多源梯级供热系统供热网络调节优化与直接空气冷却岛防冻修正

《Energy》：Heating network regulation optimization for multi-source cascade heating systems with the anti-freezing correction of direct air-cooling island

　　

- 研究了三类主要热网调节策略的热力学特性。
- 提出了一种考虑防冻需求的参数校正方法。
- 所提出的热网调节优化策略实现了发电能耗最低。

**引言**

面对全球气候变化不断加剧的挑战，中国已承诺在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。作为能源消耗和碳排放的主要领域，供热行业面临日益严格的节能和减排要求[1,2]。近年来，中国城镇集中供热面积迅速扩大，截至2025年底已达到150.34亿平方米[3,4]，这进一步加大了供热行业低碳转型的压力。热电联产（CHP）因其较高的能源利用效率，已成为中国北方集中供热的主要模式。截至2025年底，火电装机容量达到15.4亿千瓦，同比增长6.3%[3]，为供热行业的低碳发展提供了重要支撑[5]。在供热需求持续增长的背景下，将燃煤发电机组改造为热电联产运行已成为缓解供热能力不足与需求增长之间矛盾的有效途径，同时可显著提升能效并减少碳排放[6,7]。

热电联产机组是冬季供暖季的主要热源[8]，其通过在发电的同时利用汽轮机产生的低品位排汽进行供热，从而提升整体能源利用效率[9,10]。然而，传统热电联产系统通常依赖抽汽供热[11]，导致相当大的能量损失。一方面，机组的?损失较大，?效率仅约为42.4%[12]；另一方面，凝汽器侧的大量低温排热被排放到环境中[13]。因此，提高热电联产系统的能源利用效率并减少碳排放，需要开发低温余热回收技术，如高背压供热和蒸汽喷射器系统[14]。

高背压供热是一项有效的排汽余热回收技术[15]。其原理是通过提高汽轮机背压来提升低品位排汽的饱和温度，从而实现其对集中供热回水的利用，进而提高整体能源利用效率[16]。该技术已进行了广泛的研究。Yang等[17]利用Ebsilon软件模拟了集成高背压和抽汽供热的直空冷机组，并分析了其调峰能力和供热经济性。Luan等[18]表明，与抽汽凝汽机组相比，高背压机组在供暖季可将平均发电功率增加26.2 MW，降低发电标准煤耗率92 g·(kWh)?1，并将汽水?效率提高9.6%。Li等[19]报道，高背压供热可增加80 MW的供热能力，但其对外部温度的适应性不如抽汽供热。Zhao等[20]提出了一种结合高背压和抽汽机组的级联供热系统，实现了系统整体能源利用效率提高8.82%，发电能耗效率提高14.28%。Ma等[21]开发了一种集成多台汽轮机的超高背压供热系统，能够覆盖92.5%的供热负荷，同时将抽汽损失和热耗降低30.1%。尽管存在这些优势，高背压供热仍受到汽轮机安全运行背压上限和热网回水温度的制约，在极寒条件下或供暖高峰期最大供热能力有限。此外，低压缸的改造和高压背压换热器的安装导致投资和运行成本增加[22]。

高背压供热的局限性促使人们探索更高效的排汽利用方法。提出采用蒸汽喷射器对排汽进行进一步升温加压以供加热使用[23]，从而提高余热回收和能源利用效率[24]。Liu等[25]分析了配备蒸汽喷射器的热电联产机组的灵活性和能耗特性，优化了电、热负荷的调度，实现了降低煤耗。Zhang等[26]将蓄热罐和喷射器集成到热电联产机组中，调峰能力提高达67.18 MW，能源利用效率提高20.7%。张友军等[27]建立了与蒸汽喷射器耦合的余热回收系统模型，排汽利用率提高12.15%，平均煤耗率降低8.50 g·(kWh)?1。Yang等[28]在变工况下对喷射器进行了结构设计和数值模拟，表明将喷射器集成到高背压机组中可将排汽利用率提高20%，煤耗降低9.2 g·(kWh)?1。Zhao等[29]表明，集成蒸汽喷射器可以增强排汽余热回收并扩大热电联产系统的电负荷调节范围。

通过将高背压供热和蒸汽喷射器技术与传统抽汽供热相结合，可以形成多源级联供热系统。这种配置能有效降低冷端损失[30]，提高能源利用效率，并增加供热能力。同时，中国北方已广泛建立了集中供热系统，通过集中热源向大片城区供热[31]。热电联产机组并入集中供热系统后，机组侧运行特性与热网侧动态行为的耦合显著增强。因此，一级热网的调节策略对确保系统安全稳定高效运行起着关键作用。目前主流的调节策略包括质调节、分流量质调节和质-量联合调节[32]。水温由热源机组控制，流量由循环泵控制，这两者直接影响供热负荷分配和热电联产机组的经济运行。

