以熱定電

以熱定電是聯產系統的一種以供熱負荷的大小來確定發電量的運行方式。“以熱定電”中的“熱”，是指各種熱負荷。以供熱負荷的大小來確定發電量，就叫“以熱定電”。也就是說，要根據供熱負荷來選擇配套的鍋爐及汽輪發電機組，根據蒸汽用量來確定機組的進汽量，相當於把發出的電作為供熱的副產品。

基本介紹

• 中文名：以熱定電
• 外文名：power determined by heat
• 領域：能源
• 專業：電氣工程
• 套用：聯供系統
• 作用：最佳化調度

出現背景

世界範圍內能源與環境問題日趨嚴重，我國等新興經濟體正處在快速工業化和城市化的過程，對能源消費和需求的增長保持著旺盛態勢。我國以煤能源主要結構導致環境污染日趨惡化，酸雨覆蓋區占國土面積40%。煤炭燃燒是我國硫化物、可吸入顆粒物和氮氧化物等大氣污染物的主要來源之一。最近十年，我國一些大城市開始推廣天然氣採暖鍋爐，以減少燃煤供熱引起的污染物排放。從2012年1月1日起，我國開始執行更為嚴格的污染物排放標準，在環渤海、長三角和珠三角等重點地區，新建燃煤發電廠和燃煤鍋爐氮氧化物、硫化物和煙塵的排放限值分別降低為100mg/m3、50mg/m3和20mg/m3。北京、天津和上海等大城市開始監測PM2.5。“限煤改氣”成為我國調整能源結構、保證能源供應、實現節能減排的重要措施之一，也是我國城市供熱產業在不阻礙經濟發展的前提下控制大氣污染、改善城市環境的重要趨勢。

流程說明

圖1為燃氣輪機頂循環發電的冷熱電聯產系統流程，系統集成原則為“以熱定電”。空氣經壓縮機壓縮後進入回熱器預熱，預熱後的氣體進入燃燒室與壓縮後的天然氣混合、燃燒，產生的高溫煙氣被送到透平膨脹做功發電，產生的餘熱經回熱器換熱後進入吸收式制冷機組用於供熱（製冷或採暖），出口的餘熱經逆流式換熱器生產生活熱水，以滿足用戶對熱能的需求，剩餘的廢熱經處理後排入大氣。該圖示是以滿足用能熱需求（製冷、採暖及生活熱水）為原則，確定原動機，進而確定聯產系統的電力輸出，其中用能熱需求由製冷、採暖及生活熱水錶現出來。

聯產系統的機組模型

背壓式汽輪機

背壓式汽輪機的工作原理與凝汽式汽輪機的工作原理基本相同；不同之處在於前者的排汽全部供給熱用戶使用，不像後者那樣有冷源損失，所以熱效率很高。背壓式汽輪機的調節汽門開度主要由排汽管調壓器的壓力信號控制，可以維持排汽壓力基本不變（恆壓調節），保證供熱質量。因此，這種機組的發電出力完全取決於熱負荷的大小，多餘或不足的電力可由電網或並列運行的發電機組調節。

背壓式汽輪機的工況圖如圖2所示，分析時可以近似地用一條折線或直線代替。該模型可用最小技術出力（B）和容量（C）兩個點的坐標來描述，必要時輔以斜率表示熱電之間的數量關係。由於背壓式汽輪機固有“以熱定電”的特性，因此當熱負荷中斷時，它連同相應的發電機都只能停止工作，這是背壓式汽輪機組最不利之處。

抽汽式汽輪機

抽汽式汽輪機有一次抽汽和二次抽汽兩個類型，一次調節抽汽式汽輪機的簡化工況圖如圖3所示。圖中多邊形以內的區域即為其工作區。二次調節抽汽式汽輪機熱電負荷調節原理和工況圖，與一次調節抽汽式汽輪機的相仿。該模型的數學描述可用多邊形所有定點的坐標表示，輸入順序依次為A1，A2，A3，…。其中，點A1為最小技術出力，點C為機組容量。

熱電機組特別是背壓式機組，熱、電出力的固有耦合關係決定了熱電機組帶負荷的不同次序會影響隨機生產模擬結果。取暖鍋爐和凝汽式汽輪機的工況圖退化為坐標軸上的一條線段，執行生產模擬程式時，只要輸入相應的機組容量和最小技術出力數據即可。

局限性與合理性

局限性

（1）按“以熱定電”原則發展熱電聯產，顧名思義，主要是強調裝設背壓機組，搞壓（焓）差發電。但裝有背壓機組的自備熱電廠，發電受熱負荷制約，沒有調整性能。這類電是不能調峰的，有時是給電網加大了平峰填谷的難度。背壓機組與抽凝機組相比，有很多優點。主要的優點是能消除凝汽器內的冷源損失，熱能利用率最高，發電煤耗最低。但它同時也有不足， 即適應負荷變化的性能差，完全是“以熱定電” ，機組的發電量受制於熱負荷的變化。特別是熱負荷偏離設計值較多時，汽機的效率急劇下降，會大大減少機組的發電量，影響熱電廠的節煤量和經濟效益，同時也給熱電廠的運行帶來困難。

熱電聯產企業中，背壓汽輪發電機組在額定熱負荷點附近穩定運行時效率最高。對於一個穩定、連續和耗汽量較大的企業來說，選用背壓機組是合適的；但對於熱負荷隨工藝流程變化的幅度大、速率高，即熱負荷不夠穩定的系統，如果僅選用某一種型式的供熱機組，就勢必得不到較高的經濟效益。有的熱電廠由於全是背壓機，熱負荷波動時又急於用電，不得不對空排汽發電，反而造成浪費。有些純背壓機的熱電廠，由於熱負荷長時間達不到設計值，機組利用率很低，只好又在主廠房內加裝小凝汽機，利用背壓機的排汽再發電，作為補救措施，因而達不到預想的經濟效益。

