★ 新疆華電喀什熱電有限責任公司 萬濤

關鍵詞：多能互補；火電機組；余能；梯級利用；供熱系統；能效；協同優化

電過程中產生大量高、中、低不同品位的余熱，其傳統利用方式往往存在能效利用不充分、能量品味失配等問題。與此同時，與之耦合的集中供熱系統普遍面臨熱源側、輸配側與用戶側協同性不足，以及系統整體?損較大的挑戰。在此背景下，將火電機組余能梯級利用與區域供熱系統進行協同優化，構建多能流互補共濟的新型運行范式，對于實現能量的精準供給與系統能效的全局最優，具有重大的理論與現實意義。張海珍等人[1]對余能利用技術進行了探討，梳理了不同品位能源的利用途徑。然而，在實際火電機組復雜工況下，要實現多品位余能與動態變化的供熱需求進行精細化耦合與在線優化，該方法缺乏深入的建模與策略研究，因而無法有效提升能源利用效率。徐慧慧等人[2]提出了一種含有機朗肯循環的余能利用與供熱系統能效優化策略。然而，該策略未能將供熱系統的熱力動態網絡、輸配損耗及用戶端熱慣性納入統一的協同優化框架，進而限制了其在提升整個耦合系統能效方面的潛力。為此，本文提出了基于多能互補的火電機組余能梯級利用與供熱系統能效協同優化的研究， 以期實現系統整體?效與運行經濟性的協同躍升。

1   火電機組余能梯級利用與供熱系統能效協同優化目標設定

本研究旨在構建一套系統性方法，以實現火電機組內部多品位余熱資源與外部區域供熱網絡的高效協同。其核心目標并非追求單一環節的效率極值， 而是通過頂層設計協調源-儲-網-荷全鏈條的能量流動與品位匹配，最終達成系統整體?效率與運行經濟性的多目標協同最優[3]。為此，本文建立了一個融合熱力學第二定律分析與經濟運行考量的多目標優化模型。該模型以最小化系統總?損率及總運行成本為核心目標， 其目標函數可表述為式（1）：

其中，F為綜合評價指標； total表示系統總?損，該值綜合反映了能量轉換與利用過程中因不可逆性導致的做功能力損失；Erm為系統輸入的總燃料?， 作為歸一化基準；ctotal為系統總運行成本，主要包括燃料購置費、設備運維費、水耗電耗以及碳排放權交易成本等； “與β分別為?效率項與經濟性項的權重系數，用于在能源深度利用與經濟效益之間進行有效權衡[4]。

最小化意味著追求更高的能量利用品質，即通過梯級利用減少高品位能量的貶值；最小化ctotal則代表了實際工程應用中對經濟可行性的剛性要求。

2   多能互補的余能梯級利用方案設計

基于上述全局優化目標導向，本文設計了一種多能互補的火電機組多品位余能梯級利用方案。

2.1   高溫余能利用

高溫余能主要指高于300℃的鍋爐排煙余熱、汽輪機高壓缸部分排汽或再熱蒸汽等高?值能量流。若直接將其用于低品位供暖，會造成巨大的做功能力損失[5]。因此，本方案遵循高能高用、先功后熱的原則， 實施分級轉化策略。

具體而言， 一部分高溫煙氣被引入增設的煙氣 -有機工質換熱器，用以驅動有機朗肯循環發電系統。 ORC系統先將這部分高品位熱能轉化為高價值的電能，實現能量的升級利用[6]。其發電功率WORC可近似由式（2）估算：

其中， noRC為ORC系統的相對內效率，考慮了工質泵、發電機等耗功； Qsas為回收的煙氣熱流量； T0為環境溫度；Tgas, avg為煙氣在換熱過程中的平均熱力學溫度。ORC系統發電后的低溫排熱可作為基礎熱源進入后續熱網。另一部分高溫余能則作為區域供熱的主熱源，直接用于滿足一次網的高溫段供熱需求。通過優化控制系統，在供暖初末期或白天電負荷高峰時段，可動態增加導向ORC的煙氣份額，以提升調峰收益；而在嚴寒期或夜間熱負荷高峰時段，則優先保障高參數抽汽供熱，從而實現熱電輸出的靈活優化調配[7]。該設計將單純的余熱回收升級為電-熱聯產的協同系統。

