段曉宇
(1.南京航空航天大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 2.華電忻州廣宇煤電有限公司)
供熱汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)中,工質(zhì)所吸收的高品位熱能首先經(jīng)由汽輪機(jī)做功產(chǎn)生電能,然后做過功后的低品位熱能輸出至熱用戶[1-2]。這種能源利用方式契合按質(zhì)用能原則,達(dá)成了能源梯級(jí)利用,對(duì)節(jié)能降耗和環(huán)境保護(hù)意義重大。
熱電聯(lián)產(chǎn)方式下熱、電二者共同產(chǎn)出,為規(guī)范熱、電雙方利益,需正確核計(jì)熱、電這兩種產(chǎn)品的成本,亦即科學(xué)計(jì)算熱電分?jǐn)偙取5捎诼?lián)產(chǎn)機(jī)組熱、電生產(chǎn)過程中蘊(yùn)含的大量耦合性,且電能和熱能形式上不同、質(zhì)量上不等價(jià)[3],致使熱電分?jǐn)偙却_定一直爭(zhēng)議不斷。迄今為止,國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者從經(jīng)濟(jì)學(xué)、熱力學(xué)等角度對(duì)供熱汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)總熱耗量的合理分?jǐn)傞_展諸多研究,提出各種分?jǐn)偰P停?-6],但都展現(xiàn)一定局限性,有待進(jìn)一步探討。熱電聯(lián)產(chǎn)包含兩類工質(zhì)循環(huán):用于凝汽發(fā)電的工質(zhì)循環(huán)和用于熱用戶的抽汽供熱工質(zhì)循環(huán)。只要從熱力學(xué)循環(huán)實(shí)質(zhì)出發(fā),將兩類循環(huán)加以嚴(yán)謹(jǐn)區(qū)分,就能構(gòu)建更為合理的熱電分?jǐn)偙刃路椒ā?/p>
熱量法在分割熱電廠總熱耗量時(shí)不進(jìn)行能質(zhì)差異的考量,僅按生產(chǎn)電能和熱能所消耗能量的數(shù)量作出攤派[2]。舉例:鍋爐產(chǎn)生的新蒸汽首先用于推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,之后這些做過功的蒸汽被抽出用于供熱,熱量法對(duì)這二者不作區(qū)分,認(rèn)為只要熱量相等就是熱耗量相同。在這種計(jì)算方式下,聯(lián)產(chǎn)時(shí)的供電煤耗和供電成本會(huì)較單產(chǎn)時(shí)大為降低。應(yīng)該說,該方法形式簡(jiǎn)單、理解直觀,也便于考核,故而成為法定方法。局限性闡述:(1)不同參數(shù)蒸汽的利用價(jià)值與其能量品位掛鉤,熱量法無法區(qū)分熱電聯(lián)產(chǎn)不同階段的蒸汽品質(zhì)差異,有違經(jīng)濟(jì)學(xué)原理。(2)熱化發(fā)電會(huì)伴有冷源和不可逆損失,但熱量法將該部分損失歸結(jié)至熱用戶,不利于維系熱用戶的積極性。
基于熱量法的熱電分?jǐn)偙圈羕()1由式(1)表
式中,Qtр、Qtр(h)分別表征總熱耗量和用于供熱方面的熱耗量;GJ/h;Btр、Btр(h)分別表征總煤耗量和供熱煤耗量,kg/h;D0、Dh分別表征主蒸汽流量和供熱抽汽量,kg/h;h0、hh、ht、hfw、hbs分別表征主蒸汽焓、抽汽焓、回水焓、給水焓和化學(xué)補(bǔ)充水焓,kJ/kg;q0、qh、σ分別表征1kg蒸汽對(duì)外供熱量、循環(huán)吸熱量和再熱器中的吸熱量,GJ;αrе為再熱流量系數(shù);?為熱用戶供熱回水率。
實(shí)際焓降法的相關(guān)闡述見圖1所示,熱電分?jǐn)偙圈羕()2則由式(2)進(jìn)行表示。

