热网水的作用[15-16]。目前热网循环水泵主要分为电动机驱动和蒸汽透平驱动2 种方式，2 种驱动方式对于机组供热能耗的影响有着显著区别。为了说明本文建立的折算方法的能耗分配效果，将其用于分析热网循环水泵驱动方式对机组供热能耗的影响。

1 供热能耗计算方法

1.1 案例机组概况

某电厂3 号锅炉为亚临界、中间一次再热、自然循环、燃煤汽包锅炉，炉膛采用双拱形单炉膛，倒U 型布置，尾部双烟道；燃烧方式为W 型火焰燃烧，固态排渣，平衡通风；锅炉为露天布置，全钢架悬吊结构。汽轮机为N315-16.7/537/537 型亚临界、一次中间再热、两缸两排汽、凝汽式汽轮机。为了满足供热需求，进行供热改造，利用中排抽汽加热热网回水。

1.2 供热能耗分析方法

开展机组供热能耗计算是进行供热机组能耗评价的前提条件。火电机组热力系统定量分析是火电机组经济性诊断和能耗分析的重要组成部分。为了有效分析供热机组的“供热真实能耗”，本文提出“参比机组”的概念，并将“参比机组法”与热量法[17]及㶲方法[18]进行对比。

1.2.1 参比机组法

参比机组是与供热机组回热系统级数相同，热端参数（主蒸汽压力、主蒸汽温度、再热温度）及冷端参数（低压缸排汽压力）随工质流量变化规律相同的凝汽机组。图1 为供热机组，输入煤量为Btp，煤的热值为qL，供热机组输出能量包括热负荷Q与电负荷Pe。图2 为供热机组的参比机组，该机组对应工况发电量为Pe，但不对外供应热负荷。

图1 供热机组能量输入与输出关系Fig.1 The energy input and output of cogeneration unit

图2 参比机组能量输入与输出关系Fig.2 The energy input and output of reference unit

参比机组法分配供热与发电煤耗量的原则是，将供热机组的煤耗量Btp与同等发电功率时的参比机组的煤耗量对比，多出部分的煤耗量即为供热部分所需煤耗量，即：

式中：Btp为该供热机组的总煤耗量；Btp(c)为该机组与供热机组的电功率相同时参比机组的总煤耗量。

1.2.2 热量法

热量法是电力行业标准《火力发电厂技术经济指标计算方法》（DL/T 904—2015）的理论基础[17]。热量法分配煤耗量的方式为基于分配至热用户的热量消耗量Qtp(h)占供热汽轮机组热量使用量Qtp的比值来分配。

热电联产机组总耗热量为：

分配供热的热耗量为：

式中：D0为汽耗量，kg/h；Dh为供热气流流量，kg/h；h0为主蒸汽初焓，kJ/kg；hfw为给水比焓，kJ/kg；hh为抽汽比焓，kJ/kg；hh'为回水比焓，kJ/kg；ηb为锅炉效率；ηp为主蒸汽管道效率。

分给供热的热能消耗量Qtp(h)在热电联产发电厂总热能消耗量Qtp的比重称为热电分摊比βtp(1)，即：

1.2.3 㶲方法

㶲方法是根据热电联产供给热量的蒸汽做功能力（㶲）与主蒸汽的最大做功能力之比来分配[18]。

供热抽汽做功能力为：

主蒸汽做工能力为：

即其热量分摊比βtp(2)为：

式中：e0、eh为主蒸汽、供热蒸汽比㶲，kJ/kg，计算公式见式(12)、式(13)。

式中：s0、sh、sen分别为主蒸汽、供热蒸汽和膨胀至环境温度的比熵，kJ/(kg·K)；Ten为环境温度，取值为293.15 K。

本文的分析方法为变工况理论分析方法，供热机组能耗分析的参比机组是供热机组供热改造之前的凝汽式机组，采用自编程建立参比机组和供热机组的汽轮机变工况计算模型。为排除边界条件影响，计算过程中供热机组与参比机组的锅炉效率、管道效率、机械效率、发电机效率以及煤的低位发热量分别为90.6%、99%、99%、99%和29 307 kJ/kg，并根据正反平衡对模型准确性进行校验。煤耗量采用变工况计算分析获得。根据热量法和㶲方法的计算模型即可获得2 种能耗分配方法下的供热煤耗率。参比机组法中，设定参比机组和供热机组发电功率相同，此时2 机组煤耗量的差值即为供热煤耗量，进而计算获得参比机组法的供热煤耗率。

2 供热生产成本分析方法

供热生产成本主要包括供热煤耗、供热电耗和供热水耗3 部分。其中，供热煤耗与供热电耗之和为供热总能耗。热网循环水泵的驱动方式不同，供热生产成本的计算方法不同。

热网循环水泵有以下2 种驱动方式。

1）电动热网循环水泵 热网循环水泵耗电来自发电机出线端（采用电动热网循环水泵的供热机组简称电泵供热机组，与之对应的参比机组简称电泵参比机组）；

2）汽动热网循环水泵 热网循环水泵小汽轮机的驱动蒸汽来自主汽轮机中压缸排汽，驱动小汽轮机之后继续进入加热器加热热网水（采用汽动热网循环水泵的供热机组简称汽泵供热机组，与之对应的参比机组简称汽泵参比机组）。

