熱電聯產機組能效指標探討

喻培元，宋曉彥

(湖北安源安全環保科技有限公司，湖北 武漢 430040)

1 引言

隨著經濟快速發展，大氣污染，氣候變暖等問題愈發嚴重，熱電聯產技術因其在節能減排方面的優勢，得到了快速發展。熱電聯產技術的目的就是實現能量的梯級利用，是熱力學第二定律的體現，高品位能量首先用于發電，剩余的低溫熱能再用于供熱[1～3]。針對目前常用的熱電聯產機組能耗指標和計算方法，一些學者提出了質疑，認為部分指標和計算方法無法有效的體現不同能量的品質[4～6]。本文對各種不同的能耗指標和計算方法進行對比分析，對這些指標和計算方法的理解提出一些看法。

2 目前熱電聯產機組幾種不同能耗指標及其計算方法

目前，熱電機組能耗計算方法主要有：熱量分攤法[7]、參照鍋爐法、參照電廠法和一些學者提出的火用效率法，主要的能耗指標包括綜合熱效率、熱電比、單位發電煤耗、單位供熱煤耗、綜合火用效率[8～10]。

2.1 熱量分攤法

熱量分攤法是按發電、供熱所耗熱量的比例來分配總的耗煤量。計算公式如下。

(1)

(2)

(3)

2.2 參照鍋爐法

參照鍋爐法將熱電聯產中供熱所消耗的煤量等效為標準大型燃煤鍋爐所消耗煤量，參照鍋爐法計算公式如下。

(4)

(5)

目前標準大型燃煤鍋爐產熱效率一般取0.9。

2.3 參照電廠法

與參照鍋爐法類似，參照電廠法將熱電聯產中發電所消耗的煤量等效為燃煤純發電電廠所消耗煤量，參照電廠法計算公式如下。

供熱煤耗=

(6)

2020年全國平均發電煤耗為305 kgce/(kW·h)。

2.4 火用效率法

根據熱力學第二定律，不同形式的能量轉化為其它形式的能量時其轉化率不同，一般用火用焓比表示能量的能級，電能和燃料的化學能可完全轉化為熱能，其火用焓比為1；熱能轉化為機械以能再轉化為電能，其轉化率遵循卡諾定律，工質參數不同其能級不同，如100 ℃的蒸汽其火用焓比為0.2，200 ℃的蒸汽其火用焓比為0.36。根據熱力學第二定律，熱電聯產火用效率計算公示[10]如下：

(7)

火用效率=總熱效率×

(8)

下面以上述四種方法分別計算三組不同背壓機組的相關指標(A、B、C三個機組的熱效率相同，均為86.00%)。

機組A：總耗煤量為1 tce(相當于8.14 MW·h)，供熱量為21.6 GJ(200 ℃熱蒸汽)(相當于6 MW·h)，發電量為1 MW·h。

機組B：總耗煤量為1 tce(相當于8.14 MW·h)，供熱量為18.0 GJ(200 ℃熱蒸汽)(相當于5 MW·h)，發電量為2 MW·h。

機組C：總耗煤量為1 tce(相當于8.14 MW·h)，供熱量為21.6 GJ(100 ℃熱蒸汽)(相當于6 MW·h)，發電量為1 MW·h。

3 分析與討論

A、B、C三個方案總熱效率相等，均為86%，方案A與方案B相比，多了3.6 GJ的200 ℃熱蒸汽(相當于1 MW·h)，少了1 MW·h的電量，多出的200 ℃熱蒸汽熱量與少的1 MW·h電量熱量相等，但電的品質更高，因此根據熱力學第二定律，方案B總體能量品質高于方案A，同理，相同熱量的200 ℃熱蒸汽品質高于100 ℃熱蒸汽，方案A總體能量品質高于方案C，三個方案總體能量品質B優于A優于C。

熱量分攤法供熱煤耗總是高于參照鍋爐法，這是因為熱量分攤法供熱煤耗是按總熱效率來把熱折算為燃煤，把最終產生的電能、熱能都按當量值轉換成熱能。參照鍋爐法供熱煤耗只按燃煤鍋爐單獨的產熱效率來把熱折算為燃煤，而總熱效率永遠低于燃煤鍋爐單獨的產熱效率(上述三個方案的總熱效率均為86%，燃煤鍋爐單獨的產熱效率為90%)。熱量分攤法供熱煤耗比例更大，因此熱量分攤法發電煤耗更小。

A、B、C三個方案熱量分攤法的發電煤耗和供熱煤耗均相同，與“三個方案總體能量品質B優于A優于C”的直觀結論不符，因為熱量分攤法本質上以熱力學第一定律為基礎，把熱能和電能均作為熱能來對待，無法區分電能與熱能品質的不同，只要總熱效率不變，系統的發電煤耗和供熱煤耗就不變。熱量分攤法只追求總熱效率，完全無法體現能量的梯度利用，電能與熱能的差別也無法體現。

參照鍋爐法中鍋爐產熱效率均取90%，供熱煤耗相同，參照電廠法中發電煤耗取全國平均發電煤耗，發電煤耗相同。依據表1的計算結果，方案B參照鍋爐法計算的發電煤耗小于方案A，方案B參照電廠法計算的供熱煤耗小于方案A，與“方案B總體能量品質高于方案A”這樣的直觀結論相符，主要是因為方案A與方案B的熱電比不同導致的，方案B的熱電比小于方案A，其發電量占比大于方案A，而電能的品質高于熱能的品質，說明參照鍋爐法和參照電廠法均能體現電能與熱能兩者能量品質的不同，一定程度上能體現能量的梯度利用。

表1 3種不同熱電機組的4種能耗計算結果

比較方案A與方案C，參照鍋爐法和參照電廠法兩種方法計算的發電煤耗和供熱煤耗完全相同，與“方案A總體能量品質高于方案C”的結論不符，主要是方案A與方案C的熱電比相同，而熱電比中的熱量沒有品質高低之分，其把所有熱量都同等看待，說明盡管參照鍋爐法和參照電廠法均能體現電能與熱能兩者能量品質的不同，但無法體現不同熱能間品質的區別。

火用效率：B>A>C，與“三個方案總體能量品質B優于A優于C”的直觀結論相符，因為火用效率法較好的體現了不同能量的品質，不僅能體現電與熱品質的不同，也能體現不同溫度的熱蒸汽品質的不同(火用焓比：電>200 ℃熱蒸汽>100 ℃熱蒸汽)。

4 結論

熱量分攤法依據熱力學第一開定律，完全無法區分不同能量的品質；參照鍋爐法和參照電廠法能較好區分電能與熱能品質的高低，但無法區分不同熱能品質的高低；火用效率法能較好的區分各種不同能量的品質，采用火用效率指標能較好推動熱電聯產機組能量梯度利用，建議熱電聯產機組能耗指標中增加火用效率指標。