郭聰，田貫三

（山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東濟南250101）

0 引言

在我國，熱電廠運營過程中經(jīng)常出現(xiàn)供熱虧損。造成供熱虧損問題的原因有很多，既有政策法規(guī)方面的，也有經(jīng)濟規(guī)律方面的［1－2］，還有熱電成本分攤理論方法方面的［3－6］。通過熱電聯(lián)產(chǎn)可得到熱能和電能2種產(chǎn)品，二者形式不同、質(zhì)量不等，因此需要盡快將熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的熱經(jīng)濟效益合理地分攤問題提上日程。

以經(jīng)濟學(xué)為基礎(chǔ)的分攤方法［7－9］在綜合考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱量與發(fā)電電量經(jīng)濟價值的基礎(chǔ)上，引入經(jīng)濟效益系數(shù)，提出以單位燃料消耗量產(chǎn)生的經(jīng)濟價值來考核熱電廠能量利用率，從宏觀角度分析熱電聯(lián)產(chǎn)機組的成本和收益，把研究對象集中到產(chǎn)品輸出和成本消耗。常見的方法有綜合效益法、經(jīng)濟學(xué)法和黃金分割法，僅以盈利為目的，未過多分析熱力過程。以熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)的分攤方式忽略了能量的質(zhì)量差別，計算出的發(fā)電熱效率高于相同條件下理想朗肯循環(huán)熱效率，以熱量法、實際焓降法為代表［7，10－11］。以熱力學(xué)第二定律為基礎(chǔ)的分攤方式注重能量的品質(zhì)與可用性，能夠?qū)Πl(fā)電供熱過程中的不可逆損失進行分析和量化，揭示了能量傳遞轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量損耗，常見的方法有做功能力法、折合法、比例法、效率法、熱經(jīng)濟學(xué)法等［5，12］。其中，熱經(jīng)濟學(xué)法又叫經(jīng)濟學(xué)［13－14］，其將熱力學(xué)分析與經(jīng)濟因素統(tǒng)一考慮，在能量流中有現(xiàn)金流，可直觀看到每股能流的成本，進而合理分攤。不過該方法計算較復(fù)雜，難以大范圍推廣應(yīng)用。

文章采用效益分攤模型，并應(yīng)用于型號為C350－24．2／0．4／566／566的 350 MW抽凝機組，分別考慮再熱和不再熱過程，當改變汽輪機的供汽量、抽汽量時，對熱電廠參數(shù)指標進行了計算分析，總結(jié)出熱電廠隨負荷變化的能耗變化規(guī)律，對不同的熱電分攤方法進行了對比分析。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)原理與熱電效益分攤數(shù)學(xué)模型概述

1．1 熱電聯(lián)產(chǎn)原理

熱電廠的主要運行方式為熱電聯(lián)產(chǎn)，其原理是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高品位的熱能用來發(fā)電，同時將已在供熱式汽輪機中做了部分功后的低品位熱能，用來對外供熱，符合按質(zhì)用能的原則［2－4，15］。如圖1所示，熱電廠輸出給熱用戶的蒸汽（熱能）是汽輪機中沒有完全用來發(fā)電的蒸汽，這部分蒸汽余下的熱能被熱用戶利用，減少了冷源損失，提高了熱利用率，因此熱電聯(lián)產(chǎn)被認為是一種有效的能源利用方法。

圖1 調(diào)節(jié)抽氣式熱電聯(lián)產(chǎn)熱力系統(tǒng)圖

熱電聯(lián)產(chǎn)將熱、電二者共同產(chǎn)出，不僅涉及到熱力企業(yè)、電力行業(yè)本身的利益，同時也涉及到二者的用戶相關(guān)權(quán)益。因此在核計成本時就自然會關(guān)系到熱、電這兩種產(chǎn)品各自的成本，這就有了如何分配及分配是否合理的問題。熱電產(chǎn)品成本上的分配對二者能否制定出合乎情理的價格息息相關(guān)，主要影響因素有選取的分攤模型和分配標準，若以上因素不同，據(jù)此得到的產(chǎn)品經(jīng)濟效益也存在明顯差別。因此，熱電產(chǎn)品合理定價的前提是選取科學(xué)的、適當?shù)姆謹偡椒ā?/p>

