燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組供熱比指標計算方法的探究

蔡莼莼 王培紅

東南大學能源與環境學院

1 引言

近年來在節能減排的政策方針下，燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產（以下簡稱聯合聯產）作為一種能源結構優化與環境質量提升的重要手段[1]，已逐漸得到廣泛地應用。火電機組熱電聯產的供熱指標體系已有相關的國家標準，而聯合聯產機組因為本身熱力系統的復雜性，使供熱指標的統計趨于復雜。

在電力行業內普遍依據熱量法原理計算供熱機組的指標。供熱比[2]作為供熱機組熱電產品能耗分攤的一個重要指標，在電廠日常統計中最為關鍵。計算供熱比的主要目的是為進一步將入爐燃料量、廠用電量等能耗合理地分配到熱電產品上。《火力發電廠技術經濟指標計算方法（DL/T 904—2004）》（以下簡稱《標準》）中把供熱比定義為統計期內的機組供熱量與汽輪機熱耗量之比值。火電機組通常由汽輪機抽汽或乏汽對外供熱，均按照《標準》計算供熱比[3]。但對聯合聯產機組而言，燃氣輪機組還有一部分的耗熱量，顯然用《標準》供熱比定義式計算是不恰當的，因此，如何定義聯合聯產機組的供熱比是一個需要解決的問題。

目前，對于聯合聯產機組的供熱比計算，已有一些經驗公式，但根據此供熱比計算得到的供熱標準煤耗率明顯偏低，故需要對供熱比的計算公式進行修正。本文以藍天燃機廠熱電聯產機組給出的供熱比經驗式為例，指出該經驗式的問題，基于熱量法的基本原則提出供熱比的計算公式，并對其合理性進行驗證。

2 藍天燃機廠熱電聯產機組的供熱比指標問題

藍天熱電有限公司燃機分廠對于熱電聯產機組供熱比λ的現有計算公式如下：

式（1）中，Qh為熱電聯產機組的供熱量，單位為kJ；Pel,GT，Pel,ST分別為燃氣輪機和蒸汽輪機的發電量，單位均為kW；1.45為調整系數。

式（1）中，Q0為蒸汽輪機的循環吸熱量，單位為kJ，其計算方法如下：

式（2）中，D0為鍋爐總蒸發量，Dfw為給水流量，單位均為kg；h0為主蒸汽焓值，hfw為給水焓值，單位均為kJ/kg。

由供熱比λ計算供熱標準煤耗率[4]的公式如下：

式（3）中，Btp為總的標準煤耗量，單位為kg；Qh為聯合聯產機組的供熱量，單位為kJ。

式（4）中，mNG為總燃氣量，單位為m3；LHVNG為燃氣的低位熱值，單位為kJ/m3；q1為煤的標準低位熱值，一般取29 271 kJ/kg。

2014年12月2日機組運行的主要數據如表1所示：

表1 2014年12月2日藍天燃機廠機組運行相關數據

由表1的工況數據計算供熱比和供熱標準煤耗率：

熱電聯產熱耗分攤有很多方法，我國最常用的為熱量法[5-6]，根據熱量法對熱電聯產機組進行熱耗分攤，可以得到供熱標準煤耗率：

式（5）中，ηtp(h)為熱電聯產機組的供熱熱效率。

由于供熱熱效率ηtp(h)＜1，故應該大于34.1 kg/GJ。根據藍天燃機廠提供的供熱比公式進行計算得出的偏小，因此該供熱比計算公式存在問題。

下文將對此經驗供熱比計算公式進行修正，在修正的過程中，首先建立燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產熱耗分配和熱經濟指標計算模型，然后類比參考火電機組熱電聯產的供熱比計算公式，提出聯合聯產機組的供熱比計算公式。

3 燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產熱耗分配和熱經濟指標計算模型

燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產是分布式能源系統中一種典型的系統形式，包含燃氣輪機組的勃雷登循環和余熱鍋爐及熱電聯產汽輪機的朗肯循環兩個部分，總體配置方案如圖1所示。在勃雷登循環中，天然氣與壓縮空氣在燃氣輪機內燃燒并作功，除了驅動壓氣機耗功外還對外做功；在朗肯循環中，燃機排放的煙氣在余熱鍋爐內通過換熱產生蒸汽并在熱電聯產汽輪機內作功，同時汽輪機的抽汽或排汽用于供熱。與傳統的蒸汽輪機熱電聯產相比，這種方式用燃氣輪機和余熱鍋爐替代了傳統的燃煤或燃油鍋爐，后部的汽輪機發電機組基本相同[7]。

