王道祥

（江蘇省工程咨詢中心，江蘇 南京210003）

0 引言

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)是我國重點(diǎn)發(fā)展的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)之一［1］。天然氣發(fā)電廠主要分布于長三角、東南沿海等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省市。聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱以工業(yè)熱負(fù)荷為主，與單純?nèi)細(xì)廨啓C(jī)發(fā)電方式相比提高了能源利用率，但與燃煤發(fā)電相比，發(fā)電成本較高。主要原因是天然氣價(jià)格較高，可以占到總成本的60%～80%，再考慮到固定資產(chǎn)折舊等因素，部分發(fā)電企業(yè)盈利微薄甚至虧損。在現(xiàn)有天然氣價(jià)格、供熱價(jià)格和上網(wǎng)電價(jià)體制下，通過優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式降低成本、提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

已有不少學(xué)者在熱電成本分?jǐn)偫碚摵蜋C(jī)制上進(jìn)行了研究［2－5］，但沒有結(jié)合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。另外，文獻(xiàn)［6－9］僅僅針對蒸汽輪機(jī)，通過模型研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱和發(fā)電負(fù)荷的關(guān)系，沒有針對聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行整體研究，也沒有系統(tǒng)推理分析經(jīng)濟(jì)效益。本文通過建立聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組不同運(yùn)行方式下的熱電邊際貢獻(xiàn)模型，從經(jīng)濟(jì)效益角度探討熱電邊際貢獻(xiàn)模型隨發(fā)電、供熱負(fù)荷的變化規(guī)律，用以指導(dǎo)燃?xì)獍l(fā)電企業(yè)合理調(diào)度機(jī)組運(yùn)行方式，取得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

多軸聯(lián)合循環(huán)在燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中較為常見，所以本文以常用的多軸聯(lián)合循環(huán)抽凝供熱機(jī)組為研究對象，建立其熱電邊際貢獻(xiàn)模型。多軸聯(lián)合循環(huán)工藝流程圖如圖1所示。

圖" 燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)雙抽熱電聯(lián)產(chǎn)工藝流程圖

1 熱電邊際貢獻(xiàn)模型

燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)收益來自供熱和發(fā)電（熱和電兩種產(chǎn)品），變動(dòng)成本主要是天然氣燃料成本，熱電邊際貢獻(xiàn)模型為：

式中，BJGX為邊際貢獻(xiàn)（元）；Qh為供熱量或供熱負(fù)荷（GJ或GJ／h）；Pgt為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量或發(fā)電功率（kW·h或kW）；Pst為汽輪機(jī)發(fā)電量或發(fā)電功率（kW·h或kW）；ζ為綜合廠用電率；F 為天然氣燃料量（kg或 Nm3，kg／h或 Nm3／h）；Sh為供熱單價(jià)（元／GJ）；Se為上網(wǎng)電價(jià)（元／kW·h）；Sf為天然氣單價(jià)（元／kg或元／Nm3）；dh為供熱氣耗率（kg／GJ或 Nm3／GJ）；de為發(fā)電氣耗率（kg／kW·h或 Nm3／kW·h）。

而熱電產(chǎn)品利潤為：

式中，SP為熱電銷售利潤（元）；Gh為供熱固定成本分?jǐn)偅ㄔ?；Ge為供電固定成本分?jǐn)偅ㄔ?/p>

由式（3）可知，當(dāng)固定成本不變時(shí)，熱電邊際貢獻(xiàn)將對利潤產(chǎn)生直接的影響，邊際貢獻(xiàn)越大，熱電產(chǎn)品利潤就越大。所以在一定的運(yùn)行條件下，實(shí)現(xiàn)熱電邊際貢獻(xiàn)最大化，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)熱電利潤最大化。為研究熱電邊際貢獻(xiàn)與供熱、發(fā)電負(fù)荷、燃料量之間的關(guān)系，由式（1）進(jìn)行變換：

