熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

于昌城

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)的技術(shù)方案，并結(jié)合北京某燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組數(shù)據(jù)，分析經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱電聯(lián)產(chǎn)；技術(shù)；經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

中圖分類(lèi)號(hào)： TK223.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）34-190-2

0 引言

在能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)中，煤、天然氣屬于一次能源，而熱、電屬于二次能源。熱電聯(lián)產(chǎn)，即為既生產(chǎn)電能又對(duì)用戶(hù)供熱的生產(chǎn)方式，這種發(fā)電廠稱(chēng)為熱電廠。在所有供熱形式中，熱電聯(lián)產(chǎn)的能源利用效率是最高的。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

一套火力發(fā)電機(jī)組包括鍋爐、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備，燃料在鍋爐中燃燒，將水加熱成高溫、高壓的過(guò)熱蒸汽，蒸汽在汽輪機(jī)中做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，形成化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)變。從汽輪機(jī)排出失去做功能力的低壓蒸汽，必須通過(guò)凝汽器散熱凝結(jié)為水后才能回到鍋爐中重新循環(huán)，稱(chēng)為“純凝式汽輪機(jī)”。由于排氣被冷卻的過(guò)程是熱量散失的過(guò)程，系統(tǒng)熱效率并不高，僅有不到45%的燃料熱能被轉(zhuǎn)化為電能。

單純的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組只生產(chǎn)電能，并不具備供熱的功能，其他型式的汽輪機(jī)才具備熱電聯(lián)產(chǎn)功能。

1.1 背壓式汽輪機(jī)

背壓式汽輪機(jī)，即排汽壓力高于大氣壓力的汽輪機(jī)。與凝汽式汽輪機(jī)相區(qū)別的是，將從汽輪機(jī)發(fā)電做功后的蒸汽壓力保持在大氣壓力以上，可以通過(guò)管道直接輸送給工業(yè)蒸汽用戶(hù)使用，或者通過(guò)加熱器加熱熱水，以熱水作為媒介向外供熱，汽輪機(jī)組就具備了熱電聯(lián)產(chǎn)的功能。

由于熱量絕大部分被熱用戶(hù)利用，不存在凝結(jié)散熱損失，所以背壓機(jī)的熱效率較高，一般能達(dá)到70%～85%。主要缺點(diǎn)是發(fā)電量取決于供熱量，不能同時(shí)滿(mǎn)足熱用戶(hù)和電用戶(hù)的需要，多用于熱負(fù)荷穩(wěn)定的熱電廠。

1.2 抽汽凝汽式汽輪機(jī)

抽汽凝汽式汽輪機(jī)是從汽輪機(jī)中間抽出一部分已經(jīng)做過(guò)功、具有適合壓力的蒸汽供給熱用戶(hù)，其余蒸汽進(jìn)入低壓部分繼續(xù)膨脹做功，最后排入凝汽器的汽輪機(jī)。抽汽壓力根據(jù)熱用戶(hù)需要確定，發(fā)電功率為高、低壓部分所生產(chǎn)功率之和，由進(jìn)汽量和流經(jīng)低壓部分蒸汽量所決定。

抽汽凝汽式汽輪機(jī)可同時(shí)滿(mǎn)足熱、電負(fù)荷需要，在供熱抽汽量為零時(shí)相當(dāng)于一臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)，若將進(jìn)入高壓缸的蒸汽全部抽出供給熱用戶(hù)，則相當(dāng)于一臺(tái)背壓式汽輪機(jī)，適用于負(fù)荷變化幅度較大的區(qū)域性熱電廠中。它的缺點(diǎn)是熱經(jīng)濟(jì)性比背壓式機(jī)組稍差，而且輔機(jī)較多，系統(tǒng)復(fù)雜。

1.3 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組包括燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪發(fā)電機(jī)等設(shè)備。它與傳統(tǒng)熱電廠的區(qū)別是，天然氣作為燃料并不是直接進(jìn)入到鍋爐中燃燒，而是首先進(jìn)入到燃機(jī)燃燒室燃燒，高溫燃?xì)庠谕钙街信蛎泴崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這個(gè)循環(huán)稱(chēng)之為“勃雷登循環(huán)”。高溫?zé)煔獾呐欧艤囟仍?00～600℃，通過(guò)余熱鍋爐將水加熱為高溫、高壓蒸汽，送至蒸汽輪機(jī)繼續(xù)做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的機(jī)組配置非常靈活，燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)可以共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，稱(chēng)為“單軸”布置，也可以分別驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)稱(chēng)為“雙軸”布置；可以一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)余熱鍋爐和一臺(tái)蒸汽輪機(jī)組成“一拖一”形式，也可以多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐，通過(guò)母管向一臺(tái)汽輪機(jī)供汽組成“二拖一”形式。根據(jù)熱電聯(lián)產(chǎn)熱負(fù)荷的需要，蒸汽輪機(jī)可以配置為背壓機(jī)或抽汽凝汽式汽輪機(jī)，形成熱電聯(lián)產(chǎn)。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的實(shí)質(zhì)是將燃?xì)廨啓C(jī)的“勃雷登循環(huán)”與蒸汽輪機(jī)的“朗肯循環(huán)”有機(jī)地結(jié)合，如果同時(shí)用溴化鋰機(jī)組為建筑夏季提供空調(diào)、制冷負(fù)荷，即形成了熱、電、冷多種產(chǎn)品聯(lián)合供應(yīng)的分布式能源，能源轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%以上，實(shí)現(xiàn)了能源從高品位到低品位的逐級(jí)利用。

