基于能值的熱、電成本分?jǐn)偡椒?/h1>
2021-06-19 03:42:44蔣國安涂朝陽王文飚張志業(yè)柯展煌
電力科技與環(huán)保 2021年3期
蔣國安，涂朝陽，王文飚，張志業(yè)，譚 銳，柯展煌，殷 戈
(1.國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210046；2.國家能源集團國電泉州熱電有限公司，福建 泉州 362804；3.國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210046)
0 引言
由于聯(lián)產(chǎn)機組熱、電生產(chǎn)過程中的耦合性，如何合理有效地確定熱電聯(lián)產(chǎn)機組中的熱電分?jǐn)偙?，到目前為止仍是一個有爭議和值得討論的課題[1]。
目前分?jǐn)偡椒ㄖ饕譃閮深怺2]，第一類是以經(jīng)濟學(xué)定律為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡椒?，包括綜合效益法、經(jīng)濟學(xué)方法、黃金分割法等[3-4]，此類的方法的優(yōu)點是簡單方便、不涉及熱力學(xué)知識，但一般存在理論上的缺陷，缺乏對熱力生產(chǎn)內(nèi)在過程的深刻剖析；第二類是以熱力學(xué)定理為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡椒?，可進一步分為三類：好處歸電法、好處歸熱法、折中法。這三類方法各有優(yōu)缺點，具體如下：
好處歸電法的典型方法是熱量法[5]，熱量法以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，將總熱耗量以熱能和電能的數(shù)量比例進行分?jǐn)?，該法的缺點是既沒有反映熱、電兩種產(chǎn)品的不等價，也沒有反映供熱蒸汽參數(shù)品位差異的不同，但優(yōu)點是分配直觀、簡單，便于推廣應(yīng)用，是我國法定的通用熱電成本分?jǐn)偡椒ā?/p>
好處歸熱法有實際焓降法[6]、熱折扣法[4]、軸功率法[7]、損失功率法[4]等，實際焓降法按熱電聯(lián)產(chǎn)供熱汽流做功的不足與主蒸汽的整機實際焓降之比來分配熱量，熱量法與實際焓降法是熱電成本分?jǐn)偟膬蓚€極端。
折中法有火用方法(做功能力法)[8]、火用效率法[9]、折合火用法[10]、加權(quán)法、熱泵法[8]、熱電聯(lián)合法[11-12]、能級比加權(quán)分?jǐn)偡╗13]等?；鹩梅椒ㄊ前礋犭娐?lián)產(chǎn)供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力的比例來分?jǐn)偝杀?，但由于排汽溫度與環(huán)境溫度較為接近，該方法與實際焓降法的熱電分?jǐn)偙容^為接近；火用效率法將熱電廠的發(fā)電效率與供熱火用效率視為相等，均等于熱電廠總火用效率，使發(fā)電和供熱都享受了一部分熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的好處[2]，較火用方法有一定的進步；折合火用法的折合火用表達(dá)式中比例系數(shù)k主要取決于實際情況，而且k的取值易受人的主觀因素影響，較難判定其合理性[10]。
綜上所述，目前提出的諸多分?jǐn)偡椒?，雖各具優(yōu)缺點，但尚不能完全滿足實際應(yīng)用的需要。近年來分?jǐn)偡椒ǖ难芯口厔菔牵夯谏鲜鰞纱箢惙椒ǖ鸟詈匣蛘吒倪M，如基于外部鍵系數(shù)的折合火用法[14]、結(jié)合熱力學(xué)分析與經(jīng)濟因素的火用經(jīng)濟學(xué)法[15-16]、經(jīng)濟效益系數(shù)法[17]。此外，還有文章提出應(yīng)將發(fā)電、供熱公用設(shè)備的廠用電納入熱電成本分?jǐn)偟姆懂燵18-19]。
本文結(jié)合火用分析及投入產(chǎn)出法的特點形成火用投入產(chǎn)出火用分析法[20]，提出一種熱電成本分?jǐn)偟男路椒?。以某雙抽工業(yè)供熱凝汽機組為例，利用投入產(chǎn)出火用分析法對熱電聯(lián)產(chǎn)機組各子系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)和冷凝系統(tǒng)進行分析，得到系統(tǒng)中各股能流的能值，基于熱、電雙方能值的比例，對熱電成本進行分?jǐn)?。分推結(jié)果與其他幾種方法進行了比較，表明該方法有較強的實用性。
1 系統(tǒng)概況
某熱電廠一期工程2×300MW機組1、2號機組分別于2005年和2006年正式投運。一期鍋爐由哈爾濱鍋爐廠制造(型號：HG-1025/17.4-YM28)，為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包爐，單爐膛、露天布置，四角切圓燃燒平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。汽輪機采用哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式汽輪機。汽輪機采用八級非調(diào)整回?zé)岢槠?，給水泵汽輪機排汽進入主機凝汽器。機組的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。
表1 機組的主要設(shè)備參數(shù)
2009年為滿足工業(yè)供熱需求，對機組進行了供熱改造，一抽提供部分高壓工業(yè)供熱蒸汽(4.2MPa，420℃)，不足部分由主汽減溫減壓供給，熱再管道蒸汽提供中壓供熱抽汽(2.5MPa，350℃)。由于采用高品位的主蒸汽進行供熱，機組供熱經(jīng)濟性偏低，為了進一步降低機組煤耗率，該電廠計劃再次對機組進行改造，汽機側(cè)進行全面通流改造，結(jié)合供熱需求，在大幅提高各汽缸缸效的同時擴大一段抽汽的供熱量，替代原來減溫減壓的主蒸汽部分(主蒸汽抽汽僅作為緊急備用)，而一抽溫度不足的問題，則通過蒸汽再熱技術(shù)解決，冷、熱汽源分別為高壓(一抽)、中壓(熱再)蒸汽，額定供熱工況下分別提供165t/h的高壓蒸汽(4.2MPa，420℃)和100t/h中壓蒸汽(2.5MPa，350℃)。機組額定100%供熱工況下的熱力平衡圖如圖1所示。
