燃气蒸汽联合循环热电联产机组供热比指标计算方法的探究

2018-04-10蔡莼莼王培红

上海节能 2018年3期

蔡莼莼王培红

东南大学能源与环境学院

1 引言

近年来在节能减排的政策方针下，燃气蒸汽联合循环热电联产（以下简称联合联产）作为一种能源结构优化与环境质量提升的重要手段[1]，已逐渐得到广泛地应用。火电机组热电联产的供热指标体系已有相关的国家标准，而联合联产机组因为本身热力系统的复杂性，使供热指标的统计趋于复杂。

在电力行业内普遍依据热量法原理计算供热机组的指标。供热比[2]作为供热机组热电产品能耗分摊的一个重要指标，在电厂日常统计中最为关键。计算供热比的主要目的是为进一步将入炉燃料量、厂用电量等能耗合理地分配到热电产品上。《火力发电厂技术经济指标计算方法（DL/T 904—2004）》（以下简称《标准》）中把供热比定义为统计期内的机组供热量与汽轮机热耗量之比值。火电机组通常由汽轮机抽汽或乏汽对外供热，均按照《标准》计算供热比[3]。但对联合联产机组而言，燃气轮机组还有一部分的耗热量，显然用《标准》供热比定义式计算是不恰当的，因此，如何定义联合联产机组的供热比是一个需要解决的问题。

目前，对于联合联产机组的供热比计算，已有一些经验公式，但根据此供热比计算得到的供热标准煤耗率明显偏低，故需要对供热比的计算公式进行修正。本文以蓝天燃机厂热电联产机组给出的供热比经验式为例，指出该经验式的问题，基于热量法的基本原则提出供热比的计算公式，并对其合理性进行验证。

2 蓝天燃机厂热电联产机组的供热比指标问题

蓝天热电有限公司燃机分厂对于热电联产机组供热比λ的现有计算公式如下：

式（1）中，Qh为热电联产机组的供热量，单位为kJ；Pel,GT，Pel,ST分别为燃气轮机和蒸汽轮机的发电量，单位均为kW；1.45为调整系数。

式（1）中，Q0为蒸汽轮机的循环吸热量，单位为kJ，其计算方法如下：

式（2）中，D0为锅炉总蒸发量，Dfw为给水流量，单位均为kg；h0为主蒸汽焓值，hfw为给水焓值，单位均为kJ/kg。

由供热比λ计算供热标准煤耗率[4]的公式如下：

式（3）中，Btp为总的标准煤耗量，单位为kg；Qh为联合联产机组的供热量，单位为kJ。

式（4）中，mNG为总燃气量，单位为m3；LHVNG为燃气的低位热值，单位为kJ/m3；q1为煤的标准低位热值，一般取29 271 kJ/kg。

2014年12月2日机组运行的主要数据如表1所示：

表1 2014年12月2日蓝天燃机厂机组运行相关数据

由表1的工况数据计算供热比和供热标准煤耗率：

热电联产热耗分摊有很多方法，我国最常用的为热量法[5-6]，根据热量法对热电联产机组进行热耗分摊，可以得到供热标准煤耗率：

式（5）中，ηtp(h)为热电联产机组的供热热效率。

由于供热热效率ηtp(h)＜1，故应该大于34.1 kg/GJ。根据蓝天燃机厂提供的供热比公式进行计算得出的偏小，因此该供热比计算公式存在问题。

下文将对此经验供热比计算公式进行修正，在修正的过程中，首先建立燃气蒸汽联合循环热电联产热耗分配和热经济指标计算模型，然后类比参考火电机组热电联产的供热比计算公式，提出联合联产机组的供热比计算公式。

3 燃气蒸汽联合循环热电联产热耗分配和热经济指标计算模型

燃气蒸汽联合循环热电联产是分布式能源系统中一种典型的系统形式，包含燃气轮机组的勃雷登循环和余热锅炉及热电联产汽轮机的朗肯循环两个部分，总体配置方案如图1所示。在勃雷登循环中，天然气与压缩空气在燃气轮机内燃烧并作功，除了驱动压气机耗功外还对外做功；在朗肯循环中，燃机排放的烟气在余热锅炉内通过换热产生蒸汽并在热电联产汽轮机内作功，同时汽轮机的抽汽或排汽用于供热。与传统的蒸汽轮机热电联产相比，这种方式用燃气轮机和余热锅炉替代了传统的燃煤或燃油锅炉，后部的汽轮机发电机组基本相同[7]。