式中，Dh為供熱抽汽量（t／h）；hh為供熱抽汽焓（kJ／kg）；D0、Dc分別為汽輪機(jī)進(jìn)口流量、排汽流量（t／h）；h0、hc分別為汽輪機(jī)進(jìn)口焓、排汽焓（kJ／kg）；當(dāng)汽輪機(jī)有多股進(jìn)汽，如來自余熱鍋爐的高壓和低壓出口蒸汽時(shí)，D0×h0為汽輪機(jī)各股進(jìn)口流量和焓值乘積之和，D0為各股進(jìn)口流量之和；當(dāng)抽汽供熱有多級(jí)抽汽時(shí)，Dh×hh為各級(jí)抽汽流量和焓值乘積之和，Dh為各級(jí)抽汽流量之和；ηm、ηg分別為汽輪機(jī)機(jī)械效率和汽輪機(jī)側(cè)發(fā)電機(jī)效率。

式（6）中，為簡化計(jì)算分析，Dc計(jì)算不考慮汽輪機(jī)泄漏等損失，并且汽輪機(jī)只有供熱抽汽，沒有其他抽汽。

2 “以熱定電”熱電邊際貢獻(xiàn)模型研究

“以熱定電”運(yùn)行工況是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組最典型的運(yùn)行方式，它依據(jù)供熱負(fù)荷的大小來確定發(fā)電負(fù)荷。在研究熱電邊際貢獻(xiàn)隨抽汽供熱負(fù)荷變化規(guī)律時(shí)，由于主要變化發(fā)生在汽輪機(jī)側(cè)，Pgt×（1－ζ）×Se和F×Sf基本固定不變，可不予考慮。基于此，對式（4）進(jìn)行簡化，得到“以熱定電”工況下熱電邊際貢獻(xiàn)模型：

由式（7）可知，“以熱定電”運(yùn)行工況下，熱電邊際貢獻(xiàn)主要與汽輪機(jī)發(fā)電功率和供熱負(fù)荷有關(guān)。汽輪機(jī)發(fā)電功率與汽輪機(jī)進(jìn)汽流量、供熱負(fù)荷有關(guān)，當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)汽流量不變時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)電功率大小取決于供熱負(fù)荷。

3 案例計(jì)算分析

以某廠燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，對不同工況下的熱電邊際貢獻(xiàn)模型進(jìn)行計(jì)算分析。機(jī)組主機(jī)部分由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)余熱鍋爐、一臺(tái)蒸汽輪機(jī)和兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組成。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用分軸布置，即燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)分軸，分別驅(qū)動(dòng)各自發(fā)電機(jī)。生產(chǎn)工藝流程簡圖如圖1所示。

燃?xì)廨啓C(jī)為SGT5－2000E型燃機(jī)，由西門子公司提供，額定轉(zhuǎn)速3 000r／min。余熱鍋爐為雙壓無再熱、無補(bǔ)燃、臥式、無旁路煙囪、自然循環(huán)余熱鍋爐，由東方鍋爐集團(tuán)公司提供。蒸汽輪機(jī)為次高壓、單缸、三壓、無再熱、下排汽、單軸、雙抽、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為LZC81－7.8／2.3／1.3／0.6，由上海電氣集團(tuán)公司提供。蒸汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)口分為高壓側(cè)和低壓側(cè)，分別由余熱鍋爐高壓側(cè)和低壓側(cè)過熱蒸汽進(jìn)入。

機(jī)組基準(zhǔn)工況參數(shù)：汽輪機(jī)高壓側(cè)進(jìn)口壓力、溫度、流量分別為7.8MPa、521℃和210.4t／h；汽輪機(jī)低壓側(cè)進(jìn)口壓力、溫度、流量分別為0.61MPa、222.8℃和56.23t／h；一段抽汽口壓力、溫度、流量分別為2.3MPa、373.3℃和40t／h；二段抽汽口壓力、溫度、流量分別為1.3MPa、328.1℃和50t／h。