近年来，已对供热网络调节策略的应用与优化进行了广泛研究。Huo等[33]表明，质-量联合调节可显著提升综合能源系统的经济性能。Wu等[34]比较了不同调节策略下高背压、蒸汽喷射器和抽汽供热结合系统的运行经济性。Yang等[35]将直空冷岛的传热特性纳入质-量联合调节，实现了直空冷高背压机组的节能运行。Liang等[36]确定质-量联合调节是区域综合能源系统的最佳能量流模式。Feng等[37]确定了各种调节策略下直空冷机组的最优运行策略。Li等[38]确定了高背压机组与蒸汽喷射器耦合的最优运行方案。Tian等[39]提出了基于质-量联合调节的协调调度模型，有效降低了运行成本并增强了可再生能源的消纳能力。

同时，直空冷机组在中国北方缺水区得到了广泛应用。在直空冷凝汽器中，排汽通过鳍片管束与室外空气换热在管内凝结。当蒸汽流量低于最小防冻流量时，管内可能形成过冷凝凝水并冻结，导致管束堵塞[40]。严重时可能导致鳍片管变形甚至机组停机。因此，冬季直空冷系统的防冻问题是直空冷机组安全运行的重要问题[41]。此外，热网调节直接影响直空冷凝汽器中的蒸汽流量分配，从而影响机组冬季防冻安全。

总之，将高背压供热、蒸汽喷射器和传统抽汽供热集成到多源级联供热系统中，为提高热电联产机组的能源利用效率提供了一条有效途径。尽管在余热回收技术和热网调节策略方面已开展了大量研究，但现有研究主要聚焦于单项技术或调节策略的性能分析或经济优化。对多源级联供热系统中调节策略、热负荷分配和发电能耗特性之间耦合效应的综合研究仍然有限。此外，直空冷岛的防冻约束很少被考虑。因此，仍需要对此类系统中满足供热需求、防冻安全和最小化发电能耗的协同优化进行系统研究。

本文聚焦于多源级联供热系统中高背压排汽、蒸汽喷射器和抽汽，基于660 MW双机组合供热系统展开具体研究。主要贡献总结如下：

（1）系统分析了三类主要热网调节策略——质调节、分流量质调节和质-量联合调节——的运行特性。在不同供热需求下评估了多源级联供热系统的热负荷分配、发电能耗及相应的机组运行参数。

（2）提出了一种考虑直空冷岛防冻约束的调节策略校正方法。以实现最小化发电能耗为目标，开发出适用于级联供热系统的节能调节策略，为多源级联供热系统的安全、高效、低碳运行提供理论支撑和技术指导。

本文余下部分组织结构如下：第2节概述了多源级联供热系统热网调节策略优化的总体框架；第3节介绍了机组建模与仿真平台的开发与验证；第4节给出了基于660 MW双机组合供热系统的案例研究，提供了仿真结果与讨论；最后，第5节总结了结论并展望了未来研究方向。

**各章节摘要**

**案例研究：多源级联供热系统**

本案例研究了一个由配备蒸汽喷射器的2号高背压机组与1号抽汽凝汽机组组成的多源级联供热系统，如图1所示。1号和2号机组均为660 MW超临界直空冷汽轮发电机组。锅炉型号为HG-2070/25.4-HM9，为超临界参数、一次通过、单再热的单炉膛π型布置锅炉。汽轮机型号为

**案例研究与仿真验证**

利用Ebsilon Professional软件建立了双机组合供热模式的热力学模型。对设计工况和非设计工况下的热力学模型进行了仿真。设计工况对应机组100% THA，非设计工况分别在75% THA和50% THA下进行仿真。获取各工况下的仿真结果并与机组热平衡图数据进行对比，以验证模型的准确性。表6展示了

**热网调节特性**

二级热网在所有室外温度下均通过质调节向供热用户供热，且循环水量保持不变。基于设计室外温度下的参数，利用相应方程计算了质调节下其他室外温度时二级热网的供回水温度，结果如图5所示。随着室外温度升高，

**结论**

本文分析了多源级联供热系统在不同热网调节策略下一级热网的特性，以最小化级联供热系统发电能耗为目标，探讨了满足供热需求下的热负荷分配、能耗及相应的机组运行工况，评估了热力学性能指标，并确定了最优调节方式

**CRediT作者贡献声明**

王柯荣：撰写-初稿。王震普：软件、调研。徐静：撰写-审阅与编辑、方法论、资金获取。

马素霞：监督，项目管理。

资金来源
本研究由山西省重点研发项目（项目编号：202502090302015）和太原理工大学煤炭与电力洁净智能控制教育部重点实验室基金（项目编号：CICCE202517）资助。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究由山西省重点研发项目（项目编号：202502090302015）和太原理工大学煤炭与电力洁净智能控制教育部重点实验室基金（项目编号：CICCE202517）资助。

王柯荣 | 王震朴 | 许静 | 马素霞