热电联产机组煤耗指标与节能量分析

郭俊山，游大宁，康夜雨，巩志强，商攀峰

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001；3.华能国际电力股份有限公司德州电厂，山东 德州 253006）

0 引言

随着我国产业升级，燃煤压减步伐不断加快，原有用于供应企业生产蒸汽和居民采暖的小型火电机组、燃煤锅炉无法适应时代要求而退出运行。由此产生的供热、供汽缺口将由大型火力发电厂替代供应。大型火电机组以热电联产方式同时承担电负荷、大规模工业热负荷及采暖热负荷运行将成为常态［1-2］。

火电机组承担大规模热负荷后运行特性发生变化，煤耗水平评价也更加复杂［3-4］。但是现行的热电机组煤耗计算仍然采用与纯凝机组相同的发（供）电煤耗率表征。具体计算方法是将机组对外供热量从吸热量中扣除［5］，导致火电机组供热后发电煤耗率大幅下降。这种计算方法没有考虑能量品质的差别，计算结果具有一定误导性。一是火电机组承担大规模热负荷后，发电煤耗率大幅下降，但同样发电量下燃煤实际消耗量却明显上升，实际燃煤消耗量的增加与燃煤指标下降的节能效果相反；二是机组经小规模投资改造承担热负荷后发电煤耗率下降效果远远优于大幅投资的机组提效改造效果，导致诸多可提升机组发电效率的改造项目遭受质疑。因此当前的发（供）电煤耗率指标对于热电联产机组提升能源利用效率缺乏指导意义［6］。

为解决上述问题，将根据热电机组实际生产流程合理计算热电机组发电煤耗率指标，引入社会节煤量概念客观分析热电联产机组在当前形势下节能点及节能量。

1 热电机组煤耗率计算方法

1.1 热电机组煤耗分析

现行国内通用的热电机组煤耗率计算方法如式（1）所示。其基本原理是将机组对外供热量Qgr从吸热量中扣除，从而将供热利用的冷源损失归结到发电侧，降低机组发电煤耗率。由于水的汽化潜热较大，从热量总量角度核算，机组冷源损失占据很大比例。以国内典型300 MW 亚临界机组为例，机组纯凝运行时，主蒸汽焓值为3 397.2 kJ/kg，排汽焓值约为2 344.8 kJ/kg，再热吸热501 kJ/kg。1 kg 蒸汽做功量1 202.84 kJ，冷源损失量1 490 kJ（凝结水温度按35 ℃计）。冷源损失量占总吸热量的比例接近60%。机组供热后将利用部分或全部冷源损失热量，按照式（1）的算法，机组供热后发电煤耗率将大幅降低。

式中：bp为机组供热后发电煤耗率，g/kWh；Qgr为机组对外供热量，MJ；Qsr为机组循环吸热量，MJ；PM为机组负荷，MW；ηb为锅炉效率；ηgd为管道效率。

以上算法是不合理的，可以从以下两个角度分析。

从能量品质角度分析，机组排汽所蕴含的大量热量中能够转化为电能的很少，根据热力学第二定律其可用能比例仅有2.4%［7］，即仅有35.8 kJ/kg 热量可用于发电。因此，即便机组冷源损失可以回收，也不能利用于发电。即机组供热利用的冷源损失不能直接等同于机组发电耗能的下降计算。

其次，从火电厂实际生产流程看，供热汽流抽出后流向热用户，不再返回机组发电，客观上没有增加任何额外电力输出，所以不会降低机组发电煤耗［8］。

此外，通常情况下机组排汽参数无法满足热用户使用需求，需要从汽轮机中间部分抽出满足用户参数要求的汽流输出，从而使蒸汽做功流程相较纯凝机组流程缩短。因此，相对纯凝机组，供热机组发出同样电能所消耗的蒸汽量更多，煤耗量将有所增加。

1.2 背压机组发电煤耗率计算方法

机组供热分为背压供热与抽凝供热两类，低真空供热原理上与背压供热相似，可以按背压供热分析。从蒸汽流程分析，抽凝机组以看作纯凝机组与背压机组并联运行。因此，背压供热机组煤耗变化情况分析清楚后，可以按照蒸汽比例直接折算抽凝机组煤耗变化情况。

图1、图2 分别为纯凝机组与背压机组简化原则性热力系统简图［9］，假设：1）汽轮机内背压排汽前两机组蒸汽流程、参数不变；2）背压机组背压排汽前回热加热器参数与纯凝机组相同，背压排汽后回热加热器切除不影响凝结水系统运行。

图1 纯凝机组热力系统简图

图2 背压机组热力系统简图

基于上述假设，以1 kg 主蒸汽为基础分别计算纯凝机组与背压机组做功量变化。

1 kg主蒸汽在纯凝机组中做功量wn为［10］

式中：wn为做功量，kJ；h0为主蒸汽焓，kJ/kg；hn为纯凝机组排汽焓，kJ/kg；σ为单位蒸汽再热吸热量，kJ/kg；m为再热蒸汽前回热抽汽级数；k为机组回热抽汽总级数；Δhi为第i级回热抽汽至排汽蒸汽焓差，kJ/kg；αi为第i级回热抽汽量占主蒸汽比例。

