第二节 热电联合生产及热电厂总热耗量的分配

第二节 热电联合生产及热电厂总热耗量的分配 一 热电联产 如第一章所述，热电联产是指电厂对热电用户供应电能和热能，并且生产的热能是取 自汽轮机做过部分或全部功的蒸汽，即同一股蒸汽（热电联产汽流）先发电后供热。这种 发电厂称为热电厂。图 36 所示是热电厂的热力系统简图。特别需要指出的是对于抽汽式 汽轮机，只有先发电后供热的供热汽流才属于热电联产，而凝汽流仍属于分产发电， th D ,c D 同样热电厂用锅炉生产的新蒸汽经减温减压后供给热用户仍属分产供热。 b D ,h 图 3-6 热电厂热力系统简图 二 热电厂总热耗量的分配 在热电厂中，工质所吸收的热量不但生产电能（需要一定功率） ，而且要满足热用户所 需要的电能。因此表征热电厂的热经济性指标，除按照生产电能的指标外，还必须考虑生 产热能的指标，可见热电联产热经济指标的确定比分产要复杂和困难得多。为了确定其电 能和热能的生产成本及分项的热经济指标，必须将热电厂总热耗量合理地分配给两种产品。 目前国内外对热电联产总热耗量分配方法有热量法、实际焓降法、做功能力法及热经 济学法等多种。各种方法都有一定的合理性和局限性，本文主要介绍钱三种计算方法。 1. 热量法 热量法的核心是只考虑能量的数量，不考虑能量的质量的差别。将热电厂的总热耗量 按生产两种产品的数量比列进行分配。 热电厂总热耗量 （3-hkJ QQ QBQ pbb b nettp 0 tp 11） 式中 热电厂总燃料消耗量，； tp Bhkg 燃料低位发热量，。 net QkgJk 热电厂分配给供热方面的热耗量是以热用户实际消耗的热量为依据的，即分配给供热 方面的热耗量为 （3-hkJ QQ Q hspbpb h htp , 12） 式中 热电厂对外供出的热量，； h QhJk 热用户需要的热量，；QhJk 热网效率 。 hs 则分配给发电方面的热耗量 （3-hkJQQQ htptpetp, 13） 可见，热量法分配给供热的热耗量，不论供热蒸汽参数的高低，一律按锅炉新蒸汽直 接供热方式处理，而未考虑实际联产供热汽流在汽轮机中已做过功、能级降低的实际情况。 热电联产的节能效益（即联产发电部分无冷源损失）全部由发电部分独占，热用户仅获得 了热电厂高效率大锅炉取代低效率小锅炉的好处，但以热网效率表示的集中供热管网 hs 的散热损失，使之打了折扣。因此不利于鼓励用户降低用热参数，从而使热电联产总的热 经济性降低。热量法被称为热电联产“效益归电法”或“好处归电法” 。 2. 实际焓降法 实际焓降法是按联产供热抽汽汽流在汽轮机少做的功占新蒸汽实际做功的比例来分配 供热的总热耗量。 分配给联产供热的热耗量 （3- hkJ hhD hhD QQ c chth tpttp 00 , , 14） 式中 热电厂联产供热蒸汽量，； th D , hJk 供热蒸汽比焓，； h hkgJk 汽轮机进汽、排汽的比焓，。 c hh0、kgJk 若电厂还有新蒸汽直接减温减压后对外供热，则应将其供热量直接加在分配给供热的 方面。减温减压器的供热量为 （3- hkJ hhD Q pb hbhbh b , ,tp 15） 式中 减温减压供热蒸汽量，； b D ,h hkg 减温减压器供汽、热网返回水的比焓，。 h, hh、 bh kgJk 则供热总的热耗量为 （3- btpttph QQQ ,tp hJk 16） 发电的热耗量为 （3- htptpe QQQ ,tp hJk 17） 实际焓降的分配方法把热电联产的冷源损失全部由发电方面承担，热用户未分摊任何 冷源损失，热电联产的节能效果全部归于供热方面，故又称“好处归热法” 。该分配法考虑 了供热抽汽品质方面的差别，热用户要求的供热参数越高，供热方面分摊的热耗量越大， 反之越少，所以可以鼓励热用户降低用热参数，提高热电联产的效益。但是，对发电方面 而言，联产汽流却因供热引起实际焓降不足少发了电，且抽汽式供热汽轮机的供热调节装 置不可避免地会增大汽流阻力，从而使机组的凝汽发电部分的内效率降低，热耗增大。 