圖1 機組額定100%供熱工況熱平衡圖
2 投入產(chǎn)出分析理論
2.1 火用計算
火用指的是在給定環(huán)境下能量中可轉(zhuǎn)換的部分，包含化學(xué)火用和物理火用兩部分[21]。對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的燃料而言，火用值一般可以用其化學(xué)火用代替；對于水蒸氣工質(zhì)而言，其火用值則主要是物理火用。為了計算工質(zhì)的火用值，需要明確標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的定義，根據(jù)《GB/T14909-2005能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則》中的推薦，本研究中火用的基準(zhǔn)態(tài)溫度T0為298.15K，基準(zhǔn)態(tài)壓力P0為101.325kPa。
燃煤的比火用采用下式計算[20]：
ef=△hu,l+rw
(1)
式中：△hu,l為燃煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；r為環(huán)境溫度下水的汽化潛熱，kJ/kg；w為燃煤的收到基水分，%。
水(蒸氣)工質(zhì)的比火用采用下式計算：
ex=(h-h0)-T0(s-s0)
(2)
式中：h、s分別為水(蒸氣)工質(zhì)的比焓(kJ/kg)和比熵(kJ/(kg·K))；h0、T0、s0分別為基準(zhǔn)態(tài)下水的比焓(kJ/kg)、溫度(K)和比熵(kJ/(kg·K))，三者均為常數(shù)。
2.2 火用計量型能源投入產(chǎn)出模型
能源投入產(chǎn)出模型是把投入產(chǎn)出技術(shù)的一般原理，用在對能源結(jié)構(gòu)的分析、能量的轉(zhuǎn)換和需求預(yù)測方面。在能源投入產(chǎn)出模型中，無論是表式設(shè)計還是計算分析，都把能源產(chǎn)品放在中心的位置上考慮。本研究的目的就是通過分析火用計量型投入產(chǎn)出模型，找出更為合理的能源利用方式，盡量減少實際生產(chǎn)過程中所需消耗的火用，熱、電產(chǎn)品的成本分?jǐn)倓t在基于投入產(chǎn)出的火用分析過程中自動實現(xiàn)。典型的火用計量型能源投入產(chǎn)出關(guān)系如表2所示[20]。
如表2所示，aij表示第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)(即生產(chǎn)單位第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗量)；uij表示第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)(即生產(chǎn)單位第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的直接消耗量)。能值fi的定義為：生產(chǎn)單位i產(chǎn)品所需要消耗的能源的能量(火用量)，對于電力生產(chǎn)而言，能值單位為kJ/MJ，對于蒸汽生產(chǎn)而言，能值的單位則為kJ/kg；f1～fn的計算可根據(jù)能量守恒得出的n個方程式(式3)進行。
表2 典型的計量型能源投入產(chǎn)出表
fi=a1if1+…+anifn+u1iq1+…+umiqm
(i=1,2,...,n)
(3)
式中：qi表示生產(chǎn)單位第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品所需要消耗的能源的能量(火用量)，外購產(chǎn)品的qi值根據(jù)第3部分分析模型的(a)、(b)規(guī)定得到，關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的qi值由將該關(guān)聯(lián)產(chǎn)品作為自產(chǎn)產(chǎn)品的相關(guān)子系統(tǒng)利用公式(3)計算得到(此時qi即為fi)；Xi與Yi分別表示第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的總產(chǎn)品量及最終產(chǎn)品量；Vi與Ri分別表示第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的總產(chǎn)品量及最終產(chǎn)品量。
基于能值fi的定義，高壓供熱、中壓供熱、供電三部分生產(chǎn)成本的分?jǐn)偙壤秊椋?Mh×fh)：(Mm×fm)：(W×fe)，Mh、Mm分別為高、中壓供熱抽汽量，kg/h；W為機組供電量，kJ/h；fh、fm分別表示高、中壓供熱抽汽的能值，kJ/kg；fe為電量的能值，kJ/kJ。進一步地，可得到基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒ǖ臒犭姺謹(jǐn)偙圈恋挠嬎闶綖椋?/p>
(4)
3 分析模型
由于多級投入產(chǎn)出模型能夠提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和實用性[22]，因此本分析中將電廠系統(tǒng)分為五個子系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)及冷凝系統(tǒng)進行分析。通過求解由五個子系統(tǒng)的能值方程式聯(lián)立得到的多元一次方程組，可得到聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱、電生產(chǎn)成本的分?jǐn)偙壤?。分析基于以下兩點假設(shè)：
