热电解耦与新型凝抽背供热技术

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热电解耦与新型凝抽背供热技术—汇报单位：华电电力科学研究院有限公司—求真务实专业纯粹报告人：常浩2018年11月14日

101热电联产发展背景分析目录02热电解耦供热技术03新型凝抽背供热技术

2第一部分：背景分析1.热电联产市场前景分析2.国家相关政策分析3.国外热电联产发展现状

301热电联产市场前景分析我国集中供热发展情况:我国集中供热事业飞速发展，全国集中供热面积从1990年到2016年增长35倍，江苏、福建等南方省份也开展了集中供热业务；热电联产机组占比近十年稳步增长，达到37%。2011-2016年我国城市集中供热发展情况12.0050.0%10.5010.00供热能力管道长度（万公里）8.628.9737%集中供热9.008.2040.0%年份面积7.6837%蒸汽热水（亿平米）7.10蒸汽热水6.52（万吨/小时）（万兆瓦）6.036.005.5631.4%30.0%29.2%20118.533.91.313.447.44.8427.0%26.6%20128.636.51.314.751.823.5%22.2%3.0020.0%20138.440.41.216.657.2机组装机容量（亿千瓦）19.2%供热机组占火电机组比例17.1%18.2%20148.544.71.217.561.120158.147.31.219.367.20.0010.0%2006200720082009201020112012201320142015201620167.849.31.220.173.9供热机组火电机组供热占火电机组比例2006-2016年全国单机6MW及以上供热机组及占比发展趋势4

401热电联产市场前景分析集团热电联产集中供热现状:截止2017年底，华电集团供热机组装机容量6069.5万千瓦，占华电火电总装机的58.17%，容量在五大集团中排名第二，占比排第一；华电集团总供热量达25338.4万GJ，同比增幅14.07%，供热量排名第三，同比增幅排名第二。2017年五大电力集团供热基本情况对比表指标名称华电集团华能集团大唐集团国电集团国家电投供热装机容量（万千瓦）6069.57263.94853.34911.33252.7供热装机容量排名21435供热占火电装机比例（%）58.17%57.35%51.25%49.80%43.82%供热占火电装机比例排名12345供热量（万吉焦）25338.428717.321960.725899.617104.4供热量排名31425供热量同比增幅（%）14.07%14.84%9.42%13.13%10.17%供热量同比增幅排名21534国内火电装机容量（万千瓦）10434.812666.79470.59862.37423.45

501热电联产市场前景分析集团热电联产集中供热现状:截止2017年底，集团公司供热面积49321万平方当前集团公司发电板块发展受限，发电利用小时数逐米，同比增长18.70%。年下降，至2017年，发电利用小时数降至3908h。6

602国家相关政策分析供热相关的国家支持政策:出台时间国家政策关键词2003《关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见》城镇用热商品化、供热社会化2004《节能中长期专项规划》推进发展热电联产2005《关于进一步推进城镇供热体制改革的意见》供热收费制度改革2007《关于加快关停中小火电机组的若干意见》改进发电调度方式2007《城市供热价格管理暂行办法》两部制热价2010《关于进一步推进供热计量改革工作的意见》推行按用热量计价收费2014《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》积极发展热电联产，淘汰落后产能2015《关于开展风电清洁供暖工作的通知》风电清洁供暖项目2016能源发展“十三五”规划积极建设热电联产2016《“十三五”节能环保产业发展规划》加强余热回收利用2016《关于促进我国煤电有序发展的通知》加大淘汰落后产能力度2016《“十三五”节能减排综合工作方案》推进余热暖民工程2016《热电联产管理办法》促进热电联产健康发展2016《关于进一步做好煤电行业淘汰落后产能工作的通知》淘汰落后产能2016《关于供热企业增值税房产税城镇土地使用税优惠政策的通知》城镇土地使用税优惠2016《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》构建一体化能源技术体系2016《能源生产和消费革命战略（2016-2020）》推进电力系统与热力管网等网络的对接2017《北方地区冬季清洁取暖规划（2017-2021年）》推进北方地区清洁取暖改造2018《打赢蓝天保卫战三年行动计划》宜电则电、宜气则气、宜煤则煤、宜热则热7

