热电联产中热电效益分摊的应用分析

郭聪，田贯三

（山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101）

0 引言

在我国，热电厂运营过程中经常出现供热亏损。造成供热亏损问题的原因有很多，既有政策法规方面的，也有经济规律方面的［1－2］，还有热电成本分摊理论方法方面的［3－6］。通过热电联产可得到热能和电能2种产品，二者形式不同、质量不等，因此需要尽快将热电联产带来的热经济效益合理地分摊问题提上日程。

以经济学为基础的分摊方法［7－9］在综合考虑热电联产机组供热量与发电电量经济价值的基础上，引入经济效益系数，提出以单位燃料消耗量产生的经济价值来考核热电厂能量利用率，从宏观角度分析热电联产机组的成本和收益，把研究对象集中到产品输出和成本消耗。常见的方法有综合效益法、经济学法和黄金分割法，仅以盈利为目的，未过多分析热力过程。以热力学第一定律为基础的分摊方式忽略了能量的质量差别，计算出的发电热效率高于相同条件下理想朗肯循环热效率，以热量法、实际焓降法为代表［7，10－11］。以热力学第二定律为基础的分摊方式注重能量的品质与可用性，能够对发电供热过程中的不可逆损失进行分析和量化，揭示了能量传递转换环节的能量损耗，常见的方法有做功能力法、折合法、比例法、效率法、热经济学法等［5，12］。其中，热经济学法又叫经济学［13－14］，其将热力学分析与经济因素统一考虑，在能量流中有现金流，可直观看到每股能流的成本，进而合理分摊。不过该方法计算较复杂，难以大范围推广应用。

文章采用效益分摊模型，并应用于型号为C350－24．2／0．4／566／566的 350 MW抽凝机组，分别考虑再热和不再热过程，当改变汽轮机的供汽量、抽汽量时，对热电厂参数指标进行了计算分析，总结出热电厂随负荷变化的能耗变化规律，对不同的热电分摊方法进行了对比分析。

1 热电联产原理与热电效益分摊数学模型概述

1．1 热电联产原理

热电厂的主要运行方式为热电联产，其原理是将燃料的化学能转化为高品位的热能用来发电，同时将已在供热式汽轮机中做了部分功后的低品位热能，用来对外供热，符合按质用能的原则［2－4，15］。如图1所示，热电厂输出给热用户的蒸汽（热能）是汽轮机中没有完全用来发电的蒸汽，这部分蒸汽余下的热能被热用户利用，减少了冷源损失，提高了热利用率，因此热电联产被认为是一种有效的能源利用方法。

图1 调节抽气式热电联产热力系统图

热电联产将热、电二者共同产出，不仅涉及到热力企业、电力行业本身的利益，同时也涉及到二者的用户相关权益。因此在核计成本时就自然会关系到热、电这两种产品各自的成本，这就有了如何分配及分配是否合理的问题。热电产品成本上的分配对二者能否制定出合乎情理的价格息息相关，主要影响因素有选取的分摊模型和分配标准，若以上因素不同，据此得到的产品经济效益也存在明显差别。因此，热电产品合理定价的前提是选取科学的、适当的分摊方法。

1．2 热电效益分摊数学模型

1．2．1 热量法

热量法在划分热电厂总热耗量时忽略能质差别，仅仅考虑生产电能和热能所消耗能量的数量。比如不论是锅炉产生的新蒸汽，还是已经做了部分功后被抽出用于供热的蒸汽，只要热量的数量相等，就认为二者供热的热耗量相同。这样联产时的供电煤耗和供电成本就会比单产时大大降低。这种方法简单直观、便于考核，是我国法定的通用热电成本分摊方法，但是他不但无法区分供热蒸汽不同参数的品质，而且把过程中各种不可逆损失都转化成热能给了热用户，打击了热用户的积极性，属于“好处归电”法。这种方法会使热分摊比过大，导致热用户忽视对用热工艺和设备的改造来降低用汽参数，从而使热电联产总的热经济性降低。

热量法的热电分摊比计算式由式（1）［2］表示为

式中：αk（1）为热量法的热电分摊比；Qtp、Qtp（h）分别为热电厂总热耗量、分配给供热方面的热耗量，GJ／h；Btp、Btp（h）分别为热电厂的总煤耗量、供热煤耗量，kg／h；D0、Dh分别为主蒸汽流量、供热抽汽量，kg／h；h0、hh、ht、hfw、hbs分别为主蒸汽焓、抽汽焓、回水焓、给水焓、化学补充水焓，kJ／kg；q0、qh、σ分别为热电联产1 kg蒸汽对外供热量、循环吸热量、再热器中的吸热量，GJ；αre为再热流量系数；φ为热用户的供热回水率。

