燃氣—蒸汽聯合循環機組“以熱定電”邊際貢獻模型分析

王道祥

（江蘇省工程咨詢中心，江蘇 南京210003）

0 引言

燃氣—蒸汽聯合循環是我國重點發展的燃氣輪機發電技術之一［1］。天然氣發電廠主要分布于長三角、東南沿海等經濟發達省市。聯合循環熱電聯產機組供熱以工業熱負荷為主，與單純燃氣輪機發電方式相比提高了能源利用率，但與燃煤發電相比，發電成本較高。主要原因是天然氣價格較高，可以占到總成本的60%～80%，再考慮到固定資產折舊等因素，部分發電企業盈利微薄甚至虧損。在現有天然氣價格、供熱價格和上網電價體制下，通過優化機組運行方式降低成本、提高機組經濟效益具有重要意義。

已有不少學者在熱電成本分攤理論和機制上進行了研究［2－5］，但沒有結合機組實際運行方式進行經濟性分析。另外，文獻［6－9］僅僅針對蒸汽輪機，通過模型研究了熱電聯產機組供熱和發電負荷的關系，沒有針對聯合循環機組進行整體研究，也沒有系統推理分析經濟效益。本文通過建立聯合循環熱電聯產機組不同運行方式下的熱電邊際貢獻模型，從經濟效益角度探討熱電邊際貢獻模型隨發電、供熱負荷的變化規律，用以指導燃氣發電企業合理調度機組運行方式，取得最大的經濟效益。

多軸聯合循環在燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產機組中較為常見，所以本文以常用的多軸聯合循環抽凝供熱機組為研究對象，建立其熱電邊際貢獻模型。多軸聯合循環工藝流程圖如圖1所示。

圖" 燃氣—蒸汽聯合循環雙抽熱電聯產工藝流程圖

1 熱電邊際貢獻模型

燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產收益來自供熱和發電（熱和電兩種產品），變動成本主要是天然氣燃料成本，熱電邊際貢獻模型為：

式中，BJGX為邊際貢獻（元）；Qh為供熱量或供熱負荷（GJ或GJ／h）；Pgt為燃氣輪機發電量或發電功率（kW·h或kW）；Pst為汽輪機發電量或發電功率（kW·h或kW）；ζ為綜合廠用電率；F 為天然氣燃料量（kg或 Nm3，kg／h或 Nm3／h）；Sh為供熱單價（元／GJ）；Se為上網電價（元／kW·h）；Sf為天然氣單價（元／kg或元／Nm3）；dh為供熱氣耗率（kg／GJ或 Nm3／GJ）；de為發電氣耗率（kg／kW·h或 Nm3／kW·h）。

而熱電產品利潤為：

式中，SP為熱電銷售利潤（元）；Gh為供熱固定成本分攤（元）；Ge為供電固定成本分攤（元）。

由式（3）可知，當固定成本不變時，熱電邊際貢獻將對利潤產生直接的影響，邊際貢獻越大，熱電產品利潤就越大。所以在一定的運行條件下，實現熱電邊際貢獻最大化，實質上是實現熱電利潤最大化。為研究熱電邊際貢獻與供熱、發電負荷、燃料量之間的關系，由式（1）進行變換：

式中，Dh為供熱抽汽量（t／h）；hh為供熱抽汽焓（kJ／kg）；D0、Dc分別為汽輪機進口流量、排汽流量（t／h）；h0、hc分別為汽輪機進口焓、排汽焓（kJ／kg）；當汽輪機有多股進汽，如來自余熱鍋爐的高壓和低壓出口蒸汽時，D0×h0為汽輪機各股進口流量和焓值乘積之和，D0為各股進口流量之和；當抽汽供熱有多級抽汽時，Dh×hh為各級抽汽流量和焓值乘積之和，Dh為各級抽汽流量之和；ηm、ηg分別為汽輪機機械效率和汽輪機側發電機效率。

式（6）中，為簡化計算分析，Dc計算不考慮汽輪機泄漏等損失，并且汽輪機只有供熱抽汽，沒有其他抽汽。

2 “以熱定電”熱電邊際貢獻模型研究

“以熱定電”運行工況是熱電聯產機組最典型的運行方式，它依據供熱負荷的大小來確定發電負荷。在研究熱電邊際貢獻隨抽汽供熱負荷變化規律時，由于主要變化發生在汽輪機側，Pgt×（1－ζ）×Se和F×Sf基本固定不變，可不予考慮。基于此，對式（4）進行簡化，得到“以熱定電”工況下熱電邊際貢獻模型：