702国家相关政策分析《北方地区冬季清洁取暖规划》解析:现状分析：①截至2016年底，北方城乡建筑取暖总面积约206亿平方米（城镇取暖面积141亿平方米，农村取暖面积65亿平方米）。②取暖以燃煤为主，约占83%。年消耗4亿吨标煤，其中散烧煤约占50%。③北方城镇供暖方式主要热电联产、大型区域锅炉房等集中供暖设施，占城镇取暖的49.6%（其中热电联产承担面积约35亿平方米，占24.8%）清洁取暖的概念和范围：利用天然气、地热、太阳能、清洁化燃煤（超低排放）等清洁化能源，通过高效用能系统实现低排放、低能耗的取暖方式，涉及清洁热源、高效输配管网、节能建筑等环节。北方清洁取暖总体发展要求：大力发展清洁燃煤集中供暖、天然气供暖等清洁供热方式；到2021年，北方地区清洁取暖率达到70%,供热系统平均综合能耗降至15kg标煤/㎡以下（当前22kg标煤/㎡）。8

802国家相关政策分析《北方地区冬季清洁取暖规划》解析:清洁取暖的推进策略①因地制宜选择②全面提升热网③有效降低用户取供暖热源系统效率暖能耗•充分利用存量机组供热能•积极推广热源侧运行优•完善高效供暖末端系力，提高供热比重，推进化、管网水力平衡改造、统。中长距离供热、乏汽余热无人值守热力站及无补偿•根据供热系统所在地的回收、纯凝改供热，必要直埋敷设等节能措施。气候特征、建筑类型、时同步加装蓄热调峰装•推动供热企业加快供热系使用规律、舒适度要求置。统自动化升级改造。和控制性能，按照节约•科学新建热电联产机组。•利用先进的信息通信技术能源、因地制宜的原•全面推动热电联产机组灵和互联网平台的优势，实则，合理确定室内供暖活性改造，实施热电解耦现与传统供热行业的融末端形式，逐步推广低•联合运行提高供热可靠性合。温采暖末端形式。9

902火电灵活性带来的挑战弃风问题现象:弃风问题产生原因:风电具有很强的间歇性和随机波动性；风电特性“以热定电”，供暖季时，机组被强迫出力上升，导致发电大于负荷；热电约束“电热矛盾”，供热期夜间负荷低谷，供热需求高，热电联产机组出力较高，剩余电力调峰能力不足空间减少，而此时往往是风资源较好时段，由此造成“弃风”；新能源消纳电网项目核准滞后于新能源项目，新能源富数据来源：电规总院空间有限集地区都存在跨省跨区通道能力不足问题。近年来，风电持续快速发展，但在采暖期部分地区出以东北地区为例，冬季供热时：现了严重的弃风问题。热电联产供热机组占火电运行总容量的70%；主力调峰的大型纯2015年弃风量（亿kWh）弃风率弃风损失凝火电机组及水电机组占比仅28%；供热机组为保证供热，不能三北33623.2%约168亿元深度调峰，调峰能力大幅下降。热电机组的调峰能力仅为全国33915%约170亿元10%~20%。10

1002火电灵活性带来的挑战2016年火电灵活性政策路径:国家能源局：国家能源局：国家能源局：启动提升火电灵活性下达火电灵活性改造启动第二批灵活改造示范点工作试点项目的通知性改造示范工作6月14日6月21日6月28日7月22日8月5日国家能源局：发改委、能源局：下发关于推动东北地区电印发可再生能源调峰机力协调发展的实施意见组优先发电试行办法分三阶段推进电力辅助服务补偿工作：能源局指标：使热电机组增加20%额定容量的调峰能力，最小技术出力达到（1）2017-2018，完善相关规则条款，40%~50%额定容量；纯凝机组增加15%~20%额定容量的调峰能力，最小技术出力达强化监督检查，确保公正公平。到30%~35%额定容量；部分具备改造条件的电厂最小技术出力达到20%-25%额定容（2）2018-2019，探索建立电力中长量。期交易涉及的电力用户参与电力辅助服务分担共享机制。更进一步调峰目标：力争实现80%-90%的调峰能力，即不投油稳燃时纯凝工况最小（3）2019-2020，配合现货交易试点，技术出力达到10%-20%额定容量。开展电力辅助服务市场建设。11

