2014年，三部委聯(lián)合下發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》，要求積極發(fā)展熱電聯(lián)產(chǎn)，堅(jiān)持以熱定電，嚴(yán)格落實(shí)熱負(fù)荷，同步配套完善供熱管網(wǎng)，深入淘汰落后產(chǎn)能。這使得熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)迎來了又一個(gè)春天。華電電力科學(xué)研究院(以下簡稱華電電科院)超前布局，組建了一支專門從事供熱節(jié)能技術(shù)研究的高素質(zhì)科研人才隊(duì)伍。該團(tuán)隊(duì)以實(shí)現(xiàn)中科院工程熱物理所吳仲華、蔡睿賢、金紅光三位院士的能量綜合梯級利用科研成果轉(zhuǎn)化為目標(biāo)，研究如何解決熱電廠冷端損失大、供熱“產(chǎn)—輸—配”過程中效率低等問題，形成了包括熱電聯(lián)產(chǎn)、工業(yè)供熱、采暖供熱等方面的技術(shù)體系和專利群，取得的成果被授予多項(xiàng)國家級、省(部)級科技進(jìn)步獎(jiǎng)，并榮獲“全球人居環(huán)境綠色技術(shù)獎(jiǎng)”。

圖1 開展供熱節(jié)能改造的華電丹東金山電廠全貌。

溫度對口、梯級利用

1980年，我國著名工程熱物理學(xué)家吳仲華先生(院士)在中共中央書記處舉辦的科學(xué)技術(shù)知識(shí)講座報(bào)告中，首次提出了“溫度對口、梯級利用”的科學(xué)用能思想;之后，蔡睿賢院士對其做了比較明確的定義和闡述;金紅光院士在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展，提出了“溫度對口、梯級利用;組分對口，分級轉(zhuǎn)換”的綜合梯級利用原則。熱電聯(lián)產(chǎn)供熱方式符合能量的梯級利用基本原理，將發(fā)電與供熱兩個(gè)熱力過程進(jìn)行有機(jī)集成，大大提高了機(jī)組的熱效率，這是其得到快速發(fā)展的主要原因。但在熱力生產(chǎn)過程中，仍存在供熱溫度和壓力遠(yuǎn)高于需求的溫度和壓力、為了達(dá)到需求壓力而采用汽輪機(jī)節(jié)流、熱網(wǎng)疏水接口溫度不匹配等問題。

華電電科院始建于1956年，是中國華電集團(tuán)公司的全資科研機(jī)構(gòu)和專業(yè)技術(shù)支持機(jī)構(gòu)，現(xiàn)有職工近900人，具有多名行業(yè)內(nèi)知名專家。華電電科院主要致力于開展火電廠節(jié)能增效、火電廠中低溫余熱綜合利用、電廠脫硫脫硝、技術(shù)監(jiān)督、電站調(diào)試及性能試驗(yàn)、分布式能源、以及水力發(fā)電、風(fēng)電、太陽能等新能源的研究和技術(shù)服務(wù)工作。

值得一提的是，華電電科院是五大電力集團(tuán)和電科院中，唯一一個(gè)擁有專門從事供熱節(jié)能技術(shù)研究專業(yè)人才隊(duì)伍的單位。該隊(duì)伍由老、中、青三代的30余名專家和員工組成，90%以上擁有碩士及以上學(xué)歷。從2010年開始，華電電科院投入了大量科研力量，主要用于研究如何解決熱電廠冷端損失大、火電廠熱力系統(tǒng)中溫度不匹配現(xiàn)象、輸送過程中輸送損失大、分配過程中分配不均勻造成浪費(fèi)，以及供方的參數(shù)遠(yuǎn)高于需求方等問題，并形成了一系列相關(guān)科研成果，組織形成了供熱業(yè)務(wù)技術(shù)體系和專利群。該團(tuán)隊(duì)還承擔(dān)多項(xiàng)省(市)、國家級重點(diǎn)科技攻關(guān)課題，并榮獲國家能源局科技進(jìn)步獎(jiǎng)、北京市科技進(jìn)步獎(jiǎng)、中國電力科技進(jìn)步獎(jiǎng)、全國電力職工技術(shù)成果一等獎(jiǎng)等20余項(xiàng)國家級、省(部)級科技進(jìn)步獎(jiǎng)。此外，該團(tuán)隊(duì)的研究成果還獲得了國際認(rèn)可：在2014年哥倫比亞首都波哥大市里約+20峰會(huì)分論壇(聯(lián)合國2014全球人居環(huán)境論壇)中榮獲全球人居環(huán)境綠色技術(shù)獎(jiǎng)，這是目前電力行業(yè)企業(yè)首次獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。