(a)外購的非能源物資的能值為零，如電廠生成過程中使用的空氣和水；
(b)外購的一次能源的能值等于其火用值，根據(jù)燃料火用的計算結(jié)果可得出。
本部分建模數(shù)據(jù)以額定供熱工況為例(見圖1及表1)，具體建模過程如下：
3.1 燃料系統(tǒng)
燃料系統(tǒng)的投入有原煤(外購產(chǎn)品)、5臺磨煤機、5臺給煤機及1臺密封風(fēng)機所消耗的電量(關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，即其他子系統(tǒng)的自產(chǎn)產(chǎn)品，廠用電自供的情況下用電量的能值看作與發(fā)電量的能值等價)，產(chǎn)出則為鍋爐燃燒所需要的合格煤粉，得到燃料系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格如表3所示(產(chǎn)品的統(tǒng)計以小時計，下同)。
表3 燃料系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表
3.2 鍋爐系統(tǒng)
鍋爐系統(tǒng)的投入有煤粉、給水、冷段蒸汽及2臺引風(fēng)機、2臺一次風(fēng)機、2臺送風(fēng)機所消耗的電量，產(chǎn)出為主蒸汽和熱再蒸汽(含100t/h中壓工業(yè)供熱蒸汽)。自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)矩陣為0(即不存在自身消耗或互相消耗)，給水完全作為主蒸汽的投入，同時冷段蒸汽完全作為熱再蒸汽的投入，煤粉和電量在主蒸汽和再熱蒸汽之間按一定比例進行分配，分配比例為主蒸汽和再熱蒸汽在鍋爐中的火用增量的比例(本算例中為6.26∶1)。得到鍋爐系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格如表4所示。
3.3 汽機系統(tǒng)
汽機系統(tǒng)的投入為主蒸汽和熱再蒸汽(減去100t/h中壓工業(yè)供熱蒸汽)，產(chǎn)出為發(fā)電量、冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽(一抽處)及各段回?zé)岢槠?。自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)矩陣為0，主蒸汽及熱再蒸汽在四類產(chǎn)出中的分配步驟如下：
(a)以低壓缸排汽點作為基準(zhǔn)計算出冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽及各段回?zé)岢槠闹担?/p>
(b)根據(jù)熱力平衡圖分別計算出高、中、低壓缸的發(fā)電量；
(c)主蒸汽按高壓缸發(fā)電量、冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽、一抽及二抽(高壓段抽汽)量四者的比例在四類產(chǎn)出中進行分配；
(d)熱再蒸汽按中低壓缸發(fā)電量、中低壓段抽汽(三抽至八抽)量兩者的比例在發(fā)電量和各段回?zé)岢槠g進行分配。
按照如上步驟，得到汽機系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表如表5所示。表5中的熱再蒸汽實為中壓缸實際進汽量506290kg(等于鍋爐再熱器出口的熱再蒸汽流量606290kg減去中壓供熱蒸汽流量100000kg)，因中壓供熱蒸汽流量未進入中壓缸，故中壓供熱蒸汽流量不計入汽機系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)品中，而僅包含在鍋爐系統(tǒng)的自產(chǎn)產(chǎn)品——熱再蒸汽中(見表4)。
表4 鍋爐系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格
表5 汽機系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格
3.4 回?zé)嵯到y(tǒng)
回?zé)嵯到y(tǒng)的投入有凝結(jié)水、各段回?zé)岢槠?臺汽泵前置泵所消耗的電量，產(chǎn)出為鍋爐給水，經(jīng)計算，可以得到回?zé)嵯到y(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格如表6所示。
表6 回?zé)嵯到y(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格
3.5 冷凝系統(tǒng)
冷凝系統(tǒng)的投入為1臺凝結(jié)水泵、1臺循環(huán)水泵及2臺凝結(jié)水輸送泵所消耗的電量，產(chǎn)出為凝結(jié)水，經(jīng)計算，可以得到冷凝系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格如表7所示。
對表3～表7中所有自產(chǎn)產(chǎn)品的能值fi運用公式(3)得到如下方程組(5)：
表7 冷凝系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格
式中：f1為合格煤粉的能值，f2為主蒸汽的能值，f3為熱再蒸汽(或中壓供熱蒸汽)的能值，f4為發(fā)(用)電量的能值，f5為冷段蒸汽的能值，f6為鍋爐給水的能值，f7為高壓供熱蒸汽的能值，f8為各段回?zé)岢槠钠骄苤?，f9為凝泵出口凝結(jié)水的能值。
解方程組(5)得f1～f9值依次為22820.12kJ/kg、3283.68kJ/kg、3005.73kJ/kg、2440.12kJ/MJ、2384.41kJ/kg、786.75kJ/kg、2651.94kJ/kg、2010.12kJ/kg、30.69kJ/kg。
4 不同分?jǐn)偡椒ǖ谋容^分析