2.2   中低溫余能利用

中低溫余能主要包括汽輪機低壓缸排汽的凝結潛熱、循環冷卻水余熱以及經高溫段利用后的低溫煙氣等。這部分能量數量龐大但品位較低，是能量梯級利用的關鍵環節。

針對乏汽潛熱，本文采用基于第一類吸收式熱泵的大溫差供熱技術。以少量中壓抽汽作為驅動熱源，吸收式熱泵可將低溫乏汽的熱量提升品位后用于加熱熱網回水。對于循環水及溫度范圍通常在25～60℃的低溫煙氣余熱，則通過板式換熱器直接回收，用于預熱熱網回水，或作為低溫生活熱水、溫室農業供暖的獨立熱源。為平抑熱源與負荷之間的時空不匹配，還配置了大規模蓄熱罐及相變蓄熱設備[8]。蓄熱裝置在熱負荷低谷期儲存富余的低溫余熱，在負荷高峰期釋放，從而顯著提高了系統的靈活性及余熱利用率。中低溫余能的精細化、多元化利用，構成了能量梯級鏈條的基座，實現了冷端廢熱的資源化轉型。

3   供熱系統能效優化策略

上述梯級利用方案為供熱系統提供了優質、多元且靈活的熱源。在此基礎上，本文從熱源側、輸配側、用戶側三個層面提出了一套遞進式、閉環化的能效優化策略體系。

3.1   熱源側優化

熱源側優化主要包括熱源調質調焓，即通過調節熱源的供水溫度和流量，使其與用戶的用熱需求相契合。在供熱初期和末期，用戶用熱需求較小，可適當降低熱源的供水溫度，減少能源消耗。與此同時，采用多種熱源聯合供熱的方式，把火電機組余熱與太陽能、地熱能等可再生能源相結合，以此提高熱源的穩定性和可靠性。為評估熱源側優化的效果， 可引入熱源效率指標 ,  如式（3）所示：

                           （3）

其中，Qout為熱源輸出的熱量； Qin為熱源輸入的能量。通過優化熱源的運行參數和熱源組合方式，可提高熱源效率，減少能源浪費。

3.2   輸配側優化

在區域供熱系統里，輸配側優化乃是提升能源傳輸效率的關鍵環節。該策略主要聚焦于對供熱管網開展動態智能調節，其核心在于依據用戶的實時熱負荷需求變化，精準調控管網系統中各支路的流量與壓力，進而實現能量在不同區域間的合理分配與高效輸送。

為解決傳統集中泵系統調節能力有限、易造成水力失調和熱力失調的弊端，本文采用分布式變頻泵系統作為技術升級方案。該系統中，在管網的關鍵分支處或各建筑熱力入口處設置獨立的變頻循環泵，以取代單一的大功率集中泵。通過監測各區域的溫度與壓力參數，分布式泵能夠獨立調節其所屬支路的流量，進而有效消除管網遠端與近端的壓差和溫差問題，顯著降低了系統整體循環功耗，提升了供熱品質。

3.3   用戶側優化

用戶側優化主要通過負荷響應反饋實現。安裝智能計量裝置與溫控設備，可實時監測用戶的用熱狀況及室內溫度，并將相關信息反饋至供熱系統與火電機組。根據用戶的反饋信息，調整供熱參數和余能利用方案，實現按需供熱。

若用戶室內溫度達到設定值，可酌情減少該用戶的供熱流量；當多個用戶同時處于用熱高峰時，可提升火電機組的余能輸出以及供熱管網的流量。通過這種負荷響應反饋機制，可提高用戶用熱的舒適性和系統的整體運行效率。

