★ 新疆华电喀什热电有限责任公司 万涛

关键词：多能互补；火电机组；余能；梯级利用；供热系统；能效；协同优化

电过程中产生大量高、中、低不同品位的余热，其传统利用方式往往存在能效利用不充分、能量品味失配等问题。与此同时，与之耦合的集中供热系统普遍面临热源侧、输配侧与用户侧协同性不足，以及系统整体㶲损较大的挑战。在此背景下，将火电机组余能梯级利用与区域供热系统进行协同优化，构建多能流互补共济的新型运行范式，对于实现能量的精准供给与系统能效的全局最优，具有重大的理论与现实意义。张海珍等人[1]对余能利用技术进行了探讨，梳理了不同品位能源的利用途径。然而，在实际火电机组复杂工况下，要实现多品位余能与动态变化的供热需求进行精细化耦合与在线优化，该方法缺乏深入的建模与策略研究，因而无法有效提升能源利用效率。徐慧慧等人[2]提出了一种含有机朗肯循环的余能利用与供热系统能效优化策略。然而，该策略未能将供热系统的热力动态网络、输配损耗及用户端热惯性纳入统一的协同优化框架，进而限制了其在提升整个耦合系统能效方面的潜力。为此，本文提出了基于多能互补的火电机组余能梯级利用与供热系统能效协同优化的研究， 以期实现系统整体㶲效与运行经济性的协同跃升。

1   火电机组余能梯级利用与供热系统能效协同优化目标设定

本研究旨在构建一套系统性方法，以实现火电机组内部多品位余热资源与外部区域供热网络的高效协同。其核心目标并非追求单一环节的效率极值， 而是通过顶层设计协调源-储-网-荷全链条的能量流动与品位匹配，最终达成系统整体㶲效率与运行经济性的多目标协同最优[3]。为此，本文建立了一个融合热力学第二定律分析与经济运行考量的多目标优化模型。该模型以最小化系统总㶲损率及总运行成本为核心目标， 其目标函数可表述为式（1）：

其中，F为综合评价指标； total表示系统总㶲损，该值综合反映了能量转换与利用过程中因不可逆性导致的做功能力损失；Erm为系统输入的总燃料㶲， 作为归一化基准；ctotal为系统总运行成本，主要包括燃料购置费、设备运维费、水耗电耗以及碳排放权交易成本等； “与β分别为㶲效率项与经济性项的权重系数，用于在能源深度利用与经济效益之间进行有效权衡[4]。

最小化意味着追求更高的能量利用品质，即通过梯级利用减少高品位能量的贬值；最小化ctotal则代表了实际工程应用中对经济可行性的刚性要求。

2   多能互补的余能梯级利用方案设计

基于上述全局优化目标导向，本文设计了一种多能互补的火电机组多品位余能梯级利用方案。

2.1   高温余能利用

高温余能主要指高于300℃的锅炉排烟余热、汽轮机高压缸部分排汽或再热蒸汽等高㶲值能量流。若直接将其用于低品位供暖，会造成巨大的做功能力损失[5]。因此，本方案遵循高能高用、先功后热的原则， 实施分级转化策略。

具体而言， 一部分高温烟气被引入增设的烟气 -有机工质换热器，用以驱动有机朗肯循环发电系统。 ORC系统先将这部分高品位热能转化为高价值的电能，实现能量的升级利用[6]。其发电功率WORC可近似由式（2）估算：

其中， noRC为ORC系统的相对内效率，考虑了工质泵、发电机等耗功； Qsas为回收的烟气热流量； T0为环境温度；Tgas, avg为烟气在换热过程中的平均热力学温度。ORC系统发电后的低温排热可作为基础热源进入后续热网。另一部分高温余能则作为区域供热的主热源，直接用于满足一次网的高温段供热需求。通过优化控制系统，在供暖初末期或白天电负荷高峰时段，可动态增加导向ORC的烟气份额，以提升调峰收益；而在严寒期或夜间热负荷高峰时段，则优先保障高参数抽汽供热，从而实现热电输出的灵活优化调配[7]。该设计将单纯的余热回收升级为电-热联产的协同系统。

2.2   中低温余能利用

中低温余能主要包括汽轮机低压缸排汽的凝结潜热、循环冷却水余热以及经高温段利用后的低温烟气等。这部分能量数量庞大但品位较低，是能量梯级利用的关键环节。

针对乏汽潜热，本文采用基于第一类吸收式热泵的大温差供热技术。以少量中压抽汽作为驱动热源，吸收式热泵可将低温乏汽的热量提升品位后用于加热热网回水。对于循环水及温度范围通常在25～60℃的低温烟气余热，则通过板式换热器直接回收，用于预热热网回水，或作为低温生活热水、温室农业供暖的独立热源。为平抑热源与负荷之间的时空不匹配，还配置了大规模蓄热罐及相变蓄热设备[8]。蓄热装置在热负荷低谷期储存富余的低温余热，在负荷高峰期释放，从而显著提高了系统的灵活性及余热利用率。中低温余能的精细化、多元化利用，构成了能量梯级链条的基座，实现了冷端废热的资源化转型。

3   供热系统能效优化策略

上述梯级利用方案为供热系统提供了优质、多元且灵活的热源。在此基础上，本文从热源侧、输配侧、用户侧三个层面提出了一套递进式、闭环化的能效优化策略体系。

3.1   热源侧优化

热源侧优化主要包括热源调质调焓，即通过调节热源的供水温度和流量，使其与用户的用热需求相契合。在供热初期和末期，用户用热需求较小，可适当降低热源的供水温度，减少能源消耗。与此同时，采用多种热源联合供热的方式，把火电机组余热与太阳能、地热能等可再生能源相结合，以此提高热源的稳定性和可靠性。为评估热源侧优化的效果， 可引入热源效率指标 ,  如式（3）所示：