3. 做功能力法 做功能力法是把联产汽流的热耗量按蒸汽的最大做功能力在电、热两种产品间分配。 分配给联产汽流供热的热耗量按联产汽流的最大做功能力占新蒸汽的最大做功能力的 比值来分摊。即分配给供热方面的热耗量为 h Q ,tp （3- 000 , 00 , ,tp sThD sThD Q eD eD QQ en henhth tp hth tph hJk 18） 式中 新蒸汽和供热抽汽的比火用，； h ee0、kgJk 新蒸汽和供热抽汽的比熵，； h s、 0 sKkgJk 环境温度，。 en TK 做功能力法以热力学第一定律和第二定律为依据，同时考虑了热能的数量和质量差别， 使热电联产的好处较合理地分配给热、电两种产品，理论上也较有说服力。但是由于供热 式汽轮机的供热抽汽或背压排汽温度与环境温度较为接近，此种方法与实际焓降法的分配 结果相差不大。所以热电厂也不能接受这种分配方法。 综上所述，可见上述三种分配方法均有局限性。热量法是按热电厂生产两种能量的数 量关系来分配，没有反映两种能量在质量上的差别，将不同参数蒸汽的供热量按等价处理， 但使用上较为方便，得到广泛运用。而实际焓降法和做功能力法却不同程度地考虑了能量 质量上的差别；供热蒸汽压力越低时，供热方面分配的热耗量越少，可鼓励热用户尽可能 降低用汽压力，从而降低热价；但实际焓降法对热电联产得到的热效益全归于供热，因而 会挫伤热电厂积极性；而做功能力法具有较为完善的热力学理论基础，但使用上极不方便， 因而后两种方法未得到广泛的应用。总之，热电联产总热耗量的分配应充分考虑热电厂节 约能源、保护环境的社会效益，在兼顾用户承受能力的前提下，本着热、电共享的原则合 理分摊。因此，从理论上探讨热电厂总热耗量的合理分配，仍是发展热化事业中迫切需要 解决的问题。 第三节 热电厂的主要热经济指标与热电联产节约 燃料的条件 一直以来，人们在不断地寻找一种既能在质量上又能在数量上来衡量两种能量转换过 程的完善程度，同时又能用于供热式机组间、各热电厂间或者在凝汽式电厂和热电厂间比 较的简明计算方法。遗憾的是迄今尚无单一的热经济指标满足这些要求。目前，采用的既 有总指标又有分项指标的综合指标来评价热电联产的经济效益。 1、热电厂分项计算的主要热经济指标 1. 发电方面的主要热经济指标 热电厂发电方面的热效率 （3- etp e e Q P , ,tp 3600 19） 热电厂发电方面的热耗率 （3- etpe etp etp P Q , , , 3600 q 20） 热电厂发电方面的标准煤耗率 （3-hkWkg P B etpetpe s etp 标准煤 , ,s etp, 123 . 0 29270 3600 b 21） 式中 热电厂发电方面的标准煤耗量，。 s etp B , hk 标煤g 2. 供热方面的主要热经济指标 热电厂供热方面的热效率 （3- htp h Q Q , ,tp 22） 热电厂供热方面的标准煤耗率 (3-23)GJkg Q B htp s htps htp 标准煤 , 6, , 1 . 34 10b 式中 热电厂供热方面的标准煤耗量，。 s htp B , hk 标准煤g 2、热电厂总的热经济指标 1. 热电厂的燃料利用系数 tp 热电厂的燃料利用系数又称热电厂总热效率，是指热电厂生产的电、热两种产品的总能量 与其消耗的燃料能量之比，即 （3- tp h nettp h Q QW QB QW 36003600 tp 24） 式中 热电厂的总发电量，；WhhkW 热电厂的供热量，； h QhkJ 热电厂的煤耗量，。 tp Bhgk 热电厂的燃料利用系数是数量指标，不能表明热、电两种能量产品在品位上的差别， tp 只能表明燃料能量在数量上的有效利用程度。电厂运行时，热电厂的燃料利用系数可能在 相当大的范围内变动。