本文是一篇工程硕士论文，论文针对热电联产工业供热改造相关理论从热力学第一定律与热力学第二定律的角度进行了研究分析，为研究工作提供了理论支撑。
1 绪论
1.1 研究背景
能源是社会经济不断发展的动力源泉，也是人类文明进步的物质基础。随着世界工业化进程的加速，人类生活已与能源物质变得密不可分。能源已作为国家的战略性资源，被世界各国政府高度重视，能源稳定供应直接关系着国家的经济命脉和人民的生活基础，保障能源安全已是世界各国能源战略的第一目标。据世界能源统计年鉴可知，世界天然气消费量呈逐年增长趋势，相比于2005年，2020年天然气消费量增长幅度为2.9%；世界石油消费量也呈逐年增长趋势，相比于2005年，2020年石油消费量增长幅度为1.4%；由此可见，天然气消费增长幅度要快于石油消费；煤炭消费量以2014年为分水岭，在2014年之前仍是每年呈增长趋势，在2014年之后则是每年开始逐渐下降[1]。与此同时，世界一次能源消费结构呈现出根本性变化，世界天然气消费占比呈增长趋势，至2020年达到24.7%；世界煤炭消费占比呈下降趋势，至2020年降至27.2%；世界石油消费占比也呈下降趋势，至2020年降至31.2%；可以看出，化石能源在世界一次能源消费结构中，石油消费占比最大，其次为煤炭消费占比，而天然气消费占比最小[2]。综合来说，近年来，世界各国的化石能源消费总量虽然有所降低，但是仍然占有绝对的主导地位，占比高达 83.13%，且在未来相当长时期内不会改变其主导地位[3]。
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1.2 研究意义
全球气候变暖是新时代下人类社会遇到的最艰巨的挑战之一，控制温室效应、减缓气候变暖已是迫在眉睫。要解决气候问题，首要任务就是减少二氧化碳的排放，而在人类活动中，二氧化碳排放主要来自于能源的生产和使用，特别是电力、热力行业尤为突出[9]。另外，电力生产是我国煤炭消费的重要领域之一，也是我国节能减排工作的重点管控行业。我国通过技术创新等方式不断推进火电厂的节能降耗，持续降低机组供电煤耗，在2006-2020年期间，采取该方式使得我国累计电力二氧化碳排放量66.7亿吨，占电力二氧化碳减排贡献率的36%，有力促使了电力二氧化碳排放总量增长的放缓。目前，我国发电与供热行业的CO2排放量仍然占全国CO2排放总量的百分之四十，依然是全国二氧化碳排放管控的重点领域。热电联产作为电力、热力行业能源高效清洁利用的重要途径，成为世界各国能源发展的重点方向，特别是针对我国当前仍以煤电为主的能源体系来说，持续发展热电联产的用能方式，对推进节能减排事业至关重要。
1.2.1 国家政策发展的导向
为推进我国社会经济可持续发展，实现全面建设小康社会，需加快解决所面临的资源不足与环境恶化的双重困境。在此背景下，2004年5月，国家发改委发布了《节能中长期专项规划》，指出通过年均节能率达到3%的节能指标，到2020年实现14亿吨标准煤的中长期目标；还指出重点在电力工业领域大力实施节能，特别是要发展热电联产、冷热电联产等高效的能源利用方式，并将区域热电联产工程列为我国十大重点节能工程 [10]。就能源利用效率来说，热电联产方式的热效率要高于热、电分产方式超过30%；集中供热方式的热效率要高于分散锅炉供热方式超过50%。因此，热电联产重点高出建设则非常重要，由此该规划明确了区域热电联产工程的实施路径，具体包括：在工业供热为主的区域，因地制宜地选择建设以热力生产为主的背压式机组；在以居民采暖为主的区域，当热负荷较小时，应优先选择建设集中供热，而建设热电联产机组则是需要等到热负荷满足条件后才能实施；在中小城市地区，针对分散式供热方式，应将其改造为集中供热方式，且应选则冷热电联供与分布式热电联产的方式。
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2 某电厂330MW供热机组基本概况与改造必要性
2.1 机组概况
2.1.1 汽轮机概况
研究对象机组为330MW汽轮发电机组，由上海汽轮机厂制造，型式为亚临界、一次中间再热、高中压缸分缸、单轴、三缸两排汽、双抽可调整抽汽、冲动凝汽式汽轮机组，相应配套1113t/h控制循环燃煤锅炉和330MW双水内冷发电机，汽轮机与锅炉热力系统均采用单元制布置。该汽轮机组额定出力为330MW，最大连续出力为350MW，最大出力为364MW，额定转速为3000r/min，主要技术参数如表2.1-表2.2所示。
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2.2 机组供热现状
2.2.1 机组工业抽汽现状
机组的工业供热抽汽来自于机组四段抽汽口，全年投入运行，额定工业抽汽量为160t/h，最大工业抽汽量为220t/h，在机组不同电热负荷下，通过旋转隔板调节工业抽汽的蒸汽参数来满足工业用户对蒸汽参数的要求。
