一種確定供熱汽輪機熱電分攤比的新方法

段曉宇

（1.南京航空航天大學經濟與管理學院 2.華電忻州廣宇煤電有限公司）

0 引言

供熱汽輪機熱電聯產中，工質所吸收的高品位熱能首先經由汽輪機做功產生電能，然后做過功后的低品位熱能輸出至熱用戶［1-2］。這種能源利用方式契合按質用能原則，達成了能源梯級利用，對節能降耗和環境保護意義重大。

熱電聯產方式下熱、電二者共同產出，為規范熱、電雙方利益，需正確核計熱、電這兩種產品的成本，亦即科學計算熱電分攤比。但由于聯產機組熱、電生產過程中蘊含的大量耦合性，且電能和熱能形式上不同、質量上不等價［3］，致使熱電分攤比確定一直爭議不斷。迄今為止，國內外專家學者從經濟學、熱力學等角度對供熱汽輪機熱電聯產總熱耗量的合理分攤開展諸多研究，提出各種分攤模型［4-6］，但都展現一定局限性，有待進一步探討。熱電聯產包含兩類工質循環：用于凝汽發電的工質循環和用于熱用戶的抽汽供熱工質循環。只要從熱力學循環實質出發，將兩類循環加以嚴謹區分，就能構建更為合理的熱電分攤比新方法。

1 供熱汽輪機總熱耗量的現有分攤方法

1.1 熱量法

熱量法在分割熱電廠總熱耗量時不進行能質差異的考量，僅按生產電能和熱能所消耗能量的數量作出攤派［2］。舉例：鍋爐產生的新蒸汽首先用于推動汽輪機發電，之后這些做過功的蒸汽被抽出用于供熱，熱量法對這二者不作區分，認為只要熱量相等就是熱耗量相同。在這種計算方式下，聯產時的供電煤耗和供電成本會較單產時大為降低。應該說，該方法形式簡單、理解直觀，也便于考核，故而成為法定方法。局限性闡述：（1）不同參數蒸汽的利用價值與其能量品位掛鉤，熱量法無法區分熱電聯產不同階段的蒸汽品質差異，有違經濟學原理。（2）熱化發電會伴有冷源和不可逆損失，但熱量法將該部分損失歸結至熱用戶，不利于維系熱用戶的積極性。

基于熱量法的熱電分攤比αk()1由式（1）表

式中，Qtр、Qtр(h)分別表征總熱耗量和用于供熱方面的熱耗量；GJ/h；Btр、Btр(h)分別表征總煤耗量和供熱煤耗量，kg/h；D0、Dh分別表征主蒸汽流量和供熱抽汽量，kg/h；h0、hh、ht、hfw、hbs分別表征主蒸汽焓、抽汽焓、回水焓、給水焓和化學補充水焓，kJ/kg；q0、qh、σ分別表征1kg蒸汽對外供熱量、循環吸熱量和再熱器中的吸熱量，GJ；αrе為再熱流量系數；?為熱用戶供熱回水率。

1.2 實際焓降法

實際焓降法的相關闡述見圖1所示，熱電分攤比αk()2則由式（2）進行表示。

圖1 實際焓降法的描述

式中，hc為汽輪機排汽焓，kJ/kg；krе表征汽輪機是否再熱，取1為再熱，取0為非再熱。

1.3 做功能力法(?方法)

該方法基于熱力學第二定律，將熱能的數量和質量差異納入考量，按供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力之比來攤派總熱耗［7］。熱電分攤比αk()3由式（3）進行表示。

式中，e0、eh指的是主蒸汽?和抽汽?，kJ/kg；S0、Sh分別為主蒸汽熵和抽汽熵，kJ/（kg·K）；Tеn為表征環境溫度。

顯然，從理論上看，熱量法屬于“效益歸電”，實際焓降法屬于“效益歸熱”，而?方法則將熱電聯產效益分配到熱、電兩種產品，顯得更為合理。但實際上：（1）基于?方法計算時，需人為選擇溫度、氣壓等環境參數，這一方面會存在主觀差異，另一方面不一定符合實際情況，可能導致熱、電兩種產品共同比較的基礎的缺失；（2）?方法的計算邏輯有悖于具有中間再熱的供熱汽輪機的運行機制。

