熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組煤耗指標(biāo)與節(jié)能量分析

郭俊山，游大寧，康夜雨，鞏志強(qiáng)，商攀峰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001；3.華能國際電力股份有限公司德州電廠，山東 德州 253006）

0 引言

隨著我國產(chǎn)業(yè)升級，燃煤壓減步伐不斷加快，原有用于供應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)蒸汽和居民采暖的小型火電機(jī)組、燃煤鍋爐無法適應(yīng)時代要求而退出運(yùn)行。由此產(chǎn)生的供熱、供汽缺口將由大型火力發(fā)電廠替代供應(yīng)。大型火電機(jī)組以熱電聯(lián)產(chǎn)方式同時承擔(dān)電負(fù)荷、大規(guī)模工業(yè)熱負(fù)荷及采暖熱負(fù)荷運(yùn)行將成為常態(tài)［1-2］。

火電機(jī)組承擔(dān)大規(guī)模熱負(fù)荷后運(yùn)行特性發(fā)生變化，煤耗水平評價也更加復(fù)雜［3-4］。但是現(xiàn)行的熱電機(jī)組煤耗計算仍然采用與純凝機(jī)組相同的發(fā)（供）電煤耗率表征。具體計算方法是將機(jī)組對外供熱量從吸熱量中扣除［5］，導(dǎo)致火電機(jī)組供熱后發(fā)電煤耗率大幅下降。這種計算方法沒有考慮能量品質(zhì)的差別，計算結(jié)果具有一定誤導(dǎo)性。一是火電機(jī)組承擔(dān)大規(guī)模熱負(fù)荷后，發(fā)電煤耗率大幅下降，但同樣發(fā)電量下燃煤實際消耗量卻明顯上升，實際燃煤消耗量的增加與燃煤指標(biāo)下降的節(jié)能效果相反；二是機(jī)組經(jīng)小規(guī)模投資改造承擔(dān)熱負(fù)荷后發(fā)電煤耗率下降效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于大幅投資的機(jī)組提效改造效果，導(dǎo)致諸多可提升機(jī)組發(fā)電效率的改造項目遭受質(zhì)疑。因此當(dāng)前的發(fā)（供）電煤耗率指標(biāo)對于熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提升能源利用效率缺乏指導(dǎo)意義［6］。

為解決上述問題，將根據(jù)熱電機(jī)組實際生產(chǎn)流程合理計算熱電機(jī)組發(fā)電煤耗率指標(biāo)，引入社會節(jié)煤量概念客觀分析熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在當(dāng)前形勢下節(jié)能點及節(jié)能量。

1 熱電機(jī)組煤耗率計算方法

1.1 熱電機(jī)組煤耗分析

現(xiàn)行國內(nèi)通用的熱電機(jī)組煤耗率計算方法如式（1）所示。其基本原理是將機(jī)組對外供熱量Qgr從吸熱量中扣除，從而將供熱利用的冷源損失歸結(jié)到發(fā)電側(cè)，降低機(jī)組發(fā)電煤耗率。由于水的汽化潛熱較大，從熱量總量角度核算，機(jī)組冷源損失占據(jù)很大比例。以國內(nèi)典型300 MW 亞臨界機(jī)組為例，機(jī)組純凝運(yùn)行時，主蒸汽焓值為3 397.2 kJ/kg，排汽焓值約為2 344.8 kJ/kg，再熱吸熱501 kJ/kg。1 kg 蒸汽做功量1 202.84 kJ，冷源損失量1 490 kJ（凝結(jié)水溫度按35 ℃計）。冷源損失量占總吸熱量的比例接近60%。機(jī)組供熱后將利用部分或全部冷源損失熱量，按照式（1）的算法，機(jī)組供熱后發(fā)電煤耗率將大幅降低。

式中：bp為機(jī)組供熱后發(fā)電煤耗率，g/kWh；Qgr為機(jī)組對外供熱量，MJ；Qsr為機(jī)組循環(huán)吸熱量，MJ；PM為機(jī)組負(fù)荷，MW；ηb為鍋爐效率；ηgd為管道效率。

以上算法是不合理的，可以從以下兩個角度分析。

從能量品質(zhì)角度分析，機(jī)組排汽所蘊(yùn)含的大量熱量中能夠轉(zhuǎn)化為電能的很少，根據(jù)熱力學(xué)第二定律其可用能比例僅有2.4%［7］，即僅有35.8 kJ/kg 熱量可用于發(fā)電。因此，即便機(jī)組冷源損失可以回收，也不能利用于發(fā)電。即機(jī)組供熱利用的冷源損失不能直接等同于機(jī)組發(fā)電耗能的下降計算。