1．2 熱電效益分攤數(shù)學(xué)模型

1．2．1 熱量法

熱量法在劃分熱電廠總熱耗量時忽略能質(zhì)差別，僅僅考慮生產(chǎn)電能和熱能所消耗能量的數(shù)量。比如不論是鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽，還是已經(jīng)做了部分功后被抽出用于供熱的蒸汽，只要熱量的數(shù)量相等，就認為二者供熱的熱耗量相同。這樣聯(lián)產(chǎn)時的供電煤耗和供電成本就會比單產(chǎn)時大大降低。這種方法簡單直觀、便于考核，是我國法定的通用熱電成本分攤方法，但是他不但無法區(qū)分供熱蒸汽不同參數(shù)的品質(zhì)，而且把過程中各種不可逆損失都轉(zhuǎn)化成熱能給了熱用戶，打擊了熱用戶的積極性，屬于“好處歸電”法。這種方法會使熱分攤比過大，導(dǎo)致熱用戶忽視對用熱工藝和設(shè)備的改造來降低用汽參數(shù)，從而使熱電聯(lián)產(chǎn)總的熱經(jīng)濟性降低。

熱量法的熱電分攤比計算式由式（1）［2］表示為

式中：αk（1）為熱量法的熱電分攤比；Qtp、Qtp（h）分別為熱電廠總熱耗量、分配給供熱方面的熱耗量，GJ／h；Btp、Btp（h）分別為熱電廠的總煤耗量、供熱煤耗量，kg／h；D0、Dh分別為主蒸汽流量、供熱抽汽量，kg／h；h0、hh、ht、hfw、hbs分別為主蒸汽焓、抽汽焓、回水焓、給水焓、化學(xué)補充水焓，kJ／kg；q0、qh、σ分別為熱電聯(lián)產(chǎn)1 kg蒸汽對外供熱量、循環(huán)吸熱量、再熱器中的吸熱量，GJ；αre為再熱流量系數(shù)；φ為熱用戶的供熱回水率。

1．2．2 實際焓降法

實際焓降法是按汽輪機供熱抽汽的實際焓降不足與進汽的總實際焓降的比例來分配。考慮到供熱蒸汽在品位方面的差別，對外供熱蒸汽參數(shù)越低，實際焓降越小，熱分攤比越小，對應(yīng)的熱耗和煤耗越小。鼓勵了熱電廠降低用熱參數(shù)，增加機組發(fā)電量、提高能源利用率。但將冷源損失都歸于發(fā)電，而沒有分攤給供熱，把熱電聯(lián)產(chǎn)帶來的經(jīng)濟效益都歸于供熱方面，也是不全面的。

實際焓降法的熱電分攤比由式（2）［2］表示為

式中：αk（2）為實際焓降法的熱電分攤比；hc為供熱汽輪機排汽焓，kJ／kg；kre為汽輪機是否再熱確定系數(shù)，再熱時取1，非再熱時取0。

做功能力法是以熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，同時考慮了熱能的數(shù)量和質(zhì)量差別，按熱電聯(lián)產(chǎn)供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力的比例來分配?？紤]了供熱蒸汽質(zhì)量（做功能力大?。┑膮^(qū)別，將熱電聯(lián)產(chǎn)熱經(jīng)濟效益（節(jié)能）分配到熱、電2種產(chǎn)品。但是因供熱式汽輪機排汽溫度與環(huán)境溫度相差較小，故該方法與實際焓降法的計算結(jié)果接近。

做功能力法的熱電分攤比由式（3）表示為

式中：αk（3）為做功能力法（方法）的熱電分攤比；e0、eh分別為主蒸汽、抽汽，kJ／kg；Sh為供熱汽輪機抽汽熵，k J／（kg·K）；Ten為環(huán)境溫度，K；S0為主蒸汽熵，kJ／（kg·K）。

