熱電聯產系統技術經濟分析

于昌城

摘 要：本文簡要介紹了熱電聯產生產的技術方案，并結合北京某燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產機組數據，分析經濟運行的重點。

關鍵詞：熱電聯產；技術；經濟運行

中圖分類號： TK223.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-190-2

0 引言

在能源供應結構中，煤、天然氣屬于一次能源，而熱、電屬于二次能源。熱電聯產，即為既生產電能又對用戶供熱的生產方式，這種發電廠稱為熱電廠。在所有供熱形式中，熱電聯產的能源利用效率是最高的。

1 熱電聯產系統的技術優勢

一套火力發電機組包括鍋爐、蒸汽輪機、發電機等主要設備，燃料在鍋爐中燃燒，將水加熱成高溫、高壓的過熱蒸汽，蒸汽在汽輪機中做功帶動發電機發電，形成化學能向電能的轉變。從汽輪機排出失去做功能力的低壓蒸汽，必須通過凝汽器散熱凝結為水后才能回到鍋爐中重新循環，稱為“純凝式汽輪機”。由于排氣被冷卻的過程是熱量散失的過程，系統熱效率并不高，僅有不到45%的燃料熱能被轉化為電能。

單純的凝汽式汽輪發電機組只生產電能，并不具備供熱的功能，其他型式的汽輪機才具備熱電聯產功能。

1.1 背壓式汽輪機

背壓式汽輪機，即排汽壓力高于大氣壓力的汽輪機。與凝汽式汽輪機相區別的是，將從汽輪機發電做功后的蒸汽壓力保持在大氣壓力以上，可以通過管道直接輸送給工業蒸汽用戶使用，或者通過加熱器加熱熱水，以熱水作為媒介向外供熱，汽輪機組就具備了熱電聯產的功能。

由于熱量絕大部分被熱用戶利用，不存在凝結散熱損失，所以背壓機的熱效率較高，一般能達到70%～85%。主要缺點是發電量取決于供熱量，不能同時滿足熱用戶和電用戶的需要，多用于熱負荷穩定的熱電廠。

1.2 抽汽凝汽式汽輪機

抽汽凝汽式汽輪機是從汽輪機中間抽出一部分已經做過功、具有適合壓力的蒸汽供給熱用戶，其余蒸汽進入低壓部分繼續膨脹做功，最后排入凝汽器的汽輪機。抽汽壓力根據熱用戶需要確定，發電功率為高、低壓部分所生產功率之和，由進汽量和流經低壓部分蒸汽量所決定。

抽汽凝汽式汽輪機可同時滿足熱、電負荷需要，在供熱抽汽量為零時相當于一臺凝汽式汽輪機，若將進入高壓缸的蒸汽全部抽出供給熱用戶，則相當于一臺背壓式汽輪機，適用于負荷變化幅度較大的區域性熱電廠中。它的缺點是熱經濟性比背壓式機組稍差，而且輔機較多，系統復雜。

1.3 燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組

燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組包括燃氣輪發電機、余熱鍋爐、蒸汽輪發電機等設備。它與傳統熱電廠的區別是，天然氣作為燃料并不是直接進入到鍋爐中燃燒，而是首先進入到燃機燃燒室燃燒，高溫燃氣在透平中膨脹將熱能轉變為機械能，帶動發電機發電，這個循環稱之為“勃雷登循環”。高溫煙氣的排放溫度在400～600℃，通過余熱鍋爐將水加熱為高溫、高壓蒸汽，送至蒸汽輪機繼續做功，帶動發電機發電。

燃氣-蒸汽聯合循環的機組配置非常靈活，燃氣輪機和蒸汽輪機可以共同驅動一臺發電機，稱為“單軸”布置，也可以分別驅動發電機稱為“雙軸”布置；可以一臺燃氣輪機、一臺余熱鍋爐和一臺蒸汽輪機組成“一拖一”形式，也可以多臺燃氣輪機和余熱鍋爐，通過母管向一臺汽輪機供汽組成“二拖一”形式。根據熱電聯產熱負荷的需要，蒸汽輪機可以配置為背壓機或抽汽凝汽式汽輪機，形成熱電聯產。

