燃气—蒸汽联合循环机组能耗分摊方法研究

王加勇，李仁杰，陈文和

(1．苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州　215004；2．郑州电力高等专科，郑州　450000；3．华润电力(涟源)有限公司，湖南 涟源　417100)



燃气—蒸汽联合循环机组能耗分摊方法研究

王加勇1，李仁杰2，陈文和3

(1．苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州215004；2．郑州电力高等专科，郑州450000；3．华润电力(涟源)有限公司，湖南 涟源417100)

燃料成本分摊是热电联产项目热、电定价的重要依据，但原有的计算方法已不能满足要求，有必要对其进行适当改进。提出了一种基于能量梯级利用的“谁利用，谁分摊”能耗分摊方式，并以某2×200 MW级(E级)燃机热电联产机组为例，通过试验对热电联产的节能效益进行计算及分摊，证明了该方法的合理性和实用性。

联合循环机组；能耗分摊；节能效益

联合循环机组(CCPP)是由燃气轮机发电机组和蒸汽轮机发电机组联合起来的一套循环发电装置。与燃煤火力发电机组相比，联合循环机组具有发电效率和热效率高、工程造价低、负荷调节范围大(30%～100%)、机组运行可靠性高、发电环保性能好、调峰性能好、建设周期短、耗水少、占地少等优点，发展迅速[1]。欧美国家近25年来，新增发电量基本上为高效天然气联合循环发电替代常规燃煤火力发电。2004年，美国新增发电装机容量中，95.3%的份额是天然气联合循环发电；另据统计，2011年英国天然气联合循环发电占全国电力供应的40%，预计到2020年将上升至60%。

自2013年7月以来，由于天然气大幅涨价，燃料成本相对较高且不稳定、固定成本逐步降低、供热参数不统一等，采用行业法进行成本分摊已不能满足要求，而国家尚未颁布燃气-蒸汽联合循环热电厂的成本分摊方法[2]。在《热电联产项目可行性研究技术规定》中，对燃煤机组进行了明确的规定和计算方法，但对于燃气—蒸汽联合循环供热机组能耗分摊尚未有明确的计算方法，目前燃气—蒸汽联合循环供热机组热、电分摊计算不尽相同，市场经济下，合理地分摊发电和供热的燃料成本就显得尤为重要。

燃料成本分摊是热电联产项目热、电定价的重要依据，对原有计算方法进行适当改进，以适应市场经济。既然热电联产的节能是由发电和供热共同作用产生的，两者缺一不可，并且当燃料在送入燃气轮机时，又不能区分哪些用来发电，哪些用来供热，对于整个热电联产机组，消耗的每千克燃料就应获得相同的节能收益，即分摊应按两者的能耗比例进行[3]。但是这种方法没有考虑到能量品质的差异。

表1　试验结果汇总表

针对目前分摊方法的不足，本文提出一种基于能量梯级利用的“谁利用，谁分摊”的能耗分摊方式，对热电联产的节能效益进行科学合理分摊，并以试验数据验证，证明了本文提出分摊方法的实用性。

1　考虑能量梯级利用的分摊方法

文献[4]认为对于燃气—蒸汽联合循环机组，蒸汽系统通过回收利用燃气系统相对低品位的排气热量(约占总输入热量的55%～65%)，可提高联合循环机组的效率，因此在分摊蒸汽系统的燃料消耗时，不能用热量法按排气热量比例进行分摊。而应通过引入汽轮机供热抽汽率β和抽汽焓降不足系数λ来实现对节能效益的合理分配。

(1)

(2)

式中D0——汽机进汽流量，t/h；Dh——供热抽汽流量，t/h；h0——汽机进汽焓值，kJ/kg；hc——汽机排汽焓值，kJ/kg；hh为汽机供热抽汽焓值，kJ/kg。

这种分摊方法使热电双方均能从热电联产中受益，并且供热量越高，双方受益越多，对能耗分摊有一定的促进作用。但是，燃气轮机作为耗能大户，燃机需要压气机耗功以增加空气的压力，压力升高后和燃料混合燃烧成高温高压燃气，再流入燃气轮机中做功，产生高品位的电能，燃机在输出轴功率的同时已经有一部分被压缩机所消耗，这部分被消耗的能量应该考虑进来。

2　考虑压缩机耗功的分摊方法

联合循环的发电功率主要由燃气轮机承担，燃气轮机、汽轮机间最佳功率比约为2：1。空气在压气机中被压缩，压力升高后和燃料混合燃烧成高温高压燃气，再流入燃气轮机中做功，产生高品位的电能[5]。燃气透平的功能是把高温、高压燃气中的能量转变为机械功，在此过程中60.0%～66.7%的机械功带动压气机，其余则作为燃气轮机的输出功率以带动负载。因此，燃机的输出轴功率应该加上压缩机消耗的功率。

文献[6]考虑了压缩机耗功，并对供热成本分摊公式进行了优化：

(3)

(4)

式中Q——供热带走的热量，MW；Pre——燃机输出轴功率，MW；Pte——汽机输出轴功率，MW；W——压缩机耗功，MW；θ1——没考虑压缩机耗功的供热分摊系数；θ2——考虑压缩机耗功的供热分摊系数。