根據(jù)上節(jié)能值的計算結(jié)果，結(jié)合公式(4)便可得到額定100%供熱工況下基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒?能值法)的熱電分?jǐn)偙圈?0.2778)，除額定100%供熱工況外，本文依據(jù)第3部分的分析模型也分別計算了75%、50%、25%供熱工況下(根據(jù)汽機廠家提供的熱平衡圖)的熱電分?jǐn)偙圈?，?中給出了上述各供熱工況下主要的性能參數(shù)情況。
表8 各供熱工況下主要的性能參數(shù)
表9中給出了采用不同分?jǐn)偡椒ㄔ诓煌峁r下的熱電分?jǐn)偙圈?，由表中計算結(jié)果可知：不同分?jǐn)偡椒ㄋ嬎愕臒犭姺謹(jǐn)偙圈料嗖钶^大，熱量法(好處歸電法)與實際焓降法(好處歸熱法)是熱電成本分?jǐn)傊械膬蓚€極端。由于排汽溫度與環(huán)境溫度往往較為接近，火用方法(做功能力法)與實際焓降法的熱電分?jǐn)偙容^為接近，折合火用法、火用效率法與能值法的熱電分?jǐn)偙冉橛趦煞N極端情況之間。
表9 不同分?jǐn)偡椒ㄏ略诓煌峁r時的熱電分?jǐn)偙圈?/p>
折合火用法熱電分?jǐn)偙扔嬎闶街械谋壤禂?shù)k主要取決于實際情況，而且k的取值易受人的主觀因素影響，較難判定其合理性[2]；能值法與火用效率法的熱電分?jǐn)偙容^為接近，但能值法與火用效率法的區(qū)別在于：盡管兩種方法中熱、電產(chǎn)品對燃料的分?jǐn)偟脑瓌t均基于產(chǎn)品火用的大小，但火用效率法人為地將熱電廠的發(fā)電火用效率與供熱火用效率視為相等，而能值法通過將電廠分為若干個子系統(tǒng)，通過對每個子系統(tǒng)進行投入產(chǎn)出火用分析，綜合考慮各子系統(tǒng)間投入、產(chǎn)出相互耦合的關(guān)系，同時考慮了子系統(tǒng)中電量投入(廠用電)對熱電成本分?jǐn)偟挠绊?，因而計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。能值法克服了折合火用法、火用效率法中存在的人為規(guī)定性問題，并且區(qū)分了能量在數(shù)量和品質(zhì)上的差別，熱電分?jǐn)偙忍幱跓崃糠ㄅc實際焓降法之間，較為合理。
基于能值法的熱電分?jǐn)偙?，計算了該雙抽熱電聯(lián)產(chǎn)機組在100%供熱、75%供熱、50%供熱及25%供熱工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh，并與100%THA、75%THA、50%THA純凝工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsc進行了比較，結(jié)果如表10所示(管道效率取99%，鍋爐效率取93.48%)。
從表10中可以看出，供熱工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh(<300g/(kW·h))均低于純凝工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsc(>300g/(kW·h))，表明基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒?能值法)將熱電聯(lián)產(chǎn)的部分收益分至發(fā)電側(cè)；同時與熱量法(《DL/T904-2015火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算方法》推薦方法)計算結(jié)果(隨著供熱量的增加：25%供熱→100%供熱，發(fā)電熱耗率由7713.17kJ/(kW·h)顯著降低至7020.18kJ/(kW·h))的趨勢不同，隨著供熱量的增加(25%供熱→75%供熱)，由能值法得到的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh先是由298.14g/(kW·h)緩慢降低至294.21g/(kW·h)，當(dāng)供熱量由75%繼續(xù)增大至100%時，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh則是由294.21g/(kW·h)升高至296.63g/(kW·h)，此時供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh不降反升的原因是在100%供熱工況下，為了保證熱再蒸汽能夠供應(yīng)100t/h的中壓供熱蒸汽，不得不將中調(diào)門節(jié)流，節(jié)流損失直接導(dǎo)致中壓缸效率由中調(diào)門全開情況下92.05%的設(shè)計效率降至84.02%(見表8)，從而導(dǎo)致供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh的升高。由此可見，能值法基于熱力學(xué)第二定律對生產(chǎn)過程的能耗本質(zhì)進行考量，區(qū)分了能量在數(shù)量和品質(zhì)上的差別，所得到的供電標(biāo)準(zhǔn)率煤耗貼近電力生產(chǎn)實際，有較強的實用性。
表10 純凝工況及供熱工況供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率
5 結(jié)語
本文基于能值及投入產(chǎn)出火用分析法，提出一種熱電成本分?jǐn)偟男路椒ā苤捣ā＠猛度氘a(chǎn)出火用分析法對熱電聯(lián)產(chǎn)機組各子系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)和冷凝系統(tǒng)進行分析，得到系統(tǒng)中各股能流的能值，基于熱、電雙方能值的比例，對熱電成本進行分?jǐn)?。對包含能值法在?nèi)的幾種常見的分?jǐn)偡椒ㄟM行了比較分析，結(jié)果表明該方法既有經(jīng)濟方面的考量又有熱力學(xué)第二定律作為理論支撐，并將廠用電考慮在內(nèi)進行熱電成本分?jǐn)?，熱電分?jǐn)偙忍幱跓崃糠ㄅc實際焓降法之間，較為合理且物理意義明確，所得到的供電煤耗貼近電力生產(chǎn)實際，有較強的實用性。