                           （3）

其中，Qout为热源输出的热量； Qin为热源输入的能量。通过优化热源的运行参数和热源组合方式，可提高热源效率，减少能源浪费。

3.2   输配侧优化

在区域供热系统里，输配侧优化乃是提升能源传输效率的关键环节。该策略主要聚焦于对供热管网开展动态智能调节，其核心在于依据用户的实时热负荷需求变化，精准调控管网系统中各支路的流量与压力，进而实现能量在不同区域间的合理分配与高效输送。

为解决传统集中泵系统调节能力有限、易造成水力失调和热力失调的弊端，本文采用分布式变频泵系统作为技术升级方案。该系统中，在管网的关键分支处或各建筑热力入口处设置独立的变频循环泵，以取代单一的大功率集中泵。通过监测各区域的温度与压力参数，分布式泵能够独立调节其所属支路的流量，进而有效消除管网远端与近端的压差和温差问题，显著降低了系统整体循环功耗，提升了供热品质。

3.3   用户侧优化

用户侧优化主要通过负荷响应反馈实现。安装智能计量装置与温控设备，可实时监测用户的用热状况及室内温度，并将相关信息反馈至供热系统与火电机组。根据用户的反馈信息，调整供热参数和余能利用方案，实现按需供热。

若用户室内温度达到设定值，可酌情减少该用户的供热流量；当多个用户同时处于用热高峰时，可提升火电机组的余能输出以及供热管网的流量。通过这种负荷响应反馈机制，可提高用户用热的舒适性和系统的整体运行效率。

4   实验分析

4.1   实验准备

为验证本文提出的基于多能互补的火电机组余能梯级利用与供热系统能效协同优化方法的有效性，我们将文献 [1]、文献 [2]所提出的两种传统优化方法设为对照A、B组方案，本文方法作为实验组，开展对比分析。

实验以我国北方某330MW亚临界抽凝供热机组及其所承担的约600万平方米采暖面积的区域热网为研究对象，选取一个完整供暖季的运行工况进行模拟。实验重点验证本文所提方法在提升系统级能源综合利用效率与运行经济性方面的综合优势。三组实验在同一气象条件、同一电/热负荷序列下运行。

4.2   实验结果对比分析

系统能源综合利用效率是衡量能量被有效转换与利用的核心指标。为直观呈现三种方法在动态运行时的效率差异， 图1绘制了仿真周期内各方法逐时系统能源综合利用率的变化曲线。

图1 逐时系统能源综合利用率对比

由图1可知，在整个实验周期内，实验组的逐时效率曲线始终处于最上方，且波动相对平缓，这表明其能源综合利用效率最高。这得益于实验组动态调整高、中、低温余能的分配比例，并协同优化热网供水温度与流量，使系统效率保持稳定且较高。

运行经济性是评估方案工程应用价值的关键要素。三组方案在完整周期内的各项经济性指标对比结果如表1所示。

表1 运行经济性指标对比

通过表1的对比结果可知，在燃料经济性方面，实验组的总燃料成本最低， 分别较对照A组和B组降低了17.5%和9.7%。这一结果直接体现了协同优化方法在提升能源综合利用效率方面的显著效果，其通过多能互补与梯级利用减少了燃料消耗。在系统收益能力方面，实验组凭借更灵活的电热协同调度策略，实现了最高的上网电费收益，较对照A组和B组分别提升了24.8%和7.8%。这说明本文方法能够更好地适应电力市场波动，提升了系统经济性。在综合运行成本方面，实验组的净运行总成本仅为112.9万元，分别较对照A组和B组降低了53.9%和40.8%。同时，单位供电成本和单位供热成本均为最低，表明实验组在降低能耗成本方面的优势已转化为显著的经济效益。

5   结束语

本文系统研究了基于多能互补的火电机组余能梯级利用与供热系统的协同优化方法。该方法通过将多品位余热回收与区域热网动态需求紧密结合，构建了从能量源头至终端用户的全链条协同框架。本文所提出的梯级利用方案与分层优化策略， 可显著降低系统㶲损，提升能源利用精细化程度， 为火电机组低碳高效转型及区域清洁供热提供了具有实践价值的技术路径，也为未来综合能源系统的规划设计与优化运行奠定了理论基础。

作者简介：

万   涛（1990-），男，宁夏中卫人，工程师， 现就职于新疆华电喀什热电有限责任公司，研究方向为火电机组自动控制优化技术和供热。

参考文献：

[1] 张海珍, 宋胜男, 阮慧锋. 综合能源系统高效梯级利用技术研究[J]. 电站系统工程, 2023, 39 (6) : 10 - 12.

[2] 徐慧慧, 赵宇洋, 田云飞, 等. 含有机朗肯循环的虚拟电厂能源梯级优化低碳调度策略[J]. 电力工程技术, 2025, 44 (5) : 208 - 217.

[3] 张艺晨, 杨勇平, 戈志华, 等. 基于能量梯级利用的高效灵活供热系统性能研究[J]. 动力工程学报, 2023, 43 (8) : 1085 - 1094.

[4] 高大明, 陈鸿伟, 冉鹏, 等. 富氧燃烧发电机组辅助系统余热利用过程优化与影响因素分析[J]. 中国科学:技术科学, 2024, 54 (5) : 820 - 834.

[5] 王亚君. 炼化企业低温余热梯级综合利用[J]. 山东化工, 2023, 52 (15) : 188 - 190.

摘自《自动化博览》2026年4月刊