蔡莼莼 王培紅

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

1 引言

近年來在節(jié)能減排的政策方針下，燃?xì)庹羝?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(yīng)用。火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱指標(biāo)體系已有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，而聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組因?yàn)楸旧頍崃ο到y(tǒng)的復(fù)雜性，使供熱指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)趨于復(fù)雜。

在電力行業(yè)內(nèi)普遍依據(jù)熱量法原理計(jì)算供熱機(jī)組的指標(biāo)。供熱比[2]作為供熱機(jī)組熱電產(chǎn)品能耗分?jǐn)偟囊粋€(gè)重要指標(biāo)，在電廠日常統(tǒng)計(jì)中最為關(guān)鍵。計(jì)算供熱比的主要目的是為進(jìn)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。《火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法（DL/T 904—2004）》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）中把供熱比定義為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的機(jī)組供熱量與汽輪機(jī)熱耗量之比值?；痣姍C(jī)組通常由汽輪機(jī)抽汽或乏汽對外供熱，均按照《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算供熱比[3]。但對聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組而言，燃?xì)廨啓C(jī)組還有一部分的耗熱量，顯然用《標(biāo)準(zhǔn)》供熱比定義式計(jì)算是不恰當(dāng)?shù)模虼?，如何定義聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比是一個(gè)需要解決的問題。

目前，對于聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比計(jì)算，已有一些經(jīng)驗(yàn)公式，但根據(jù)此供熱比計(jì)算得到的供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率明顯偏低，故需要對供熱比的計(jì)算公式進(jìn)行修正。本文以藍(lán)天燃機(jī)廠熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組給出的供熱比經(jīng)驗(yàn)式為例，指出該經(jīng)驗(yàn)式的問題，基于熱量法的基本原則提出供熱比的計(jì)算公式，并對其合理性進(jìn)行驗(yàn)證。

2 藍(lán)天燃機(jī)廠熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比指標(biāo)問題

藍(lán)天熱電有限公司燃機(jī)分廠對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱比λ的現(xiàn)有計(jì)算公式如下：

式（1）中，Qh為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱量，單位為kJ；Pel,GT，Pel,ST分別為燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)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(jī)的循環(huán)吸熱量，單位為kJ，其計(jì)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(jì)算供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[4]的公式如下：

式（3）中，Btp為總的標(biāo)準(zhǔn)煤耗量，單位為kg；Qh為聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱量，單位為kJ。

式（4）中，mNG為總?cè)細(xì)饬浚瑔挝粸閙3；LHVNG為燃?xì)獾牡臀粺嶂?，單位為kJ/m3；q1為煤的標(biāo)準(zhǔn)低位熱值，一般取29 271 kJ/kg。

2014年12月2日機(jī)組運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 2014年12月2日藍(lán)天燃機(jī)廠機(jī)組運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1的工況數(shù)據(jù)計(jì)算供熱比和供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率：

熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分?jǐn)傆泻芏喾椒ǎ覈畛Ｓ玫臑闊崃糠╗5-6]，根據(jù)熱量法對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組進(jìn)行熱耗分?jǐn)偅梢缘玫焦針?biāo)準(zhǔn)煤耗率：

式（5）中，ηtp(h)為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱熱效率。

由于供熱熱效率ηtp(h)＜1，故應(yīng)該大于34.1 kg/GJ。根據(jù)藍(lán)天燃機(jī)廠提供的供熱比公式進(jìn)行計(jì)算得出的偏小，因此該供熱比計(jì)算公式存在問題。

下文將對此經(jīng)驗(yàn)供熱比計(jì)算公式進(jìn)行修正，在修正的過程中，首先建立燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分配和熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算模型，然后類比參考火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計(jì)算公式，提出聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比計(jì)算公式。

3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)熱耗分配和熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算模型

燃?xì)庹羝?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?xì)廨啓C(jī)組的勃雷登循環(huán)和余熱鍋爐及熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)的朗肯循環(huán)兩個(gè)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?xì)廨啓C(jī)內(nèi)燃燒并作功，除了驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)耗功外還對外做功；在朗肯循環(huán)中，燃機(jī)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(jī)內(nèi)作功，同時(shí)汽輪機(jī)的抽汽或排汽用于供熱。與傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)相比，這種方式用燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)發(fā)電機(jī)組基本相同[7]。

