热电联产是热能和电能联合生产的一种高效能源生产方式。以燃煤方式的热电联产和热电分产进行比较（见图7.13），为产出同样数量的热力和电力，热电联产方式比热电分产可以节约1/3左右的燃煤。在热电联产基本步骤中，燃料首先送进热电站的锅炉中燃烧，电站锅炉通常是大型高效锅炉，所产生的蒸汽具有较高的压力与温度，用于发电做功后，再作供暖蒸汽输给用户。以抽凝机组为例，机组在发电过程中，进入汽轮机的蒸汽分为两股，一股为凝汽流，一股为供热流，凝汽流由蒸汽的初参数降低到汽轮机的排汽参数，这股蒸汽流只有对外做功发电这一个功能，供热流则具有双重功能：供热流蒸汽在汽轮机中从初参数降低到供热所需的蒸汽参数，对外做功发电，参数降低后的蒸汽被引出，加热网水。这种能源利用方式，基本做到了“能质匹配”，即基本上按用户所需要的、比例供应能量，因而可以达到较高的能源利用效率。

图7.13 燃煤热电联产与热电分产的能源效率比较

当今，世界各国都将热电联产作为节约能源、改善环境的重要措施，德国、英国、丹麦和荷兰等发达国家热电联产机组占同容量火电机组比例均已超过60％。俄罗斯因其热力供应系统在国际上占有极其重要的位置。莫斯科拥有14座热电厂，其中只有2座以煤作为燃料，其他都以燃气作为燃料。为了保证城市的空气质量，热电厂尽量建在郊区，新建热电厂都位于城市边界环形公路之外，供热介质进行远距离输送。

我国以煤炭为燃料的热电联产、集中供热是当前东北、华北各大中城市发展热力供应的主流模式。区域燃煤锅炉房作为热源的集中供热系统是当前东北、华北各大中城市最主要的供热方式，随着国家经济水平的提高，对环境保护的要求将越来越高。如今，北京已将部分区域燃煤锅炉房改为燃气或燃油锅炉房，但极大地增加了供热成本。分散独立燃煤锅炉房的供热方式在今后的几年中，将在华北的大城市中被逐步淘汰。到2012年底，我国6000kW及以上热电联产装机已超过2.2亿kW，达22075万kW，占同口径火电装机容量的27.49％，比上年增加6个百分点，占全国发电机组总容量的19.25％。

尽管我国热电联产产业发展迅速，拥有广阔的发展空间，但是目前我国对热电联产的认识仍然较为粗放。一方面表现在我国供热机组在火电机组中所占的比例越来越大，而且供热机组的装机容量不断增大，参数不断提高，现在主力供热机组容量已经由100MW以下提高到了200MW、300MW，甚至达到了600MW，但是供热模式仍然比较单一，且供热过程也并未从总能角度出发，只是以一切保证供热安全的观念运行，忽视了供热参数不匹配而造成的能量损失。另一方面，在认识到热电联产集中供热较分产具有优势后，各电厂纷纷进行供热改造，改造过程中着重于安全角度，在机组振动、热应力、轴向推力、系统布置以及调节系统等方面做了充足的准备工作，而对机组状况和供热实际考虑欠佳，导致改造后的大机组供热抽气压力不合理及供热需求不足，抽气量小而使得供热达不到理想的节能效果。

现在国内外正在对热电联产进行更多的研究，国外的供热系统主要采用分布式能源系统，这种系统分布在用户端，直接面向用户，根据用户的需求提供各种形式的能量，在供热子系统中，主要以热电联产（Combined Heating and Power，CHP）和冷热电联产（Combined Cooling，Heating and Power，CCHP）为主，满足用户对电、热以及冷的需求。分布式能源系统能够节省能源输送投资，弥补大电网安全稳定性方面的不足，提高供电可靠性，同时又具有良好的环保性能，因此美国及欧洲的经济发达国家供热系统的研究主要集中在分布式能源系统上。其热点在于以燃气轮机为原动机，天然气为燃料的分布式能源系统，改善结构、提高效率为其研究的主题。同时，改变能源获取方式，可再生能源、余热废热再利用以及不以燃烧为能量来源的燃料电池构成的分布式能源系统也得到了较大的发展。