1．2．2 实际焓降法

实际焓降法是按汽轮机供热抽汽的实际焓降不足与进汽的总实际焓降的比例来分配。考虑到供热蒸汽在品位方面的差别，对外供热蒸汽参数越低，实际焓降越小，热分摊比越小，对应的热耗和煤耗越小。鼓励了热电厂降低用热参数，增加机组发电量、提高能源利用率。但将冷源损失都归于发电，而没有分摊给供热，把热电联产带来的经济效益都归于供热方面，也是不全面的。

实际焓降法的热电分摊比由式（2）［2］表示为

式中：αk（2）为实际焓降法的热电分摊比；hc为供热汽轮机排汽焓，kJ／kg；kre为汽轮机是否再热确定系数，再热时取1，非再热时取0。

做功能力法是以热力学第二定律为依据，同时考虑了热能的数量和质量差别，按热电联产供热蒸汽与主蒸汽的最大做功能力的比例来分配。考虑了供热蒸汽质量（做功能力大小）的区别，将热电联产热经济效益（节能）分配到热、电2种产品。但是因供热式汽轮机排汽温度与环境温度相差较小，故该方法与实际焓降法的计算结果接近。

做功能力法的热电分摊比由式（3）表示为

式中：αk（3）为做功能力法（方法）的热电分摊比；e0、eh分别为主蒸汽、抽汽，kJ／kg；Sh为供热汽轮机抽汽熵，k J／（kg·K）；Ten为环境温度，K；S0为主蒸汽熵，kJ／（kg·K）。

1．2．4 热经济指标

热电厂总热耗量由式（4）［2］表示为

式中：ηb为锅炉效率；ηp为主蒸汽管道效率。供热量由式（5）表示为

热电厂总效率由式（6）表示为

式中：Pe为机组额定功率，MW。

分配给发电方面的热耗量由式（7）表示为

发电热效率由式（8）表示为

发电标准煤耗率由式（9）表示为

供热热效率由式（10）表示为

式中：Q为热用户的用热量，GJ／h。

供热标准煤耗率由式（11）表示为

2 热电效益分摊数学模型应用分析

2．1 参数影响分析

由Medpha数据库可得，济南地区（由于泰安市不在数据库中，且考虑到泰安市与济南市距离较近，采用济南市数据）全年逐时温度变化曲线和各月平均干球温度如图2、3所示。

图2 全年逐时温度变化曲线图

图3 月平均干球温度变化曲线图

通过建设汽水换热首站，利用汽轮机抽汽加热一次网回水进行供热，因此不同室外温度下需要调整抽汽量来提供相应热负荷。

（1）保持额定供汽量为1086．95 t／h不变，改变抽汽量 保持额定供汽量不变，按照热量法、实际焓降法、做功能力法计算得出不同抽汽量下的汽轮机的供热参数如图4～6所示，3种方法的热电分摊比如图7所示。图4～7中，不考虑再热时，分配给供热的热耗量为A1、分配给发电的热耗量为B1、热电分摊比数学模型使用热量法为C1、使用实际焓降法为D1、使用做功能力法时为F1；考虑再热时的对应条件分别为 A2、B2、C2、D2、F2。

由图4～6可知，考虑再热后，随着抽气量的增加，分配给发电的热耗量随之减少，发电热耗量降低了约60%；分配给供热的热耗量随之增大，增幅约13%，对比是否考虑再热的2种情况，热量法不变，实际焓降法与做功能力法的变化相近。

图4 热量法在不同抽汽量时的热耗量图

图5 实际焓降法在不同抽汽量时的热耗量图

图6 做功能力法在不同抽汽量时的热耗量图

图7 3种方法在进汽量不变、改变抽汽量情况下的热电分摊比图

由图7可知，随着抽汽量的增加，热电分摊比不断增大；相同供汽量和抽汽量时，热量法计算出的热电分摊比最大，做功能力法次之，实际焓降法最小，热量法比实际焓降法的计算结果高80%，做功能力法高4%。随着抽汽量的增加，实际焓降法受再热影响最大，考虑再热前后根据热量法、做功能力法和实际焓降法计算的热电分摊比分别下降了15%、0%、40%。

