图1 华电电科院集中供热创新工作所取得的部分专利成果。
图2 开展供热节能改造的华电丹东金山电厂全貌。
2014年，三部委联合下发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》，要求积极发展热电联产，坚持以热定电，严格落实热负荷，同步配套完善供热管网，深入淘汰落后产能。这使得热电联产行业迎来了又一个春天。华电电力科学研究院(以下简称华电电科院)超前布局，组建了一支专门从事供热节能技术研究的高素质科研人才队伍。该团队以实现中科院工程热物理所吴仲华、蔡睿贤、金红光三位院士的能量综合梯级利用科研成果转化为目标，研究如何解决热电厂冷端损失大、供热“产—输—配”过程中效率低等问题，形成了包括热电联产、工业供热、采暖供热等方面的技术体系和专利群，取得的成果被授予多项国家级、省(部)级科技进步奖，并荣获“全球人居环境绿色技术奖”。
温度对口、梯级利用
1980年，我国著名工程热物理学家吴仲华先生(院士)在中共中央书记处举办的科学技术知识讲座报告中，首次提出了“温度对口、梯级利用”的科学用能思想;之后，蔡睿贤院士对其做了比较明确的定义和阐述;金红光院士在此基础上进行了拓展，提出了“温度对口、梯级利用;组分对口，分级转换”的综合梯级利用原则。热电联产供热方式符合能量的梯级利用基本原理，将发电与供热两个热力过程进行有机集成，大大提高了机组的热效率，这是其得到快速发展的主要原因。但在热力生产过程中，仍存在供热温度和压力远高于需求的温度和压力、为了达到需求压力而采用汽轮机节流、热网疏水接口温度不匹配等问题。
华电电科院始建于1956年，是中国华电集团公司的全资科研机构和专业技术支持机构，现有职工近900人，具有多名行业内知名专家。华电电科院主要致力于开展火电厂节能增效、火电厂中低温余热综合利用、电厂脱硫脱硝、技术监督、电站调试及性能试验、分布式能源、以及水力发电、风电、太阳能等新能源的研究和技术服务工作。
值得一提的是，华电电科院是五大电力集团和电科院中，唯一一个拥有专门从事供热节能技术研究专业人才队伍的单位。该队伍由老、中、青三代的30余名专家和员工组成，90%以上拥有硕士及以上学历。从2010年开始，华电电科院投入了大量科研力量，主要用于研究如何解决热电厂冷端损失大、火电厂热力系统中温度不匹配现象、输送过程中输送损失大、分配过程中分配不均匀造成浪费，以及供方的参数远高于需求方等问题，并形成了一系列相关科研成果，组织形成了供热业务技术体系和专利群。该团队还承担多项省(市)、国家级重点科技攻关课题，并荣获国家能源局科技进步奖、北京市科技进步奖、中国电力科技进步奖、全国电力职工技术成果一等奖等20余项国家级、省(部)级科技进步奖。此外，该团队的研究成果还获得了国际认可：在2014年哥伦比亚首都波哥大市里约+20峰会分论坛(联合国2014全球人居环境论坛)中荣获全球人居环境绿色技术奖，这是目前电力行业企业首次获得该奖项。
能量利用率达到90%以上
截至2013年底，我国热电联产年供热量为324128万吉焦，0.6万千瓦及以上热电联产装机已达25182万千瓦，占同容量火电装机容量的29.12%，占全国发电机组总容量的20.3%，位居世界第一。但火力发电厂在纯凝工况下的能源利用率通常低于40%，而有抽汽供热的热电联产机组能源综合利用率也不到60%，其中通过冷却塔排放的热量要占到30%以上，甚至达到40%以上。如果能将这部分能量有效利用，火电厂的能量利用效率将大幅提高。
为了充分有效利用电厂冷却塔排放的热量，华电电科院研发出热泵与发电机组相耦合的能量梯级利用技术。该技术基于能量梯级利用原理，将吸收式热泵与电厂供热系统进行有机整合，实现了热电联产机组低温余热的有效利用，用于满足居民供热需求。该技术可根据外界需求使供热机组和热泵系统在最匹配的状态下运行，在不增加燃料量、基本不影响机组运行的情况下，极大地提升电厂的供热能力，使电厂能源利用效率达到80%以上。