1.弃风供热

在风力发电快速发展的今天，却有大量的风电无法并网，出现了严重的弃风问题。弃风的原因主要有四点：调峰能力不足、风电的反调峰特性、输送能力不足和促进风电消纳的市场尚不健全。基于这种情况，提出了利用“弃风”供热，即风电供热方案。该方案主要应用了蓄热式电锅炉等技术，通过配置电锅炉和蓄热罐，将风电场与供热站联系在一起，为社会供热。在负荷低谷弃风时段，电锅炉开始运行，增加电网中电负荷，进而增加风电消纳量，将电能转换成热能，一部分直接用于居民供热，另一部分存储在蓄热罐内；在负荷高峰时段，电锅炉停运，热负荷全部由蓄热罐进行供热。图7.14给出了风电供热方案在电力系统中的运行原理示意图，点画线框内为风电供热系统。

风电供热系统主要包括风电场、输电线路、电热锅炉、蓄热装置（包括蓄、供热水泵）、换热装置、自动控制系统、供热管道和热负荷，如图7.15所示。

该方案具有以下两个特性：一是改变以燃煤供热的模式增加电力需求，增加风电消纳空间；二是通过蓄热装置使得用于供热的电力需求具备灵活性和可控性，电锅炉不必维持运行，可仅在电网负荷低谷时启动运行，起到调峰作用。通过该方案，实现在负荷低谷时段有效地利用风电，并将剩余的电力以热能形式进行存储，从而提高了电网对风电的消纳能力，促进风电又好又快的发展。

图7.14 风电供热方案的运行原理

图7.15 风电供热示意图

2.小型-微型面向用户的热电联产技术(www.daowen.com)

小型热电联产系统是指提供电能小于100kW的联产系统，而微型热电联产系统则指发电容量小于15kW的联产系统。应用小型的燃气轮机生产电能和热能直接供给用户，其优势主要体现在减少电能和热能的输送损失、避免电网和热网的大范围布置，从而降低能源成本，减少温室气体的排放，而且还提高了国家的能源安全。在技术可行性方面，有人研究了在人口聚集区采用热电联产的可能性，并指出小型的热电联产的应用价值会随着整个热负荷的增大而更加明显地显现出来。同时也有人在用户侧采用小型热电联产系统进行了可行性研究，通过分析小型联产系统的能源情况以及评价系统与用户侧电和热的匹配情况，对小型联产系统应用于居民及商业用户进行了调研。分析指出尽管采用小型面向用户的联产技术在能源节约与环境保护方面的好处是不容置疑的，但是在降低能源成本和易于用户操作方面仍然存在一些技术性难题，还需要进一步进行研究。还有人对五个微型的联产系统进行了评价，发现只要具有供热需求，所有的系统都能有效地减小一次能源的利用和二氧化碳的排放。但是在居民住房中安装这样的系统目前并不经济，主要原因是较高的初始设备费用和较长的成本回收期。因此具有创新技术，能够解决上述问题的系统迫切需要。实际应用方面，相关学者针对新型的区域性冷热电三联产进行了设计和分析，系统中往复式内燃机带动发电机、热回收系统以及热泵压缩机。不仅在夏季满足了制冷负荷，在冬季热泵系统还能够辅助满足供热需求。其课题组也对此三联产系统的运行方式及状况进行了分析，指出热泵对于提高整个系统的效率具有极其重要的作用。

3.太阳能联产技术

太阳能联产技术主要是指通过光伏或者通过对太阳辐射能汇聚转换为热能及电能的过程。Pearce调研了普通美国家庭对电能和热能的需求，同时研究了美国具体地区的太阳能随时间的分布情况，依据分析结果讨论了一种光伏与分布式热电联产联合的系统，结果显示PV-CHP系统能够有效地利用太阳能，减少了单纯分布式CHP系统的能源消耗，达到了节约能源的效果。基于这种情况，有研究人员提出了一种简单的太阳能与化石燃料混合的联产电站系统，利用Brayton循环，电站容量达到10MW级别，并以热电联产的模式运行，满足了持续的能量供给。在模型和模拟方面，相关学者提出了一种能分析太阳能热系统连续运行特性的方法，温度的上限和下限与负荷有关，通过计算两个与负荷相关的能表现温度水平的可用值得到系统的连续性特性，并通过太阳能制冷和太阳能联产系统的实例进行了计算和分析。

