段曉宇

（1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)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(lián)產(chǎn)中，工質(zhì)所吸收的高品位熱能首先經(jīng)由汽輪機做功產(chǎn)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(zhì)用能原則，達成了能源梯級利用，對節(jié)能降耗和環(huán)境保護意義重大。

熱電聯(lián)產(chǎn)方式下熱、電二者共同產(chǎn)出，為規(guī)范熱、電雙方利益，需正確核計熱、電這兩種產(chǎn)品的成本，亦即科學(xué)計算熱電分攤比。但由于聯(lián)產(chǎn)機組熱、電生產(chǎn)過程中蘊含的大量耦合性，且電能和熱能形式上不同、質(zhì)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(nèi)外專家學(xué)者從經(jīng)濟學(xué)、熱力學(xué)等角度對供熱汽輪機熱電聯(lián)產(chǎn)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(xiàn)一定局限性，有待進一步探討。熱電聯(lián)產(chǎn)包含兩類工質(zhì)循環(huán)：用于凝汽發(fā)電的工質(zhì)循環(huán)和用于熱用戶的抽汽供熱工質(zhì)循環(huán)。只要從熱力學(xué)循環(huán)實質(zhì)出發(fā)，將兩類循環(huán)加以嚴謹區(qū)分，就能構(gòu)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(xiàn)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(zhì)差異的考量，僅按生產(chǎn)電能和熱能所消耗能量的數(shù)量作出攤派［2］。舉例：鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽首先用于推動汽輪機發(fā)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(qū)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(lián)產(chǎn)時的供電煤耗和供電成本會較單產(chǎn)時大為降低。應(yīng)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(shù)蒸汽的利用價值與其能量品位掛鉤，熱量法無法區(qū)分熱電聯(lián)產(chǎn)不同階段的蒸汽品質(zhì)差異，有違經(jīng)濟學(xué)原理。（2）熱化發(fā)電會伴有冷源和不可逆損失，但熱量法將該部分損失歸結(jié)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(xué)補充水焓，kJ/kg；q0、qh、σ分別表征1kg蒸汽對外供熱量、循環(huán)吸熱量和再熱器中的吸熱量，GJ；αrе為再熱流量系數(shù)；?為熱用戶供熱回水率。

1.2 實際焓降法

實際焓降法的相關(guān)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(xué)第二定律，將熱能的數(shù)量和質(zhì)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(huán)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(lián)產(chǎn)效益分配到熱、電兩種產(chǎn)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(huán)境參數(shù)，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(dǎo)致熱、電兩種產(chǎn)品共同比較的基礎(chǔ)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(chǎn)生新的有效的計算方法。

2.1 基本思路

經(jīng)由供熱汽輪機熱電聯(lián)產(chǎn)所形成的的電能和熱能的產(chǎn)品性質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化與本身參數(shù)和環(huán)境介質(zhì)參數(shù)有關(guān)，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(tǒng)一尺度。前文提及的“?”能兼顧能量的數(shù)量和質(zhì)量，契合有熵“無序能”向無熵的“有序能”的轉(zhuǎn)化衡量。

供熱汽輪機熱力循環(huán)的分析見圖2所示。

圖2 供熱汽輪機熱力循環(huán)分析

由圖2，結(jié)合“?”的作用，提出總體思路：（1）在供熱汽輪機抽汽供熱循環(huán)對外輸出的產(chǎn)品截面上，將熱能產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為?流產(chǎn)品，使其與電能產(chǎn)品等價；（2）計算與抽汽供熱循環(huán)相對應(yīng)的電能產(chǎn)品和用于熱用戶的熱能相應(yīng)的?流之間的比例，根據(jù)該比例對抽汽供熱循環(huán)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(shù)學(xué)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(huán)中的相關(guān)定義表述

根據(jù)圖2，熱、電分攤主要存在于抽汽供熱循環(huán)層面。在該層面中，除輸出w0T外，還輸出與熱能產(chǎn)品所對應(yīng)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(xué)補水比?。需要注意：（1）化學(xué)補水所占成本應(yīng)計入與熱用戶相對應(yīng)的其它運行費用中，而不應(yīng)牽涉熱電聯(lián)產(chǎn)總熱耗量分攤。（2）為使?流與汽輪機做功具備可比性，環(huán)境參數(shù)應(yīng)與凝汽器冷卻水進水溫度相吻合。

在抽汽供熱循環(huán)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(huán)相契應(yīng)的熱分攤比為：

用于抽汽供熱循環(huán)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(huán)為復(fù)合循環(huán)（主凝汽循環(huán)+抽汽供熱循環(huán)），由于工作機制的限定，整體循環(huán)的再熱流量系數(shù)與抽汽供熱循環(huán)的是一致的。故而：整體循環(huán)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(yīng)的供熱蒸汽份額定義為汽輪機供熱系數(shù)α0T，則有：

結(jié)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(shù)和工況參見文獻［2-7］，限于篇幅不再羅列），基于不同環(huán)境狀態(tài)，動用4種方法進行熱分攤比的計算和對比，結(jié)果見表1和表2所示。注：為尋求統(tǒng)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(jié)果一（環(huán)境參數(shù)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(jié)果二（環(huán)境參數(shù)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(huán)境溫度相差較小。（3）本文方法以供熱汽輪機的復(fù)合循環(huán)機制為計算著力點，統(tǒng)籌考慮了能量在數(shù)量上的平衡、能量在品質(zhì)上的差異、供熱回水對供熱機組的作用，所得結(jié)果處于熱量法和做功能力法之間，顯得更為合理。

4 結(jié)束語

供熱汽輪機總熱耗量熱電分攤關(guān)乎供熱和發(fā)電價格的制定。在分析以往分攤模型缺陷的基礎(chǔ)上，借助“?”這個能將能量數(shù)量和能量質(zhì)量納入統(tǒng)一考量的尺度，以實際的工質(zhì)循環(huán)為計算切入點，提出了供熱汽輪機熱電聯(lián)產(chǎn)總熱耗量科學(xué)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(jù)。