2 熱電聯(lián)系機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析

熱電聯(lián)產(chǎn)的機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要參數(shù)是供熱量，下文以北京城區(qū)某燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電廠為例，分析不同熱負(fù)荷下的發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

2.1 設(shè)備基本參數(shù)

該廠在裝兩套“一拖一”、“雙軸”燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃料為管道天然氣，發(fā)電功率230MW，供熱能力116MW。燃?xì)廨啓C(jī)為德國(guó)西門(mén)子V94.2型，發(fā)電功率172.6MW，配武漢鍋爐雙壓、無(wú)補(bǔ)燃型余熱鍋爐，蒸汽輪機(jī)為上海電氣集團(tuán)制造LZC80型次高壓、單缸、抽汽凝汽式機(jī)組，無(wú)抽汽回?zé)嵫b置，發(fā)電功率57.4MW，發(fā)電效率83.3%，熱負(fù)荷為熱水建筑采暖。

2.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

本文選用實(shí)際焓降法，按采暖抽汽汽流在汽輪機(jī)少做的功占新蒸汽實(shí)際做功的比例來(lái)分析熱耗率。在分析過(guò)程中，不考慮環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響，假定燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐運(yùn)行參數(shù)恒定，供熱負(fù)荷僅與蒸汽輪機(jī)的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。

熱化發(fā)電功率，是汽輪機(jī)抽出對(duì)外供熱的這部分蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功產(chǎn)生的發(fā)電功率。為計(jì)算簡(jiǎn)便，從凝汽發(fā)電功率部分入手：

Nc=[（D0+D1-Dn）·（in-ic）·ηst]/3600（kW）

在假定機(jī)組額度發(fā)電功率不變的情況下，熱化發(fā)電功率Nn=N0-Nc（kW）。

我們將上述兩部分參數(shù)引入比值，即凝汽發(fā)電比Xc=Nc/N0，熱化發(fā)電比Xn=Nn/N0。

每產(chǎn)生1度電所需要的熱量稱(chēng)為熱耗率，采暖供熱部分蒸汽的熱化熱耗率：

qn=[D0（i0-ic）+D1（i1-ic）-Dn（in-ic）]/N0（kJ/kWh）。

凝汽發(fā)電部分熱耗率：

qc={D0（i0-in）+D1（i1-in）+（D0+D1-Dn）（in-ic）}/N0（kJ/kWh）。

汽輪發(fā)電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的熱耗率：

qcn=qn·Xn+qk·Xk（kJ/kWh）。

汽輪發(fā)電機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)的熱效率：

ηcn=3600/qcn×100%。

將有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)代入上述公式，即可得出不同供熱工況下的機(jī)組熱效率。

2.3 結(jié)果分析

從表2數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)采暖抽氣量為0時(shí)，蒸汽輪機(jī)為純凝方式運(yùn)行，機(jī)組的熱耗率很高，熱效率較低。隨著采暖抽氣量的增加，熱效率提高，理論上當(dāng)采暖抽汽量與進(jìn)汽量相同時(shí)，機(jī)組呈背壓運(yùn)行方式，熱效率達(dá)到最高。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的熱效率與汽輪機(jī)的熱效率變化趨勢(shì)是一致的，因此，提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，保證額定的熱負(fù)荷是十分重要的。

3 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前能源緊缺、城市環(huán)境質(zhì)量壓力大的情況下，發(fā)展天然氣作為清潔能源的燃?xì)?蒸汽熱電聯(lián)產(chǎn)是提高能源利用效率的有效途徑。運(yùn)行中按“以熱定電”方式，即優(yōu)先保證熱負(fù)荷的落實(shí)，是保證熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)熱效率的關(guān)鍵。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 何麗.熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[D].華北電力大學(xué)（北京），2014.

[2] 徐明.9E燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)熱電冷三聯(lián)供熱經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能分析[J].燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)，2010，12（2）：10-13.