2 供熱汽輪機總熱耗量合理分攤的新方法

前文就幾種用于供熱汽輪機總熱耗量在電、熱之間分攤的方法進行了分析，明晰了可取之處和局限性所在。若能取長補短，則能產生新的有效的計算方法。

2.1 基本思路

經由供熱汽輪機熱電聯產所形成的的電能和熱能的產品性質分析：（1）電能屬于無熵的“有序能”，它可以全部地、不受限制地轉換為其它形式的能量，具有完全的可加性；（2）熱能屬于有熵的“無序能”，它的能量轉化與本身參數和環境介質參數有關，不具備完全的可加性。故而，要對電能和熱能進行比較，必須選一個統一尺度。前文提及的“?”能兼顧能量的數量和質量，契合有熵“無序能”向無熵的“有序能”的轉化衡量。

供熱汽輪機熱力循環的分析見圖2所示。

圖2 供熱汽輪機熱力循環分析

由圖2，結合“?”的作用，提出總體思路：（1）在供熱汽輪機抽汽供熱循環對外輸出的產品截面上，將熱能產品轉化為?流產品，使其與電能產品等價；（2）計算與抽汽供熱循環相對應的電能產品和用于熱用戶的熱能相應的?流之間的比例，根據該比例對抽汽供熱循環進行分攤。

2.2 具體建模

首先為幾個定義表述。為直觀起見，采用圖示方式，見圖3。圖中A~G的數學符號依次為D0、D0k、D0T、αk、αT、w0T和q0T。其中，w0T和q0T的計算可參照文獻［6］。

圖3 供熱汽輪機熱力循環中的相關定義表述

根據圖2，熱、電分攤主要存在于抽汽供熱循環層面。在該層面中，除輸出w0T外，還輸出與熱能產品所對應的?流eHT，其計算見式（3）。

式中，φ為熱用戶的供熱回水率，eT、分別為供熱抽汽比?和熱用戶回水比?，ebs為化學補水比?。需要注意：（1）化學補水所占成本應計入與熱用戶相對應的其它運行費用中，而不應牽涉熱電聯產總熱耗量分攤。（2）為使?流與汽輪機做功具備可比性，環境參數應與凝汽器冷卻水進水溫度相吻合。

在抽汽供熱循環的輸出截面上，總的輸出?流e0T可表示為：

這樣，與抽汽供熱循環相契應的熱分攤比為：

用于抽汽供熱循環的熱耗量Q0T可表示為：

這樣，熱用戶分攤到的熱耗量Qtp，h為：

供熱汽輪機組的整體熱力循環為復合循環（主凝汽循環+抽汽供熱循環），由于工作機制的限定，整體循環的再熱流量系數與抽汽供熱循環的是一致的。故而：整體循環吸熱量q0與q0T相等。于是供熱汽輪機的總熱耗量Q0可用式（9）進行計算。

若將進汽1kg所對應的供熱蒸汽份額定義為汽輪機供熱系數α0T，則有：

結合式（7）~式（10），可得到最終的面向供熱汽輪機的熱分攤比，見式（11）所示。

3 實證分析

選擇6臺不同型號的供熱機組作為計算背景（機組主要參數和工況參見文獻［2-7］，限于篇幅不再羅列），基于不同環境狀態，動用4種方法進行熱分攤比的計算和對比，結果見表1和表2所示。注：為尋求統一，所有計算均未考慮加熱器散熱損失。

表1 熱分攤比計算結果一（環境參數0.1MPa、0℃）

CZK330－16.67/0.4/538/538 NC300/220－16.7/537/537 0.096376 0.053254 0.077524 0.080526 0.580353 0.197114 0.332253 0.351414

表2 熱分攤比計算結果二（環境參數0.1MPa、20℃）

表1和表2顯示：（1）熱量法和實際焓降法是熱用戶熱分攤比計算的兩個極端，熱量法最大，實際焓降法最小。這與前文分析曾指出的熱量法“好處歸電”、實際焓降法“好處歸熱”完全契合。（2）做功能力法處于熱量法和實際焓降法之間，比較接近于實際焓降法，原因為汽輪機排汽溫度與環境溫度相差較小。（3）本文方法以供熱汽輪機的復合循環機制為計算著力點，統籌考慮了能量在數量上的平衡、能量在品質上的差異、供熱回水對供熱機組的作用，所得結果處于熱量法和做功能力法之間，顯得更為合理。

4 結束語

供熱汽輪機總熱耗量熱電分攤關乎供熱和發電價格的制定。在分析以往分攤模型缺陷的基礎上，借助“?”這個能將能量數量和能量質量納入統一考量的尺度，以實際的工質循環為計算切入點，提出了供熱汽輪機熱電聯產總熱耗量科學攤派的新方法。該方法理論明晰、計算簡便，所得分攤比處于熱量法和做功能力法之間，為合理分配燃料成本、促進能量梯級利用提供了有效依據。