式(4)考虑了只有压缩机耗功燃气轮机才能发电，但是没有考虑供热参数对能耗分摊的影响，不利于热用户降低参数，有一定的片面性。

3　基于能量梯级利用的能耗分摊方法

对燃气—蒸汽联合循环而言，有效功包括燃机输出轴功率、汽机输出轴功率、汽机抽汽供热、燃机输出轴功率前消耗的压缩机耗功，其余的以余热锅炉排烟热损失、汽机的冷源损失、机组散热等形式排向环境。

能量梯级利用的“谁利用，谁分摊”能耗分摊方法，考虑所有能量有效利用部分，考虑供热蒸汽品质差异，鼓励热用户降低参数，对供热分摊进行优化。该分摊方法的数学表达式为

(5)

式中θ3——考虑能量梯级利用及其压缩机耗功的供热分摊系数。

以某2×200 MW级(E级)燃机热电联产机组为例。燃机为GE公司的PG9171E型燃气轮机，机组的额定出力126.2MW；锅炉型号为Q1175.4/547.3-190.5(35.9)-6.0(0.515)/521(253)的三压无补燃、双汽包、带一体化除氧器、卧式烟道、立式螺旋翅片管自然循环水管锅炉；汽机为LCZ60-5.82/1.37/0.58型双压(带补汽)、可调抽汽凝汽式联合循环汽轮机。在燃机100%负荷、75%负荷下进行20t/h、4t/h、70/h抽汽下的能耗分摊。试验结果如表1所示。

由表1可知，在75%、100%负荷下随着机组供热量的增加，供热气耗、发电气耗明显降低，该供热方法使热电双方都从热电联产中受益。

4　结语

(1)针对目前燃气—蒸汽联合循环能耗分摊方法的不足，提出了基于考虑能量梯级利用的“谁利用，谁分摊”能耗分摊方式。

(2)以某2×200 MW级(E级)燃机热电联产机组为例，通过试验，对热电联产的节能效益进行计算及分摊，证明了该方法的科学合理性和实用性。

(3)基于考虑能量梯级利用的“谁利用，谁分摊”能耗分摊方式兼顾发电、供热对节能效益进行分摊，建议同行参考。

[1]李桂云，屠进. 燃气—蒸汽联合循环发电效率的分析与计算[J]. 科技通报，2001，17(5)：53-57.

LI Gui-yun, TU Jin. Efficiency analysis and calculations for gas-steam combined cycle power plant[J]. Bulletin of Science and Technology,2001,17(5):53-57

[2]于彦显，梁辉. 燃气—蒸汽联合循环机组热电成本分摊方法探讨[J]. 热力发电，2013，42(11)：6-9.

YU Yan-xian, LIANG Hui. Discussion on thermoelectric cost calculation methods of gas-steam combined cycle units[J]．Thermal Power Generation，2013，42(11)：6-9．

[3]郭家宝. 热电联产机组燃料成本分摊和节能效益评价方法探讨[J]. 中国电力，2003，36(3)：78-80.

GUO Jia-bao. Discussions on the fuel cost apportionment and energy-saving benefit evaluation methods for cogeneration units[J]. Electric Power,2003,36(3):78-80

[4]熊昌全，汪正刚. 燃气—蒸汽联合循环热电联产机组热电分摊方法[J]. 行业信息报道，2003，41(4)：88-90.

[5]刘岩，葛斌，王培红. 联合循环热电冷三联供系统的热经济性分析[J]. 燃气轮机技术，2007，20(2)：6-9.

LIU Yan, GE Bin, WANG Pei-hong. Thermal economic analysis on CCHP system based on gas- steam combined cycle[J].Gas Turbine Technology,2007,20(2):6-9。

[6]刘岩，葛斌，王培红. 联合循环热电冷三联供系统的热经济性分析[J]. 燃气轮机技术，2007，20(2)：6-8.

(本文编辑：赵艳粉)

Energy Consumption Allocation Method for Gas-Steam Combined Cycle Unit

WANG Jia-yong1, LI Ren-jie2, CHEN Wen-he3

(1. Suzhou Thermal Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215004, China;2. Zhengzhou Electric Power College, Zhengzhou 450000. China;3. China Resources Power (Lianyuan) Co., Ltd., Lianyuan 417100, China)

Fuel cost allocation is the important basis of heat and electricity pricing in heat/power co-generation project, but the original calculation method can not meet the requirements and needs some improvement. This paper puts forward an energy consumption allocation method "whoever uses will share" based on the energy cascade utilization. Taking the 2x200 MW E class gas turbine cogeneration unit as an example, it made tests to calculate and allocate the energy-saving benefit of cogeneration, and prove the rationality and practicability of the proposed method.

combined cycle unit; energy consumption allocation；energy-saving benefit

10.11973/dlyny201604017

王加勇(1985)，硕士，工程师，主要从事电站经济性能研究工作。

TM611.3

A

2095-1256(2016)04-0486-03

2016-03-26