1．2．4 熱經(jīng)濟指標

熱電廠總熱耗量由式（4）［2］表示為

式中：ηb為鍋爐效率；ηp為主蒸汽管道效率。供熱量由式（5）表示為

熱電廠總效率由式（6）表示為

式中：Pe為機組額定功率，MW。

分配給發(fā)電方面的熱耗量由式（7）表示為

發(fā)電熱效率由式（8）表示為

發(fā)電標準煤耗率由式（9）表示為

供熱熱效率由式（10）表示為

式中：Q為熱用戶的用熱量，GJ／h。

供熱標準煤耗率由式（11）表示為

2 熱電效益分攤數(shù)學(xué)模型應(yīng)用分析

2．1 參數(shù)影響分析

由Medpha數(shù)據(jù)庫可得，濟南地區(qū)（由于泰安市不在數(shù)據(jù)庫中，且考慮到泰安市與濟南市距離較近，采用濟南市數(shù)據(jù)）全年逐時溫度變化曲線和各月平均干球溫度如圖2、3所示。

圖2 全年逐時溫度變化曲線圖

圖3 月平均干球溫度變化曲線圖

通過建設(shè)汽水換熱首站，利用汽輪機抽汽加熱一次網(wǎng)回水進行供熱，因此不同室外溫度下需要調(diào)整抽汽量來提供相應(yīng)熱負荷。

（1）保持額定供汽量為1086．95 t／h不變，改變抽汽量 保持額定供汽量不變，按照熱量法、實際焓降法、做功能力法計算得出不同抽汽量下的汽輪機的供熱參數(shù)如圖4～6所示，3種方法的熱電分攤比如圖7所示。圖4～7中，不考慮再熱時，分配給供熱的熱耗量為A1、分配給發(fā)電的熱耗量為B1、熱電分攤比數(shù)學(xué)模型使用熱量法為C1、使用實際焓降法為D1、使用做功能力法時為F1；考慮再熱時的對應(yīng)條件分別為 A2、B2、C2、D2、F2。

由圖4～6可知，考慮再熱后，隨著抽氣量的增加，分配給發(fā)電的熱耗量隨之減少，發(fā)電熱耗量降低了約60%；分配給供熱的熱耗量隨之增大，增幅約13%，對比是否考慮再熱的2種情況，熱量法不變，實際焓降法與做功能力法的變化相近。

圖4 熱量法在不同抽汽量時的熱耗量圖

圖5 實際焓降法在不同抽汽量時的熱耗量圖

圖6 做功能力法在不同抽汽量時的熱耗量圖

圖7 3種方法在進汽量不變、改變抽汽量情況下的熱電分攤比圖

由圖7可知，隨著抽汽量的增加，熱電分攤比不斷增大；相同供汽量和抽汽量時，熱量法計算出的熱電分攤比最大，做功能力法次之，實際焓降法最小，熱量法比實際焓降法的計算結(jié)果高80%，做功能力法高4%。隨著抽汽量的增加，實際焓降法受再熱影響最大，考慮再熱前后根據(jù)熱量法、做功能力法和實際焓降法計算的熱電分攤比分別下降了15%、0%、40%。

（2）保持額定抽汽量為510 t／h不變，改變進汽量 保持抽汽量為510 t／h不變，按照熱量法、實際焓降法、做功能力法計算得出不同進汽量下的供熱參數(shù)如圖8～10所示，3種方法的熱電分攤比如圖11所示。圖中 Ai、Bi、Ci、Di、Fi（i＝1，2）的含義與圖4～7相同。

由此可知，考慮再熱前后，分配給發(fā)電的熱耗量增幅17% ～31%；隨著供汽量的增加，熱電分攤比不斷減少；當供汽量和抽汽量保持不變時，熱量法計算出的熱電分攤比最大，做功能力法次之，實際焓降法最小，考慮再熱前后分別下降了15%、0%、42%；隨著供汽量的增加，熱電分攤比減小的趨勢減緩。

圖8 熱量法在不同進汽量時的熱耗量圖

圖9 實際焓降法在不同進汽量時的熱耗量圖

圖10 做功能力法在不同進汽量時的熱耗量圖

圖11 3種方法在抽汽量不變、改變進汽量情況下的熱電分攤比圖

做功能力法和實際焓降法計算得到的數(shù)據(jù)是相近的，這是因為汽輪機排汽溫度與環(huán)境溫差比較小，由此得出的Qtp（h）值接近。汽輪機內(nèi)效率偏低而多耗的熱量，致使發(fā)電煤耗率高于電力系統(tǒng)中代替凝汽式機組的煤耗率，因此電廠不接受該方法。