背壓機低負荷時，會導致下列後果：

①發電量減少，而廠用電率升高。

如B3-35/10機組，當熱負荷下降至70%，其發電功率減至64%，熱電廠的正常生產需消耗一部分廠用電和廠用熱。供熱量越小，熱電廠的單位熱耗與電耗就上升越多。比如邵陽熱電廠，當熱負荷為55%時，發電與供熱總的廠用電率為30.5% ，比設計值高82.5%；又如蘇州化工廠，當熱負荷為37%時，熱電廠廠用電率為32%，約比設計值高1倍。

②汽輪機的效率降低，經濟性惡化。

對B6-35/10機組，進汽量減少10%，汽輪機內效率降低1.5%～4.5%；對B6-50/10機組，進汽量減少10%，內效率降低1%～2.5%。內效率下降，熱化發電率會相應下降。例如B6-35/10機組，在額定工況下，熱化發電率為28.4kW·h/GJ；在進汽量為額定工況的70%工況下，熱化發電率降為26.1kW·h/GJ。低熱負荷時，發電煤耗也將顯著增加，當熱負荷降低時，經濟性將急劇惡化。

③發電與供熱成本增加。

生產總成本基本上是由兩大部分組成：一是可變成本，約占總成本的70%～80%，包括燃料費、灰渣的運輸與處理和水處理費用；二是固定成本，與產量無關，基本是不變值，約占總成本的20%～30%，其中包括工資、折舊、大修理費和其他費用。供熱量減少，發電量也減少，則分攤在單位電能上的和單位熱能上的固定費用相對增加，導致成本增加。當供熱量由額定工況減少至30%時，熱電廠的單位發電成本將升高近3倍。

抽凝機組雖然比背壓機組煤耗高，熱效率比背壓機組低，但具有一定的靈活性，供熱量和發電量能獨立調節，負荷適應性強。當熱負荷低時，可以少供熱多發電，保持鍋爐在經濟狀態下運行。抽凝機組在抽汽量下降時，內效率上升，效益提高。另外，抽凝機組可多發電的優點，在當地電熱比價較高情況下，使企業效益很顯著。因此，有時化工廠選用背壓與抽凝供熱式機組聯合供熱方式更恰當，即以背壓機組承帶基本熱負荷，抽凝機組承帶變動熱負荷，從而達到機組和整個系統穩定生產。而且，抽凝機和背壓機同時運行時，如背壓機低於額定工況運行，其發電機可以多帶無功功率，可相應提高抽凝機的功率因素，抽凝機還可以超發，效益將更好。一些大的化工廠單獨選用抽凝機組也多有所見。

只有裝背壓機組才能真正做到“以熱定電”。但是背壓機組只能在額定熱負荷下平穩運行時才是合適的，才是節能的。若熱負荷變化大而頻繁，能耗就會上升。但實際上，在通常情況下，熱負荷變化是大的，熱負荷變化平穩的情況較少見，只發生於局部，因此不能以少概全。

（2）熱負荷在一天中，一季之中，一年之中變化是十分大的，最小值與最大值相差好幾倍。那么，“以熱定電”到底以哪個熱來定呢？顧名思義，只能用最大熱量來定發電設備。這在通常情況下也是不經濟、不合理的，不能充分發揮汽輪發電機組設備的利用率。

（3）熱電聯產是一個系統工程，能源在各個轉換環節都會有損失，應該系統地、全面地看待、權衡，不能只重視一個而忽略其它。“以熱定電”的那部分熱化發電雖然減少了冷源損失，是節能的因素，但是如果熱負荷變化大而頻繁，則鍋爐運行效率低，汽輪機內效率低，損失增加等費能因素所起作用，就可能有過之而無不及。由此可以看出，把以熱定電作為原則的提法是不夠辯證的。

（4）影響熱電廠建設的外部條件和因素有許多，熱負荷的大小及變化的情況是重要的因素，只能實事求是，因地制宜來建設。其裝機規模與機型選擇，應該在使熱電廠綜合熱經濟指標達標的前提下，經多方案技術經濟比較，擇優決定，而不能僅按“以熱定電”的原則來決定。把一個因素強調到不適當的程度，把複雜的建廠條件簡單化，就不能實事求是地決策，也就無裝機方案的最佳化可言，從而會影響熱電廠的經濟效益。這種教訓實在太多了，不能再繼續下去了。由此可見，“以熱定電”的提法是簡單化和不實事求是的。

（5）“以熱定電”的提法也是和我國能源發展戰略以電力為中心的政策相悖的。1989年11月，中國科學院技術學部能源專組在向中央負責同志提交的我國能源發展戰略研究報告中，提出了“因地制宜大力推行熱電聯產的分專題報告”，迴避了“以熱定電”的提法。因地制宜，就是按建設的具體條件定規模，大熱電、小熱電不可偏廢。能建大熱電的地方，就不應該建設小熱電。要在節約能源、改善環境的前提下，做好供熱規劃，統籌考慮。

合理性

按“以熱定電”原則發展熱電聯產，一般地說，是指導自備熱電廠建設的一個正確的方針。如化工自備熱電廠帶的是本企業的熱負荷，熱負荷的量和變化規律是可以準確預測的，選用背壓機組帶基本熱負荷，是有較好節能效益的。另一方面，化工系統熱源有其特殊性，有大量的廢熱和餘熱可利用，典型的有硫酸餘熱和炭黑尾氣，此時按“以熱定電”的原則，選擇合適的餘熱鍋爐和發電機組是正確的。在有些情況下，按“以熱定電”原則發展熱電聯產是合理的，應該加以肯定。