圖1 實(shí)際焓降法的描述
式中,hc為汽輪機(jī)排汽焓,kJ/kg;krе表征汽輪機(jī)是否再熱,取1為再熱,取0為非再熱。
該方法基于熱力學(xué)第二定律,將熱能的數(shù)量和質(zhì)量差異納入考量,按供熱蒸汽與主蒸汽的最大做功能力之比來攤派總熱耗[7]。熱電分?jǐn)偙圈羕()3由式(3)進(jìn)行表示。
式中,e0、eh指的是主蒸汽?和抽汽?,kJ/kg;S0、Sh分別為主蒸汽熵和抽汽熵,kJ/(kg·K);Tеn為表征環(huán)境溫度。
顯然,從理論上看,熱量法屬于“效益歸電”,實(shí)際焓降法屬于“效益歸熱”,而?方法則將熱電聯(lián)產(chǎn)效益分配到熱、電兩種產(chǎn)品,顯得更為合理。但實(shí)際上:(1)基于?方法計(jì)算時(shí),需人為選擇溫度、氣壓等環(huán)境參數(shù),這一方面會(huì)存在主觀差異,另一方面不一定符合實(shí)際情況,可能導(dǎo)致熱、電兩種產(chǎn)品共同比較的基礎(chǔ)的缺失;(2)?方法的計(jì)算邏輯有悖于具有中間再熱的供熱汽輪機(jī)的運(yùn)行機(jī)制。
前文就幾種用于供熱汽輪機(jī)總熱耗量在電、熱之間分?jǐn)偟姆椒ㄟM(jìn)行了分析,明晰了可取之處和局限性所在。若能取長(zhǎng)補(bǔ)短,則能產(chǎn)生新的有效的計(jì)算方法。
經(jīng)由供熱汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)所形成的的電能和熱能的產(chǎn)品性質(zhì)分析:(1)電能屬于無熵的“有序能”,它可以全部地、不受限制地轉(zhuǎn)換為其它形式的能量,具有完全的可加性;(2)熱能屬于有熵的“無序能”,它的能量轉(zhuǎn)化與本身參數(shù)和環(huán)境介質(zhì)參數(shù)有關(guān),不具備完全的可加性。故而,要對(duì)電能和熱能進(jìn)行比較,必須選一個(gè)統(tǒng)一尺度。前文提及的“?”能兼顧能量的數(shù)量和質(zhì)量,契合有熵“無序能”向無熵的“有序能”的轉(zhuǎn)化衡量。
供熱汽輪機(jī)熱力循環(huán)的分析見圖2所示。

圖2 供熱汽輪機(jī)熱力循環(huán)分析
由圖2,結(jié)合“?”的作用,提出總體思路:(1)在供熱汽輪機(jī)抽汽供熱循環(huán)對(duì)外輸出的產(chǎn)品截面上,將熱能產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為?流產(chǎn)品,使其與電能產(chǎn)品等價(jià);(2)計(jì)算與抽汽供熱循環(huán)相對(duì)應(yīng)的電能產(chǎn)品和用于熱用戶的熱能相應(yīng)的?流之間的比例,根據(jù)該比例對(duì)抽汽供熱循環(huán)進(jìn)行分?jǐn)偂?/p>
首先為幾個(gè)定義表述。為直觀起見,采用圖示方式,見圖3。圖中A~G的數(shù)學(xué)符號(hào)依次為D0、D0k、D0T、αk、αT、w0T和q0T。其中,w0T和q0T的計(jì)算可參照文獻(xiàn)[6]。

