熱電聯(lián)產(chǎn)中熱電效益分?jǐn)偟膽?yīng)用分析

郭聰，田貫三

（山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

0 引言

在我國，熱電廠運(yùn)營過程中經(jīng)常出現(xiàn)供熱虧損。造成供熱虧損問題的原因有很多，既有政策法規(guī)方面的，也有經(jīng)濟(jì)規(guī)律方面的［1－2］，還有熱電成本分?jǐn)偫碚摲椒ǚ矫娴模?－6］。通過熱電聯(lián)產(chǎn)可得到熱能和電能2種產(chǎn)品，二者形式不同、質(zhì)量不等，因此需要盡快將熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的熱經(jīng)濟(jì)效益合理地分?jǐn)倖栴}提上日程。

以經(jīng)濟(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡椒ǎ?－9］在綜合考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱量與發(fā)電電量經(jīng)濟(jì)價(jià)值的基礎(chǔ)上，引入經(jīng)濟(jì)效益系數(shù)，提出以單位燃料消耗量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值來考核熱電廠能量利用率，從宏觀角度分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的成本和收益，把研究對象集中到產(chǎn)品輸出和成本消耗。常見的方法有綜合效益法、經(jīng)濟(jì)學(xué)法和黃金分割法，僅以盈利為目的，未過多分析熱力過程。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡绞胶雎粤四芰康馁|(zhì)量差別，計(jì)算出的發(fā)電熱效率高于相同條件下理想朗肯循環(huán)熱效率，以熱量法、實(shí)際焓降法為代表［7，10－11］。以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡绞阶⒅啬芰康钠焚|(zhì)與可用性，能夠?qū)Πl(fā)電供熱過程中的不可逆損失進(jìn)行分析和量化，揭示了能量傳遞轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量損耗，常見的方法有做功能力法、折合法、比例法、效率法、熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法等［5，12］。其中，熱經(jīng)濟(jì)學(xué)法又叫經(jīng)濟(jì)學(xué)［13－14］，其將熱力學(xué)分析與經(jīng)濟(jì)因素統(tǒng)一考慮，在能量流中有現(xiàn)金流，可直觀看到每股能流的成本，進(jìn)而合理分?jǐn)?。不過該方法計(jì)算較復(fù)雜，難以大范圍推廣應(yīng)用。

文章采用效益分?jǐn)偰Ｐ停?yīng)用于型號為C350－24．2／0．4／566／566的 350 MW抽凝機(jī)組，分別考慮再熱和不再熱過程，當(dāng)改變汽輪機(jī)的供汽量、抽汽量時(shí)，對熱電廠參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算分析，總結(jié)出熱電廠隨負(fù)荷變化的能耗變化規(guī)律，對不同的熱電分?jǐn)偡椒ㄟM(jìn)行了對比分析。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)原理與熱電效益分?jǐn)倲?shù)學(xué)模型概述

1．1 熱電聯(lián)產(chǎn)原理

熱電廠的主要運(yùn)行方式為熱電聯(lián)產(chǎn)，其原理是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高品位的熱能用來發(fā)電，同時(shí)將已在供熱式汽輪機(jī)中做了部分功后的低品位熱能，用來對外供熱，符合按質(zhì)用能的原則［2－4，15］。如圖1所示，熱電廠輸出給熱用戶的蒸汽（熱能）是汽輪機(jī)中沒有完全用來發(fā)電的蒸汽，這部分蒸汽余下的熱能被熱用戶利用，減少了冷源損失，提高了熱利用率，因此熱電聯(lián)產(chǎn)被認(rèn)為是一種有效的能源利用方法。

圖1 調(diào)節(jié)抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)熱力系統(tǒng)圖

熱電聯(lián)產(chǎn)將熱、電二者共同產(chǎn)出，不僅涉及到熱力企業(yè)、電力行業(yè)本身的利益，同時(shí)也涉及到二者的用戶相關(guān)權(quán)益。因此在核計(jì)成本時(shí)就自然會關(guān)系到熱、電這兩種產(chǎn)品各自的成本，這就有了如何分配及分配是否合理的問題。熱電產(chǎn)品成本上的分配對二者能否制定出合乎情理的價(jià)格息息相關(guān)，主要影響因素有選取的分?jǐn)偰Ｐ秃头峙錁?biāo)準(zhǔn)，若以上因素不同，據(jù)此得到的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益也存在明顯差別。因此，熱電產(chǎn)品合理定價(jià)的前提是選取科學(xué)的、適當(dāng)?shù)姆謹(jǐn)偡椒ā?/p>