相对于国外的研究，我国的热电联产集中供热发展迅猛也带动着热电联产相关研究的快速发展。主要体现在以下几方面：

（1）在汽轮机部分

1）供热机向着大型化发展。2000年以前，国内主要由100MW、200MW机组以及一些容量更小的背压机组肩负着集中供热的任务。近几年，由于机组结构设计及控制更为成熟，加之国家节能减排工作力度的加大，火电机组上大压小政策的推进，300MW甚至300MW以上容量的机组成为受政策鼓励机组。上海汽轮机厂、东方汽轮机厂和哈尔滨汽轮机厂都相继根据较为成熟的300MW纯凝机组设计技术改造开发了300MW供热机组，目前在天津、太原、包头、长春等大中型城市300MW供热机已投入运营。机组改造技术的日趋成熟，也促进了一些300MW的纯凝机组进行供热改造。为了追求机组高效率，供热机组也逐渐向大容量、高参数的方向发展，目前国内已经开始投运600MW超临界供热机组。

2）供热机的设计更趋于合理。热网加热器热源主要为汽轮机抽气的汽化潜热，在保证供热量和供水温度的条件下，每台热网加热器根据其不同的结构参数都存在一个供热最佳的抽气温度，而此抽气温度对应的饱和压力即为所需的最佳抽气压力，若以此压力选择汽轮机抽气点位置则最为合理，然而供热所需的抽气量大，由于汽轮机缸体的限制和目前大机组的缸体布置情况，只能选择中低压缸连通管作为供热抽气的合理位置。因此，根据以上理论，各大汽轮机厂设计出了更为合理的抽气-凝汽机组，使中低压缸的分缸压力尽量接近于最佳抽气压力。目前比较先进的供热机组，中低压缸的抽气压力为0.3～0.5MPa。此压力对应的饱和温度为130～150℃，既满足了供热水温要求，也减少了抽气压力不合理造成的损失。

（2）热网加热器部分

热电联产集中供热领域的研究，其研究对象应包括供热机组、热网加热器、热网和热用户，需进行整体的研究才能综合协调，合理地匹配各部分的运行参数。而热网加热器是连接供热机与热网和热用户的桥梁，因此热网加热器的特性在整系统中显得尤为重要。通过对热网加热器的性能进行系统深入的研究，对热网加热器进行了数学建模，通过迭代计算得到了热网加热器的性能曲线。随着热网加热器水侧参数的提高，热网加热器蒸汽侧的参数也随之提高，即热网的供回水温度将影响供热抽气参数。分析了热网加热器在全工况下的性能，得到了准确、合理的供热抽气参数，避免了高品位热能的浪费。热网加热器的性能曲线与供热机组中压缸排气（抽凝式供热机组的抽气位置）压力-流量曲线进行联合，得到了热电联产系统联合特性曲线，找到了机组运行的无节流工况点，并得到以此工况点计算和设计出了最佳冷源热网加热器，减小了机组在供暖期的节流损失，增加了机组的发电量。

（3）吸收式热泵技术

热电联产中应用吸收式热泵可以利用较高压力的抽气作为高温热源驱动热泵，吸收供热机凝汽器冷却水中的热量加热网水。所以吸收式热泵可将汽轮机一部分较高压力的抽气用于供热的同时，还将排入凝汽器蒸汽的热量也用于供热，使供热机的供热能力达到最大。清华大学付林等在吸收式热泵供热技术方面进行了深入的研究，将原有的抽气模式中热网加热器用吸收式热泵和尖峰加热器替代。在热用户侧根据吸收式热泵的原理，研制出了吸收式热泵机组。利用高温热网供水作为驱动热源吸收热网回水中的热量加热二次网水，大大降低了回水温度，使热网供回水温差增大。实现了大温差的热网输送过程，大大增加了原有热网的供热能力。其课题组也将吸收式热泵引入燃气轮机热电联产循环系统，在原有的燃气轮机排气与供热水换热后通过吸收式热泵系统，利用排气中的显热及潜热，使原有的废热回收效率提高了10％，整体热效率也得到了较大的提高。