“热泵和火电厂耦合的能量梯级利用技术”已成为华电电科院拥有的成熟技术之一，现在已成功应用于佳木斯发电厂余热利用项目、包头东华余热利用项目、北京二热联合循环机组深度节能项目、大唐哈一热热泵项目等10余个项目的可研、设计、施工过程技术指导、系统调试、运行优化等工作，并取得了良好的节能效果和可观的经济社会效益。例如，包头东华热电厂2×30万千瓦机组循环水余热利用改造项目，系统共设8台单机容量4.07万千瓦的吸收式热泵，回收一台机组的循环水余热，另一台机组备用。项目于2013年1月正式投运，新增供热能力13.41万千瓦(206.6万吉焦)，单机最大供热能力超过50万千瓦，机组最大综合热效率超过85%。项目实施后，可实现新增供热面积超过300万平方米，年可新增供热收益超过4000万元，年节约标煤超过7万吨，相应年减排二氧化碳近20万吨。
北京二热2×25.4万千瓦联合循环机组深度节能项目，是国内外首台热泵与联合循环机组相结合的项目。该项目通过将汽轮机、余热锅炉和热泵有机结合起来，实现了联合循环机组能效的飞跃，为国内外分布式能源项目提供了提高热电比和能效的新途径。通过深度节能项目，电厂可以回收低温余热约10万千瓦，年节约天然气超过2000万立方米，相应年减排二氧化碳5.9万吨以上。该联合循环机组在纯凝工况时，联合循环热效率约为50%;在供热模式时，机组最大发电功率为23万千瓦，供热功率为22.8万千瓦，机组能源利用率达到90%以上，机组整体的效能水平达到了国内领先、国际一流的水平。
以全新的供热节能思路与技术赢得市场
截至2013年底，我国已有超过330个城市建设了集中供热设施，集中供热面积已达54亿平方米。我国城市集中供热以区域锅炉房为主，热电联产只占40%左右，远低于欧洲同纬度国家水平。同时我国集中供热一次能源消耗达到20~25公斤标煤/平方米，高出欧洲同纬度甚至更高纬度国家的一倍，而欧洲国家的集中供热能耗还覆盖了夏日制冷和四季生活热水供应。在热量的输送过程中，由于冷热不均和过量供热造成的热量损失达到30%以上，这使得采暖供热系统有着巨大的节能潜力。在工业供热方面，由于工业供热机组不能以热定电，电负荷偏离供热设计工况，使得电厂需要通过汽轮机节流的方式来保证供汽压力，造成汽轮机侧节流损失严重。
针对采暖供热能耗高的现状，华电电科院重点对北方城市采暖供热的现状进行了摸底，对国内60余家供热企业进行了详细调研，发现普遍存在供热管理相对粗放、技术比较落后、能耗高等问题。通过对国外先进供热技术的现场调研以及与行业内专家的技术交流，华电电科院进行了以“供热节能”为主题的创新研究，完成了智能供热新技术、调峰蓄热技术、工业抽汽优化以及网源一体化供热技术的研究和应用。智能供热新技术通过对供热系统的试验分析、优化改造以及自控和信息化改造，使试点项目网侧单位面积热耗降低0.1吉焦/(m2·a)(20%)以上，水耗和电耗也大幅降低，也即相当于每平方米接近2元/年，经济效益极为显著;工业抽汽优化通过分析汽轮机的工艺特性、工业供热生产实际采用工业抽汽梯级利用节能技术或工业抽汽运行优化技术，可使机组的煤耗降低10g/kwh以上;调峰蓄热技术和网源一体化供热技术可将发电系统和供热系统有机结合起来，使电厂和供热系统同时达到最经济、安全的运行工况。
华电电科院也为有大规模集中供热需求的国家和地区提供了全新的供热节能思路，目前已和俄罗斯、韩国、日本等国开展了技术交流，对减少全球燃煤污染、实现全球绿色革命起到良好的推动和促进作用。
作为中国华电集团公司的专业技术支持机构，华电电科院始终坚持以科技创新助推电力行业节能减排事业的发展，积极培育科技创新文化，加大科技投入、新技术研究和成果转化，不仅为华电集团也为全国电力行业生产企业的安全稳定、经济高效、节能环保提供技术服务和创新支持。