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蔣國安，涂朝陽，王文飚，張志業(yè)，譚 銳，柯展煌，殷 戈
(1.國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210046；2.國家能源集團國電泉州熱電有限公司，福建 泉州 362804；3.國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210046)
0 引言
由于聯(lián)產(chǎn)機組熱、電生產(chǎn)過程中的耦合性，如何合理有效地確定熱電聯(lián)產(chǎn)機組中的熱電分?jǐn)偙?，到目前為止仍是一個有爭議和值得討論的課題[1]。
目前分?jǐn)偡椒ㄖ饕譃閮深怺2]，第一類是以經(jīng)濟學(xué)定律為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡椒?，包括綜合效益法、經(jīng)濟學(xué)方法、黃金分割法等[3-4]，此類的方法的優(yōu)點是簡單方便、不涉及熱力學(xué)知識，但一般存在理論上的缺陷，缺乏對熱力生產(chǎn)內(nèi)在過程的深刻剖析；第二類是以熱力學(xué)定理為基礎(chǔ)的分?jǐn)偡椒?，可進一步分為三類：好處歸電法、好處歸熱法、折中法。這三類方法各有優(yōu)缺點，具體如下：
好處歸電法的典型方法是熱量法[5]，熱量法以熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，將總熱耗量以熱能和電能的數(shù)量比例進行分?jǐn)?，該法的缺點是既沒有反映熱、電兩種產(chǎn)品的不等價，也沒有反映供熱蒸汽參數(shù)品位差異的不同，但優(yōu)點是分配直觀、簡單，便于推廣應(yīng)用，是我國法定的通用熱電成本分?jǐn)偡椒ā?/p>
好處歸熱法有實際焓降法[6]、熱折扣法[4]、軸功率法[7]、損失功率法[4]等，實際焓降法按熱電聯(lián)產(chǎn)供熱汽流做功的不足與主蒸汽的整機實際焓降之比來分配熱量，熱量法與實際焓降法是熱電成本分?jǐn)偟膬蓚€極端。
折中法有火用方法(做功能力法)[8]、火用效率法[9]、折合火用法[10]、加權(quán)法、熱泵法[8]、熱電聯(lián)合法[11-12]、能級比加權(quán)分?jǐn)偡╗13]等?；鹩梅椒ㄊ前礋犭娐?lián)產(chǎn)供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力的比例來分?jǐn)偝杀?，但由于排汽溫度與環(huán)境溫度較為接近，該方法與實際焓降法的熱電分?jǐn)偙容^為接近；火用效率法將熱電廠的發(fā)電效率與供熱火用效率視為相等，均等于熱電廠總火用效率，使發(fā)電和供熱都享受了一部分熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的好處[2]，較火用方法有一定的進步；折合火用法的折合火用表達(dá)式中比例系數(shù)k主要取決于實際情況，而且k的取值易受人的主觀因素影響，較難判定其合理性[10]。
綜上所述，目前提出的諸多分?jǐn)偡椒?，雖各具優(yōu)缺點，但尚不能完全滿足實際應(yīng)用的需要。近年來分?jǐn)偡椒ǖ难芯口厔菔牵夯谏鲜鰞纱箢惙椒ǖ鸟詈匣蛘吒倪M，如基于外部鍵系數(shù)的折合火用法[14]、結(jié)合熱力學(xué)分析與經(jīng)濟因素的火用經(jīng)濟學(xué)法[15-16]、經(jīng)濟效益系數(shù)法[17]。此外，還有文章提出應(yīng)將發(fā)電、供熱公用設(shè)備的廠用電納入熱電成本分?jǐn)偟姆懂燵18-19]。
本文結(jié)合火用分析及投入產(chǎn)出法的特點形成火用投入產(chǎn)出火用分析法[20]，提出一種熱電成本分?jǐn)偟男路椒?。以某雙抽工業(yè)供熱凝汽機組為例，利用投入產(chǎn)出火用分析法對熱電聯(lián)產(chǎn)機組各子系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)和冷凝系統(tǒng)進行分析，得到系統(tǒng)中各股能流的能值，基于熱、電雙方能值的比例，對熱電成本進行分?jǐn)?。分推結(jié)果與其他幾種方法進行了比較，表明該方法有較強的實用性。
1 系統(tǒng)概況
某熱電廠一期工程2×300MW機組1、2號機組分別于2005年和2006年正式投運。一期鍋爐由哈爾濱鍋爐廠制造(型號：HG-1025/17.4-YM28)，為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包爐，單爐膛、露天布置，四角切圓燃燒平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)。汽輪機采用哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式汽輪機。汽輪機采用八級非調(diào)整回?zé)岢槠?，給水泵汽輪機排汽進入主機凝汽器。機組的主要設(shè)備參數(shù)如表1所示。
表1 機組的主要設(shè)備參數(shù)
2009年為滿足工業(yè)供熱需求，對機組進行了供熱改造，一抽提供部分高壓工業(yè)供熱蒸汽(4.2MPa，420℃)，不足部分由主汽減溫減壓供給，熱再管道蒸汽提供中壓供熱抽汽(2.5MPa，350℃)。由于采用高品位的主蒸汽進行供熱，機組供熱經(jīng)濟性偏低，為了進一步降低機組煤耗率，該電廠計劃再次對機組進行改造，汽機側(cè)進行全面通流改造，結(jié)合供熱需求，在大幅提高各汽缸缸效的同時擴大一段抽汽的供熱量，替代原來減溫減壓的主蒸汽部分(主蒸汽抽汽僅作為緊急備用)，而一抽溫度不足的問題，則通過蒸汽再熱技術(shù)解決，冷、熱汽源分別為高壓(一抽)、中壓(熱再)蒸汽，額定供熱工況下分別提供165t/h的高壓蒸汽(4.2MPa，420℃)和100t/h中壓蒸汽(2.5MPa，350℃)。機組額定100%供熱工況下的熱力平衡圖如圖1所示。