1102火电灵活性带来的挑战各地方火电灵活性相关政策:山东省福建省“三北”为最早出台地方性火电灵活性调峰政策，针对火电华北地区华东地区调峰补贴如下表：报价下限报价上限时期报价档位火电厂类型火电厂调峰率（元/kWh）（元/kWh）纯凝火电机组40%﹤负荷率≤50%第一档00.4非供热电机组40%﹤负荷率≤48%热期第二档全部火电机组负荷率≤40%0.41纯凝火电机组40%﹤负荷率≤52%山西省新疆地区供热第一档00.4热电机组40%﹤负荷率≤54%期第二档全部火电机组负荷率≤40%0.4112

1203国外热电联产发展现状国内外先进供热系统:丹麦作为世界范围内集中供热方面最先进的国家之一，先进供热系统依据“温度对口、梯级利用”的原则集成了不同能源系统。丹麦先进集中供热系统---多能源互补供热系统热电联产系统中集成太阳能供热系统13

1303国外热电联产发展现状国内外先进供热系统:丹麦Avodore热电厂哥本哈根区域供热系统该电厂2号机组为燃煤和燃气耦合示范超超临界发电机组。主蒸汽参是世界最大的供热管网系统之一，供热面积达到5000万m2。数为30MPa，580℃，再热蒸汽温度600℃；还包括一台燃烧生物质秸秆管网连接4个热电厂、4个垃圾焚烧电厂和超过50座的尖峰锅炉房，（straw）锅炉，主蒸汽参数为31MPa，580℃。区域供热输配公司达到20家，整个管网采用多热源联网运行方式，发电模式时，机组热效率为49%，最大发电功率为575MW；供热模供热量达30,000TJ。式时，最大发电功率495MW，供热功率为575MJ/s，机组热效率为92%。14

1403国外热电联产发展现状丹麦：火电机组全部为供热机组，通过灵活运行手段实现热电解耦以及低负荷运行，机组运行灵活运行性较高。德国：火电机组多为纯凝机组，主要开展纯凝机组灵活性运行工作。优越的电源调峰能力是丹麦、德国实现高比例新能源消纳的重要基础。提升火电机组灵活性是丹麦和德国调峰能力建设的重要举措。“十三五”期间，对于火电机组进行灵活性改造，特别是热电机组的灵活性改造，将是提升我国新能源消纳能力的有力措施之一。15

15第二部分：热电解耦1.技术路线分析2.技术路线对比3.改造案例介绍

1601技术路线分析电锅炉技术路线汇总：控制低压缸排汽流主蒸汽旁路量至最小值（NCB）40%BMCR烟气再循再热蒸汽环，旁路旁路改造等根据热负荷波动蓄热低温余热回收（热泵，低真空，凝抽背）17

1701技术路线分析低温余热回收：（挖掘存量机组供热能力）回收机组余热，挖据机组供热潜力，提升机组供热能力。最主要的余热为汽轮机冷凝热，主要回收技术有：热泵技术回收机组循环水余热、双转子高背压运行回收机组冷凝热、光轴供热技术、直接空冷高背压供热、机组抽凝背运行供热消除机组冷凝热。18

1801技术路线分析调峰蓄热技术：（提升热电机组运行灵活性、实现热网的削峰填谷）技术措施：研究设置蓄热系统，利用以水为蓄放热介质，当机组降低出力或外界热负荷为峰值时，输出热量弥补热负荷缺口；当机组增加出力或外界热负荷为谷值时，储存富裕热量，实现热网的削峰填谷与热电的解耦运行。蓄热系统的fluent模型蓄热过程不同时刻，蓄热罐内的温度分布t=3ht=5ht=8h不同出口温度下，蓄热罐内的温度分布35℃45℃55℃模型建立及网格划分技术效果：1）厂侧，保证整个供热期抽汽在合适的参数下运行，（在50万GJ/年(100万m2)的采暖供热量下，蒸汽压力从0.47MPa下降到0.25MPa，可使30万机组的全年平均煤耗下降约1.3g/kWh）；实现热电机组有效参与电网调峰。2）网侧，实现热负荷实时调节，减少过量供热（5%~10%）用于紧急补水和定压，提高管网安全性。19