因为热网循环水泵采用电泵或者汽泵对供热水耗几乎没有影响，所以供热机组采用电泵和汽泵供热成本分析的重点在于供热煤耗、供热电耗及供热总能耗的分析方法。值得说明的是，本节所述的供热电耗单指热网循环水泵。

2.1 供热煤耗、供热电耗一体化评估方法

利用供热煤耗、供热电耗一体化评估方法（简称一体化评估方法）对供热总能耗（供热煤耗与供热电耗之和）进行评估，该方法的“参比机组”特点为：“参比机组”发电功率为供热机组发电功率减去供热电耗功率（如有）。

汽泵供热机组和电泵供热机组的能量输入输出关系分别如图3、图4 所示。其中，供热机组的发电功率、供热负荷分别为Nd、Q0。

图3 汽泵供热机组能量输入输出示意Fig.3 The energy input and output of cogeneration unit with steam circulating water pump in heating network

图4 电泵供热机组能量输入输出示意Fig.4 The energy input and output of cogeneration unit with electric circulating water pump in heating network

电泵/汽泵参比机组的供电负荷均为Nd，其能量输入输出关系如图5 所示。

图5 参比机组1 能量输入输出示意Fig.5 The energy input and output of reference unit 1

此时，通过对比汽泵供热机组和汽泵参比机组的输入能量，获得供热煤耗（也即供热总能耗）；通过对比电泵供热机组和电泵参比机组的输入能量，获得供热总能耗（也即供热煤耗与供热电耗的总和）。

2.2 供热煤耗、供热电耗独立评估方法

供热煤耗、供热电耗独立评估方法（简称独立评估方法）将供热煤耗、供热电耗进行独立评估。当供热机组采用电泵时，独立评估方法的“电泵参比机组”的特点为：“电泵参比机组”发电功率与电泵供热机组发电功率相等，且同为电泵供热机组供电功率与电泵消耗功率之和。

汽泵供热机组和电泵供热机组发电功率、供热功率分别为Nd、Q0，与一体化评估方法保持一致，能量输入输出关系分别如图3、图4 所示。

在汽泵供热机组中，不涉及热网循环水泵电耗，所以汽泵参比机组的能量输入输出关系与一体化评估方法一致（图5）。

电泵参比机组发电功率为Nd+Np，其能量输入输出关系如图6 所示，通过比较电泵供热机组输入能量与电泵参比机组输入热量，获得供热煤耗，而供热电耗进行单独计算。需要指出的是，当需要进行汽泵与电泵供热总能耗横向比较时，需比较供热总能耗（供热煤耗与供热电耗之和）。

图6 参比机组2 能量输入输出示意Fig.6 The energy input and output of reference unit 2

3 供热能耗分配方法对比

为了对比分析3 种供热能耗分配方法的差异，获得供热机组能耗特性随电负荷变化规律，选取固定电负荷或者固定热负荷，对比热量法汽泵供热机组供热煤耗率（bhq1）、㶲方法汽泵供热机组供热煤耗率（bhq2）、参比机组法汽泵供热机组供热煤耗率（bhq3）、热量法电泵供热机组供热煤耗率（bhd1）、㶲方法电泵供热机组供热煤耗率（bhd2）、参比机组法电泵供热机组供热煤耗率（bhd3）之间的差异。

3.1 热负荷固定、电负荷变化供热能耗变化规律

选取热负荷分别为50、75、100 MW 时，机组供热煤耗率随电负荷变化如图7 所示。在电热负荷相同时，采用一体化评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用独立评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。无论采用一体化评估方法还是独立评估方法，随着电负荷的增加，bhq1、bhq2、bhd1和bhd2几乎不变，bhq3和bhd3均逐渐降低，且bhq3对电负荷的变化更敏感，电负荷增大时bhq3降低的更多。无论采用一体化评估方法还是独立评估方法，当热负荷50 MW 时，电负荷由210 MW 增加至300 MW，bhq3由24.47 kg/GJ 降低至22.68 kg/GJ。

图7 机组供热煤耗率随电负荷变化Fig.7 Variations of heating coal consumption rate with electric load

3.2 电负荷固定、热负荷变化供热能耗变化规律

选取电负荷分别为230、250、270 MW 时，供热煤耗率随热负荷变化如图8 所示。由图8 可见：在电热负荷相同时，采用一体化评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用独立评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。无论采用一体化评估方法还是独立评估方法，随着热负荷的增加，bhq1和bhq2均逐渐降低，bhd1、bhd2和bhq3几乎不变。

图8 机组供热煤耗率随热负荷变化Fig.8 Variations of heating coal consumption rate with heat load

当热负荷50 MW 时，电负荷由210 MW 增加至300 MW，bhd3在采用一体化评估方法时由25.09 kg/GJ 降低至24.54 kg/GJ，在采用独立评估方法时由22.17 kg/GJ 增加至22.96 kg/GJ。