尤其是装有抽汽式供热机组的热电厂：当热负荷为零时，由于其 绝对内效率比相同蒸汽初参数的凝汽式机组还小，所以也会比凝汽式发电厂的效率 tp 低；供热式汽轮机带高热负荷时，可高达 7080；当供热式汽轮机停止运 cp tp 行，发电量为零，直接用锅炉的新蒸汽减压减温后对外供热时，没有按质用能，但 也很高，显然这是不合理的。 pbtp 既不能比较供热式机组间的热经济性，也不能比较热电厂的热经济性，因此不能作 tp 为评价热电厂热经济性的单一指标。在设计热电厂时，用以估算热电厂燃料的消耗量。 2. 供热式机组的热化发电率 热化发电率只与联产汽流生产的电能和热能有关，热化发电量与热化供热量的比值称为热 化发电率，也叫单位供热量的电能生产率，用表示，即 (3-25) ttp Q W , h GJhW k 式中 供热轴汽发电量（又称热化发电量） ，； h WhhW k 供热量（又称热化供热量） ，GJh。 ttp Q , 图 3-7 是某供热汽轮机组给水回热系统简图，对外供热抽汽的焓值为，经热用户后与补 h h 水混合后返回到 z 级加热器出口。 由图可知，热化供热量为 （3- ttp Q , 6 , 10 hhth hhD 26） 式（3-26）中考虑热网中工质损失，返回水率为 , 在 01 之间，补充热网水（1） ， 补水焓为，则返回热力系统混合后的焓值为 maw, h KJKg mawh h wh hhh , 1 以上式中 热化供热气流量，Kgh ；如热电厂无对外分产供热，则 th D , thh QQ , ， ； thh DD , 供热返回水比焓，即供热蒸汽的凝结水焓，若 1，则 ， h h h m wh hh , 热化发电量为 kWh （3- i hhh WWW 0 27） kW h （3- 3600 0, 0 h gmhth hhD W 28） kW h （3- z j gmjj i h hhD W 1 0 3600 29） 式中 外部热化发电量，指对外供热抽汽的热化发电量，kWh/h ； 0 h W 内部热化发电量，指供热返回水引入回热加热器增加的各级回热抽汽所发出 i h W 的电量，kWh/h ； z 供热返回水经过的回热加热级数； 各级抽汽加热供热返回水所增加的回热抽汽量。 j D (3-30) i ttp i hh ttp Q WW Q W 0 , 0 , h GJhkW 式中 外部、内部热化发电率， kWh/GJ 。 i 、 0 (3-31) gm hh h ttp h hh hh Q W 0 , 0 0 278 GJhkW kWh/GJ (3-32) g z j hhth jj ttp i h i hhD hhD Q W m 1 , 0 , 278 一般内部热化发电量在总热化发电量中所占的份额不打，近似计算中可忽略不计。 i 影响的因素有供热机组的初参数、抽汽参数、回热参数、回水温度、回水率、补 充水温度、设备的技术完善程度以及回水所流经的加热器的级数等。当供热机组的汽水参 数一定时，热功转换工程的技术完善程度越高，热化发电量越高，即对外供热量相同时， 热化发电量越大，从而可以减少本电厂或电力系统的凝汽发电量，节省更多的燃料。所以 是评价热电联产技术完善程度的质量指标。 需要注意的是热化发电率只能用来比较供热参数相同的供热式机组的热经济性，不能 比较供热参数不同的热电厂的热经济性，也不能用以比较热电厂和凝汽式电厂的热经济性。 因此热化发电率不能作为评价热电厂热经济性的单一指标。 3. 热电厂的热电比 tp R 热电比为供热机组热化供热量与发电量之比。 tp R （3- ch ttpttp WW Q W Q R 36003600 , tp 33） 对于凝汽火电厂，无供热的成分，故热电比为零。对背压式供热机组，其排汽的热量 全部被利用，得到的热电比最大。对于抽汽式供热机组，因抽汽量是可调节的，热电比随 供热负荷的变化而变化。当抽汽供热量最大时，凝汽流量最小，只用来维持低压缸的温度 不过分升高，并不能使低压缸发出有效功来，其热电比略低于背压机。