相应燃煤消耗量为

式中：B为燃煤消耗量，kg；hw为给水焓，kJ/kg。

纯凝机组发电煤耗率为

基于上述假设，1 kg 主蒸汽在背压机组中做功量wb为

式中：hb为背压机组排汽焓，kJ/kg；z为机组切除的回热抽汽级数。

做功量差值为

式中：hi为第i级回热抽汽焓，kJ/kg。

背压机组发电煤耗率为

1.3 抽凝机组发电煤耗率计算方法

抽凝机组按蒸汽流分析可看作纯凝机组与背压机组并联运行。1 kg 主蒸汽量下抽凝机组发电功率P、发电煤耗率b可按下式计算。

式中：Pn、Pb分别为纯凝汽流、背压汽流做功量，MW；Dn、Db分别为纯凝汽流、背压汽流流量，t/s。

式中：bn、bb分别为纯凝汽流、背压汽流发电煤耗率，g/kWh。

2 热电机组节煤量分析

机组供热改造节能原因在于将原来必须浪费的冷源损失加以利用，属于余热利用范畴。根据能量实际流向分析，机组余热利用量可以用代替的热用户侧热源耗能量表示。目前我国工业企业、城镇居民采暖主要采用小型燃煤锅炉产生蒸汽供应生产、生活使用［11］。热电机组节能量是小型锅炉燃煤消耗下降量。

因此，完整的热电机组煤耗分析需要将热电机组、热用户、供热锅炉联合分析。本文采用社会节煤量ΔB定量评价纯凝机组供热后节煤情况。

式中：ΔB为社会节煤量，kg/h；ΔQ为热电机组对外供热量，GJ/h；Δbs为机组供热后发电煤耗率增量，g/kWh；ηbr、ηgdr分别为小型燃煤锅炉效率及配套管道效率。

由式（10）可知，社会节煤量由两部分差值计算得出。节煤部分为按照供热锅炉热能利用效率计算得出的热电机组对外供热量所对应的燃煤消耗量，耗煤部分为热电机组由于蒸汽做功流程缩短而导致的发电煤耗增量。考察当前我国热电机组与热用户实际生产情况，该式评价方法与现实生产情况是吻合的。

式（10）计算结果为ΔQ对应的燃煤总消耗量，为统一评价标准，将社会节煤量折算至单位发电量，定义为社会节煤率：

综上，所提热电机组煤耗指标体系已全部给出。修正后的发（供）电煤耗量、煤耗率用于评价火电机组供热后真实的发电煤耗增加情况；社会节煤量、节煤率一方面确定火电机组供热真正的节煤点在于用户侧燃煤锅炉替代，另一方面可以定量计算热电机组、热用户、供热锅炉所组成的联合体的总燃煤消耗量下降情况。

3 计算示例

以某电厂两台320 MW 亚临界热电联产机组为例，计算其承担工业供汽、采暖供热后煤耗指标情况。

两台机组纯凝工况主要参数如表1所示。

表1 示例机组主要参数

基于周围地区的热负荷需求，两台机组都进行了供热改造，其中1 号机组改造为低真空供热机组，2号机组改造为再热热段抽汽供汽机组。

1 号机组低真空供热可按背压机组计算煤耗指标。2号机组按照背压机组与纯凝机组并联方式分析煤耗指标，该机组常态工业抽汽量约150 t/h，扣除减温水后再热抽汽量118 t/h，背压循环主蒸汽量184 t/h、发电功率31.97 MW、供热量242.7 GJ/h。两台机组主要经济评价指标计算结果如表2所示。

表2 示例机组主要经济评价指标

对以上结果进一步分析可知：

纯凝工况单位蒸汽做功量最大抽凝次之背压机组最小，说明供热汽流比例越大机组发电能力损失越严重，发电煤耗率上升越明显。

三种工况下机组发电煤耗率与发电功率乘积均等于机组实际耗煤量。说明本文提供的发电煤耗率指标可以准确方便核算发电厂的实际耗煤量，不需要计算供热耗煤量。

低真空供热机组冷源损失全部利用，余热利用水平最高，抽凝机组次之，与表2 社会煤耗量、社会煤耗率指标计算结果吻合，说明社会耗煤量指标可以准确评价热电机组余热利用水平。

4 结语

针对当前发电煤耗率指标无法准确反映热电联产机组实际煤耗水平和节能效果的问题，本文基于机组实际生产流程给出了新的发电煤耗率计算方法，并提出社会节煤量指标客观评价热电联产机组节能点及节能量，经算例分析，得出以下结论：

1）背压供热机组单位主蒸汽做功量下降，发电煤耗率上升；排汽参数越高做功损失越严重。

2）抽凝机组煤耗指标可以根据蒸汽流程按背压机组与纯凝机组串联方式计算分析，其发电煤耗率相较纯凝机组同样上升。

3）机组供热改造后通过余热利用减少了热用户侧燃煤锅炉耗煤量，社会用能量下降。

4）本文提出的新的发电煤耗率计算方法，准确方便核算发电厂的实际耗煤量和余热利用水平。