基于能量守恒定律，考虑联合联产机组各部分的能量平衡关系，尤其是燃气轮机组的能量平衡关系，引入燃气轮机组的能量损失率等概念，为建立统一的热经济性指标奠定基础。

燃气蒸汽联合循环热电联产机组的能量平衡图如图2所示。

根据联合循环热电联产的能量平衡图，其能量平衡与热耗分配的方法如下：

（1）燃气轮机组的能量平衡关系为：

式（6）中，mNG为输入燃气轮机的天然气量，单位为kg/h；

LHVNG为天然气的低位热值，单位为kJ/kg。

Qair为输入空气带入的热量，单位为kJ/h。

Qgas为燃气轮机组的排烟热量，Q(loss,GT)为燃气轮机组的能量损失，单位均为kJ/h。

P(el,GT)为燃气轮机组的发电量，单位为kW。

ηmηg是燃气轮机发电机组内机械效率与发电机效率的乘积，此处根据设计数据取为常数0.96。

燃气轮机组的能量损失率ζGT定义如下：

（2）余热锅炉的能量平衡关系为：

图1 燃气蒸汽联合循环热电联产的总体配置方案图

图2 联合循环热电联产机组的能量平衡图

式（10）中，Q0为蒸汽轮机循环吸热量，单位为kJ/h；ηhp为余热锅炉及管道效率。

（3）热耗分配的计算方法

机组综合能量利用效率η定义如下：

式（13）中，Qtp(h)为联合循环热电联产供热的热耗，Qtp(e)为联合循环热电联产发电的热耗，单位均为kJ/h。

按照热量法分配原则，供热热耗Qtp(h)为：

式（14）中，Qh为热电联产机组的供热量，单位kJ/h。

由（13）式，发电热耗 Qtp(e)为：

（4）热经济指标的计算方法

发电热效率ηtp(e)：

4 燃气蒸汽联合循环热电联产机组供热比计算公式的修正

4.1 火电机组热电联产的供热比计算公式

《标准》中把供热比定义为统计期内的机组供热量与汽轮机热耗量之比值。火电机组通常由汽轮机抽汽或乏汽对外供热，均按照《标准》计算供热比。故火电机组热电联产的供热比计算公式为：

火电机组热电联产中，热电厂总热耗Qtp与汽轮机热耗Q0有如下关系[8]：

式（21）中，ηbp为火电机组中的锅炉及管道效率。

以上，火电机组热电联产的供热比计算公式表示为：

基于热量法的热耗分摊，供热方面的热经济指标[3]有如下：

以上，发现两种方法计算得出的供热标准煤耗率相同，即根据此供热比公式计算得到的标准煤耗率满足热量法的热耗分摊原则。

4.2 联合联产机组的供热比计算公式

类比公式（22），提出联合联产机组的供热比计算公式为：

式（26）中，η为机组综合能量利用效率（详细定义见式（11））。

根据式（3）计算供热标准煤耗率，

由上文基于热量法建立的热经济性指标模型中式（19），可知：

以上，发现两种方法计算得出的供热标准煤耗率相同，说明根据所提出的供热比公式计算得到的标准煤耗率，满足热量法的热耗分摊原则，验证了所提出的供热比计算公式的合理性。

5 算例

针对本文开始提出的蓝天燃机厂热电联产机组提供的供热比公式存在的问题，现使用上文提出的供热比计算公式进行指标计算，并将计算结果进行对比。

由表1中的工况数据，根据式（26）计算供热比：

根据表1中的工况数据，按照文章第3节的定义步骤，计算机组综合能量利用效率η：

忽略空气带入的热量，燃汽轮机组的热平衡：

报表中没有看到关于燃气轮机组热量损失的相关数据，故假设ζGT=5% ，ηGT=0.95，则各参数的计算结果见表2。

供热比

供热比计算公式修正前后，供热方面的热经济指标对比如表3所示：

表3 供热比计算公式修正前后的指标对比

通过对比可以看出：经过实际工况数据的计算，修正后得到的供热标准煤耗率的值高于理想值34.1 kg/GJ，符合热力学第一定律。

关于所求得的供热标准煤耗率的正确性有待商榷，因为在之前的计算过程中，对燃气轮机组的热量损失（除发电及排至余热锅炉的烟气热量之外的燃气轮机组损失的热量，包括散热损失、燃气轮机组轴系机械损失、轴封漏气损失等）进行了假设。而且，供热比的公式是在所提出的联合联产机组的评价指标的延伸，所提出的指标体系的合理性已在文献[9]得到验证，但正确性还有待进一步研究，需要更多联合联产机组实际供热工况数据的支撑。