1．2 熱電效益分?jǐn)倲?shù)學(xué)模型

1．2．1 熱量法

熱量法在劃分熱電廠總熱耗量時(shí)忽略能質(zhì)差別，僅僅考慮生產(chǎn)電能和熱能所消耗能量的數(shù)量。比如不論是鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽，還是已經(jīng)做了部分功后被抽出用于供熱的蒸汽，只要熱量的數(shù)量相等，就認(rèn)為二者供熱的熱耗量相同。這樣聯(lián)產(chǎn)時(shí)的供電煤耗和供電成本就會比單產(chǎn)時(shí)大大降低。這種方法簡單直觀、便于考核，是我國法定的通用熱電成本分?jǐn)偡椒ǎ撬坏珶o法區(qū)分供熱蒸汽不同參數(shù)的品質(zhì)，而且把過程中各種不可逆損失都轉(zhuǎn)化成熱能給了熱用戶，打擊了熱用戶的積極性，屬于“好處歸電”法。這種方法會使熱分?jǐn)偙冗^大，導(dǎo)致熱用戶忽視對用熱工藝和設(shè)備的改造來降低用汽參數(shù)，從而使熱電聯(lián)產(chǎn)總的熱經(jīng)濟(jì)性降低。

熱量法的熱電分?jǐn)偙扔?jì)算式由式（1）［2］表示為

式中：αk（1）為熱量法的熱電分?jǐn)偙?；Qtp、Qtp（h）分別為熱電廠總熱耗量、分配給供熱方面的熱耗量，GJ／h；Btp、Btp（h）分別為熱電廠的總煤耗量、供熱煤耗量，kg／h；D0、Dh分別為主蒸汽流量、供熱抽汽量，kg／h；h0、hh、ht、hfw、hbs分別為主蒸汽焓、抽汽焓、回水焓、給水焓、化學(xué)補(bǔ)充水焓，kJ／kg；q0、qh、σ分別為熱電聯(lián)產(chǎn)1 kg蒸汽對外供熱量、循環(huán)吸熱量、再熱器中的吸熱量，GJ；αre為再熱流量系數(shù)；φ為熱用戶的供熱回水率。

1．2．2 實(shí)際焓降法

實(shí)際焓降法是按汽輪機(jī)供熱抽汽的實(shí)際焓降不足與進(jìn)汽的總實(shí)際焓降的比例來分配?？紤]到供熱蒸汽在品位方面的差別，對外供熱蒸汽參數(shù)越低，實(shí)際焓降越小，熱分?jǐn)偙仍叫?，對?yīng)的熱耗和煤耗越小。鼓勵了熱電廠降低用熱參數(shù)，增加機(jī)組發(fā)電量、提高能源利用率。但將冷源損失都?xì)w于發(fā)電，而沒有分?jǐn)偨o供熱，把熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益都?xì)w于供熱方面，也是不全面的。

實(shí)際焓降法的熱電分?jǐn)偙扔墒剑?）［2］表示為

式中：αk（2）為實(shí)際焓降法的熱電分?jǐn)偙?；hc為供熱汽輪機(jī)排汽焓，kJ／kg；kre為汽輪機(jī)是否再熱確定系數(shù)，再熱時(shí)取1，非再熱時(shí)取0。

做功能力法是以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，同時(shí)考慮了熱能的數(shù)量和質(zhì)量差別，按熱電聯(lián)產(chǎn)供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力的比例來分配。考慮了供熱蒸汽質(zhì)量（做功能力大?。┑膮^(qū)別，將熱電聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟(jì)效益（節(jié)能）分配到熱、電2種產(chǎn)品。但是因供熱式汽輪機(jī)排汽溫度與環(huán)境溫度相差較小，故該方法與實(shí)際焓降法的計(jì)算結(jié)果接近。

做功能力法的熱電分?jǐn)偙扔墒剑?）表示為

式中：αk（3）為做功能力法（方法）的熱電分?jǐn)偙龋籩0、eh分別為主蒸汽、抽汽，kJ／kg；Sh為供熱汽輪機(jī)抽汽熵，k J／（kg·K）；Ten為環(huán)境溫度，K；S0為主蒸汽熵，kJ／（kg·K）。