圖1 機組額定100%供熱工況熱平衡圖
2 投入產(chǎn)出分析理論
2.1 火用計算
火用指的是在給定環(huán)境下能量中可轉(zhuǎn)換的部分，包含化學(xué)火用和物理火用兩部分[21]。對于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的燃料而言，火用值一般可以用其化學(xué)火用代替；對于水蒸氣工質(zhì)而言，其火用值則主要是物理火用。為了計算工質(zhì)的火用值，需要明確標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的定義，根據(jù)《GB/T14909-2005能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則》中的推薦，本研究中火用的基準(zhǔn)態(tài)溫度T0為298.15K，基準(zhǔn)態(tài)壓力P0為101.325kPa。
燃煤的比火用采用下式計算[20]：
ef=△hu,l+rw
(1)
式中：△hu,l為燃煤的低位發(fā)熱量，kJ/kg；r為環(huán)境溫度下水的汽化潛熱，kJ/kg；w為燃煤的收到基水分，%。
水(蒸氣)工質(zhì)的比火用采用下式計算：
ex=(h-h0)-T0(s-s0)
(2)
式中：h、s分別為水(蒸氣)工質(zhì)的比焓(kJ/kg)和比熵(kJ/(kg·K))；h0、T0、s0分別為基準(zhǔn)態(tài)下水的比焓(kJ/kg)、溫度(K)和比熵(kJ/(kg·K))，三者均為常數(shù)。
2.2 火用計量型能源投入產(chǎn)出模型
能源投入產(chǎn)出模型是把投入產(chǎn)出技術(shù)的一般原理，用在對能源結(jié)構(gòu)的分析、能量的轉(zhuǎn)換和需求預(yù)測方面。在能源投入產(chǎn)出模型中，無論是表式設(shè)計還是計算分析，都把能源產(chǎn)品放在中心的位置上考慮。本研究的目的就是通過分析火用計量型投入產(chǎn)出模型，找出更為合理的能源利用方式，盡量減少實際生產(chǎn)過程中所需消耗的火用，熱、電產(chǎn)品的成本分?jǐn)倓t在基于投入產(chǎn)出的火用分析過程中自動實現(xiàn)。典型的火用計量型能源投入產(chǎn)出關(guān)系如表2所示[20]。
如表2所示，aij表示第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)(即生產(chǎn)單位第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗量)；uij表示第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)(即生產(chǎn)單位第j種自產(chǎn)產(chǎn)品對第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的直接消耗量)。能值fi的定義為：生產(chǎn)單位i產(chǎn)品所需要消耗的能源的能量(火用量)，對于電力生產(chǎn)而言，能值單位為kJ/MJ，對于蒸汽生產(chǎn)而言，能值的單位則為kJ/kg；f1～fn的計算可根據(jù)能量守恒得出的n個方程式(式3)進行。
表2 典型的計量型能源投入產(chǎn)出表
fi=a1if1+…+anifn+u1iq1+…+umiqm
(i=1,2,...,n)
(3)
式中：qi表示生產(chǎn)單位第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品所需要消耗的能源的能量(火用量)，外購產(chǎn)品的qi值根據(jù)第3部分分析模型的(a)、(b)規(guī)定得到，關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的qi值由將該關(guān)聯(lián)產(chǎn)品作為自產(chǎn)產(chǎn)品的相關(guān)子系統(tǒng)利用公式(3)計算得到(此時qi即為fi)；Xi與Yi分別表示第i種自產(chǎn)產(chǎn)品的總產(chǎn)品量及最終產(chǎn)品量；Vi與Ri分別表示第i種外購(或關(guān)聯(lián))產(chǎn)品的總產(chǎn)品量及最終產(chǎn)品量。
基于能值fi的定義，高壓供熱、中壓供熱、供電三部分生產(chǎn)成本的分?jǐn)偙壤秊椋?Mh×fh)：(Mm×fm)：(W×fe)，Mh、Mm分別為高、中壓供熱抽汽量，kg/h；W為機組供電量，kJ/h；fh、fm分別表示高、中壓供熱抽汽的能值，kJ/kg；fe為電量的能值，kJ/kJ。進一步地，可得到基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒ǖ臒犭姺謹(jǐn)偙圈恋挠嬎闶綖椋?/p>
(4)
3 分析模型
由于多級投入產(chǎn)出模型能夠提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和實用性[22]，因此本分析中將電廠系統(tǒng)分為五個子系統(tǒng)：制粉系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)及冷凝系統(tǒng)進行分析。通過求解由五個子系統(tǒng)的能值方程式聯(lián)立得到的多元一次方程組，可得到聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱、電生產(chǎn)成本的分?jǐn)偙壤?。分析基于以下兩點假設(shè)：