当前，机组全年工业抽汽量保持在8t/h~15t/h范围，受电网的电力调峰限制，机组全年平均电负荷率保持在50%~60%范围，致使机组的电负荷以及工业抽汽量与设计值存在很大的偏差。特别是在电负荷降低时，机组四段抽汽压力较低，无法满足工业用户的用汽参数需求，此时则需要通过旋转隔板的调节来满足工业抽汽参数要求。现选取机组在2021年8月11日的运行数据作为典型工况分析，机组典型工业抽汽工况下的运行参数见表2.14所示。
根据表2.14得出，两种工况下机组电负荷基本一致，但供热工况为满足8.65t/h的工业抽汽需求，机组的主蒸汽流量要比纯凝工况的增加39.1t/h。纯凝工况和供热工况的四段抽汽压力分别为0.75MPa和0.97MPa，各自的旋转隔板开度分别为100%和34%，由此可见，通过旋转隔板的调节，才能使得四段抽汽压力达到0.97MPa，以满足工业用户的用汽参数要求。然而通过旋转隔板节流调节来提升四段抽汽压力时，会产生比较明显的节流损失，则必然导致机组在旋转隔板后的通流部分效率降低，这也从表2.14的实际运行数据中明显得出，此时机组在供热工况下各类蒸汽及锅炉给水的温度、压力及流量等参数都发生了明显上升，通过利用表2.14中运行数据计算得出，机组负荷为200MW时，工业抽汽流量为8.65t/h的供热工况下机组煤耗比纯凝工况下的要高8g/kWh左右。
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第3章 机组工业抽汽优化改造性能分析 ............................... 29
3.1 工业抽汽优化改造技术路线 ........................................ 29
3.2 基于热力学第一定律的煤耗分析 .............................. 29
第4章 某电厂330MW供热机组工业抽汽优化改造方案 .................... 44
4.1 当前供热方式节能潜力分析 ..................................... 44
4.2 改造技术方案分析 ............................... 45
第5章 结论与展望 ............................................. 60
5.1 结论........................................... 60
5.2 展望...................................... 60
4 某电厂330MW供热机组工业抽汽优化改造方案
4.1 当前供热方式节能潜力分析
根据前第2章对比分析供热工况与纯凝工况发现，旋转隔板抽汽供热方式产生了节流损失，使得供热机组煤耗反而比纯凝机组要高。因此，需进行当前旋转隔板抽汽供热方式的经济性分析，提出进行工业抽汽优化改造的必要性。根据现场试验得出典型工况机组的实际运行数据，结合汽轮机热力过程设计的焓降法，进行了节能潜力计算，主要运行数据与计算结果如表4.1所示。
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5 结论与展望
5.1 结论
论文结合我国能源发展现状及国家能源转型政策发展趋势，总结了煤电企业可持续发展所面临的问题，指出了本文研究工作的重大意义。同时，针对热电联产工业供热改造相关理论从热力学第一定律与热力学第二定律的角度进行了研究分析，为研究工作提供了理论支撑。在此基础上，针对研究目标，从项目的改造必要性、基本现状情况、技术热力性能分析、改造技术方案、改造技术经济性、改造工程方案、改造方案财务评价等内容，对某电厂330MW抽凝式供热机组的工业抽汽优化改造项目进行了研究分析，主要结论包括：
（1）构建了供热机组工业抽汽优化改造的煤耗分析模型与㶲损分析模型，并利用分析模型，进行了冷再抽汽供热与旋转隔板抽汽供热两种方式的热力性能对比分析，得出：当机组处于高负荷运行时，旋转隔板供热方式节能较好，当机组处于低负荷运行时，冷再抽汽供热方式节能较好，且当机组运行负荷越低时，冷再抽汽供热方式的节能效果更明显。
（2）针对某电厂工业供热案例进行了详细的改造技术方案分析，得出项目工业供热改造方案的技术路线是：一期采用新增“冷再抽汽口+减温减压装置”的供热改造方式，二期采用新增背压机发电替代厂用电的供热改造方式。
（3）针对工业供热项目改造方案进行了技术经济性分析，得出：一期供热改造通过避免旋转隔板节流损失，可使得机组年平均煤耗降低10.3g/kWh，年节煤量为1.35万t/年；二期供热改造通过新增背压机回收利用蒸汽能，可使得机组年平均煤耗降低2.02g/kWh，年节煤量为0.27万t/年。
参考文献（略）