燃氣-蒸汽聯合循環的實質是將燃氣輪機的“勃雷登循環”與蒸汽輪機的“朗肯循環”有機地結合，如果同時用溴化鋰機組為建筑夏季提供空調、制冷負荷，即形成了熱、電、冷多種產品聯合供應的分布式能源，能源轉化率達到85%以上，實現了能源從高品位到低品位的逐級利用。

2 熱電聯系機組的經濟運行分析

熱電聯產的機組經濟運行的重要參數是供熱量，下文以北京城區某燃氣—蒸汽聯合循環熱電廠為例，分析不同熱負荷下的發電機組的經濟性。

2.1 設備基本參數

該廠在裝兩套“一拖一”、“雙軸”燃氣—蒸汽聯合循環熱電聯產機組，燃料為管道天然氣，發電功率230MW，供熱能力116MW。燃氣輪機為德國西門子V94.2型，發電功率172.6MW，配武漢鍋爐雙壓、無補燃型余熱鍋爐，蒸汽輪機為上海電氣集團制造LZC80型次高壓、單缸、抽汽凝汽式機組，無抽汽回熱裝置，發電功率57.4MW，發電效率83.3%，熱負荷為熱水建筑采暖。

2.2 經濟指標分析

本文選用實際焓降法，按采暖抽汽汽流在汽輪機少做的功占新蒸汽實際做功的比例來分析熱耗率。在分析過程中，不考慮環境溫度對燃氣輪機效率的影響，假定燃氣輪機、余熱鍋爐運行參數恒定，供熱負荷僅與蒸汽輪機的運行參數有關。

熱化發電功率，是汽輪機抽出對外供熱的這部分蒸汽在汽輪機中膨脹做功產生的發電功率。為計算簡便，從凝汽發電功率部分入手：

Nc=[（D0+D1-Dn）·（in-ic）·ηst]/3600（kW）

在假定機組額度發電功率不變的情況下，熱化發電功率Nn=N0-Nc（kW）。

我們將上述兩部分參數引入比值，即凝汽發電比Xc=Nc/N0，熱化發電比Xn=Nn/N0。

每產生1度電所需要的熱量稱為熱耗率，采暖供熱部分蒸汽的熱化熱耗率：

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

凝汽發電部分熱耗率：

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

汽輪發電機組熱電聯產時的熱耗率：

qcn=qn·Xn+qk·Xk（kJ/kWh）。

汽輪發電機組熱電聯產時的熱效率：

ηcn=3600/qcn×100%。

將有關技術數據代入上述公式，即可得出不同供熱工況下的機組熱效率。

2.3 結果分析

從表2數據的變化趨勢可以看出，當采暖抽氣量為0時，蒸汽輪機為純凝方式運行，機組的熱耗率很高，熱效率較低。隨著采暖抽氣量的增加，熱效率提高，理論上當采暖抽汽量與進汽量相同時，機組呈背壓運行方式，熱效率達到最高。燃氣-蒸汽聯合循環機組的熱效率與汽輪機的熱效率變化趨勢是一致的，因此，提高熱電聯產機組的經濟性，保證額定的熱負荷是十分重要的。

3 結束語

在當前能源緊缺、城市環境質量壓力大的情況下，發展天然氣作為清潔能源的燃氣-蒸汽熱電聯產是提高能源利用效率的有效途徑。運行中按“以熱定電”方式，即優先保證熱負荷的落實，是保證熱電聯產系統熱效率的關鍵。

參 考 文 獻

[1] 何麗.熱電聯產系統技術經濟性分析[D].華北電力大學（北京），2014.

[2] 徐明.9E燃氣輪機聯合循環熱電冷三聯供熱經濟性及節能分析[J].燃氣輪機發電技術，2010，12（2）：10-13.