喻培元，宋曉彥

(湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰荆?武漢 430040)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，大氣污染，氣候變暖等問題愈發(fā)嚴(yán)重，熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)因其在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)，得到了快速發(fā)展。熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的目的就是實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用，是熱力學(xué)第二定律的體現(xiàn)，高品位能量首先用于發(fā)電，剩余的低溫?zé)崮茉儆糜诠醄1～3]。針對(duì)目前常用的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能耗指標(biāo)和計(jì)算方法，一些學(xué)者提出了質(zhì)疑，認(rèn)為部分指標(biāo)和計(jì)算方法無法有效的體現(xiàn)不同能量的品質(zhì)[4～6]。本文對(duì)各種不同的能耗指標(biāo)和計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)這些指標(biāo)和計(jì)算方法的理解提出一些看法。

2 目前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組幾種不同能耗指標(biāo)及其計(jì)算方法

目前，熱電機(jī)組能耗計(jì)算方法主要有：熱量分?jǐn)偡╗7]、參照鍋爐法、參照電廠法和一些學(xué)者提出的火用效率法，主要的能耗指標(biāo)包括綜合熱效率、熱電比、單位發(fā)電煤耗、單位供熱煤耗、綜合火用效率[8～10]。

2.1 熱量分?jǐn)偡?/h3>

熱量分?jǐn)偡ㄊ前窗l(fā)電、供熱所耗熱量的比例來分配總的耗煤量。計(jì)算公式如下。

(1)

(2)

(3)

2.2 參照鍋爐法

參照鍋爐法將熱電聯(lián)產(chǎn)中供熱所消耗的煤量等效為標(biāo)準(zhǔn)大型燃煤鍋爐所消耗煤量，參照鍋爐法計(jì)算公式如下。

(4)

(5)

目前標(biāo)準(zhǔn)大型燃煤鍋爐產(chǎn)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(lián)產(chǎn)中發(fā)電所消耗的煤量等效為燃煤純發(fā)電電廠所消耗煤量，參照電廠法計(jì)算公式如下。

供熱煤耗=

(6)

2020年全國(guó)平均發(fā)電煤耗為305 kgce/(kW·h)。

2.4 火用效率法

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，不同形式的能量轉(zhuǎn)化為其它形式的能量時(shí)其轉(zhuǎn)化率不同，一般用火用焓比表示能量的能級(jí)，電能和燃料的化學(xué)能可完全轉(zhuǎn)化為熱能，其火用焓比為1；熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械以能再轉(zhuǎn)化為電能，其轉(zhuǎn)化率遵循卡諾定律，工質(zhì)參數(shù)不同其能級(jí)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(jù)熱力學(xué)第二定律，熱電聯(lián)產(chǎn)火用效率計(jì)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(jì)算三組不同背壓機(jī)組的相關(guān)指標(biāo)(A、B、C三個(gè)機(jī)組的熱效率相同，均為86.00%)。

機(jī)組A：總耗煤量為1 tce(相當(dāng)于8.14 MW·h)，供熱量為21.6 GJ(200 ℃熱蒸汽)(相當(dāng)于6 MW·h)，發(fā)電量為1 MW·h。

機(jī)組B：總耗煤量為1 tce(相當(dāng)于8.14 MW·h)，供熱量為18.0 GJ(200 ℃熱蒸汽)(相當(dāng)于5 MW·h)，發(fā)電量為2 MW·h。

機(jī)組C：總耗煤量為1 tce(相當(dāng)于8.14 MW·h)，供熱量為21.6 GJ(100 ℃熱蒸汽)(相當(dāng)于6 MW·h)，發(fā)電量為1 MW·h。

3 分析與討論

A、B、C三個(gè)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(dāng)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(zhì)更高，因此根據(jù)熱力學(xué)第二定律，方案B總體能量品質(zhì)高于方案A，同理，相同熱量的200 ℃熱蒸汽品質(zhì)高于100 ℃熱蒸汽，方案A總體能量品質(zhì)高于方案C，三個(gè)方案總體能量品質(zhì)B優(yōu)于A優(yōu)于C。

