热电联产系统技术经济分析

于昌城

摘 要：本文简要介绍了热电联产生产的技术方案，并结合北京某燃气—蒸汽联合循环热电联产机组数据，分析经济运行的重点。

关键词：热电联产；技术；经济运行

中图分类号： TK223.1 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-190-2

0 引言

在能源供应结构中，煤、天然气属于一次能源，而热、电属于二次能源。热电联产，即为既生产电能又对用户供热的生产方式，这种发电厂称为热电厂。在所有供热形式中，热电联产的能源利用效率是最高的。

1 热电联产系统的技术优势

一套火力发电机组包括锅炉、蒸汽轮机、发电机等主要设备，燃料在锅炉中燃烧，将水加热成高温、高压的过热蒸汽，蒸汽在汽轮机中做功带动发电机发电，形成化学能向电能的转变。从汽轮机排出失去做功能力的低压蒸汽，必须通过凝汽器散热凝结为水后才能回到锅炉中重新循环，称为“纯凝式汽轮机”。由于排气被冷却的过程是热量散失的过程，系统热效率并不高，仅有不到45%的燃料热能被转化为电能。

单纯的凝汽式汽轮发电机组只生产电能，并不具备供热的功能，其他型式的汽轮机才具备热电联产功能。

1.1 背压式汽轮机

背压式汽轮机，即排汽压力高于大气压力的汽轮机。与凝汽式汽轮机相区别的是，将从汽轮机发电做功后的蒸汽压力保持在大气压力以上，可以通过管道直接输送给工业蒸汽用户使用，或者通过加热器加热热水，以热水作为媒介向外供热，汽轮机组就具备了热电联产的功能。

由于热量绝大部分被热用户利用，不存在凝结散热损失，所以背压机的热效率较高，一般能达到70%～85%。主要缺点是发电量取决于供热量，不能同时满足热用户和电用户的需要，多用于热负荷稳定的热电厂。

1.2 抽汽凝汽式汽轮机

抽汽凝汽式汽轮机是从汽轮机中间抽出一部分已经做过功、具有适合压力的蒸汽供给热用户，其余蒸汽进入低压部分继续膨胀做功，最后排入凝汽器的汽轮机。抽汽压力根据热用户需要确定，发电功率为高、低压部分所生产功率之和，由进汽量和流经低压部分蒸汽量所决定。

抽汽凝汽式汽轮机可同时满足热、电负荷需要，在供热抽汽量为零时相当于一台凝汽式汽轮机，若将进入高压缸的蒸汽全部抽出供给热用户，则相当于一台背压式汽轮机，适用于负荷变化幅度较大的区域性热电厂中。它的缺点是热经济性比背压式机组稍差，而且辅机较多，系统复杂。

1.3 燃气-蒸汽联合循环热电联产机组

燃气-蒸汽联合循环热电联产机组包括燃气轮发电机、余热锅炉、蒸汽轮发电机等设备。它与传统热电厂的区别是，天然气作为燃料并不是直接进入到锅炉中燃烧，而是首先进入到燃机燃烧室燃烧，高温燃气在透平中膨胀将热能转变为机械能，带动发电机发电，这个循环称之为“勃雷登循环”。高温烟气的排放温度在400～600℃，通过余热锅炉将水加热为高温、高压蒸汽，送至蒸汽轮机继续做功，带动发电机发电。

燃气-蒸汽联合循环的机组配置非常灵活，燃气轮机和蒸汽轮机可以共同驱动一台发电机，称为“单轴”布置，也可以分别驱动发电机称为“双轴”布置；可以一台燃气轮机、一台余热锅炉和一台蒸汽轮机组成“一拖一”形式，也可以多台燃气轮机和余热锅炉，通过母管向一台汽轮机供汽组成“二拖一”形式。根据热电联产热负荷的需要，蒸汽轮机可以配置为背压机或抽汽凝汽式汽轮机，形成热电联产。

燃气-蒸汽联合循环的实质是将燃气轮机的“勃雷登循环”与蒸汽轮机的“朗肯循环”有机地结合，如果同时用溴化锂机组为建筑夏季提供空调、制冷负荷，即形成了热、电、冷多种产品联合供应的分布式能源，能源转化率达到85%以上，实现了能源从高品位到低品位的逐级利用。

2 热电联系机组的经济运行分析

热电联产的机组经济运行的重要参数是供热量，下文以北京城区某燃气—蒸汽联合循环热电厂为例，分析不同热负荷下的发电机组的经济性。

2.1 设备基本参数

该厂在装两套“一拖一”、“双轴”燃气—蒸汽联合循环热电联产机组，燃料为管道天然气，发电功率230MW，供热能力116MW。燃气轮机为德国西门子V94.2型，发电功率172.6MW，配武汉锅炉双压、无补燃型余热锅炉，蒸汽轮机为上海电气集团制造LZC80型次高压、单缸、抽汽凝汽式机组，无抽汽回热装置，发电功率57.4MW，发电效率83.3%，热负荷为热水建筑采暖。

2.2 经济指标分析

本文选用实际焓降法，按采暖抽汽汽流在汽轮机少做的功占新蒸汽实际做功的比例来分析热耗率。在分析过程中，不考虑环境温度对燃气轮机效率的影响，假定燃气轮机、余热锅炉运行参数恒定，供热负荷仅与蒸汽轮机的运行参数有关。

热化发电功率，是汽轮机抽出对外供热的这部分蒸汽在汽轮机中膨胀做功产生的发电功率。为计算简便，从凝汽发电功率部分入手：

Nc=[（D0+D1-Dn）·（in-ic）·ηst]/3600（kW）

在假定机组额度发电功率不变的情况下，热化发电功率Nn=N0-Nc（kW）。

我们将上述两部分参数引入比值，即凝汽发电比Xc=Nc/N0，热化发电比Xn=Nn/N0。

每产生1度电所需要的热量称为热耗率，采暖供热部分蒸汽的热化热耗率：

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

凝汽发电部分热耗率：

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

汽轮发电机组热电联产时的热耗率：

qcn=qn·Xn+qk·Xk（kJ/kWh）。

汽轮发电机组热电联产时的热效率：

ηcn=3600/qcn×100%。

将有关技术数据代入上述公式，即可得出不同供热工况下的机组热效率。

2.3 结果分析

从表2数据的变化趋势可以看出，当采暖抽气量为0时，蒸汽轮机为纯凝方式运行，机组的热耗率很高，热效率较低。随着采暖抽气量的增加，热效率提高，理论上当采暖抽汽量与进汽量相同时，机组呈背压运行方式，热效率达到最高。燃气-蒸汽联合循环机组的热效率与汽轮机的热效率变化趋势是一致的，因此，提高热电联产机组的经济性，保证额定的热负荷是十分重要的。

3 结束语

在当前能源紧缺、城市环境质量压力大的情况下，发展天然气作为清洁能源的燃气-蒸汽热电联产是提高能源利用效率的有效途径。运行中按“以热定电”方式，即优先保证热负荷的落实，是保证热电联产系统热效率的关键。

参 考 文 献

[1] 何丽.热电联产系统技术经济性分析[D].华北电力大学（北京），2014.

[2] 徐明.9E燃气轮机联合循环热电冷三联供热经济性及节能分析[J].燃气轮机发电技术，2010，12（2）：10-13.