冷熱電三聯供電廠等價電效率分析

武文杰，李鹍

(1.通用電氣(中國)研發開發中心有限公司，上海 201203;2.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

0 引言

近年來，基于我國天然氣能源的戰略布局，國家對冷熱電三聯供技術更加重視。2011年全國能源工作會議上指出，今后要重點發展熱電聯產或冷熱電聯供。我國政府將天然氣的開發和利用作為改善能源結構、提高環境質量的重要措施。西氣東輸、廣東進口液化天然氣、東海天然氣開發等大型項目的全面實施，推動了全國天然氣的建設。北京、上海等城市已采取一些優惠政策鼓勵冷熱電三聯供項目的發展。到目前為止，已建成的項目有上海浦東國際機場、北京燃氣大樓、北京燃氣集團次渠門站大樓等。

冷熱電三聯供電廠的產品主要是熱能和電能，其中熱能產品包括處于不同溫度、壓力狀態的蒸汽和熱水，用于工業生產、區域供熱或制冷。冷熱電聯產CCHP(Combined Cooling Heating and Power)系統在提高燃料利用率和減少排放方面已經得到廣泛認可，但由于熱能和電能自身能源品位的不同，目前還沒有一種被普遍接受的CCHP電廠效率定義。由于缺乏客觀統一的評價基準，在比較CCHP電廠不同效率定義時往往會產生誤解，也影響了新技術的應用和開發。為了更加科學地定義CCHP電廠效率，同時兼具實用性，本文在熱力學第二定律的基礎上，提出了等價電效率的概念，用來評估、比較不同電廠和同一電廠不同設計方案的性能。

1 三聯供系統及常見效率定義

燃氣－蒸汽聯合循環冷熱電三聯供系統以天然氣為主要燃料，在燃氣輪機內燃燒并膨脹做功，燃氣輪機排出的高溫煙氣通過余熱鍋爐加熱水，產生的蒸汽帶動蒸汽輪機做功。余熱鍋爐或蒸汽輪機生成的蒸汽和熱水提供給用戶的供熱、供冷系統。某三聯供電廠系統簡圖如圖1所示。

天然氣冷熱電三聯供系統能源綜合利用率較高。在目前的技術水平下，集中供電方式發電效率最高可達40% ～50%，其余50% ～60%的能量很難充分利用;而冷熱電三聯供不但可以獲得28% ～40%的高品位電能，還能將高溫廢熱回收用于供冷、供熱，其綜合能源利用率一般可達80%以上(如圖2所示)。同時，對于我國大部分地區來說，冷熱電三聯供具有雙重削峰填谷作用，夏季通過吸收式制冷，減少電空調負荷，系統的自發電也可以降低大電網的供電壓力。冷熱電三聯供系統提高了天然氣能源的綜合利用效率，節約能源，從而提高能源利用的經濟效益。天然氣是清潔能源，燃氣－蒸汽聯合循環冷熱電三聯供系統的排放指標均能達到相關的環保標準，具有良好的環保效益。目前在評估三聯供電廠性能時，較為主流的幾種效率定義方法有發電效率、熱效率、公共事業監管政策法案PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act)效率以及?效率等。

發電效率將機組凈電量作為收益，不考慮供冷、供熱所獲收益

熱效率將凈電量、供冷和供熱的熱能作為收益，不考慮2種能量品位的差別

PURPA效率是美國為鼓勵開發創新能源而提出的效率定義，將凈電量、供冷和供熱的熱能作為收益并在計算過程中將熱能折半

圖1 某三聯供電廠系統簡圖

圖2 天然氣冷熱電三聯供系統能源利用率

以上是目前較為常用的幾種效率定義方法，但前2種定義不能同時在數量和等級上對能量進行完整的評價;PURPA效率是出于政策需要而定義的效率，在評估CCHP電廠效率時不夠科學;?的概念不易理解，且?效率只是理論效率，具有一定的局限性，不利于推廣。

為了解決上述效率定義存在的不足，作者提出了等價電效率的概念。等價電效率將熱水和蒸汽的熱能轉化為等價電能，從而以電能為共同基礎評估CCHP電廠性能，公式如下

2 等價電效率

2.1 概念解釋

等價電效率的概念為:以現實可行的方式，將各種形式的能量在數值上最大程度地轉換為電能，并以電能為共同基準評價冷熱電三聯供電廠的效率。

“現實可行的方式”是指現實存在的轉換裝置或合理化的換算方法;“轉換為電能”是因為電能的能量品位最高，便于從質和量2個方面分析能量轉化效率;“以電能為共同基準”是出于各種能量同質化的需求，從而以統一的標準來評估電廠效率。