(a)外購的非能源物資的能值為零，如電廠生成過程中使用的空氣和水；
(b)外購的一次能源的能值等于其火用值，根據(jù)燃料火用的計算結(jié)果可得出。
本部分建模數(shù)據(jù)以額定供熱工況為例(見圖1及表1)，具體建模過程如下：
3.1 燃料系統(tǒng)
燃料系統(tǒng)的投入有原煤(外購產(chǎn)品)、5臺磨煤機、5臺給煤機及1臺密封風(fēng)機所消耗的電量(關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，即其他子系統(tǒng)的自產(chǎn)產(chǎn)品，廠用電自供的情況下用電量的能值看作與發(fā)電量的能值等價)，產(chǎn)出則為鍋爐燃燒所需要的合格煤粉，得到燃料系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格如表3所示(產(chǎn)品的統(tǒng)計以小時計，下同)。
表3 燃料系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表
3.2 鍋爐系統(tǒng)
鍋爐系統(tǒng)的投入有煤粉、給水、冷段蒸汽及2臺引風(fēng)機、2臺一次風(fēng)機、2臺送風(fēng)機所消耗的電量，產(chǎn)出為主蒸汽和熱再蒸汽(含100t/h中壓工業(yè)供熱蒸汽)。自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)矩陣為0(即不存在自身消耗或互相消耗)，給水完全作為主蒸汽的投入，同時冷段蒸汽完全作為熱再蒸汽的投入，煤粉和電量在主蒸汽和再熱蒸汽之間按一定比例進行分配，分配比例為主蒸汽和再熱蒸汽在鍋爐中的火用增量的比例(本算例中為6.26∶1)。得到鍋爐系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格如表4所示。
3.3 汽機系統(tǒng)
汽機系統(tǒng)的投入為主蒸汽和熱再蒸汽(減去100t/h中壓工業(yè)供熱蒸汽)，產(chǎn)出為發(fā)電量、冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽(一抽處)及各段回?zé)岢槠?。自產(chǎn)產(chǎn)品的直接消耗系數(shù)矩陣為0，主蒸汽及熱再蒸汽在四類產(chǎn)出中的分配步驟如下：
(a)以低壓缸排汽點作為基準(zhǔn)計算出冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽及各段回?zé)岢槠闹担?/p>
(b)根據(jù)熱力平衡圖分別計算出高、中、低壓缸的發(fā)電量；
(c)主蒸汽按高壓缸發(fā)電量、冷段蒸汽、高壓供熱蒸汽、一抽及二抽(高壓段抽汽)量四者的比例在四類產(chǎn)出中進行分配；
(d)熱再蒸汽按中低壓缸發(fā)電量、中低壓段抽汽(三抽至八抽)量兩者的比例在發(fā)電量和各段回?zé)岢槠g進行分配。
按照如上步驟，得到汽機系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表如表5所示。表5中的熱再蒸汽實為中壓缸實際進汽量506290kg(等于鍋爐再熱器出口的熱再蒸汽流量606290kg減去中壓供熱蒸汽流量100000kg)，因中壓供熱蒸汽流量未進入中壓缸，故中壓供熱蒸汽流量不計入汽機系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)產(chǎn)品中，而僅包含在鍋爐系統(tǒng)的自產(chǎn)產(chǎn)品——熱再蒸汽中(見表4)。
表4 鍋爐系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格
表5 汽機系統(tǒng)的投入產(chǎn)出火用分析表格
3.4 回?zé)嵯到y(tǒng)
回?zé)嵯到y(tǒng)的投入有凝結(jié)水、各段回?zé)岢槠?臺汽泵前置泵所消耗的電量，產(chǎn)出為鍋爐給水，經(jīng)計算，可以得到回?zé)嵯到y(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格如表6所示。
表6 回?zé)嵯到y(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格
3.5 冷凝系統(tǒng)
冷凝系統(tǒng)的投入為1臺凝結(jié)水泵、1臺循環(huán)水泵及2臺凝結(jié)水輸送泵所消耗的電量，產(chǎn)出為凝結(jié)水，經(jīng)計算，可以得到冷凝系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格如表7所示。
對表3～表7中所有自產(chǎn)產(chǎn)品的能值fi運用公式(3)得到如下方程組(5)：
表7 冷凝系統(tǒng)的投入產(chǎn)出分析表格
式中：f1為合格煤粉的能值，f2為主蒸汽的能值，f3為熱再蒸汽(或中壓供熱蒸汽)的能值，f4為發(fā)(用)電量的能值，f5為冷段蒸汽的能值，f6為鍋爐給水的能值，f7為高壓供熱蒸汽的能值，f8為各段回?zé)岢槠钠骄苤?，f9為凝泵出口凝結(jié)水的能值。
解方程組(5)得f1～f9值依次為22820.12kJ/kg、3283.68kJ/kg、3005.73kJ/kg、2440.12kJ/MJ、2384.41kJ/kg、786.75kJ/kg、2651.94kJ/kg、2010.12kJ/kg、30.69kJ/kg。
4 不同分?jǐn)偡椒ǖ谋容^分析
根據(jù)上節(jié)能值的計算結(jié)果，結(jié)合公式(4)便可得到額定100%供熱工況下基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒?能值法)的熱電分?jǐn)偙圈?0.2778)，除額定100%供熱工況外，本文依據(jù)第3部分的分析模型也分別計算了75%、50%、25%供熱工況下(根據(jù)汽機廠家提供的熱平衡圖)的熱電分?jǐn)偙圈?，?中給出了上述各供熱工況下主要的性能參數(shù)情況。