1901技术路线分析调峰蓄热技术：（提升热电机组运行灵活性、实现热网的削峰填谷）热水冷水热水过渡层冷水蓄热过程2020

2001技术路线分析调峰蓄热技术：（提升热电机组运行灵活性、实现热网的削峰填谷）热水冷水热水过渡层冷水放热过程21

2101技术路线分析梯级加热系统：梯级加热系统供热技术主要改造方式有：梯级加热系统供热技术需注意的方面：抽取再热蒸汽减温减压供热各级抽汽参数不同（P、T、Q）,抽汽量的大小再热蒸汽分为冷段和热段，再热蒸汽抽取量有限。应经过核算；抽取再热蒸汽需考虑锅炉再热器超温以及汽轮机增加高压管道，需对高压管道连接处进行应力轴向推力失衡等涉及机组安全运行的影响。核算，并进行管道应力补偿；抽取主蒸汽减温减压供热需增设高温高压的减温减压设备。主蒸汽由于主蒸汽可以从汽轮机高旁管路或者直接从锅炉主压力温度较高，应考虑通过二级减温减压系统，蒸汽母管上抽取。再进行采暖；高旁管路抽取量受高旁管径大小限制，300MW机需校核厂内原有首站是否能满足梯级加热系统组抽取量约150t/h。投运后的容量需求；主蒸汽母管抽取量不受限制，可以很大。抽取主减温减压系统由于调节频繁，因此，建议设有蒸汽也需考虑锅炉再热器超温现象。备用系统，同时重要阀门建议使用高质量的产品。22

2201技术路线分析梯级加热系统：汽轮机余热低压缸低压缸回排汽收抽汽采暖用户凝水回锅炉减温减压换热器循环水供水一次网回水热网循环泵23

2301技术路线分析电锅炉技术：（提升热电机组运行灵活性）2016年3月10日，国家能源下发“关于征求《国家能源局关于推动电储能参与‘三北’地区调峰辅助服务工作的通知（征求意见稿）》意见的函”。《通知》在“合理配置电储能设施”以及“科学调度运行电储能设施”方面进行了明确的说明。并对下一步工作提出了一定的要求。2016年6月7日，能源局下发“国家能源局关于促进电储能参与‘三北’地区电力辅助服务补偿（市场）机制试点工作的通知”《通知》对试点的范围和目标、试点内容以及工作要求做了明确规定。24

2401技术路线分析电锅炉技术：（提升热电机组运行灵活性）固体蓄热式电锅炉电极式锅炉设备组成：工作原理：高电压固体电蓄热设备电极式锅炉采用6kV、10.5kV或13.5kV作为电组成：高压电发热体；源，利用水的高热阻特性，直接将电能转换高温蓄能体；高温热交为热能并产生蒸汽的一种装置。换器；热输出控制器；电极式锅炉分为：浸没式电极锅炉、喷射式耐高温保温外壳和自动电极锅炉。控制系统等组成。工作要求：工作过程：加热电压要求:电压≥6kV,大功率锅炉一般要求其加热电压为13.5kV高压电网为高压电发热体供电，高压电发热体将电能转换中压电源的保护:过流保护、缺相保护、短路保护、三相不平衡保护为热能同时被高温蓄能体不断吸收，当高温蓄热体温度达加热负荷调节：通过调节与电极接触水量调节负荷，调节范围为到设定上限温度时，高压电网停止供电，高压电发热体停0~100%止工作。高温蓄热体通过热输出控制器与高温热交换器连接，高温热交换器将高温蓄热体储存的高温热能转换为热电极式锅炉系统简单、启动速度快，目前最大功率为单台70MW。水、热风或蒸汽输出。25