熱力學第二定律限制了某些能量從一種形態向另一種形態的轉變，能量相互轉換具有明顯的方向性。如機械能、電能等可全部轉化為熱能，在理論上轉換效率可以達到100%，這類可無限轉換的能量稱為最大有用功，也叫做?。冷熱電三聯供電廠產生的電能可以無限轉化為其他形式的能量，所以這部分電能全部為?。三聯供電廠的其他產品為特定溫度、壓力的蒸汽或熱水，它們并不能無限轉化為其他形式的能量，它們所能產生的最大有用功即為熱力學?。根據熱力學第二定律，卡諾機是在溫度界限相同時效率最高的能量轉換裝置，因此，在數值上，某種工質的最大有用功(即?)等于以其為高溫熱源的卡諾機向大氣環境放熱時所能產生的功。

舉例說明，假設熱電聯供發電廠為用戶提供35 t/h壓力為1.2MPa、溫度為205℃的蒸汽，蒸汽的比焓為2826.44 kJ/kg，總能為27.480 MW。單位質量蒸汽的?是 858.96 kJ/kg，總熱力學?為 8.351 MW。也就是說，相當于一個虛擬的卡諾機以27.480 MW的蒸汽作為單一熱源，向溫度為t0(15℃)的大氣放熱，將會產生8.351 MW的功，最大理論效率為30.4%。8.351 MW和30.4%這2個數字來源于熱力學第二定律。

實際上卡諾循環僅是理想循環，卡諾機是不存在的，因此，需要用現實可行的能量轉換裝置來替代虛擬的卡諾機。當工質為蒸汽時，可以用來進行能量轉換的裝置是蒸汽輪機發電機組。為了便于說明，假定蒸汽輪機向壓力為10 kPa的冷凝器放熱的等熵效率為85%。利用1.2 MPa，205℃的蒸汽，流量在35 t/h的情況下，發電量為5.460 MW，即等價電能為5.460 MW，熱效率僅為19.9%。盡管數值偏低，但和理論最大功8.351 MW相比，轉換效率為19.9% ÷30.4%=65.4%。轉換效率表述了一個概念，就是以理論最佳效率即卡諾循環的效率作為基準，當工質為熱水時，并不能直接用來發電，因此，需要對熱水的最大可用功進行合理換算從而轉換為電能。例如，將57.18 t/h，95℃的熱水用于吸收式制冷，最大有用功為0.477 MW，假定其制冷系數為0.7，則最大制冷量為0.3340 MW，而電制冷系數為5.0，制取同樣的冷量需要0.0668 MW 的電能，因此，熱水的等價電能為0.0668 MW。轉換效率為熱水制冷系數與電制冷系數的比值。

2.2 計算方法

等價電效率以電能為共同基準來評估CCHP電廠的效率，不需要考慮電廠的具體構造、燃料種類以及產品性質。CCHP等價電效率可以用下式表示

式中:P為電廠產生的凈電能;P'為蒸汽的等價電能;P″為熱水的等價電能;F為以凈功率或總功率為基礎下鍋爐燃氣輪機燃燒室和相似的燃燒室設備消耗的總燃料，即低位發熱量(LHV)或高位發熱量(HHV);N表示電廠共有N種產品;Ei為第i種產品的理論最大功即?;εi是將理論功Ei轉換為電能的轉換效率。

用比焓的形式來表達，上式又可改寫為

式中:hi為第i種產品的比焓;βi為?與比焓的比值。

對公式(1)的概念描述如圖3所示，圖3中的聯合循環電廠有3種產品:電、蒸汽和熱水。在熱力學第二定律基礎上評估能量品位時，大多采用?分析法，將工質通過虛擬的卡諾機所能做的最大有用功(?)E作為評估的標準。但卡諾機并不存在，現實的能量轉換裝置存在一定的損耗。當工質為蒸汽時，能量轉換裝置為虛擬的汽輪機，將最大有用功E轉換為等價電能P'的過程中，存在轉換效率ε;Tme為虛擬卡諾機的平均吸熱溫度，T0為環境參考溫度，虛擬卡諾機工作在Tme和T0之間。當工質為熱水時，能量轉換裝置為虛擬的吸收式制冷機，將熱水的最大有用功E轉換為等價電能P″的過程中，同樣存在轉換效率ε。

圖3 等價電效率概念示意圖

蒸汽參數計算公式

熱水參數計算公式

式中:s為工質(蒸汽或者熱水)的熵，kJ/(kg·℃);T為溫度，K;h為工質的比焓，kJ/kg;ηCOPx為吸收式制冷效率;ηCOPd為電制冷效率;下標“0”表示參考點，一般取環境溫度。

