蔡莼莼 王培紅

東南大學能源與環(huán)境學院

1 引言

近年來在節(jié)能減排的政策方針下，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)（以下簡稱聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)）作為一種能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化與環(huán)境質(zhì)量提升的重要手段[1]，已逐漸得到廣泛地應用?；痣姍C組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱指標體系已有相關的國家標準，而聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組因為本身熱力系統(tǒng)的復雜性，使供熱指標的統(tǒng)計趨于復雜。

在電力行業(yè)內(nèi)普遍依據(jù)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(chǎn)品能耗分攤的一個重要指標，在電廠日常統(tǒng)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(chǎn)品上?！痘鹆Πl(fā)電廠技術(shù)經(jīng)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(tǒng)計期內(nèi)的機組供熱量與汽輪機熱耗量之比值?；痣姍C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(lián)合聯(lián)產(chǎn)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?shù)模虼?，如何定義聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組的供熱比是一個需要解決的問題。

目前，對于聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組的供熱比計算，已有一些經(jīng)驗公式，但根據(jù)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(lián)產(chǎn)機組給出的供熱比經(jīng)驗式為例，指出該經(jīng)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(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)機組供熱比λ的現(xiàn)有計算公式如下：

式（1）中，Qh為熱電聯(lián)產(chǎn)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(fā)電量，單位均為kW；1.45為調(diào)整系數(shù)。

式（1）中，Q0為蒸汽輪機的循環(huán)吸熱量，單位為kJ，其計算方法如下：

式（2）中，D0為鍋爐總蒸發(fā)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(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組的供熱量，單位為kJ。

式（4）中，mNG為總?cè)細饬?，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)

由表1的工況數(shù)據(jù)計算供熱比和供熱標準煤耗率：

熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分攤有很多方法，我國最常用的為熱量法[5-6]，根據(jù)熱量法對熱電聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)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(jù)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(jīng)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(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分配和熱經(jīng)濟指標計算模型，然后類比參考火電機組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計算公式，提出聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組的供熱比計算公式。

3 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分配和熱經(jīng)濟指標計算模型

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

基于能量守恒定律，考慮聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)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(tǒng)一的熱經(jīng)濟性指標奠定基礎。

燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的能量平衡圖如圖2所示。

根據(jù)聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)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(fā)電量，單位為kW。

ηmηg是燃氣輪機發(fā)電機組內(nèi)機械效率與發(fā)電機效率的乘積，此處根據(jù)設計數(shù)據(jù)取為常數(shù)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(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)的總體配置方案圖

圖2 聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的能量平衡圖

式（10）中，Q0為蒸汽輪機循環(huán)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(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)供熱的熱耗，Qtp(e)為聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)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(lián)產(chǎn)機組的供熱量，單位kJ/h。

由（13）式，發(fā)電熱耗 Qtp(e)為：

（4）熱經(jīng)濟指標的計算方法

發(fā)電熱效率ηtp(e)：

4 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱比計算公式的修正

4.1 火電機組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計算公式

《標準》中把供熱比定義為統(tǒng)計期內(nèi)的機組供熱量與汽輪機熱耗量之比值?；痣姍C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(lián)產(chǎn)的供熱比計算公式為：

火電機組熱電聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)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(jīng)濟指標[3]有如下：

以上，發(fā)現(xiàn)兩種方法計算得出的供熱標準煤耗率相同，即根據(jù)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(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組的供熱比計算公式

類比公式（22），提出聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)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(jù)式（3）計算供熱標準煤耗率，

由上文基于熱量法建立的熱經(jīng)濟性指標模型中式（19），可知：

以上，發(fā)現(xiàn)兩種方法計算得出的供熱標準煤耗率相同，說明根據(jù)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(lián)產(chǎn)機組提供的供熱比公式存在的問題，現(xiàn)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(jié)果進行對比。

由表1中的工況數(shù)據(jù)，根據(jù)式（26）計算供熱比：

根據(jù)表1中的工況數(shù)據(jù)，按照文章第3節(jié)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(shù)據(jù)，故假設ζGT=5% ，ηGT=0.95，則各參數(shù)的計算結(jié)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(jīng)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(jīng)過實際工況數(shù)據(jù)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(fā)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(lián)合聯(lián)產(chǎn)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(lián)合聯(lián)產(chǎn)機組實際供熱工況數(shù)據(jù)的支撐。

表2 2014年12月2日藍天燃機廠機組運行計算參數(shù)

[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(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)[J]. 江蘇電機工程，2002，21（4）：5-8.

[2] DL/T 904—2004，火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標計算方法[S].

[3] 曹炳元，陳國年. 大機組非熱電聯(lián)產(chǎn)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(lián)產(chǎn)機組供熱煤耗計算方法分析[J].華電技術(shù)，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(fā)電，2004（2）：1-4.

[6] 尚玉琴，崔朝英，宋之平. 關于熱電聯(lián)產(chǎn)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(lián)合循環(huán)電廠熱電聯(lián)產(chǎn)的優(yōu)化配置[D].上海交通大學碩士論文，2007.

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[9] 蔡莼莼. 燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電及其熱電聯(lián)產(chǎn)的經(jīng)濟性評價[D].東南大學畢業(yè)設計，2015.