当供热负荷为零时， 相当于一台凝汽机组，其热电比也为零。 由于热电比只表明本机组热电联产的利用程度，所以其值不宜作为热电机组之间的横 向比较，只能用它衡量热电机组本身的利用率或节能经济效果。 4. 我国对热电厂总指标的规定 国家四部委计基础20001268 号文关于发张热电联产的规定提出，用热电比和总 热效率两个经济指标考核热电厂的经济效果。规定如下： (1)供热式汽轮发电机组的蒸汽流即发电又供热的常规热电联产，应符合下列指标： 1)总热效率年平均大于 45。 2)热电联产的热电比：单机容量在 50MW 一下的热电机组，其热电比年平均应大于 100；单机容量在 50200MW 之间的热电机组，其热电比年平均应大于 50；单机容 量 200MW 及以上抽汽凝汽两用供热机组，采暖期热电比应大于 50。 (2)燃气蒸汽联合循环热电联产系统应符合下列指标； 1)总效率年平均大于 55； 2)各容量等级燃气蒸汽联合循环热电联产的热电比应大于 30。 三、热电联产较分产的燃料节约量 （一）比较的基础 如果 38 所示，按能量供应相等的原则，联产与分产的热、电负荷均相应为(kJ),Q ()。Whkw 与供热式汽轮机相比较的分产发电凝汽式汽轮机，称为代替凝汽式机组。代替凝汽式 机组的概念，是指电网中若不建供热机组，则会建设凝汽式机组发电，因此代替凝汽式机 组的热经济指标应以目前电网中建设的主力机组为依据。同时认为供热与代替凝汽式机组 所配套锅炉的效率和管道的效率完全相同，事实上它们的确相差很小。当然，机组 b p 的机械效率和发电机效率也相同。 m g 与热电联产供热相比较的分产供热锅炉，其锅炉效率为，管道效率为。 d ,b d ,p 要比（一般为 90左右）低很多。与基本相同。此外，伴随着热电联产集 d ,b b d ,p p 中供热，必然带来热网的散热损失，该损失有热网效率衡量。即在于分散供热供应给 hs 热用户相同的热负荷时，热电厂需供出的热量为，显然。Q h Q hs QQ h 联产与分产的比较按热量法进行。 （2）联产较分产的节煤量 热电联产总的标准煤耗量为，为用于发电、供热的标准煤耗量之和，即 s tp B （3-34） s htp s etp s BBB ,tp hkg标准煤 热电分产总标准煤耗量为分产发电标准煤耗量与分产供热标准煤耗量之 S CP B S hd B , 和，则联产较分产的节煤量为 s B h , , s 标准煤 s h s e s htp s hd s etp s cp s tp s hd s cp BB BBBB BBBB 式中 联产发电节煤量； s Be 联产供热节煤量。 s Bh 代替凝汽式机组的标煤耗量为 （3-36） h 123. 0123 . 0 b cp 煤标准kgWWWbB gmipcp s cp s 分产供热的标准煤耗量为 （3-37）h 1 . 34 29270 10 29270 10 , 6 , 6 , 标准煤kg QQQ B dpdb hsh dpdb hsh dpdb s hd 分产时供 1GJ 热量的标准煤耗率为 （3-GJkg Q B dpdb s hds hd 煤标 , , , 1 . 34 b 38） 热电厂发电的标煤耗量为 （3-h 123 . 0 123 . 0 ,tp 标准煤kg WW WbWbB gmicpb c gmpb h c s ceh s he s e 39） 热电厂供热的标煤耗量为 （3-h 1 . 34 29270 10 29270 10 66 ,tp 标准煤kg QQQ B pb h pb h hspb s h 40） 热电厂供 1GJ 热量的标准煤耗率为 （3-h 1 . 34 1 . 34 b , , 标准煤kg htphspb s htp 41） 把式（3-36） 、式（3-37） 、式（3-39） 、式（3-40）代入式（3-35） ，可求出联产较 分产节约的标准煤量为 （3-h 1 1 . 34 123 . 