冷热电三联供电厂等价电效率分析

武文杰，李鹍

(1.通用电气(中国)研发开发中心有限公司，上海 201203;2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

近年来，基于我国天然气能源的战略布局，国家对冷热电三联供技术更加重视。2011年全国能源工作会议上指出，今后要重点发展热电联产或冷热电联供。我国政府将天然气的开发和利用作为改善能源结构、提高环境质量的重要措施。西气东输、广东进口液化天然气、东海天然气开发等大型项目的全面实施，推动了全国天然气的建设。北京、上海等城市已采取一些优惠政策鼓励冷热电三联供项目的发展。到目前为止，已建成的项目有上海浦东国际机场、北京燃气大楼、北京燃气集团次渠门站大楼等。

冷热电三联供电厂的产品主要是热能和电能，其中热能产品包括处于不同温度、压力状态的蒸汽和热水，用于工业生产、区域供热或制冷。冷热电联产CCHP(Combined Cooling Heating and Power)系统在提高燃料利用率和减少排放方面已经得到广泛认可，但由于热能和电能自身能源品位的不同，目前还没有一种被普遍接受的CCHP电厂效率定义。由于缺乏客观统一的评价基准，在比较CCHP电厂不同效率定义时往往会产生误解，也影响了新技术的应用和开发。为了更加科学地定义CCHP电厂效率，同时兼具实用性，本文在热力学第二定律的基础上，提出了等价电效率的概念，用来评估、比较不同电厂和同一电厂不同设计方案的性能。

1 三联供系统及常见效率定义

燃气－蒸汽联合循环冷热电三联供系统以天然气为主要燃料，在燃气轮机内燃烧并膨胀做功，燃气轮机排出的高温烟气通过余热锅炉加热水，产生的蒸汽带动蒸汽轮机做功。余热锅炉或蒸汽轮机生成的蒸汽和热水提供给用户的供热、供冷系统。某三联供电厂系统简图如图1所示。

天然气冷热电三联供系统能源综合利用率较高。在目前的技术水平下，集中供电方式发电效率最高可达40% ～50%，其余50% ～60%的能量很难充分利用;而冷热电三联供不但可以获得28% ～40%的高品位电能，还能将高温废热回收用于供冷、供热，其综合能源利用率一般可达80%以上(如图2所示)。同时，对于我国大部分地区来说，冷热电三联供具有双重削峰填谷作用，夏季通过吸收式制冷，减少电空调负荷，系统的自发电也可以降低大电网的供电压力。冷热电三联供系统提高了天然气能源的综合利用效率，节约能源，从而提高能源利用的经济效益。天然气是清洁能源，燃气－蒸汽联合循环冷热电三联供系统的排放指标均能达到相关的环保标准，具有良好的环保效益。目前在评估三联供电厂性能时，较为主流的几种效率定义方法有发电效率、热效率、公共事业监管政策法案PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act)效率以及㶲效率等。

发电效率将机组净电量作为收益，不考虑供冷、供热所获收益

热效率将净电量、供冷和供热的热能作为收益，不考虑2种能量品位的差别

PURPA效率是美国为鼓励开发创新能源而提出的效率定义，将净电量、供冷和供热的热能作为收益并在计算过程中将热能折半

图1 某三联供电厂系统简图

图2 天然气冷热电三联供系统能源利用率

以上是目前较为常用的几种效率定义方法，但前2种定义不能同时在数量和等级上对能量进行完整的评价;PURPA效率是出于政策需要而定义的效率，在评估CCHP电厂效率时不够科学;㶲的概念不易理解，且㶲效率只是理论效率，具有一定的局限性，不利于推广。

为了解决上述效率定义存在的不足，作者提出了等价电效率的概念。等价电效率将热水和蒸汽的热能转化为等价电能，从而以电能为共同基础评估CCHP电厂性能，公式如下

2 等价电效率

2.1 概念解释

等价电效率的概念为:以现实可行的方式，将各种形式的能量在数值上最大程度地转换为电能，并以电能为共同基准评价冷热电三联供电厂的效率。

“现实可行的方式”是指现实存在的转换装置或合理化的换算方法;“转换为电能”是因为电能的能量品位最高，便于从质和量2个方面分析能量转化效率;“以电能为共同基准”是出于各种能量同质化的需求，从而以统一的标准来评估电厂效率。

热力学第二定律限制了某些能量从一种形态向另一种形态的转变，能量相互转换具有明显的方向性。如机械能、电能等可全部转化为热能，在理论上转换效率可以达到100%，这类可无限转换的能量称为最大有用功，也叫做㶲。冷热电三联供电厂产生的电能可以无限转化为其他形式的能量，所以这部分电能全部为㶲。三联供电厂的其他产品为特定温度、压力的蒸汽或热水，它们并不能无限转化为其他形式的能量，它们所能产生的最大有用功即为热力学㶲。根据热力学第二定律，卡诺机是在温度界限相同时效率最高的能量转换装置，因此，在数值上，某种工质的最大有用功(即㶲)等于以其为高温热源的卡诺机向大气环境放热时所能产生的功。