4   實驗分析

4.1   實驗準備

為驗證本文提出的基于多能互補的火電機組余能梯級利用與供熱系統能效協同優化方法的有效性，我們將文獻 [1]、文獻 [2]所提出的兩種傳統優化方法設為對照A、B組方案，本文方法作為實驗組，開展對比分析。

實驗以我國北方某330MW亞臨界抽凝供熱機組及其所承擔的約600萬平方米采暖面積的區域熱網為研究對象，選取一個完整供暖季的運行工況進行模擬。實驗重點驗證本文所提方法在提升系統級能源綜合利用效率與運行經濟性方面的綜合優勢。三組實驗在同一氣象條件、同一電/熱負荷序列下運行。

4.2   實驗結果對比分析

系統能源綜合利用效率是衡量能量被有效轉換與利用的核心指標。為直觀呈現三種方法在動態運行時的效率差異， 圖1繪制了仿真周期內各方法逐時系統能源綜合利用率的變化曲線。

圖1 逐時系統能源綜合利用率對比

由圖1可知，在整個實驗周期內，實驗組的逐時效率曲線始終處于最上方，且波動相對平緩，這表明其能源綜合利用效率最高。這得益于實驗組動態調整高、中、低溫余能的分配比例，并協同優化熱網供水溫度與流量，使系統效率保持穩定且較高。

運行經濟性是評估方案工程應用價值的關鍵要素。三組方案在完整周期內的各項經濟性指標對比結果如表1所示。

表1 運行經濟性指標對比

通過表1的對比結果可知，在燃料經濟性方面，實驗組的總燃料成本最低， 分別較對照A組和B組降低了17.5%和9.7%。這一結果直接體現了協同優化方法在提升能源綜合利用效率方面的顯著效果，其通過多能互補與梯級利用減少了燃料消耗。在系統收益能力方面，實驗組憑借更靈活的電熱協同調度策略，實現了最高的上網電費收益，較對照A組和B組分別提升了24.8%和7.8%。這說明本文方法能夠更好地適應電力市場波動，提升了系統經濟性。在綜合運行成本方面，實驗組的凈運行總成本僅為112.9萬元，分別較對照A組和B組降低了53.9%和40.8%。同時，單位供電成本和單位供熱成本均為最低，表明實驗組在降低能耗成本方面的優勢已轉化為顯著的經濟效益。

5   結束語

本文系統研究了基于多能互補的火電機組余能梯級利用與供熱系統的協同優化方法。該方法通過將多品位余熱回收與區域熱網動態需求緊密結合，構建了從能量源頭至終端用戶的全鏈條協同框架。本文所提出的梯級利用方案與分層優化策略， 可顯著降低系統?損，提升能源利用精細化程度， 為火電機組低碳高效轉型及區域清潔供熱提供了具有實踐價值的技術路徑，也為未來綜合能源系統的規劃設計與優化運行奠定了理論基礎。

作者簡介：

萬   濤（1990-），男，寧夏中衛人，工程師， 現就職于新疆華電喀什熱電有限責任公司，研究方向為火電機組自動控制優化技術和供熱。

參考文獻：

[1] 張海珍, 宋勝男, 阮慧鋒. 綜合能源系統高效梯級利用技術研究[J]. 電站系統工程, 2023, 39 (6) : 10 - 12.

[2] 徐慧慧, 趙宇洋, 田云飛, 等. 含有機朗肯循環的虛擬電廠能源梯級優化低碳調度策略[J]. 電力工程技術, 2025, 44 (5) : 208 - 217.

[3] 張藝晨, 楊勇平, 戈志華, 等. 基于能量梯級利用的高效靈活供熱系統性能研究[J]. 動力工程學報, 2023, 43 (8) : 1085 - 1094.

[4] 高大明, 陳鴻偉, 冉鵬, 等. 富氧燃燒發電機組輔助系統余熱利用過程優化與影響因素分析[J]. 中國科學:技術科學, 2024, 54 (5) : 820 - 834.

[5] 王亞君. 煉化企業低溫余熱梯級綜合利用[J]. 山東化工, 2023, 52 (15) : 188 - 190.

摘自《自動化博覽》2026年4月刊