0 , h 标准煤kgQ W W WW B pbdpdb hs h ic c h igmpb S 42） 定义热化发电比为热化发电量占整个机组发电量的比值，即X W W X h 将与代入式（3-42）则有X hc WWW （3- h 1 1 . 34 111 1 1123 . 0 , h 标准煤kgBB Q X W B s h s e pbdpdb hs h iicicgmpb S 43） 上两式中，第一项为发电节煤量，第二项为供热节煤量。式（3-43）中第一项的前半部分 可整理成，为热电厂发电节煤的有利因素，是热电厂发电理论上节约燃料的 h s he s cp Wb , b 最大值，因为供热机组供热汽流发电，冷源损失用于供热了，称“联产节能” 。第一项后半 部分为热电厂发电节煤的不利因素，是供热机组凝汽流发电多消耗的燃料。 c s cp s ce Wb , b 原因有：供热机组的容量及蒸汽初参数一般均低于代替凝汽式机组；抽汽式供热机组 的凝汽流要通过调节抽汽用的回转隔板，增大了凝汽流的节流损失；抽汽式供热机组非 设计工况运行效率低，如采暖用但抽汽式机组在非采暖期运行时就是这种情况；热电厂 必须建在热负荷附近，若供水条件比凝汽式机组差，则排汽压力高，热经济性有所降低。 从第一项前半部分中扣去后半部，才是热电厂发电实际节煤量。 实际计算时是计算热电联产较热电分产时全年节煤量，这时的耗煤量、发电量、用 热量均应以全年计，它们与以小时计的量之间有如下关系：即全年供热量，Q h uh a QQ h 全年热化发电量，全年发电量，其中为供热机组的年利用小时 h uh a QW hue PW ah u 数，为供热组热化发电率，为火电厂全年设备利用小时数。将这些关系代入式（3- u 43）即可求的全年节煤量： iicicgmpb a h s X W B 111 1 110123 . 0 3 a （3-44）a 1 10 1 . 34 , h 3 标准煤tQ pbdpdb hs a （三）联产较分产节煤的条件 由式（3-43）知，并不是在任何条件下联产较分产都节煤，而是存在着节煤量为 零的临界条件，超过此临界条件则节煤。 （1）联产发电节煤的条件 1）单抽（C 型）机的节煤条件 在临界条件下，式（3-43）中的第一项为零，即 （3-45）0 111 1 1 ic iic X 整理上式，可得单抽机节煤的临界热化发电比为 （3-46） M K W W X ic iich 1 1 11 c 其中 1 1 , 11 ic ici MK 单抽机节煤，即0 的条件为 s Be （3-47） c XX c 可见，只有当实际的热化发电比大于临界热化发电比时，热电联产发电才能较分 产发电节煤，否则不节煤，甚至多耗煤。 由式（3-46）可看出，取决于与。当代替式凝汽式机组的越高，供 c X i ic i 热机组的越低，则越大，要求热化发电机占机组总发电量的比例越大，即节煤的 ic c X 条件越苛刻。 同样有发电煤耗率的概念也可得出式（3-46） ，推导如下： s cp s cec s he s cph s bbWbbWB ,e （3-48）h ,h 标准煤kgbbWbbW s cp s ce s he s ce 临界条件下，。0 e s B 考虑则同样可得出与式, 123. 0 , 123 . 0 , 123 . 0 b , gmicpb s ce gmpb s he gmipb s cp bb （3-46）相同的公式，即 (3-46a) M K bb bb W W X ic iic s he s ce s cp s ce h 1 1 11 , , c 2）背压（B 型）机的节煤条件 背压机是强迫电负荷，即电负荷是有热负荷决定的，即。由于热用户 h QfW h 用热不可能总是在额定值，所以当用户的热负荷降低时，机组的发电量也必然减小。根据 能量供应相等的原则，这时发电量的不足部分要由电力系统补偿，显然补 h WWW cs 偿发电量的煤耗