举例说明，假设热电联供发电厂为用户提供35 t/h压力为1.2MPa、温度为205℃的蒸汽，蒸汽的比焓为2826.44 kJ/kg，总能为27.480 MW。单位质量蒸汽的㶲是 858.96 kJ/kg，总热力学㶲为 8.351 MW。也就是说，相当于一个虚拟的卡诺机以27.480 MW的蒸汽作为单一热源，向温度为t0(15℃)的大气放热，将会产生8.351 MW的功，最大理论效率为30.4%。8.351 MW和30.4%这2个数字来源于热力学第二定律。

实际上卡诺循环仅是理想循环，卡诺机是不存在的，因此，需要用现实可行的能量转换装置来替代虚拟的卡诺机。当工质为蒸汽时，可以用来进行能量转换的装置是蒸汽轮机发电机组。为了便于说明，假定蒸汽轮机向压力为10 kPa的冷凝器放热的等熵效率为85%。利用1.2 MPa，205℃的蒸汽，流量在35 t/h的情况下，发电量为5.460 MW，即等价电能为5.460 MW，热效率仅为19.9%。尽管数值偏低，但和理论最大功8.351 MW相比，转换效率为19.9% ÷30.4%=65.4%。转换效率表述了一个概念，就是以理论最佳效率即卡诺循环的效率作为基准，当工质为热水时，并不能直接用来发电，因此，需要对热水的最大可用功进行合理换算从而转换为电能。例如，将57.18 t/h，95℃的热水用于吸收式制冷，最大有用功为0.477 MW，假定其制冷系数为0.7，则最大制冷量为0.3340 MW，而电制冷系数为5.0，制取同样的冷量需要0.0668 MW 的电能，因此，热水的等价电能为0.0668 MW。转换效率为热水制冷系数与电制冷系数的比值。

2.2 计算方法

等价电效率以电能为共同基准来评估CCHP电厂的效率，不需要考虑电厂的具体构造、燃料种类以及产品性质。CCHP等价电效率可以用下式表示

式中:P为电厂产生的净电能;P'为蒸汽的等价电能;P″为热水的等价电能;F为以净功率或总功率为基础下锅炉燃气轮机燃烧室和相似的燃烧室设备消耗的总燃料，即低位发热量(LHV)或高位发热量(HHV);N表示电厂共有N种产品;Ei为第i种产品的理论最大功即㶲;εi是将理论功Ei转换为电能的转换效率。

用比焓的形式来表达，上式又可改写为

式中:hi为第i种产品的比焓;βi为㶲与比焓的比值。

对公式(1)的概念描述如图3所示，图3中的联合循环电厂有3种产品:电、蒸汽和热水。在热力学第二定律基础上评估能量品位时，大多采用㶲分析法，将工质通过虚拟的卡诺机所能做的最大有用功(㶲)E作为评估的标准。但卡诺机并不存在，现实的能量转换装置存在一定的损耗。当工质为蒸汽时，能量转换装置为虚拟的汽轮机，将最大有用功E转换为等价电能P'的过程中，存在转换效率ε;Tme为虚拟卡诺机的平均吸热温度，T0为环境参考温度，虚拟卡诺机工作在Tme和T0之间。当工质为热水时，能量转换装置为虚拟的吸收式制冷机，将热水的最大有用功E转换为等价电能P″的过程中，同样存在转换效率ε。

图3 等价电效率概念示意图

蒸汽参数计算公式

热水参数计算公式

式中:s为工质(蒸汽或者热水)的熵，kJ/(kg·℃);T为温度，K;h为工质的比焓，kJ/kg;ηCOPx为吸收式制冷效率;ηCOPd为电制冷效率;下标“0”表示参考点，一般取环境温度。

其中，蒸汽参数ε的计算公式是基于当前蒸汽轮机的技术水平，由参考文献［4］中的图4(The ratio of second－law efficiency)拟合简化所得。热水参数中的吸收式制冷转换效率ηCOP可采用以下经验公式:

3 工程分析应用

为了比较几种效率定义的差别，下面将会通过4个联合循环电厂的算例来进行分析说明，4个电厂的设计参数见表1。

其中，电厂A，B，C均采用GE LM2500机组，电厂D采用GE 5371PA机组。电厂A为热电联供电厂，除了提供电力输出外，还输出压力为1.2 MPa、温度为205℃的蒸汽。电厂B，C，D为冷热电三联供电厂，是在电厂B的基础上加入了烟囱换热装置，从而产生95℃的热水用于吸收式制冷。各电厂效率的计算结果见表2。

