燃气—蒸汽联合循环供热机组能耗分摊的方法分析

李瑞雪 石奇光 张静秋 吴文 曾大海 刘鹤忠 王涛

（1上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090 2华东电力设计院 上海 200090）

李瑞雪1石奇光1张静秋1吴文1曾大海1刘鹤忠2王涛2

（1上海电力学院能源与机械工程学院 上海 200090 2华东电力设计院 上海 200090）

在对燃气—蒸汽联合循环供热机组能耗火用分摊方法探讨的基础上，给出了上游、下游等四种火用方法分摊能耗的计算实例，并对六种方法的分摊结果进行分析比较，提出上游火用方法分摊燃气—蒸汽联合循环供热机组能耗相对更能兼顾供需双方的利益。

联合循环；热电联产；能耗分摊

燃气—蒸汽联合循环供热机组自身输入和输出能源的形式多样，同时涉及热用户、电力、燃气等多个行业的利益，如何确定联合联供机组各产品的能耗水平，做好各行业间的利益协调，合理进行热电能耗分摊就显得至关重要[1]。热电能耗分摊常用方法有热量法、实际焓降法及火用方法，工程计算常采用热量法。本文基于火用热力发电厂原理，将某联合循环装置分为上游燃气循环（简称，上游）和下游蒸汽循环（简称，下游），基于火用方法提出一种可供选用的相对兼顾供需双方利益的联合循环供热机组的能耗分摊方法，即上游火用方法。

1 系统组成及计算参数

某燃气—蒸汽联合循环供热机组原则性热力系统图如图1所示。该联合联供系统余热锅炉的低压蒸汽可作为热用户的热源(冬季)；同时，余热锅炉的低压蒸汽作为汽轮机的补汽，可进一步提高联合循环机组的出力和效率。算例机组采用LM6000PF—SPRINT—15型燃气轮机，配置抽凝机组，冬季额定供热工况下（低压蒸汽补进汽轮机），终端产品为电和热，燃气轮机总热耗为411.8GJ/h，锅炉排烟温度为 103.5℃，燃气低位发热量34065kJ/m3。

图1 某燃气—蒸汽联合循环供热机组原则性热力系统图

2 热量法分摊

热量法分摊能耗是以分配前热用户热耗量占汽轮机热耗量的比例来分配的[2]，燃气—蒸汽联合循环供热机组，需分摊热耗不再是汽轮机热耗量，而应为进入燃气轮机燃烧室的总热量。热量法仅考虑了供热数量，没有反映热、电两种产品的不等价，是一种“好处归电”的能耗分摊方法。热电联合供应系统中供热气耗及供电气耗计算方法如下：

式中：QA、QB，Qgr—燃气机进、出口热量，全厂供热量，kJ/h。

3 方法分摊

方法根据热力学第一定律、第二定律考虑了能量品位的高低，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电厂总能耗。根据工程热力学及热力发电厂原理，低压供热抽汽未经发电直接供热，为非热化汽流，工业抽汽为热化汽流。常规火用方法计算工业抽汽能耗分摊比如下[2]：

式中：ED、E0—单位联产工业供热蒸汽和主蒸汽的做功能力，kJ/kg；

Qqj、Qc—汽轮机总热耗量、低压蒸汽供热热耗量，kJ/h；

D0、DD—次高压新蒸汽、工业抽汽量，t/h。

3.1 上游方法

上游火用方法，按图1所示的循环状态点A→B→C和D的流程进行计算。根据工程热力学及热力发电厂原理，定义上游分摊比即燃气轮机排气占燃机总能耗比例，各分摊比计算公式[3]为：

式中：β1—上游分摊比，%；

eA、eB—燃气轮机进气及排气的比热量，kJ/kg；

e0、eD—次高压新蒸汽、工业抽汽的比热量，kJ/kg。

3.2 下游方法

下游方法，按图1中所示的循环状态点C和D→B→A的流程进行计算。根据热力发电厂原理，工业抽汽待分摊热量有所变化，此时工业抽汽分摊比计算同公式9，工业抽汽热耗量为：

式中：Q0—次高压新蒸汽热量，kJ/h；

ec0、ec—低压新蒸汽、低压供热蒸汽比热量，kJ/kg；

Qc—低压新蒸汽热耗，kJ/h。

3.3 整体方法

整体方法按照图1所示中的循环状态点A→C和D的流程进行总能耗分摊的计算：

方法中供电热耗、机组供热热耗率、供热气耗及供电气耗的计算公式与热量法相同。

4 实例计算与分析

冬季额定制热工况下，各方法计算能耗分摊结果见表1。计算中余热锅炉效率为81%，蒸汽轮机及汽轮机机电效率均为98%，管道效率、热网效率均为100%。

表1 不同方法下的燃料消耗分摊结果

本案例系统有两股供热蒸汽，热量法未考虑供热蒸汽的质量，热电联产节煤的好处全部归于发电方面；实际焓降法较?方法（整体方法除外），好处偏向热更多。整体方法，将联合联供机组视为热力系统边界，输出产品为热、电，输入为燃气总热量，分摊比是供热蒸汽比热量火用占燃料比热量火用的比例，未考虑系统内部能量品位转换过程，计算结果明显偏向发电方面。

上游方法，根据能量梯级利用的工艺流程进行分析计算。联合循环上游燃气轮机燃烧后是高温烟气在透平中做功后进入余热锅炉，烟气应视为燃机发电系统的热化气流。工业抽汽供热，对蒸汽轮机机组为热化汽流，待分摊热耗量为燃机排气分摊到的热耗量。低压供热蒸汽未经发电直接供热是非热化汽流，但对燃气轮机机组仍属于热化汽流。

下游方法，与上游火用方法流程相反。工业抽汽及低压供热蒸汽分摊比计算与上游法相同，与上游方法不同的是工业抽汽待分摊热量为余热锅炉总耗热量。下游方法计算时将燃气轮机损失分配给了供热，所以下游法计算供热热耗大于上游法，较上游方法好处偏电更多。

5 结语

本文应用火电厂“热化”原理，定义了联合循环供热机组供热能耗分摊的上游方法并给出了计算表达式，对于联合循环供热系统科学制定热价，提供了理论支持。算例表明，上游?方法定量分析联合循环供热机组的能耗分摊是兼顾电厂和热用户双方利益的：算例机组冬季额定工况下供热分摊热耗为95537MJ/h，供热气耗为29.645m3/GJ，供电热耗为316263MJ/h，供电气耗为0.17m3/ (kW·h)。以某地热价72元/GJ，冬季供暖1600h计算，上游方法进行能耗分摊较热量法，热用户可节省人民币约244.88万元。

[1]黄如科，梁天生,等.燃机电厂供热燃料分摊核算方法综述[J].资源节约与环保，2014（6）：21.

[2]郑体宽.热力发电厂[M].北京：水利电力出版社,1995.

李瑞雪(1990—)，女，汉族，河南开封人，硕士研究生，热能工程专业，毕业于华北水利水电大学，现就读于上海电力学院，研读方向为火电厂热力系统节能。

石奇光，男，教授，硕士生导师，主要研究方向为火力发电厂热力系统理论应用与节能技术。