2．2 額定工況應(yīng)用分析

以某超臨界350 MW中間再熱抽氣凝汽式汽輪機組 C350－24．2／0．4／566／56為參考對象，應(yīng)用不同分攤模型對供熱成本進行分析計算，該抽凝機組的具體供熱參數(shù)見表1。其中，熱電廠的環(huán)境溫度為300 K，鍋爐管網(wǎng)效率 ηbηp為 0．88、機電效率 ηmηg為0．98；ηm為汽輪機的機械效率；ηg為發(fā)電機的效率；熱網(wǎng)效率ηhs為0．97。實際運行數(shù)據(jù)為鍋爐實際進汽多耗系數(shù)αT為1．58，再熱流量系數(shù)αre為0．84，給水泵的泵功（焓升）hbs為24．7，回水率為100%。

經(jīng)查詢得到再熱器進口蒸汽焓值為3000．8 kJ／kg，再熱器出口蒸汽焓值為3593．3 kJ／kg，出口熵值為 7．25 kJ／（kg·K）；供熱回水焓值為335 kJ／kg。將上述數(shù)據(jù)帶入式（11），計算結(jié)果見表 2、3，其中 i取值為 1、2、3。

表1 C350－24．2／0．4／566／566抽凝機組參數(shù)表

由表2、3可知，考慮再熱前后除了發(fā)電熱耗量和供電標煤耗有17%～28%的增幅外，其他指標都產(chǎn)生不同程度的下降；無論是否考慮再熱，用熱量法計算得到的供熱熱耗量Qtp（h）、供熱標煤耗熱熱效率ηtp（h）均沒有變化，這是由熱量法的定義決定的；無論是否考慮再熱情況，采用做功能力法計算的熱電分攤比結(jié)果不變；對于上述3種計算方法來說，發(fā)電熱效率 ηtp（e）、分配給供熱方面的熱耗量Qtp（h）、供熱標煤耗以及熱電分攤比 αk（i）均是依次減少的，用熱量法計算的數(shù)值最大，實際焓降法計算的最??；分配給發(fā)電方面的熱耗量Qtp（e）、發(fā)電標煤耗和供熱熱效率 ηtp（h）依次增加。這也驗證了熱量法是“好處歸電法”，實際焓降法是“好處歸熱法”。熱量法得到的熱電分攤比明顯高于做功能力法和實際焓降法計算得到的數(shù)值，同時熱量法為我國法定的分攤方法，這樣會鼓勵熱電廠多發(fā)電、少供熱，打擊熱力企業(yè)的積極性，無法刺激企業(yè)改造相關(guān)工藝技術(shù)，造成很大能源浪費。

表2 不考慮再熱情況下的熱、電參數(shù)計算結(jié)果表

表3 考慮再熱情況下的熱、電參數(shù)計算結(jié)果表

3 結(jié)論

通過上述分析表明：

（1）供汽量不變，改變抽汽量時，隨著抽汽量的增加，發(fā)電熱耗量降低約60%；分配給供熱的熱耗量增幅約13%；熱電分攤比不斷增大，熱量法比實際焓降法的計算結(jié)果高80%，比做功能力法高4%。隨著抽汽量的增加，實際焓降法受再熱影響最大，考慮再熱前后的熱電分攤比相比較，熱量法、做功能力法和實際焓降法的計算值分別下降了15%、0%、40%。

（2）抽汽量不變，改變供汽量時，隨著供汽量的增加，考慮再熱前后，分配給發(fā)電的熱耗量增大17%～31%；考慮再熱前后的熱電分攤比相比較，熱量法、做功能力法和實際焓降法的計算值分別下降了15%、0%、42%；隨著供汽量的增加，熱電分攤比不斷減少，且趨勢減緩。

（3）350 MW抽凝機組在額定抽汽量、供汽量時，無論是否考慮再熱情況，采用做功能力法計算的熱電分攤比結(jié)果不變。