表8 各供熱工況下主要的性能參數(shù)
表9中給出了采用不同分?jǐn)偡椒ㄔ诓煌峁r下的熱電分?jǐn)偙圈?，由表中計算結(jié)果可知：不同分?jǐn)偡椒ㄋ嬎愕臒犭姺謹(jǐn)偙圈料嗖钶^大，熱量法(好處歸電法)與實際焓降法(好處歸熱法)是熱電成本分?jǐn)傊械膬蓚€極端。由于排汽溫度與環(huán)境溫度往往較為接近，火用方法(做功能力法)與實際焓降法的熱電分?jǐn)偙容^為接近，折合火用法、火用效率法與能值法的熱電分?jǐn)偙冉橛趦煞N極端情況之間。
表9 不同分?jǐn)偡椒ㄏ略诓煌峁r時的熱電分?jǐn)偙圈?/p>
折合火用法熱電分?jǐn)偙扔嬎闶街械谋壤禂?shù)k主要取決于實際情況，而且k的取值易受人的主觀因素影響，較難判定其合理性[2]；能值法與火用效率法的熱電分?jǐn)偙容^為接近，但能值法與火用效率法的區(qū)別在于：盡管兩種方法中熱、電產(chǎn)品對燃料的分?jǐn)偟脑瓌t均基于產(chǎn)品火用的大小，但火用效率法人為地將熱電廠的發(fā)電火用效率與供熱火用效率視為相等，而能值法通過將電廠分為若干個子系統(tǒng)，通過對每個子系統(tǒng)進行投入產(chǎn)出火用分析，綜合考慮各子系統(tǒng)間投入、產(chǎn)出相互耦合的關(guān)系，同時考慮了子系統(tǒng)中電量投入(廠用電)對熱電成本分?jǐn)偟挠绊?，因而計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。能值法克服了折合火用法、火用效率法中存在的人為規(guī)定性問題，并且區(qū)分了能量在數(shù)量和品質(zhì)上的差別，熱電分?jǐn)偙忍幱跓崃糠ㄅc實際焓降法之間，較為合理。
基于能值法的熱電分?jǐn)偙?，計算了該雙抽熱電聯(lián)產(chǎn)機組在100%供熱、75%供熱、50%供熱及25%供熱工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh，并與100%THA、75%THA、50%THA純凝工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsc進行了比較，結(jié)果如表10所示(管道效率取99%，鍋爐效率取93.48%)。
從表10中可以看出，供熱工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh(<300g/(kW·h))均低于純凝工況下的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsc(>300g/(kW·h))，表明基于能值的熱電成本分?jǐn)傂路椒?能值法)將熱電聯(lián)產(chǎn)的部分收益分至發(fā)電側(cè)；同時與熱量法(《DL/T904-2015火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)計算方法》推薦方法)計算結(jié)果(隨著供熱量的增加：25%供熱→100%供熱，發(fā)電熱耗率由7713.17kJ/(kW·h)顯著降低至7020.18kJ/(kW·h))的趨勢不同，隨著供熱量的增加(25%供熱→75%供熱)，由能值法得到的供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh先是由298.14g/(kW·h)緩慢降低至294.21g/(kW·h)，當(dāng)供熱量由75%繼續(xù)增大至100%時，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh則是由294.21g/(kW·h)升高至296.63g/(kW·h)，此時供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh不降反升的原因是在100%供熱工況下，為了保證熱再蒸汽能夠供應(yīng)100t/h的中壓供熱蒸汽，不得不將中調(diào)門節(jié)流，節(jié)流損失直接導(dǎo)致中壓缸效率由中調(diào)門全開情況下92.05%的設(shè)計效率降至84.02%(見表8)，從而導(dǎo)致供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bsh的升高。由此可見，能值法基于熱力學(xué)第二定律對生產(chǎn)過程的能耗本質(zhì)進行考量，區(qū)分了能量在數(shù)量和品質(zhì)上的差別，所得到的供電標(biāo)準(zhǔn)率煤耗貼近電力生產(chǎn)實際，有較強的實用性。
表10 純凝工況及供熱工況供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率
5 結(jié)語
本文基于能值及投入產(chǎn)出火用分析法，提出一種熱電成本分?jǐn)偟男路椒ā苤捣ā＠猛度氘a(chǎn)出火用分析法對熱電聯(lián)產(chǎn)機組各子系統(tǒng)，如燃料系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽機系統(tǒng)、回?zé)嵯到y(tǒng)和冷凝系統(tǒng)進行分析，得到系統(tǒng)中各股能流的能值，基于熱、電雙方能值的比例，對熱電成本進行分?jǐn)?。對包含能值法在?nèi)的幾種常見的分?jǐn)偡椒ㄟM行了比較分析，結(jié)果表明該方法既有經(jīng)濟方面的考量又有熱力學(xué)第二定律作為理論支撐，并將廠用電考慮在內(nèi)進行熱電成本分?jǐn)?，熱電分?jǐn)偙忍幱跓崃糠ㄅc實際焓降法之間，較為合理且物理意義明確，所得到的供電煤耗貼近電力生產(chǎn)實際，有較強的實用性。
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