熱電聯產機組煤耗指標與節能量分析

郭俊山，游大寧，康夜雨，鞏志強，商攀峰

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001；3.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253006）

0 引言

隨著我國產業升級，燃煤壓減步伐不斷加快，原有用于供應企業生產蒸汽和居民采暖的小型火電機組、燃煤鍋爐無法適應時代要求而退出運行。由此產生的供熱、供汽缺口將由大型火力發電廠替代供應。大型火電機組以熱電聯產方式同時承擔電負荷、大規模工業熱負荷及采暖熱負荷運行將成為常態［1-2］。

火電機組承擔大規模熱負荷后運行特性發生變化，煤耗水平評價也更加復雜［3-4］。但是現行的熱電機組煤耗計算仍然采用與純凝機組相同的發（供）電煤耗率表征。具體計算方法是將機組對外供熱量從吸熱量中扣除［5］，導致火電機組供熱后發電煤耗率大幅下降。這種計算方法沒有考慮能量品質的差別，計算結果具有一定誤導性。一是火電機組承擔大規模熱負荷后，發電煤耗率大幅下降，但同樣發電量下燃煤實際消耗量卻明顯上升，實際燃煤消耗量的增加與燃煤指標下降的節能效果相反；二是機組經小規模投資改造承擔熱負荷后發電煤耗率下降效果遠遠優于大幅投資的機組提效改造效果，導致諸多可提升機組發電效率的改造項目遭受質疑。因此當前的發（供）電煤耗率指標對于熱電聯產機組提升能源利用效率缺乏指導意義［6］。

為解決上述問題，將根據熱電機組實際生產流程合理計算熱電機組發電煤耗率指標，引入社會節煤量概念客觀分析熱電聯產機組在當前形勢下節能點及節能量。

1 熱電機組煤耗率計算方法

1.1 熱電機組煤耗分析

現行國內通用的熱電機組煤耗率計算方法如式（1）所示。其基本原理是將機組對外供熱量Qgr從吸熱量中扣除，從而將供熱利用的冷源損失歸結到發電側，降低機組發電煤耗率。由于水的汽化潛熱較大，從熱量總量角度核算，機組冷源損失占據很大比例。以國內典型300 MW 亞臨界機組為例，機組純凝運行時，主蒸汽焓值為3 397.2 kJ/kg，排汽焓值約為2 344.8 kJ/kg，再熱吸熱501 kJ/kg。1 kg 蒸汽做功量1 202.84 kJ，冷源損失量1 490 kJ（凝結水溫度按35 ℃計）。冷源損失量占總吸熱量的比例接近60%。機組供熱后將利用部分或全部冷源損失熱量，按照式（1）的算法，機組供熱后發電煤耗率將大幅降低。

式中：bp為機組供熱后發電煤耗率，g/kWh；Qgr為機組對外供熱量，MJ；Qsr為機組循環吸熱量，MJ；PM為機組負荷，MW；ηb為鍋爐效率；ηgd為管道效率。

以上算法是不合理的，可以從以下兩個角度分析。

從能量品質角度分析，機組排汽所蘊含的大量熱量中能夠轉化為電能的很少，根據熱力學第二定律其可用能比例僅有2.4%［7］，即僅有35.8 kJ/kg 熱量可用于發電。因此，即便機組冷源損失可以回收，也不能利用于發電。即機組供熱利用的冷源損失不能直接等同于機組發電耗能的下降計算。

其次，從火電廠實際生產流程看，供熱汽流抽出后流向熱用戶，不再返回機組發電，客觀上沒有增加任何額外電力輸出，所以不會降低機組發電煤耗［8］。

此外，通常情況下機組排汽參數無法滿足熱用戶使用需求，需要從汽輪機中間部分抽出滿足用戶參數要求的汽流輸出，從而使蒸汽做功流程相較純凝機組流程縮短。因此，相對純凝機組，供熱機組發出同樣電能所消耗的蒸汽量更多，煤耗量將有所增加。

1.2 背壓機組發電煤耗率計算方法

機組供熱分為背壓供熱與抽凝供熱兩類，低真空供熱原理上與背壓供熱相似，可以按背壓供熱分析。從蒸汽流程分析，抽凝機組以看作純凝機組與背壓機組并聯運行。因此，背壓供熱機組煤耗變化情況分析清楚后，可以按照蒸汽比例直接折算抽凝機組煤耗變化情況。

圖1、圖2 分別為純凝機組與背壓機組簡化原則性熱力系統簡圖［9］，假設：1）汽輪機內背壓排汽前兩機組蒸汽流程、參數不變；2）背壓機組背壓排汽前回熱加熱器參數與純凝機組相同，背壓排汽后回熱加熱器切除不影響凝結水系統運行。

圖1 純凝機組熱力系統簡圖

圖2 背壓機組熱力系統簡圖

基于上述假設，以1 kg 主蒸汽為基礎分別計算純凝機組與背壓機組做功量變化。

1 kg主蒸汽在純凝機組中做功量wn為［10］

式中：wn為做功量，kJ；h0為主蒸汽焓，kJ/kg；hn為純凝機組排汽焓，kJ/kg；σ為單位蒸汽再熱吸熱量，kJ/kg；m為再熱蒸汽前回熱抽汽級數；k為機組回熱抽汽總級數；Δhi為第i級回熱抽汽至排汽蒸汽焓差，kJ/kg；αi為第i級回熱抽汽量占主蒸汽比例。