1．2．4 熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

熱電廠總熱耗量由式（4）［2］表示為

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為主蒸汽管道效率。供熱量由式（5）表示為

熱電廠總效率由式（6）表示為

式中：Pe為機(jī)組額定功率，MW。

分配給發(fā)電方面的熱耗量由式（7）表示為

發(fā)電熱效率由式（8）表示為

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率由式（9）表示為

供熱熱效率由式（10）表示為

式中：Q為熱用戶的用熱量，GJ／h。

供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率由式（11）表示為

2 熱電效益分?jǐn)倲?shù)學(xué)模型應(yīng)用分析

2．1 參數(shù)影響分析

由Medpha數(shù)據(jù)庫可得，濟(jì)南地區(qū)（由于泰安市不在數(shù)據(jù)庫中，且考慮到泰安市與濟(jì)南市距離較近，采用濟(jì)南市數(shù)據(jù)）全年逐時(shí)溫度變化曲線和各月平均干球溫度如圖2、3所示。

圖2 全年逐時(shí)溫度變化曲線圖

圖3 月平均干球溫度變化曲線圖

通過建設(shè)汽水換熱首站，利用汽輪機(jī)抽汽加熱一次網(wǎng)回水進(jìn)行供熱，因此不同室外溫度下需要調(diào)整抽汽量來提供相應(yīng)熱負(fù)荷。

（1）保持額定供汽量為1086．95 t／h不變，改變抽汽量 保持額定供汽量不變，按照熱量法、實(shí)際焓降法、做功能力法計(jì)算得出不同抽汽量下的汽輪機(jī)的供熱參數(shù)如圖4～6所示，3種方法的熱電分?jǐn)偙热鐖D7所示。圖4～7中，不考慮再熱時(shí)，分配給供熱的熱耗量為A1、分配給發(fā)電的熱耗量為B1、熱電分?jǐn)偙葦?shù)學(xué)模型使用熱量法為C1、使用實(shí)際焓降法為D1、使用做功能力法時(shí)為F1；考慮再熱時(shí)的對應(yīng)條件分別為 A2、B2、C2、D2、F2。

由圖4～6可知，考慮再熱后，隨著抽氣量的增加，分配給發(fā)電的熱耗量隨之減少，發(fā)電熱耗量降低了約60%；分配給供熱的熱耗量隨之增大，增幅約13%，對比是否考慮再熱的2種情況，熱量法不變，實(shí)際焓降法與做功能力法的變化相近。

圖4 熱量法在不同抽汽量時(shí)的熱耗量圖

圖5 實(shí)際焓降法在不同抽汽量時(shí)的熱耗量圖

圖6 做功能力法在不同抽汽量時(shí)的熱耗量圖

圖7 3種方法在進(jìn)汽量不變、改變抽汽量情況下的熱電分?jǐn)偙葓D

由圖7可知，隨著抽汽量的增加，熱電分?jǐn)偙炔粩嘣龃?；相同供汽量和抽汽量時(shí)，熱量法計(jì)算出的熱電分?jǐn)偙茸畲?，做功能力法次之，?shí)際焓降法最小，熱量法比實(shí)際焓降法的計(jì)算結(jié)果高80%，做功能力法高4%。隨著抽汽量的增加，實(shí)際焓降法受再熱影響最大，考慮再熱前后根據(jù)熱量法、做功能力法和實(shí)際焓降法計(jì)算的熱電分?jǐn)偙确謩e下降了15%、0%、40%。

（2）保持額定抽汽量為510 t／h不變，改變進(jìn)汽量 保持抽汽量為510 t／h不變，按照熱量法、實(shí)際焓降法、做功能力法計(jì)算得出不同進(jìn)汽量下的供熱參數(shù)如圖8～10所示，3種方法的熱電分?jǐn)偙热鐖D11所示。圖中 Ai、Bi、Ci、Di、Fi（i＝1，2）的含義與圖4～7相同。

由此可知，考慮再熱前后，分配給發(fā)電的熱耗量增幅17% ～31%；隨著供汽量的增加，熱電分?jǐn)偙炔粩鄿p少；當(dāng)供汽量和抽汽量保持不變時(shí)，熱量法計(jì)算出的熱電分?jǐn)偙茸畲螅龉δ芰Ψù沃瑢?shí)際焓降法最小，考慮再熱前后分別下降了15%、0%、42%；隨著供汽量的增加，熱電分?jǐn)偙葴p小的趨勢減緩。

圖8 熱量法在不同進(jìn)汽量時(shí)的熱耗量圖

圖9 實(shí)際焓降法在不同進(jìn)汽量時(shí)的熱耗量圖

圖10 做功能力法在不同進(jìn)汽量時(shí)的熱耗量圖

圖11 3種方法在抽汽量不變、改變進(jìn)汽量情況下的熱電分?jǐn)偙葓D

做功能力法和實(shí)際焓降法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)是相近的，這是因?yàn)槠啓C(jī)排汽溫度與環(huán)境溫差比較小，由此得出的Qtp（h）值接近。汽輪機(jī)內(nèi)效率偏低而多耗的熱量，致使發(fā)電煤耗率高于電力系統(tǒng)中代替凝汽式機(jī)組的煤耗率，因此電廠不接受該方法。