2502技术路线对比“热电解耦”技术：（提升热电机组运行灵活性）技术措施：基于“温度对口、梯级利用”原理，将主蒸汽抽汽、再热蒸汽抽汽、工业抽汽、采暖抽汽等多种抽汽方式集成于一新系统，并针对新系统，制定了在不同电负荷和热负荷工况下的经济性抽汽方式选择策略。热梯电级厂供供热热新经系济统性流选程择图方式技术效果：克服机组受“以热定电”限制而引起光风等新能源电力消纳困难的问题，在满足调峰与外界热负荷需求的同时，使得机组出力降至30%的额定负荷。26

2603改造案例介绍华电富拉尔吉林江南热基蓄热罐+东华热电电22000m320000m3蓄蓄热罐+减光轴火电灵活性改造是一个系统工程，需要考虑电热罐+减温温减压减压华电牡二电网调度、热网需求、电厂及热网设备、以及控制系华能临河通辽第二电极式锅炉及凝抽背技术厂30000m3蓄热罐统现状制定出符合电厂实际的最佳控制逻辑，再达蓄热罐+减华电沈阳华电哈密凝温减压金山凝抽到深度调峰的同时实现快速、经济调峰。抽背技术背技术华能丹东连通管扩容裕华热电+蓄热罐通过上述方案的灵活使用，可使机组在整个采20000m3蓄暖季满足供暖的同时响应电网调度不同阶段不同深热罐+减温丹东金山减压260MW固体度的调峰需求，并且机组效率最大化。电蓄热锅炉+新型凝抽最大调峰深度为采用主蒸汽调峰，机组负荷可背调兵山降至80MW以下，若还需进一步调峰，可设置电锅280MW固体式电锅炉炉消纳。收益决定于电网调峰深度和时间，按照每天调峰6个小时，补贴电价取每档中间值，补贴收入在1500万元以上。27

27第三部分：新型凝抽背1.技术由来2.风险分析3.华电新型凝抽背专利技术介绍4.已完成改造的典型案例介绍

2801技术由来凝抽背供热技术：徐大懋、何坚忍等专家提出“NCB”供热汽轮机模式哈汽3S离合器NCB机组方案29

2901技术由来2016年在国家能源局带领下，电力规划总院组织，华电电科院也参加了丹麦等欧洲各国火电灵活性调研。调研过程中，我院发现欧洲许多电厂效率均超过90%，根据能量平衡分析，汽轮机低压缸基本不进汽，针对这种情况，我院对国外技术进行了深入调研和考察，发现国外的运行方式，与我院理论分析结果完全吻合。此后，我院针对国外技术进行了深入分析研究，并根据国内、外汽轮机设计理念、参数的差异，原创性的开发出了适应国内汽轮机的新型凝抽背技术，这是一种区别于加装有3S离合器的凝抽背供热技术，切除低压缸进汽，高中压缸实现背压运行的供热技术，已经申请了专利20余项，并且已经成功应用于华电集团相关典型电厂。30

3001技术由来国外低压缸进汽特征：低压缸进汽压力低，进汽温度低，低压缸的设计更适合切除低压缸运行。而国内低压缸进汽设计压力0.2-0.5MPa，有的甚至高达0.8MPa，实现低压缸切除运行，技术难度大。国外案例：丹麦纯凝407MW热电联产机组和ABB公司双缸双排汽200MW热电联产机组，实现了切除低压缸进汽的背压供热运行方式，低压缸分别引入少量冷却蒸汽。国内案例：目前国内普遍重视该技术的开发及推广，而本项目技术在国内率先实现长期稳定运行。31

3102风险分析叶片鼓风与颤振的危害小容积大负攻角、大尺度分离工况动应力与容积流量、背压的关系低压转子在高真空条件下“空转”运行，鼓风不可避免，低压长叶片材料耐高温性能差，一般在200℃以下，需要通入小股汽流用于冷却带走缸内鼓风热；冷却汽流量极小，处于小容积流量、大负攻角状态，理论分析只要缸内汽流不为零，叶片总会有颤振的隐患，需要对缸内叶片进行动应力校核，确保进汽量在满足带走鼓风热的同时，不会引发由于动应力超限叶片颤振断裂的现象。32