熱量分?jǐn)偡ü崦汉目偸歉哂趨⒄斟仩t法，這是因?yàn)闊崃糠謹(jǐn)偡ü崦汉氖前纯偀嵝蕘戆褵嵴鬯銥槿济?，把最終產(chǎn)生的電能、熱能都按當(dāng)量值轉(zhuǎn)換成熱能。參照鍋爐法供熱煤耗只按燃煤鍋爐單獨(dú)的產(chǎn)熱效率來把熱折算為燃煤，而總熱效率永遠(yuǎn)低于燃煤鍋爐單獨(dú)的產(chǎn)熱效率(上述三個(gè)方案的總熱效率均為86%，燃煤鍋爐單獨(dú)的產(chǎn)熱效率為90%)。熱量分?jǐn)偡ü崦汉谋壤螅虼藷崃糠謹(jǐn)偡òl(fā)電煤耗更小。

A、B、C三個(gè)方案熱量分?jǐn)偡ǖ陌l(fā)電煤耗和供熱煤耗均相同，與“三個(gè)方案總體能量品質(zhì)B優(yōu)于A優(yōu)于C”的直觀結(jié)論不符，因?yàn)闊崃糠謹(jǐn)偡ū举|(zhì)上以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，把熱能和電能均作為熱能來對(duì)待，無法區(qū)分電能與熱能品質(zhì)的不同，只要總熱效率不變，系統(tǒng)的發(fā)電煤耗和供熱煤耗就不變。熱量分?jǐn)偡ㄖ蛔非罂偀嵝?，完全無法體現(xiàn)能量的梯度利用，電能與熱能的差別也無法體現(xiàn)。

參照鍋爐法中鍋爐產(chǎn)熱效率均取90%，供熱煤耗相同，參照電廠法中發(fā)電煤耗取全國(guó)平均發(fā)電煤耗，發(fā)電煤耗相同。依據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，方案B參照鍋爐法計(jì)算的發(fā)電煤耗小于方案A，方案B參照電廠法計(jì)算的供熱煤耗小于方案A，與“方案B總體能量品質(zhì)高于方案A”這樣的直觀結(jié)論相符，主要是因?yàn)榉桨窤與方案B的熱電比不同導(dǎo)致的，方案B的熱電比小于方案A，其發(fā)電量占比大于方案A，而電能的品質(zhì)高于熱能的品質(zhì)，說明參照鍋爐法和參照電廠法均能體現(xiàn)電能與熱能兩者能量品質(zhì)的不同，一定程度上能體現(xiàn)能量的梯度利用。

表1 3種不同熱電機(jī)組的4種能耗計(jì)算結(jié)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(jì)算的發(fā)電煤耗和供熱煤耗完全相同，與“方案A總體能量品質(zhì)高于方案C”的結(jié)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(zhì)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(xiàn)電能與熱能兩者能量品質(zhì)的不同，但無法體現(xiàn)不同熱能間品質(zhì)的區(qū)別。

火用效率：B>A>C，與“三個(gè)方案總體能量品質(zhì)B優(yōu)于A優(yōu)于C”的直觀結(jié)論相符，因?yàn)榛鹩眯史ㄝ^好的體現(xiàn)了不同能量的品質(zhì)，不僅能體現(xiàn)電與熱品質(zhì)的不同，也能體現(xiàn)不同溫度的熱蒸汽品質(zhì)的不同(火用焓比：電>200 ℃熱蒸汽>100 ℃熱蒸汽)。

4 結(jié)論

熱量分?jǐn)偡ㄒ罁?jù)熱力學(xué)第一開定律，完全無法區(qū)分不同能量的品質(zhì)；參照鍋爐法和參照電廠法能較好區(qū)分電能與熱能品質(zhì)的高低，但無法區(qū)分不同熱能品質(zhì)的高低；火用效率法能較好的區(qū)分各種不同能量的品質(zhì)，采用火用效率指標(biāo)能較好推動(dòng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能量梯度利用，建議熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組能耗指標(biāo)中增加火用效率指標(biāo)。