基于能量守恒定律，考慮聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組各部分的能量平衡關(guān)系，尤其是燃?xì)廨啓C(jī)組的能量平衡關(guān)系，引入燃?xì)廨啓C(jī)組的能量損失率等概念，為建立統(tǒng)一的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)奠定基礎(chǔ)。

燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)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?xì)廨啓C(jī)組的能量平衡關(guān)系為：

式（6）中，mNG為輸入燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)組的排煙熱量，Q(loss,GT)為燃?xì)廨啓C(jī)組的能量損失，單位均為kJ/h。

P(el,GT)為燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電量，單位為kW。

ηmηg是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組內(nèi)機(jī)械效率與發(fā)電機(jī)效率的乘積，此處根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)取為常數(shù)0.96。

燃?xì)廨啓C(jī)組的能量損失率ζGT定義如下：

（2）余熱鍋爐的能量平衡關(guān)系為：

圖1 燃?xì)庹羝?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(jī)組的能量平衡圖

式（10）中，Q0為蒸汽輪機(jī)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(jì)算方法

機(jī)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(jī)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(jì)指標(biāo)的計(jì)算方法

發(fā)電熱效率ηtp(e)：

4 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱比計(jì)算公式的修正

4.1 火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計(jì)算公式

《標(biāo)準(zhǔn)》中把供熱比定義為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的機(jī)組供熱量與汽輪機(jī)熱耗量之比值?；痣姍C(jī)組通常由汽輪機(jī)抽汽或乏汽對外供熱，均按照《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算供熱比。故火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計(jì)算公式為：

火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)中，熱電廠總熱耗Qtp與汽輪機(jī)熱耗Q0有如下關(guān)系[8]：

式（21）中，ηbp為火電機(jī)組中的鍋爐及管道效率。

以上，火電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)的供熱比計(jì)算公式表示為：

基于熱量法的熱耗分?jǐn)?，供熱方面的熱?jīng)濟(jì)指標(biāo)[3]有如下：

以上，發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算得出的供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相同，即根據(jù)此供熱比公式計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率滿足熱量法的熱耗分?jǐn)傇瓌t。

4.2 聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比計(jì)算公式

類比公式（22），提出聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱比計(jì)算公式為：

式（26）中，η為機(jī)組綜合能量利用效率（詳細(xì)定義見式（11））。

根據(jù)式（3）計(jì)算供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，

由上文基于熱量法建立的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)模型中式（19），可知：

以上，發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算得出的供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率相同，說明根據(jù)所提出的供熱比公式計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，滿足熱量法的熱耗分?jǐn)傇瓌t，驗(yàn)證了所提出的供熱比計(jì)算公式的合理性。

5 算例

針對本文開始提出的藍(lán)天燃機(jī)廠熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)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(jì)算公式進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。

由表1中的工況數(shù)據(jù)，根據(jù)式（26）計(jì)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(jì)算機(jī)組綜合能量利用效率η：

忽略空氣帶入的熱量，燃汽輪機(jī)組的熱平衡：

報(bào)表中沒有看到關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)組熱量損失的相關(guān)數(shù)據(jù)，故假設(shè)ζGT=5% ，ηGT=0.95，則各參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表2。

供熱比

供熱比計(jì)算公式修正前后，供熱方面的熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比如表3所示：

表3 供熱比計(jì)算公式修正前后的指標(biāo)對比

通過對比可以看出：經(jīng)過實(shí)際工況數(shù)據(jù)的計(jì)算，修正后得到的供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的值高于理想值34.1 kg/GJ，符合熱力學(xué)第一定律。

關(guān)于所求得的供熱標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的正確性有待商榷，因?yàn)樵谥暗挠?jì)算過程中，對燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)組損失的熱量，包括散熱損失、燃?xì)廨啓C(jī)組軸系機(jī)械損失、軸封漏氣損失等）進(jìn)行了假設(shè)。而且，供熱比的公式是在所提出的聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的評價(jià)指標(biāo)的延伸，所提出的指標(biāo)體系的合理性已在文獻(xiàn)[9]得到驗(yàn)證，但正確性還有待進(jìn)一步研究，需要更多聯(lián)合聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)際供熱工況數(shù)據(jù)的支撐。

表2 2014年12月2日藍(lán)天燃機(jī)廠機(jī)組運(yùn)行計(jì)算參數(shù)

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