能量利用率達(dá)到90%以上

截至2013年底，我國熱電聯(lián)產(chǎn)年供熱量為324128萬吉焦，0.6萬千瓦及以上熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)已達(dá)25182萬千瓦，占同容量火電裝機(jī)容量的29.12%，占全國發(fā)電機(jī)組總?cè)萘康?0.3%，位居世界第一。但火力發(fā)電廠在純凝工況下的能源利用率通常低于40%，而有抽汽供熱的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能源綜合利用率也不到60%，其中通過冷卻塔排放的熱量要占到30%以上，甚至達(dá)到40%以上。如果能將這部分能量有效利用，火電廠的能量利用效率將大幅提高。

為了充分有效利用電廠冷卻塔排放的熱量，華電電科院研發(fā)出熱泵與發(fā)電機(jī)組相耦合的能量梯級利用技術(shù)。該技術(shù)基于能量梯級利用原理，將吸收式熱泵與電廠供熱系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組低溫余熱的有效利用，用于滿足居民供熱需求。該技術(shù)可根據(jù)外界需求使供熱機(jī)組和熱泵系統(tǒng)在最匹配的狀態(tài)下運(yùn)行，在不增加燃料量、基本不影響機(jī)組運(yùn)行的情況下，極大地提升電廠的供熱能力，使電廠能源利用效率達(dá)到80%以上。

“熱泵和火電廠耦合的能量梯級利用技術(shù)”已成為華電電科院擁有的成熟技術(shù)之一，現(xiàn)在已成功應(yīng)用于佳木斯發(fā)電廠余熱利用項(xiàng)目、包頭東華余熱利用項(xiàng)目、北京二熱聯(lián)合循環(huán)機(jī)組深度節(jié)能項(xiàng)目、大唐哈一熱熱泵項(xiàng)目等10余個(gè)項(xiàng)目的可研、設(shè)計(jì)、施工過程技術(shù)指導(dǎo)、系統(tǒng)調(diào)試、運(yùn)行優(yōu)化等工作，并取得了良好的節(jié)能效果和可觀的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。例如，包頭東華熱電廠2×30萬千瓦機(jī)組循環(huán)水余熱利用改造項(xiàng)目，系統(tǒng)共設(shè)8臺(tái)單機(jī)容量4.07萬千瓦的吸收式熱泵，回收一臺(tái)機(jī)組的循環(huán)水余熱，另一臺(tái)機(jī)組備用。項(xiàng)目于2013年1月正式投運(yùn)，新增供熱能力13.41萬千瓦(206.6萬吉焦)，單機(jī)最大供熱能力超過50萬千瓦，機(jī)組最大綜合熱效率超過85%。項(xiàng)目實(shí)施后，可實(shí)現(xiàn)新增供熱面積超過300萬平方米，年可新增供熱收益超過4000萬元，年節(jié)約標(biāo)煤超過7萬噸，相應(yīng)年減排二氧化碳近20萬噸。

北京二熱2×25.4萬千瓦聯(lián)合循環(huán)機(jī)組深度節(jié)能項(xiàng)目，是國內(nèi)外首臺(tái)熱泵與聯(lián)合循環(huán)機(jī)組相結(jié)合的項(xiàng)目。該項(xiàng)目通過將汽輪機(jī)、余熱鍋爐和熱泵有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組能效的飛躍，為國內(nèi)外分布式能源項(xiàng)目提供了提高熱電比和能效的新途徑。通過深度節(jié)能項(xiàng)目，電廠可以回收低溫余熱約10萬千瓦，年節(jié)約天然氣超過2000萬立方米，相應(yīng)年減排二氧化碳5.9萬噸以上。該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在純凝工況時(shí)，聯(lián)合循環(huán)熱效率約為50%;在供熱模式時(shí)，機(jī)組最大發(fā)電功率為23萬千瓦，供熱功率為22.8萬千瓦，機(jī)組能源利用率達(dá)到90%以上，機(jī)組整體的效能水平達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的水平。