3202风险分析叶片水蚀某机组低压缸小容积流量流谱图水蚀机理首级叶片水蚀危害小容积流量，汽流负做功，排汽温度升高，缸后喷水长期投用涡流严重，缸后喷水在降低排汽缸温的同时，随蒸汽回流降低了末级、次末级温度，汽中带水，叶片出汽边长期冲刷水蚀危害是累积量，几何结构被侵蚀，强度降低，不会立即断裂33

3303新型凝抽背专利介绍开发了低压缸高效冷却的蒸汽系统，结合低压缸鼓风热损失的分析，及胀差的影响因素，开发高效的低压缸冷却蒸汽系统，通过冷却蒸汽避免低压缸的过热风险。专利名称：汽轮机抽凝背系统专利名称：用于抽凝背系统的专利名称：用于抽凝背系统及其调节方法低压缸冷却装置及其应用的低压缸冷却装置及其应用专利号：2017101939383专利号：2017106184159专利号：201710728081034

3403新型凝抽背专利介绍序号专利名称类型目前状态申请号1汽轮机抽凝背系统及其调节方法实用/发明已授权201710193938.32汽轮机抽凝背梯级利用系统及其应用实用/发明已受理201710728081.03用于抽凝背系统的低压缸冷却装置及其应用实用/发明已受理201710585067.X4一种低压缸冷却蒸汽装置及运行方法实用/发明已受理201710618415.95一种切除低压缸供热的冷却系统及工作方法实用/发明已受理201711165679.X6一种提高机组抽凝背供热安全性的系统实用已受理201721603525.X7一种过热蒸汽高效减温系统及智能控制方法实用/发明已受理201711210269.28一种用于汽轮机凝抽背供热的冷却塔防冻系统实用已受理201721604137.39一种用于汽轮机凝抽背供热的冷却进汽系统及智能控制方法实用/发明已受理201711203190.710一种汽轮机低压缸后缸喷水系统及调节方法实用/发明已受理201711203739.211一种用于凝抽背供热的热电联产系统及其运行方法实用/发明已受理201711233779.1目前，电科院已进行技术成果研究与成果转化，目前已授权/受理各项专利20多项。35

3504已完成改造的典型案例分析新型凝抽背供热改造案例：沈阳金山热电分公司国内首个通过168h连续运行的新型凝抽背供热改造项目，2017年11月投运，实现了背压工况下整个采暖季的连续安全稳定运行（累计运行时间约2400h），揭缸检测低压缸叶片完好。改造后在保持机组供热能力不变的情况下，单机电负荷为50MW，降到设计负荷的30%以下，根据《东北电力辅助市服务场运营规则（试行）》，可获得0.4~1元/kWh的调峰补贴。苏家屯200MW机组低压缸冷却蒸汽DCS系统图揭缸后现场叶片局部照片36

3604已完成改造的典型案例分析新型凝抽背供热改造案例：新疆华电哈密热电有限责任公司国内首家135MW供热机组新型凝抽背技术应用，西北地区首台新型凝抽背供热改造机组，2017年12月正式投运，实现了背压工况下采暖季的连续安全稳定运行（累计运行时间超2000h），揭缸检测低压缸叶片完好。背压工况下，单台机组供热能力提高117MW，新增供热面积约210万平方米，解决了哈密公司供热市场开拓热源不足问题；单机电负荷可降低到40MW，降到设计负荷的30%以下，根据《新疆电力辅助市服务场运营规则（试行）》，可争取0.22~0.5元/kWh的调峰补贴。哈密135MW机组改造后现场图揭缸后现场着色探伤37

3704已完成改造的典型案例分析新型凝抽背供热改造案例：2018年改造项目2018年，华电集团开始新型凝抽背供热技术的推广工作，目前哈密公司#5机组已经开始实施，成为国内唯一厂内同时改造两台机组的项目，丹东、铁岭等300MW等级供热机组示范改造也已进入设计和调试阶段，对此技术进行全面试验验证。哈密#5机现场施工改造情况丹东300MW机组现场施工改造情况38

38不妥之处，敬请指正，谢谢！华电电力科学研究院有限公司常浩教授级高工/副总经理hao-chang@chder.com18657181010