从表1和表2可知，电厂C和电厂A相比，在不影响发电的情况下增加了热水制冷，所以二者电效率一样，而电厂C的其他效率都比电厂A的效率高，这几个效率评价指标保持一致。电厂B和电厂C相比，少抽12 t蒸汽用于取暖或者制冷，导致电效率增加而热效率和PURPA效率下降。如果只从热效率或者PURPA效率评价，电厂C的三联供效率高。但由于电厂B中少抽的蒸汽可用于产生高品质的电能，实际上电厂 B的三联供效率反而高，等效电效率科学地反映了这一事实。电厂C，电厂D采用重型燃气轮机，虽然可以产生更多的热水，但是其热效率、PURPA效率和等价电效率都比电厂C低。

表2 电厂效率 %

从净电效率来看，电厂B的效率最高。因为电厂B的抽汽量为23 t/h，电厂A，C，D的抽汽量为30 t/h，电厂B将更多的能量用于发电，因此，净电效率稍高于电厂A，C和D。

在CCHP热效率方面，从表面上看，电厂B和电厂D很接近，但是电厂B的电效率远高于电厂D，只是由于电厂D可以产生更多的热水。CCHP热效率只是简单地用蒸汽和热水的比焓来进行效率计算，没有考虑电能、蒸汽和热水能量等级的不同。如果考虑到能量等级，等价电效率很好地反映了二者的较大差距。

PURPA效率与CCHP热效率的趋势基本一致，但在一定程度上考虑了能量等级的不同，因此，各电厂PURPA效率相对于CCHP热效率来说差值较小。然而，在PURPA效率的计算过程中，只是简单地将热能的价值等价于电能的1/2，不能在数值上准确地反映电能、蒸汽、热水的等级。

由于电厂B将最多的能量用于生产能量等级最高的产品——电能，而且采用了电效率较高的燃气轮机，所以它的等价电效率最高。等价电效率的定义很好地解决了PURPA效率不能在数值上准确反映能量等级的问题。

通过对上述计算结果的分析可知，传统的效率定义方法将热能与电能混合在一起，忽略了两者能量等级的不同，而PURPA效率的定义方法虽然在这个方面有所体现，但在数值上不够精确。等价电效率的定义则提出了一个共同基础，可将各种不同形式的能量转化为同一种等级，从而更加科学地评估电厂的效率。

虽然用户在关注电厂性能时，考虑的主要是成本和价格方面的因素，但这并不表示等价电效率的概念没有应用的意义。这种科学的定义方法可以为监管、评估和鼓励高效项目方面提供标准，从而最大限度地利用能源和减少排放，此外，在电厂设计过程中，也可以为优化设计提供参考。

4 适用范围及其他

本文提出了等效电效率的概念，将三联供系统的不同产品(热水、蒸汽、电力)转化为电能，用于评价三联供系统的性能，包括但不局限于燃气轮机和内燃机三联供。但这里的三联供系统没有外延到客户端，只是包括能量输出端(如电厂)。

等效电效率的定义和计算中用到了虚拟的汽轮机和吸收式制冷机，对于无法用吸收式制冷循环来评价的低温热水(如65℃热水)，将无法转化为等效电能，也就无法使用等效电效率的概念。在一般情况下，三联供系统中低温热水对系统总效率和经济性影响并不大。

5 结束语

根据冷热电三联供电厂产品的特性，提出了等价电效率的概念。通过工程实例进行了计算分析，对比各电厂效率后可知，等价电效率可在一个共同基础上，较为科学地评估不同能量品位产品对电厂效率的影响并在理论上给出合理化的解释。等价电效率的概念对于优化电厂设计具有极大的参考作用，有助于推动节能减排和资源合理利用。

［1］刘岩，葛斌，王培红.联合循环热电冷三联供系统的热经济性分析［J］.燃气轮机技术，2007，20(2):6 －9.

［2］唐爱坤，魏琪，杨志坚，等.燃气－蒸汽联合循环热电冷三联供系统用分析［J］.机电信息，2005(3):5－7.

［3］周大汉，柳建华，王瑾，等.吸收式制冷应用于冷热电三连产系统的能耗特性分析［J］.上海理工大学学报，2004，26(1):98 －102.

［4］S.Can Gülen.A Proposed Definition of CHP Efficiency［J］.Power，2010，154(6):58 －63.

［5］周晓彬，翟明.新型燃气－蒸汽联合循环发电站的特点及循环效率分析［J］.热电技术，2009(1):9－12.

［6］张光斌，肖立川.燃气－蒸汽联合循环热效率的估算方法研究［J］.湖北农业科学，2011，50(4):842 －844.

［7］姚秀平.燃气轮机及其联合循环发电［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［8］徐明.燃气－蒸汽联合循环发电装置的热力特性及燃气轮机热经济性分析［J］.能源技术，2003，24(3):100－102.

［9］项新耀.工程㶲分析方法［M］.北京:石油工业出版社，1990.

［10］应允朋，厉建栋.燃气－蒸汽联合循环发电技术的应用［J］.煤气与热力，2003，23(9):559 －561.

［11］黄宗汉.燃气－蒸汽联合循环的热平衡热效率计算及评价［J］.青岛大学学报，2004，19(2):10 －13.