圖2華電電科院集中供熱創(chuàng)新工作所取得的部分專利成果。

以全新的供熱節(jié)能思路與技術(shù)贏得市場

截至2013年底，我國已有超過330個(gè)城市建設(shè)了集中供熱設(shè)施，集中供熱面積已達(dá)54億平方米。我國城市集中供熱以區(qū)域鍋爐房為主，熱電聯(lián)產(chǎn)只占40%左右，遠(yuǎn)低于歐洲同緯度國家水平。同時(shí)我國集中供熱一次能源消耗達(dá)到20~25公斤標(biāo)煤/平方米，高出歐洲同緯度甚至更高緯度國家的一倍，而歐洲國家的集中供熱能耗還覆蓋了夏日制冷和四季生活熱水供應(yīng)。在熱量的輸送過程中，由于冷熱不均和過量供熱造成的熱量損失達(dá)到30%以上，這使得采暖供熱系統(tǒng)有著巨大的節(jié)能潛力。在工業(yè)供熱方面，由于工業(yè)供熱機(jī)組不能以熱定電，電負(fù)荷偏離供熱設(shè)計(jì)工況，使得電廠需要通過汽輪機(jī)節(jié)流的方式來保證供汽壓力，造成汽輪機(jī)側(cè)節(jié)流損失嚴(yán)重。

針對采暖供熱能耗高的現(xiàn)狀，華電電科院重點(diǎn)對北方城市采暖供熱的現(xiàn)狀進(jìn)行了摸底，對國內(nèi)60余家供熱企業(yè)進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)普遍存在供熱管理相對粗放、技術(shù)比較落后、能耗高等問題。通過對國外先進(jìn)供熱技術(shù)的現(xiàn)場調(diào)研以及與行業(yè)內(nèi)專家的技術(shù)交流，華電電科院進(jìn)行了以“供熱節(jié)能”為主題的創(chuàng)新研究，完成了智能供熱新技術(shù)、調(diào)峰蓄熱技術(shù)、工業(yè)抽汽優(yōu)化以及網(wǎng)源一體化供熱技術(shù)的研究和應(yīng)用。智能供熱新技術(shù)通過對供熱系統(tǒng)的試驗(yàn)分析、優(yōu)化改造以及自控和信息化改造，使試點(diǎn)項(xiàng)目網(wǎng)側(cè)單位面積熱耗降低0.1吉焦/(m2˙a)(20%)以上，水耗和電耗也大幅降低，也即相當(dāng)于每平方米接近2元/年，經(jīng)濟(jì)效益極為顯著;工業(yè)抽汽優(yōu)化通過分析汽輪機(jī)的工藝特性、工業(yè)供熱生產(chǎn)實(shí)際采用工業(yè)抽汽梯級利用節(jié)能技術(shù)或工業(yè)抽汽運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)，可使機(jī)組的煤耗降低10g/kwh以上;調(diào)峰蓄熱技術(shù)和網(wǎng)源一體化供熱技術(shù)可將發(fā)電系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，使電廠和供熱系統(tǒng)同時(shí)達(dá)到最經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)行工況。

華電電科院也為有大規(guī)模集中供熱需求的國家和地區(qū)提供了全新的供熱節(jié)能思路，目前已和俄羅斯、韓國、日本等國開展了技術(shù)交流，對減少全球燃煤污染、實(shí)現(xiàn)全球綠色革命起到良好的推動(dòng)和促進(jìn)作用。

作為中國華電集團(tuán)公司的專業(yè)技術(shù)支持機(jī)構(gòu)，華電電科院始終堅(jiān)持以科技創(chuàng)新助推電力行業(yè)節(jié)能減排事業(yè)的發(fā)展，積極培育科技創(chuàng)新文化，加大科技投入、新技術(shù)研究和成果轉(zhuǎn)化，不僅為華電集團(tuán)也為全國電力行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能環(huán)保提供技術(shù)服務(wù)和創(chuàng)新支持。