2．2 額定工況應(yīng)用分析

以某超臨界350 MW中間再熱抽氣凝汽式汽輪機(jī)組 C350－24．2／0．4／566／56為參考對象，應(yīng)用不同分?jǐn)偰Ｐ蛯岢杀具M(jìn)行分析計(jì)算，該抽凝機(jī)組的具體供熱參數(shù)見表1。其中，熱電廠的環(huán)境溫度為300 K，鍋爐管網(wǎng)效率 ηbηp為 0．88、機(jī)電效率 ηmηg為0．98；ηm為汽輪機(jī)的機(jī)械效率；ηg為發(fā)電機(jī)的效率；熱網(wǎng)效率ηhs為0．97。實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為鍋爐實(shí)際進(jìn)汽多耗系數(shù)αT為1．58，再熱流量系數(shù)αre為0．84，給水泵的泵功（焓升）hbs為24．7，回水率為100%。

經(jīng)查詢得到再熱器進(jìn)口蒸汽焓值為3000．8 kJ／kg，再熱器出口蒸汽焓值為3593．3 kJ／kg，出口熵值為 7．25 kJ／（kg·K）；供熱回水焓值為335 kJ／kg。將上述數(shù)據(jù)帶入式（11），計(jì)算結(jié)果見表 2、3，其中 i取值為 1、2、3。

表1 C350－24．2／0．4／566／566抽凝機(jī)組參數(shù)表

由表2、3可知，考慮再熱前后除了發(fā)電熱耗量和供電標(biāo)煤耗有17%～28%的增幅外，其他指標(biāo)都產(chǎn)生不同程度的下降；無論是否考慮再熱，用熱量法計(jì)算得到的供熱熱耗量Qtp（h）、供熱標(biāo)煤耗熱熱效率ηtp（h）均沒有變化，這是由熱量法的定義決定的；無論是否考慮再熱情況，采用做功能力法計(jì)算的熱電分?jǐn)偙冉Y(jié)果不變；對于上述3種計(jì)算方法來說，發(fā)電熱效率 ηtp（e）、分配給供熱方面的熱耗量Qtp（h）、供熱標(biāo)煤耗以及熱電分?jǐn)偙?αk（i）均是依次減少的，用熱量法計(jì)算的數(shù)值最大，實(shí)際焓降法計(jì)算的最??；分配給發(fā)電方面的熱耗量Qtp（e）、發(fā)電標(biāo)煤耗和供熱熱效率 ηtp（h）依次增加。這也驗(yàn)證了熱量法是“好處歸電法”，實(shí)際焓降法是“好處歸熱法”。熱量法得到的熱電分?jǐn)偙让黠@高于做功能力法和實(shí)際焓降法計(jì)算得到的數(shù)值，同時(shí)熱量法為我國法定的分?jǐn)偡椒ǎ@樣會鼓勵熱電廠多發(fā)電、少供熱，打擊熱力企業(yè)的積極性，無法刺激企業(yè)改造相關(guān)工藝技術(shù)，造成很大能源浪費(fèi)。

表2 不考慮再熱情況下的熱、電參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

表3 考慮再熱情況下的熱、電參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論

通過上述分析表明：

（1）供汽量不變，改變抽汽量時(shí)，隨著抽汽量的增加，發(fā)電熱耗量降低約60%；分配給供熱的熱耗量增幅約13%；熱電分?jǐn)偙炔粩嘣龃?，熱量法比?shí)際焓降法的計(jì)算結(jié)果高80%，比做功能力法高4%。隨著抽汽量的增加，實(shí)際焓降法受再熱影響最大，考慮再熱前后的熱電分?jǐn)偙认啾容^，熱量法、做功能力法和實(shí)際焓降法的計(jì)算值分別下降了15%、0%、40%。

（2）抽汽量不變，改變供汽量時(shí)，隨著供汽量的增加，考慮再熱前后，分配給發(fā)電的熱耗量增大17%～31%；考慮再熱前后的熱電分?jǐn)偙认啾容^，熱量法、做功能力法和實(shí)際焓降法的計(jì)算值分別下降了15%、0%、42%；隨著供汽量的增加，熱電分?jǐn)偙炔粩鄿p少，且趨勢減緩。

（3）350 MW抽凝機(jī)組在額定抽汽量、供汽量時(shí)，無論是否考慮再熱情況，采用做功能力法計(jì)算的熱電分?jǐn)偙冉Y(jié)果不變。