热电联产机组能效指标探讨

喻培元，宋晓彦

(湖北安源安全环保科技有限公司，湖北 武汉 430040)

1 引言

随着经济快速发展，大气污染，气候变暖等问题愈发严重，热电联产技术因其在节能减排方面的优势，得到了快速发展。热电联产技术的目的就是实现能量的梯级利用，是热力学第二定律的体现，高品位能量首先用于发电，剩余的低温热能再用于供热[1～3]。针对目前常用的热电联产机组能耗指标和计算方法，一些学者提出了质疑，认为部分指标和计算方法无法有效的体现不同能量的品质[4～6]。本文对各种不同的能耗指标和计算方法进行对比分析，对这些指标和计算方法的理解提出一些看法。

2 目前热电联产机组几种不同能耗指标及其计算方法

目前，热电机组能耗计算方法主要有：热量分摊法[7]、参照锅炉法、参照电厂法和一些学者提出的火用效率法，主要的能耗指标包括综合热效率、热电比、单位发电煤耗、单位供热煤耗、综合火用效率[8～10]。

2.1 热量分摊法

热量分摊法是按发电、供热所耗热量的比例来分配总的耗煤量。计算公式如下。

(1)

(2)

(3)

2.2 参照锅炉法

参照锅炉法将热电联产中供热所消耗的煤量等效为标准大型燃煤锅炉所消耗煤量，参照锅炉法计算公式如下。

(4)

(5)

目前标准大型燃煤锅炉产热效率一般取0.9。

2.3 参照电厂法

与参照锅炉法类似，参照电厂法将热电联产中发电所消耗的煤量等效为燃煤纯发电电厂所消耗煤量，参照电厂法计算公式如下。

供热煤耗=

(6)

2020年全国平均发电煤耗为305 kgce/(kW·h)。

2.4 火用效率法

根据热力学第二定律，不同形式的能量转化为其它形式的能量时其转化率不同，一般用火用焓比表示能量的能级，电能和燃料的化学能可完全转化为热能，其火用焓比为1；热能转化为机械以能再转化为电能，其转化率遵循卡诺定律，工质参数不同其能级不同，如100 ℃的蒸汽其火用焓比为0.2，200 ℃的蒸汽其火用焓比为0.36。根据热力学第二定律，热电联产火用效率计算公示[10]如下：

(7)

火用效率=总热效率×

(8)

下面以上述四种方法分别计算三组不同背压机组的相关指标(A、B、C三个机组的热效率相同，均为86.00%)。

机组A：总耗煤量为1 tce(相当于8.14 MW·h)，供热量为21.6 GJ(200 ℃热蒸汽)(相当于6 MW·h)，发电量为1 MW·h。

机组B：总耗煤量为1 tce(相当于8.14 MW·h)，供热量为18.0 GJ(200 ℃热蒸汽)(相当于5 MW·h)，发电量为2 MW·h。

机组C：总耗煤量为1 tce(相当于8.14 MW·h)，供热量为21.6 GJ(100 ℃热蒸汽)(相当于6 MW·h)，发电量为1 MW·h。

3 分析与讨论

A、B、C三个方案总热效率相等，均为86%，方案A与方案B相比，多了3.6 GJ的200 ℃热蒸汽(相当于1 MW·h)，少了1 MW·h的电量，多出的200 ℃热蒸汽热量与少的1 MW·h电量热量相等，但电的品质更高，因此根据热力学第二定律，方案B总体能量品质高于方案A，同理，相同热量的200 ℃热蒸汽品质高于100 ℃热蒸汽，方案A总体能量品质高于方案C，三个方案总体能量品质B优于A优于C。

热量分摊法供热煤耗总是高于参照锅炉法，这是因为热量分摊法供热煤耗是按总热效率来把热折算为燃煤，把最终产生的电能、热能都按当量值转换成热能。参照锅炉法供热煤耗只按燃煤锅炉单独的产热效率来把热折算为燃煤，而总热效率永远低于燃煤锅炉单独的产热效率(上述三个方案的总热效率均为86%，燃煤锅炉单独的产热效率为90%)。热量分摊法供热煤耗比例更大，因此热量分摊法发电煤耗更小。

A、B、C三个方案热量分摊法的发电煤耗和供热煤耗均相同，与“三个方案总体能量品质B优于A优于C”的直观结论不符，因为热量分摊法本质上以热力学第一定律为基础，把热能和电能均作为热能来对待，无法区分电能与热能品质的不同，只要总热效率不变，系统的发电煤耗和供热煤耗就不变。热量分摊法只追求总热效率，完全无法体现能量的梯度利用，电能与热能的差别也无法体现。

参照锅炉法中锅炉产热效率均取90%，供热煤耗相同，参照电厂法中发电煤耗取全国平均发电煤耗，发电煤耗相同。依据表1的计算结果，方案B参照锅炉法计算的发电煤耗小于方案A，方案B参照电厂法计算的供热煤耗小于方案A，与“方案B总体能量品质高于方案A”这样的直观结论相符，主要是因为方案A与方案B的热电比不同导致的，方案B的热电比小于方案A，其发电量占比大于方案A，而电能的品质高于热能的品质，说明参照锅炉法和参照电厂法均能体现电能与热能两者能量品质的不同，一定程度上能体现能量的梯度利用。

表1 3种不同热电机组的4种能耗计算结果

比较方案A与方案C，参照锅炉法和参照电厂法两种方法计算的发电煤耗和供热煤耗完全相同，与“方案A总体能量品质高于方案C”的结论不符，主要是方案A与方案C的热电比相同，而热电比中的热量没有品质高低之分，其把所有热量都同等看待，说明尽管参照锅炉法和参照电厂法均能体现电能与热能两者能量品质的不同，但无法体现不同热能间品质的区别。

火用效率：B>A>C，与“三个方案总体能量品质B优于A优于C”的直观结论相符，因为火用效率法较好的体现了不同能量的品质，不仅能体现电与热品质的不同，也能体现不同温度的热蒸汽品质的不同(火用焓比：电>200 ℃热蒸汽>100 ℃热蒸汽)。

4 结论

热量分摊法依据热力学第一开定律，完全无法区分不同能量的品质；参照锅炉法和参照电厂法能较好区分电能与热能品质的高低，但无法区分不同热能品质的高低；火用效率法能较好的区分各种不同能量的品质，采用火用效率指标能较好推动热电联产机组能量梯度利用，建议热电联产机组能耗指标中增加火用效率指标。