以上分析可以发现：热量法供热煤耗率最大，㶲方法与参比机组法计算的供热煤耗率较为接近，这是由于其将供热蒸汽的冷源损失全部归到供热方面。㶲方法对供热蒸汽的冷源损失进行了合理分配，但是未考虑供热汽流对机组的附加影响，例如高压调速汽门开度、供热蝶阀开度、旋转隔板开度、凝汽器压力等；参比机组法对供热对机组的附加影响综合进行考虑。

在不同电热负荷及评估方法下，㶲方法与参比机组法计算的供热煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ。参比机组法全局考虑机组由于供热引起的煤耗增加量，将供热蒸汽对机组的影响综合进行考虑，不需要对其进行单个计算分析，比较合理。以下采用参比机组法计算机组供热能耗，分析热网循环水泵驱动方式对机组供热能耗的影响。

4 热网循环水泵2种驱动方式经济性对比

为了对比分析热网循环水泵2 种驱动方式对机组供热能耗的影响，选取固定电负荷或者固定热负荷，采用一体化评估方法及独立评估方法（单独计算煤耗、电耗）分别进行对比电泵供热机组和汽泵供热机组的供热能耗差异。

4.1 定热负荷

选取热负荷50、75、100 MW，分别采用一体化评估方法和独立评估方法对热网循环水泵2 种驱动方式的经济性进行计算分析。

采用一体化评估方法和独立评估方法时，各机组的总煤耗量随电负荷变化分别见表1、表2。

表1 一体化评估方法时各机组的总煤耗量随电负荷变化Tab.1 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the integrated evaluation method

表2 独立评估方法时各机组的总煤耗量随电负荷变化Tab.2 Changes of the total coal consumption of the units with electric load when using the independent evaluation method

在相同的电热负荷下，2 种评估方得到的供热机组的煤耗量相同；2 种评估方法的不同在于参比机组。汽泵供热机组的总煤耗量相较于电泵供热机组降低了0.23～0.32 t/h，且电负荷越大，汽泵供热机组降低的总煤耗量越多。

bhq3与bhd3的差值Δbhqd随电负荷变化如图9 所示。由图9 可以看出：采用一体化评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率降低了0.63～1.79 kg/GJ，同时热负荷一定时，电负荷越大，|Δbhqd|越大；采用独立评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率增加1.36～2.78 kg/GJ。

图9 Δbhqd 随电负荷变化（定热负荷）Fig.9 Variations of Δbhqd with electric load

由图9 还可以看出：当热负荷为50 MW 时，电负荷越大，|Δbhqd|越小；当热负荷为75 MW 和100 MW 时，电负荷越大，|Δbhqd|存在一个微弱的增大趋势后明显减小。

4.2 定电负荷

选取电负荷230、250、270 MW，分别采用一体化评估方法和独立评估方法对热网循环水泵2 种驱动方式的经济性进行计算分析。

采用一体化评估方法和独立评估方法时，各机组的总煤耗量随电负荷变化分别见表3、表4。由表3、表4 可见，汽泵供热机组的总煤耗量相较于电泵供热机组降低了0.23～0.26 t/h。

表4 独立评估方法时各机组的总煤耗量随热负荷变化Tab.4 Changes of the total coal consumption of the units with heat load when using the independent evaluation method

图10 为Δbhqd（Δbhqd=bhq3-bhd3）随电负荷变化。由图10 可见：采用一体化评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率降低了0.48～1.03 kg/GJ；电负荷一定时，热负荷越小，|Δbhqd|越大。采用独立评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率增加了1.09～2.00 kg/GJ。由图10 还可以看出，电负荷一定时，热负荷越大，|Δbhqd|越小。

图10 Δbhqd 随电负荷变化（定电负荷）Fig.10 Variations of Δbhqd with electric load

5 结论

1）热负荷固定或电负荷固定时，采用一体化评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2≈bhd3；采用独立评估方法，bhq1>bhq2>bhq3，bhd1>bhd2>bhd3。热量法将供热蒸汽的冷源损失全部归到供热方面，所以bhq1和bhd1较大；㶲方法对供热蒸汽的冷源损失进行了合理分配，但是㶲方法未考虑供热汽流对机组的附加影响，㶲方法与参比机组法计算的供热煤耗率差值在-1.61～4.21 kg/GJ 变化。

2）热负荷固定时，汽泵供热机组的总煤耗量相较于电泵供热机组降低了0.23～0.32 t/h；采用一体化评估方法和独立评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率分别降低0.63～1.79 kg/GJ、增加1.36～2.78 kg/GJ。

3）电负荷固定时，汽泵供热机组的总煤耗量相较于电泵供热机组降低了0.23～0.26 t/h；采用一体化评估方法、独立评估方法时，汽泵替代电泵，在所计算的工况下供热煤耗率分别降低0.48～1.03 kg/GJ、增加1.09～2.00 kg/GJ。