其中，蒸汽參數ε的計算公式是基于當前蒸汽輪機的技術水平，由參考文獻［4］中的圖4(The ratio of second－law efficiency)擬合簡化所得。熱水參數中的吸收式制冷轉換效率ηCOP可采用以下經驗公式:

3 工程分析應用

為了比較幾種效率定義的差別，下面將會通過4個聯合循環電廠的算例來進行分析說明，4個電廠的設計參數見表1。

其中，電廠A，B，C均采用GE LM2500機組，電廠D采用GE 5371PA機組。電廠A為熱電聯供電廠，除了提供電力輸出外，還輸出壓力為1.2 MPa、溫度為205℃的蒸汽。電廠B，C，D為冷熱電三聯供電廠，是在電廠B的基礎上加入了煙囪換熱裝置，從而產生95℃的熱水用于吸收式制冷。各電廠效率的計算結果見表2。

從表1和表2可知，電廠C和電廠A相比，在不影響發電的情況下增加了熱水制冷，所以二者電效率一樣，而電廠C的其他效率都比電廠A的效率高，這幾個效率評價指標保持一致。電廠B和電廠C相比，少抽12 t蒸汽用于取暖或者制冷，導致電效率增加而熱效率和PURPA效率下降。如果只從熱效率或者PURPA效率評價，電廠C的三聯供效率高。但由于電廠B中少抽的蒸汽可用于產生高品質的電能，實際上電廠 B的三聯供效率反而高，等效電效率科學地反映了這一事實。電廠C，電廠D采用重型燃氣輪機，雖然可以產生更多的熱水，但是其熱效率、PURPA效率和等價電效率都比電廠C低。

表2 電廠效率 %

從凈電效率來看，電廠B的效率最高。因為電廠B的抽汽量為23 t/h，電廠A，C，D的抽汽量為30 t/h，電廠B將更多的能量用于發電，因此，凈電效率稍高于電廠A，C和D。

在CCHP熱效率方面，從表面上看，電廠B和電廠D很接近，但是電廠B的電效率遠高于電廠D，只是由于電廠D可以產生更多的熱水。CCHP熱效率只是簡單地用蒸汽和熱水的比焓來進行效率計算，沒有考慮電能、蒸汽和熱水能量等級的不同。如果考慮到能量等級，等價電效率很好地反映了二者的較大差距。

PURPA效率與CCHP熱效率的趨勢基本一致，但在一定程度上考慮了能量等級的不同，因此，各電廠PURPA效率相對于CCHP熱效率來說差值較小。然而，在PURPA效率的計算過程中，只是簡單地將熱能的價值等價于電能的1/2，不能在數值上準確地反映電能、蒸汽、熱水的等級。

由于電廠B將最多的能量用于生產能量等級最高的產品——電能，而且采用了電效率較高的燃氣輪機，所以它的等價電效率最高。等價電效率的定義很好地解決了PURPA效率不能在數值上準確反映能量等級的問題。

通過對上述計算結果的分析可知，傳統的效率定義方法將熱能與電能混合在一起，忽略了兩者能量等級的不同，而PURPA效率的定義方法雖然在這個方面有所體現，但在數值上不夠精確。等價電效率的定義則提出了一個共同基礎，可將各種不同形式的能量轉化為同一種等級，從而更加科學地評估電廠的效率。

雖然用戶在關注電廠性能時，考慮的主要是成本和價格方面的因素，但這并不表示等價電效率的概念沒有應用的意義。這種科學的定義方法可以為監管、評估和鼓勵高效項目方面提供標準，從而最大限度地利用能源和減少排放，此外，在電廠設計過程中，也可以為優化設計提供參考。

4 適用范圍及其他

本文提出了等效電效率的概念，將三聯供系統的不同產品(熱水、蒸汽、電力)轉化為電能，用于評價三聯供系統的性能，包括但不局限于燃氣輪機和內燃機三聯供。但這里的三聯供系統沒有外延到客戶端，只是包括能量輸出端(如電廠)。

等效電效率的定義和計算中用到了虛擬的汽輪機和吸收式制冷機，對于無法用吸收式制冷循環來評價的低溫熱水(如65℃熱水)，將無法轉化為等效電能，也就無法使用等效電效率的概念。在一般情況下，三聯供系統中低溫熱水對系統總效率和經濟性影響并不大。

5 結束語

根據冷熱電三聯供電廠產品的特性，提出了等價電效率的概念。通過工程實例進行了計算分析，對比各電廠效率后可知，等價電效率可在一個共同基礎上，較為科學地評估不同能量品位產品對電廠效率的影響并在理論上給出合理化的解釋。等價電效率的概念對于優化電廠設計具有極大的參考作用，有助于推動節能減排和資源合理利用。

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