“以熱定電”運(yùn)行工況熱電邊際貢獻(xiàn)隨抽汽量不同，相應(yīng)各工況發(fā)電功率和熱電邊際貢獻(xiàn)計(jì)算過程如表1所示。

表" 熱電邊際貢獻(xiàn)不同各工況計(jì)算過程表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，得到“以熱定電”工況發(fā)電負(fù)荷與供熱抽汽量關(guān)系曲線以及熱電邊際貢獻(xiàn)與供熱抽汽量關(guān)系曲線，如圖2和圖3所示。

圖- 發(fā)電負(fù)荷與供熱抽汽量關(guān)系曲線圖

圖* 熱電邊際貢獻(xiàn)與供熱抽汽量關(guān)系曲線圖

由圖2可知，隨著供熱抽汽量增加，發(fā)電負(fù)荷呈下降趨勢。主要因?yàn)槠啓C(jī)進(jìn)口流量不變，隨著抽汽量的增加，抽汽口后用于做功的蒸汽減少，進(jìn)而降低了發(fā)電功率。當(dāng)抽汽量達(dá)到最大抽汽工況時(shí)，汽輪機(jī)發(fā)電功率減少到最低。

而由圖3可知，隨著供熱抽汽量增加，熱電邊際貢獻(xiàn)呈增長趨勢?？梢?，天然氣耗量基本相同的情況下，按“以熱定電”運(yùn)行策略，隨著熱負(fù)荷增加，熱電邊際貢獻(xiàn)增大，當(dāng)達(dá)到最大抽汽工況時(shí)，熱電邊際貢獻(xiàn)最大。

4 結(jié)語

（1）本文建立了燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)抽凝供熱機(jī)組熱電邊際貢獻(xiàn)計(jì)算模型，并推導(dǎo)了“以熱定電”典型運(yùn)行工況下的熱電邊際貢獻(xiàn)簡化計(jì)算模型。

（2）通過實(shí)際案例進(jìn)行計(jì)算分析，得出結(jié)論：天然氣耗量基本相同的情況下，隨著熱負(fù)荷增加，熱電邊際貢獻(xiàn)增加。

（3）建立熱電邊際貢獻(xiàn)計(jì)算模型，可以指導(dǎo)企業(yè)根據(jù)外界熱負(fù)荷和電負(fù)荷需求情況合理制訂運(yùn)行策略，優(yōu)化運(yùn)行方式，最大限度地降低天然氣燃料成本。

［1］孫培鋒，蔣志強(qiáng).燃?xì)廨啓C(jī)在熱電聯(lián)產(chǎn)工程中的應(yīng)用狀況分析［J］.能源研究與信息，2013，29（1）：6－10.

［2］于彥顯，梁輝.燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組熱電成本分?jǐn)偡椒ㄌ接懀跩］.熱力發(fā)電，2013，42（11）：6－11.

［3］何永秀，張培基，張一星.熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目供熱、供電成本分?jǐn)倷C(jī)制的研究［J］.中國電力，2004，37（6）：63－66.

［4］張偉中.燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2003（3）：43－46.

［5］葉學(xué)民，閻維平，高正陽.合理確定熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組中熱電分?jǐn)偙鹊恼酆?分?jǐn)偰Ｐ停跩］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（2）：168－171.

［6］王漪，薛永鋒，張敏，等.基于能量平衡法的以熱定電數(shù)學(xué)模型研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2014，56（2）：150－152.

［7］郭濤，張旭，楊洪玲.熱電聯(lián)產(chǎn)火電廠“以熱定電”可行性研究［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（4）：13－15.

［8］解春林，薛永鋒，王松嶺.供熱機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)以熱定電模型研究［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（7）：9－11.

［9］吳龍，袁奇，丁俊齊，等.基于變工況分析的供熱機(jī)組負(fù)荷特性研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2012，27（4）：424－428.