基于能量守恒定律，考慮聯合聯產機組各部分的能量平衡關系，尤其是燃氣輪機組的能量平衡關系，引入燃氣輪機組的能量損失率等概念，為建立統一的熱經濟性指標奠定基礎。

燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組的能量平衡圖如圖2所示。

根據聯合循環熱電聯產的能量平衡圖，其能量平衡與熱耗分配的方法如下：

（1）燃氣輪機組的能量平衡關系為：

式（6）中，mNG為輸入燃氣輪機的天然氣量，單位為kg/h；

LHVNG為天然氣的低位熱值，單位為kJ/kg。

Qair為輸入空氣帶入的熱量，單位為kJ/h。

Qgas為燃氣輪機組的排煙熱量，Q(loss,GT)為燃氣輪機組的能量損失，單位均為kJ/h。

P(el,GT)為燃氣輪機組的發電量，單位為kW。

ηmηg是燃氣輪機發電機組內機械效率與發電機效率的乘積，此處根據設計數據取為常數0.96。

燃氣輪機組的能量損失率ζGT定義如下：

（2）余熱鍋爐的能量平衡關系為：

圖1 燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產的總體配置方案圖

圖2 聯合循環熱電聯產機組的能量平衡圖

式（10）中，Q0為蒸汽輪機循環吸熱量，單位為kJ/h；ηhp為余熱鍋爐及管道效率。

（3）熱耗分配的計算方法

機組綜合能量利用效率η定義如下：

式（13）中，Qtp(h)為聯合循環熱電聯產供熱的熱耗，Qtp(e)為聯合循環熱電聯產發電的熱耗，單位均為kJ/h。

按照熱量法分配原則，供熱熱耗Qtp(h)為：

式（14）中，Qh為熱電聯產機組的供熱量，單位kJ/h。

由（13）式，發電熱耗 Qtp(e)為：

（4）熱經濟指標的計算方法

發電熱效率ηtp(e)：

4 燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組供熱比計算公式的修正

4.1 火電機組熱電聯產的供熱比計算公式

《標準》中把供熱比定義為統計期內的機組供熱量與汽輪機熱耗量之比值。火電機組通常由汽輪機抽汽或乏汽對外供熱，均按照《標準》計算供熱比。故火電機組熱電聯產的供熱比計算公式為：

火電機組熱電聯產中，熱電廠總熱耗Qtp與汽輪機熱耗Q0有如下關系[8]：

式（21）中，ηbp為火電機組中的鍋爐及管道效率。

以上，火電機組熱電聯產的供熱比計算公式表示為：

基于熱量法的熱耗分攤，供熱方面的熱經濟指標[3]有如下：

以上，發現兩種方法計算得出的供熱標準煤耗率相同，即根據此供熱比公式計算得到的標準煤耗率滿足熱量法的熱耗分攤原則。

4.2 聯合聯產機組的供熱比計算公式

類比公式（22），提出聯合聯產機組的供熱比計算公式為：

式（26）中，η為機組綜合能量利用效率（詳細定義見式（11））。

根據式（3）計算供熱標準煤耗率，

由上文基于熱量法建立的熱經濟性指標模型中式（19），可知：

以上，發現兩種方法計算得出的供熱標準煤耗率相同，說明根據所提出的供熱比公式計算得到的標準煤耗率，滿足熱量法的熱耗分攤原則，驗證了所提出的供熱比計算公式的合理性。

5 算例

針對本文開始提出的藍天燃機廠熱電聯產機組提供的供熱比公式存在的問題，現使用上文提出的供熱比計算公式進行指標計算，并將計算結果進行對比。

由表1中的工況數據，根據式（26）計算供熱比：

根據表1中的工況數據，按照文章第3節的定義步驟，計算機組綜合能量利用效率η：

忽略空氣帶入的熱量，燃汽輪機組的熱平衡：

報表中沒有看到關于燃氣輪機組熱量損失的相關數據，故假設ζGT=5% ，ηGT=0.95，則各參數的計算結果見表2。

供熱比

供熱比計算公式修正前后，供熱方面的熱經濟指標對比如表3所示：

表3 供熱比計算公式修正前后的指標對比

通過對比可以看出：經過實際工況數據的計算，修正后得到的供熱標準煤耗率的值高于理想值34.1 kg/GJ，符合熱力學第一定律。

關于所求得的供熱標準煤耗率的正確性有待商榷，因為在之前的計算過程中，對燃氣輪機組的熱量損失（除發電及排至余熱鍋爐的煙氣熱量之外的燃氣輪機組損失的熱量，包括散熱損失、燃氣輪機組軸系機械損失、軸封漏氣損失等）進行了假設。而且，供熱比的公式是在所提出的聯合聯產機組的評價指標的延伸，所提出的指標體系的合理性已在文獻[9]得到驗證，但正確性還有待進一步研究，需要更多聯合聯產機組實際供熱工況數據的支撐。

表2 2014年12月2日藍天燃機廠機組運行計算參數

[1] 鐘文琪，盧平，顧利鋒. 江蘇利用天然氣的合理途徑—燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產[J]. 江蘇電機工程，2002，21（4）：5-8.

[2] DL/T 904—2004，火力發電廠技術經濟指標計算方法[S].

[3] 曹炳元，陳國年. 大機組非熱電聯產供熱比指標及簡捷計算方法[J].江蘇電機工程，2011，30（6）：5-8.

[4] 張東. 熱電聯產機組供熱煤耗計算方法分析[J].華電技術，2013，35（7）：44-46.

[5] 楊豫森，嚴俊杰，趙子謙，等. 熱電廠熱電煤耗成本分攤方法的研究[J].熱力發電，2004（2）：1-4.

[6] 尚玉琴，崔朝英，宋之平. 關于熱電聯產電廠熱電單耗分攤的討論[J].動力工程，2000，20（6）：992-995.

[7] 忻祎. 燃氣-蒸汽聯合循環電廠熱電聯產的優化配置[D].上海交通大學碩士論文，2007.

[8] 鄭體寬. 熱力發電廠[M].北京:中國電力出版社. 2008.

[9] 蔡莼莼. 燃氣蒸汽聯合循環發電及其熱電聯產的經濟性評價[D].東南大學畢業設計，2015.