（2）保持额定抽汽量为510 t／h不变，改变进汽量 保持抽汽量为510 t／h不变，按照热量法、实际焓降法、做功能力法计算得出不同进汽量下的供热参数如图8～10所示，3种方法的热电分摊比如图11所示。图中 Ai、Bi、Ci、Di、Fi（i＝1，2）的含义与图4～7相同。

由此可知，考虑再热前后，分配给发电的热耗量增幅17% ～31%；随着供汽量的增加，热电分摊比不断减少；当供汽量和抽汽量保持不变时，热量法计算出的热电分摊比最大，做功能力法次之，实际焓降法最小，考虑再热前后分别下降了15%、0%、42%；随着供汽量的增加，热电分摊比减小的趋势减缓。

图8 热量法在不同进汽量时的热耗量图

图9 实际焓降法在不同进汽量时的热耗量图

图10 做功能力法在不同进汽量时的热耗量图

图11 3种方法在抽汽量不变、改变进汽量情况下的热电分摊比图

做功能力法和实际焓降法计算得到的数据是相近的，这是因为汽轮机排汽温度与环境温差比较小，由此得出的Qtp（h）值接近。汽轮机内效率偏低而多耗的热量，致使发电煤耗率高于电力系统中代替凝汽式机组的煤耗率，因此电厂不接受该方法。

2．2 额定工况应用分析

以某超临界350 MW中间再热抽气凝汽式汽轮机组 C350－24．2／0．4／566／56为参考对象，应用不同分摊模型对供热成本进行分析计算，该抽凝机组的具体供热参数见表1。其中，热电厂的环境温度为300 K，锅炉管网效率 ηbηp为 0．88、机电效率 ηmηg为0．98；ηm为汽轮机的机械效率；ηg为发电机的效率；热网效率ηhs为0．97。实际运行数据为锅炉实际进汽多耗系数αT为1．58，再热流量系数αre为0．84，给水泵的泵功（焓升）hbs为24．7，回水率为100%。

经查询得到再热器进口蒸汽焓值为3000．8 kJ／kg，再热器出口蒸汽焓值为3593．3 kJ／kg，出口熵值为 7．25 kJ／（kg·K）；供热回水焓值为335 kJ／kg。将上述数据带入式（11），计算结果见表 2、3，其中 i取值为 1、2、3。

表1 C350－24．2／0．4／566／566抽凝机组参数表

由表2、3可知，考虑再热前后除了发电热耗量和供电标煤耗有17%～28%的增幅外，其他指标都产生不同程度的下降；无论是否考虑再热，用热量法计算得到的供热热耗量Qtp（h）、供热标煤耗热热效率ηtp（h）均没有变化，这是由热量法的定义决定的；无论是否考虑再热情况，采用做功能力法计算的热电分摊比结果不变；对于上述3种计算方法来说，发电热效率 ηtp（e）、分配给供热方面的热耗量Qtp（h）、供热标煤耗以及热电分摊比 αk（i）均是依次减少的，用热量法计算的数值最大，实际焓降法计算的最小；分配给发电方面的热耗量Qtp（e）、发电标煤耗和供热热效率 ηtp（h）依次增加。这也验证了热量法是“好处归电法”，实际焓降法是“好处归热法”。热量法得到的热电分摊比明显高于做功能力法和实际焓降法计算得到的数值，同时热量法为我国法定的分摊方法，这样会鼓励热电厂多发电、少供热，打击热力企业的积极性，无法刺激企业改造相关工艺技术，造成很大能源浪费。

表2 不考虑再热情况下的热、电参数计算结果表

表3 考虑再热情况下的热、电参数计算结果表

3 结论

通过上述分析表明：

（1）供汽量不变，改变抽汽量时，随着抽汽量的增加，发电热耗量降低约60%；分配给供热的热耗量增幅约13%；热电分摊比不断增大，热量法比实际焓降法的计算结果高80%，比做功能力法高4%。随着抽汽量的增加，实际焓降法受再热影响最大，考虑再热前后的热电分摊比相比较，热量法、做功能力法和实际焓降法的计算值分别下降了15%、0%、40%。

（2）抽汽量不变，改变供汽量时，随着供汽量的增加，考虑再热前后，分配给发电的热耗量增大17%～31%；考虑再热前后的热电分摊比相比较，热量法、做功能力法和实际焓降法的计算值分别下降了15%、0%、42%；随着供汽量的增加，热电分摊比不断减少，且趋势减缓。

（3）350 MW抽凝机组在额定抽汽量、供汽量时，无论是否考虑再热情况，采用做功能力法计算的热电分摊比结果不变。