由式（7）可知，“以熱定電”運行工況下，熱電邊際貢獻主要與汽輪機發電功率和供熱負荷有關。汽輪機發電功率與汽輪機進汽流量、供熱負荷有關，當汽輪機進汽流量不變時，汽輪機發電功率大小取決于供熱負荷。

3 案例計算分析

以某廠燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產機組為例，對不同工況下的熱電邊際貢獻模型進行計算分析。機組主機部分由一臺燃氣輪機、一臺余熱鍋爐、一臺蒸汽輪機和兩臺發電機組成。聯合循環機組采用分軸布置，即燃氣輪機和蒸汽輪機分軸，分別驅動各自發電機。生產工藝流程簡圖如圖1所示。

燃氣輪機為SGT5－2000E型燃機，由西門子公司提供，額定轉速3 000r／min。余熱鍋爐為雙壓無再熱、無補燃、臥式、無旁路煙囪、自然循環余熱鍋爐，由東方鍋爐集團公司提供。蒸汽輪機為次高壓、單缸、三壓、無再熱、下排汽、單軸、雙抽、凝汽式汽輪機，型號為LZC81－7.8／2.3／1.3／0.6，由上海電氣集團公司提供。蒸汽輪機蒸汽進口分為高壓側和低壓側，分別由余熱鍋爐高壓側和低壓側過熱蒸汽進入。

機組基準工況參數：汽輪機高壓側進口壓力、溫度、流量分別為7.8MPa、521℃和210.4t／h；汽輪機低壓側進口壓力、溫度、流量分別為0.61MPa、222.8℃和56.23t／h；一段抽汽口壓力、溫度、流量分別為2.3MPa、373.3℃和40t／h；二段抽汽口壓力、溫度、流量分別為1.3MPa、328.1℃和50t／h。

“以熱定電”運行工況熱電邊際貢獻隨抽汽量不同，相應各工況發電功率和熱電邊際貢獻計算過程如表1所示。

表" 熱電邊際貢獻不同各工況計算過程表

根據表1數據，得到“以熱定電”工況發電負荷與供熱抽汽量關系曲線以及熱電邊際貢獻與供熱抽汽量關系曲線，如圖2和圖3所示。

圖- 發電負荷與供熱抽汽量關系曲線圖

圖* 熱電邊際貢獻與供熱抽汽量關系曲線圖

由圖2可知，隨著供熱抽汽量增加，發電負荷呈下降趨勢。主要因為汽輪機進口流量不變，隨著抽汽量的增加，抽汽口后用于做功的蒸汽減少，進而降低了發電功率。當抽汽量達到最大抽汽工況時，汽輪機發電功率減少到最低。

而由圖3可知，隨著供熱抽汽量增加，熱電邊際貢獻呈增長趨勢。可見，天然氣耗量基本相同的情況下，按“以熱定電”運行策略，隨著熱負荷增加，熱電邊際貢獻增大，當達到最大抽汽工況時，熱電邊際貢獻最大。

4 結語

（1）本文建立了燃氣—蒸汽聯合循環抽凝供熱機組熱電邊際貢獻計算模型，并推導了“以熱定電”典型運行工況下的熱電邊際貢獻簡化計算模型。

（2）通過實際案例進行計算分析，得出結論：天然氣耗量基本相同的情況下，隨著熱負荷增加，熱電邊際貢獻增加。

（3）建立熱電邊際貢獻計算模型，可以指導企業根據外界熱負荷和電負荷需求情況合理制訂運行策略，優化運行方式，最大限度地降低天然氣燃料成本。

［1］孫培鋒，蔣志強.燃氣輪機在熱電聯產工程中的應用狀況分析［J］.能源研究與信息，2013，29（1）：6－10.

［2］于彥顯，梁輝.燃氣—蒸汽聯合循環機組熱電成本分攤方法探討［J］.熱力發電，2013，42（11）：6－11.

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［6］王漪，薛永鋒，張敏，等.基于能量平衡法的以熱定電數學模型研究［J］.汽輪機技術，2014，56（2）：150－152.

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