其次，從火電廠實際生產(chǎn)流程看，供熱汽流抽出后流向熱用戶，不再返回機(jī)組發(fā)電，客觀上沒有增加任何額外電力輸出，所以不會降低機(jī)組發(fā)電煤耗［8］。

此外，通常情況下機(jī)組排汽參數(shù)無法滿足熱用戶使用需求，需要從汽輪機(jī)中間部分抽出滿足用戶參數(shù)要求的汽流輸出，從而使蒸汽做功流程相較純凝機(jī)組流程縮短。因此，相對純凝機(jī)組，供熱機(jī)組發(fā)出同樣電能所消耗的蒸汽量更多，煤耗量將有所增加。

1.2 背壓機(jī)組發(fā)電煤耗率計算方法

機(jī)組供熱分為背壓供熱與抽凝供熱兩類，低真空供熱原理上與背壓供熱相似，可以按背壓供熱分析。從蒸汽流程分析，抽凝機(jī)組以看作純凝機(jī)組與背壓機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。因此，背壓供熱機(jī)組煤耗變化情況分析清楚后，可以按照蒸汽比例直接折算抽凝機(jī)組煤耗變化情況。

圖1、圖2 分別為純凝機(jī)組與背壓機(jī)組簡化原則性熱力系統(tǒng)簡圖［9］，假設(shè)：1）汽輪機(jī)內(nèi)背壓排汽前兩機(jī)組蒸汽流程、參數(shù)不變；2）背壓機(jī)組背壓排汽前回?zé)峒訜崞鲄?shù)與純凝機(jī)組相同，背壓排汽后回?zé)峒訜崞髑谐挥绊懩Y(jié)水系統(tǒng)運(yùn)行。

圖1 純凝機(jī)組熱力系統(tǒng)簡圖

圖2 背壓機(jī)組熱力系統(tǒng)簡圖

基于上述假設(shè)，以1 kg 主蒸汽為基礎(chǔ)分別計算純凝機(jī)組與背壓機(jī)組做功量變化。

1 kg主蒸汽在純凝機(jī)組中做功量wn為［10］

式中：wn為做功量，kJ；h0為主蒸汽焓，kJ/kg；hn為純凝機(jī)組排汽焓，kJ/kg；σ為單位蒸汽再熱吸熱量，kJ/kg；m為再熱蒸汽前回?zé)岢槠墧?shù)；k為機(jī)組回?zé)岢槠偧墧?shù)；Δhi為第i級回?zé)岢槠僚牌羝什?，kJ/kg；αi為第i級回?zé)岢槠空贾髡羝壤?/p>

相應(yīng)燃煤消耗量為

式中：B為燃煤消耗量，kg；hw為給水焓，kJ/kg。

純凝機(jī)組發(fā)電煤耗率為

基于上述假設(shè)，1 kg 主蒸汽在背壓機(jī)組中做功量wb為

式中：hb為背壓機(jī)組排汽焓，kJ/kg；z為機(jī)組切除的回?zé)岢槠墧?shù)。

做功量差值為

式中：hi為第i級回?zé)岢槠?，kJ/kg。

背壓機(jī)組發(fā)電煤耗率為

1.3 抽凝機(jī)組發(fā)電煤耗率計算方法

抽凝機(jī)組按蒸汽流分析可看作純凝機(jī)組與背壓機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。1 kg 主蒸汽量下抽凝機(jī)組發(fā)電功率P、發(fā)電煤耗率b可按下式計算。

式中：Pn、Pb分別為純凝汽流、背壓汽流做功量，MW；Dn、Db分別為純凝汽流、背壓汽流流量，t/s。

式中：bn、bb分別為純凝汽流、背壓汽流發(fā)電煤耗率，g/kWh。

2 熱電機(jī)組節(jié)煤量分析

機(jī)組供熱改造節(jié)能原因在于將原來必須浪費的冷源損失加以利用，屬于余熱利用范疇。根據(jù)能量實際流向分析，機(jī)組余熱利用量可以用代替的熱用戶側(cè)熱源耗能量表示。目前我國工業(yè)企業(yè)、城鎮(zhèn)居民采暖主要采用小型燃煤鍋爐產(chǎn)生蒸汽供應(yīng)生產(chǎn)、生活使用［11］。熱電機(jī)組節(jié)能量是小型鍋爐燃煤消耗下降量。

因此，完整的熱電機(jī)組煤耗分析需要將熱電機(jī)組、熱用戶、供熱鍋爐聯(lián)合分析。本文采用社會節(jié)煤量ΔB定量評價純凝機(jī)組供熱后節(jié)煤情況。

式中：ΔB為社會節(jié)煤量，kg/h；ΔQ為熱電機(jī)組對外供熱量，GJ/h；Δbs為機(jī)組供熱后發(fā)電煤耗率增量，g/kWh；ηbr、ηgdr分別為小型燃煤鍋爐效率及配套管道效率。