圖3 供熱汽輪機(jī)熱力循環(huán)中的相關(guān)定義表述
根據(jù)圖2,熱、電分?jǐn)傊饕嬖谟诔槠嵫h(huán)層面。在該層面中,除輸出w0T外,還輸出與熱能產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的?流eHT,其計(jì)算見式(3)。
式中,φ為熱用戶的供熱回水率,eT、分別為供熱抽汽比?和熱用戶回水比?,ebs為化學(xué)補(bǔ)水比?。需要注意:(1)化學(xué)補(bǔ)水所占成本應(yīng)計(jì)入與熱用戶相對(duì)應(yīng)的其它運(yùn)行費(fèi)用中,而不應(yīng)牽涉熱電聯(lián)產(chǎn)總熱耗量分?jǐn)偂#?)為使?流與汽輪機(jī)做功具備可比性,環(huán)境參數(shù)應(yīng)與凝汽器冷卻水進(jìn)水溫度相吻合。
在抽汽供熱循環(huán)的輸出截面上,總的輸出?流e0T可表示為:
這樣,與抽汽供熱循環(huán)相契應(yīng)的熱分?jǐn)偙葹椋?/p>
用于抽汽供熱循環(huán)的熱耗量Q0T可表示為:
這樣,熱用戶分?jǐn)偟降臒岷牧縌tp,h為:
供熱汽輪機(jī)組的整體熱力循環(huán)為復(fù)合循環(huán)(主凝汽循環(huán)+抽汽供熱循環(huán)),由于工作機(jī)制的限定,整體循環(huán)的再熱流量系數(shù)與抽汽供熱循環(huán)的是一致的。故而:整體循環(huán)吸熱量q0與q0T相等。于是供熱汽輪機(jī)的總熱耗量Q0可用式(9)進(jìn)行計(jì)算。
若將進(jìn)汽1kg所對(duì)應(yīng)的供熱蒸汽份額定義為汽輪機(jī)供熱系數(shù)α0T,則有:
結(jié)合式(7)~式(10),可得到最終的面向供熱汽輪機(jī)的熱分?jǐn)偙龋娛剑?1)所示。
選擇6臺(tái)不同型號(hào)的供熱機(jī)組作為計(jì)算背景(機(jī)組主要參數(shù)和工況參見文獻(xiàn)[2-7],限于篇幅不再羅列),基于不同環(huán)境狀態(tài),動(dòng)用4種方法進(jìn)行熱分?jǐn)偙鹊挠?jì)算和對(duì)比,結(jié)果見表1和表2所示。注:為尋求統(tǒng)一,所有計(jì)算均未考慮加熱器散熱損失。

表1 熱分?jǐn)偙扔?jì)算結(jié)果一(環(huán)境參數(shù)0.1MPa、0℃)

CZK330-16.67/0.4/538/538 NC300/220-16.7/537/537 0.096376 0.053254 0.077524 0.080526 0.580353 0.197114 0.332253 0.351414

表2 熱分?jǐn)偙扔?jì)算結(jié)果二(環(huán)境參數(shù)0.1MPa、20℃)
表1和表2顯示:(1)熱量法和實(shí)際焓降法是熱用戶熱分?jǐn)偙扔?jì)算的兩個(gè)極端,熱量法最大,實(shí)際焓降法最小。這與前文分析曾指出的熱量法“好處歸電”、實(shí)際焓降法“好處歸熱”完全契合。(2)做功能力法處于熱量法和實(shí)際焓降法之間,比較接近于實(shí)際焓降法,原因?yàn)槠啓C(jī)排汽溫度與環(huán)境溫度相差較小。(3)本文方法以供熱汽輪機(jī)的復(fù)合循環(huán)機(jī)制為計(jì)算著力點(diǎn),統(tǒng)籌考慮了能量在數(shù)量上的平衡、能量在品質(zhì)上的差異、供熱回水對(duì)供熱機(jī)組的作用,所得結(jié)果處于熱量法和做功能力法之間,顯得更為合理。
供熱汽輪機(jī)總熱耗量熱電分?jǐn)傟P(guān)乎供熱和發(fā)電價(jià)格的制定。在分析以往分?jǐn)偰P腿毕莸幕A(chǔ)上,借助“?”這個(gè)能將能量數(shù)量和能量質(zhì)量納入統(tǒng)一考量的尺度,以實(shí)際的工質(zhì)循環(huán)為計(jì)算切入點(diǎn),提出了供熱汽輪機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)總熱耗量科學(xué)攤派的新方法。該方法理論明晰、計(jì)算簡(jiǎn)便,所得分?jǐn)偙忍幱跓崃糠ê妥龉δ芰Ψㄖg,為合理分配燃料成本、促進(jìn)能量梯級(jí)利用提供了有效依據(jù)。