相應燃煤消耗量為

式中：B為燃煤消耗量，kg；hw為給水焓，kJ/kg。

純凝機組發電煤耗率為

基于上述假設，1 kg 主蒸汽在背壓機組中做功量wb為

式中：hb為背壓機組排汽焓，kJ/kg；z為機組切除的回熱抽汽級數。

做功量差值為

式中：hi為第i級回熱抽汽焓，kJ/kg。

背壓機組發電煤耗率為

1.3 抽凝機組發電煤耗率計算方法

抽凝機組按蒸汽流分析可看作純凝機組與背壓機組并聯運行。1 kg 主蒸汽量下抽凝機組發電功率P、發電煤耗率b可按下式計算。

式中：Pn、Pb分別為純凝汽流、背壓汽流做功量，MW；Dn、Db分別為純凝汽流、背壓汽流流量，t/s。

式中：bn、bb分別為純凝汽流、背壓汽流發電煤耗率，g/kWh。

2 熱電機組節煤量分析

機組供熱改造節能原因在于將原來必須浪費的冷源損失加以利用，屬于余熱利用范疇。根據能量實際流向分析，機組余熱利用量可以用代替的熱用戶側熱源耗能量表示。目前我國工業企業、城鎮居民采暖主要采用小型燃煤鍋爐產生蒸汽供應生產、生活使用［11］。熱電機組節能量是小型鍋爐燃煤消耗下降量。

因此，完整的熱電機組煤耗分析需要將熱電機組、熱用戶、供熱鍋爐聯合分析。本文采用社會節煤量ΔB定量評價純凝機組供熱后節煤情況。

式中：ΔB為社會節煤量，kg/h；ΔQ為熱電機組對外供熱量，GJ/h；Δbs為機組供熱后發電煤耗率增量，g/kWh；ηbr、ηgdr分別為小型燃煤鍋爐效率及配套管道效率。

由式（10）可知，社會節煤量由兩部分差值計算得出。節煤部分為按照供熱鍋爐熱能利用效率計算得出的熱電機組對外供熱量所對應的燃煤消耗量，耗煤部分為熱電機組由于蒸汽做功流程縮短而導致的發電煤耗增量。考察當前我國熱電機組與熱用戶實際生產情況，該式評價方法與現實生產情況是吻合的。

式（10）計算結果為ΔQ對應的燃煤總消耗量，為統一評價標準，將社會節煤量折算至單位發電量，定義為社會節煤率：

綜上，所提熱電機組煤耗指標體系已全部給出。修正后的發（供）電煤耗量、煤耗率用于評價火電機組供熱后真實的發電煤耗增加情況；社會節煤量、節煤率一方面確定火電機組供熱真正的節煤點在于用戶側燃煤鍋爐替代，另一方面可以定量計算熱電機組、熱用戶、供熱鍋爐所組成的聯合體的總燃煤消耗量下降情況。

3 計算示例

以某電廠兩臺320 MW 亞臨界熱電聯產機組為例，計算其承擔工業供汽、采暖供熱后煤耗指標情況。

兩臺機組純凝工況主要參數如表1所示。

表1 示例機組主要參數

基于周圍地區的熱負荷需求，兩臺機組都進行了供熱改造，其中1 號機組改造為低真空供熱機組，2號機組改造為再熱熱段抽汽供汽機組。

1 號機組低真空供熱可按背壓機組計算煤耗指標。2號機組按照背壓機組與純凝機組并聯方式分析煤耗指標，該機組常態工業抽汽量約150 t/h，扣除減溫水后再熱抽汽量118 t/h，背壓循環主蒸汽量184 t/h、發電功率31.97 MW、供熱量242.7 GJ/h。兩臺機組主要經濟評價指標計算結果如表2所示。

表2 示例機組主要經濟評價指標

對以上結果進一步分析可知：

純凝工況單位蒸汽做功量最大抽凝次之背壓機組最小，說明供熱汽流比例越大機組發電能力損失越嚴重，發電煤耗率上升越明顯。

三種工況下機組發電煤耗率與發電功率乘積均等于機組實際耗煤量。說明本文提供的發電煤耗率指標可以準確方便核算發電廠的實際耗煤量，不需要計算供熱耗煤量。

低真空供熱機組冷源損失全部利用，余熱利用水平最高，抽凝機組次之，與表2 社會煤耗量、社會煤耗率指標計算結果吻合，說明社會耗煤量指標可以準確評價熱電機組余熱利用水平。

4 結語

針對當前發電煤耗率指標無法準確反映熱電聯產機組實際煤耗水平和節能效果的問題，本文基于機組實際生產流程給出了新的發電煤耗率計算方法，并提出社會節煤量指標客觀評價熱電聯產機組節能點及節能量，經算例分析，得出以下結論：

1）背壓供熱機組單位主蒸汽做功量下降，發電煤耗率上升；排汽參數越高做功損失越嚴重。

2）抽凝機組煤耗指標可以根據蒸汽流程按背壓機組與純凝機組串聯方式計算分析，其發電煤耗率相較純凝機組同樣上升。

3）機組供熱改造后通過余熱利用減少了熱用戶側燃煤鍋爐耗煤量，社會用能量下降。

4）本文提出的新的發電煤耗率計算方法，準確方便核算發電廠的實際耗煤量和余熱利用水平。