由式（10）可知，社會節(jié)煤量由兩部分差值計算得出。節(jié)煤部分為按照供熱鍋爐熱能利用效率計算得出的熱電機(jī)組對外供熱量所對應(yīng)的燃煤消耗量，耗煤部分為熱電機(jī)組由于蒸汽做功流程縮短而導(dǎo)致的發(fā)電煤耗增量?？疾飚?dāng)前我國熱電機(jī)組與熱用戶實際生產(chǎn)情況，該式評價方法與現(xiàn)實生產(chǎn)情況是吻合的。

式（10）計算結(jié)果為ΔQ對應(yīng)的燃煤總消耗量，為統(tǒng)一評價標(biāo)準(zhǔn)，將社會節(jié)煤量折算至單位發(fā)電量，定義為社會節(jié)煤率：

綜上，所提熱電機(jī)組煤耗指標(biāo)體系已全部給出。修正后的發(fā)（供）電煤耗量、煤耗率用于評價火電機(jī)組供熱后真實的發(fā)電煤耗增加情況；社會節(jié)煤量、節(jié)煤率一方面確定火電機(jī)組供熱真正的節(jié)煤點在于用戶側(cè)燃煤鍋爐替代，另一方面可以定量計算熱電機(jī)組、熱用戶、供熱鍋爐所組成的聯(lián)合體的總?cè)济合牧肯陆登闆r。

3 計算示例

以某電廠兩臺320 MW 亞臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，計算其承擔(dān)工業(yè)供汽、采暖供熱后煤耗指標(biāo)情況。

兩臺機(jī)組純凝工況主要參數(shù)如表1所示。

表1 示例機(jī)組主要參數(shù)

基于周圍地區(qū)的熱負(fù)荷需求，兩臺機(jī)組都進(jìn)行了供熱改造，其中1 號機(jī)組改造為低真空供熱機(jī)組，2號機(jī)組改造為再熱熱段抽汽供汽機(jī)組。

1 號機(jī)組低真空供熱可按背壓機(jī)組計算煤耗指標(biāo)。2號機(jī)組按照背壓機(jī)組與純凝機(jī)組并聯(lián)方式分析煤耗指標(biāo)，該機(jī)組常態(tài)工業(yè)抽汽量約150 t/h，扣除減溫水后再熱抽汽量118 t/h，背壓循環(huán)主蒸汽量184 t/h、發(fā)電功率31.97 MW、供熱量242.7 GJ/h。兩臺機(jī)組主要經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)計算結(jié)果如表2所示。

表2 示例機(jī)組主要經(jīng)濟(jì)評價指標(biāo)

對以上結(jié)果進(jìn)一步分析可知：

純凝工況單位蒸汽做功量最大抽凝次之背壓機(jī)組最小，說明供熱汽流比例越大機(jī)組發(fā)電能力損失越嚴(yán)重，發(fā)電煤耗率上升越明顯。

三種工況下機(jī)組發(fā)電煤耗率與發(fā)電功率乘積均等于機(jī)組實際耗煤量。說明本文提供的發(fā)電煤耗率指標(biāo)可以準(zhǔn)確方便核算發(fā)電廠的實際耗煤量，不需要計算供熱耗煤量。

低真空供熱機(jī)組冷源損失全部利用，余熱利用水平最高，抽凝機(jī)組次之，與表2 社會煤耗量、社會煤耗率指標(biāo)計算結(jié)果吻合，說明社會耗煤量指標(biāo)可以準(zhǔn)確評價熱電機(jī)組余熱利用水平。

4 結(jié)語

針對當(dāng)前發(fā)電煤耗率指標(biāo)無法準(zhǔn)確反映熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實際煤耗水平和節(jié)能效果的問題，本文基于機(jī)組實際生產(chǎn)流程給出了新的發(fā)電煤耗率計算方法，并提出社會節(jié)煤量指標(biāo)客觀評價熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組節(jié)能點及節(jié)能量，經(jīng)算例分析，得出以下結(jié)論：

1）背壓供熱機(jī)組單位主蒸汽做功量下降，發(fā)電煤耗率上升；排汽參數(shù)越高做功損失越嚴(yán)重。

2）抽凝機(jī)組煤耗指標(biāo)可以根據(jù)蒸汽流程按背壓機(jī)組與純凝機(jī)組串聯(lián)方式計算分析，其發(fā)電煤耗率相較純凝機(jī)組同樣上升。

3）機(jī)組供熱改造后通過余熱利用減少了熱用戶側(cè)燃煤鍋爐耗煤量，社會用能量下降。

4）本文提出的新的發(fā)電煤耗率計算方法，準(zhǔn)確方便核算發(fā)電廠的實際耗煤量和余熱利用水平。