燃气蒸汽联合循环供热机组热效率及经济性研究

燃气蒸汽联合循环供热机组热效率及经济性研究

关键词：联合循环；供热机组；效率；热耗；电能；经济收益；研究

燃气蒸汽联合循环机组具有环保高效的特点，特别适合安装于经济发达的地区用于电力调峰和工业供热。集中供热能够对整个工业园区集中规划进行供热，用于替代原有的燃煤或燃油小锅炉，工业供热管道统的一规划，有利于系统整体效能的提高，便于专业管理，供热的安全可靠性也将得到提高。集中居民采暖和工业供热更环保，供热价格也更低，因此，联合循环机组在城镇和工业园区集中供热具有一定的优势。

联合循环供热机组根据对外供热蒸汽参数的不同，一般采用汽轮机抽汽供热或余热锅炉管道直接对外供热的形式。由于热用户所需的蒸汽压力、温度不同，用户厂址远近差异，需要综合对管线路由进行考虑，根据用户所需供热需求不同供热价格也应有所区别，例如对近距离大用户价格优惠，远距离小用户适当提高价格，总体要实现较原有供热方式有一定的价格优势，供热才会具有一定的竞争力。

供热机组效率计算

联合循环供热机组热效率计算一般沿用燃煤机组的效率计算方式，直接将供热量换算成电量计算机组的煤耗和热效率，并未按电能和热能的能级不同对两种能量进行区分1。由于蒸汽对外供热过程中直接将蒸汽送至用户，或通过换热方式送达用户，一般不存在汽轮机组的机械损失和凝汽器的冷源损失，只有少量的管道散热疏水损失，导致供热机组的计算煤耗较低，热效率较纯凝机组有了显著的提高。

机组的热效率

η = （P电+Q热）/Q天然气

对于汽轮机采用背压方式进行供热的机组，由于没有凝结过程的冷源损失，机组的效率可以的达到甚至超过80%，远远高于纯凝机组。

效率计算存在的问题

无论对于燃煤或燃气供热机组，很多专家对热效率的计算方法提出过不同意见，但由于没有形成统一的意见，该计算方法一直沿用至今。这也成为部分发电企业通过实现机组供热的方式，达到降低煤耗提供了一种手段。供热机组的存在，拉低了部分燃煤或燃气电厂煤耗、效率等重要的经济指标，在机组对标中呈现出一种隐性的不公平。

就现在普遍认可的能级梯级利用的观点来看，由于电量和热量处于不同的能量级别，在实际测算中应该有一定的差异。当然对于不同类型的热电机组电量、热量对应关系可能会有所不同，甚至可能影响机组的经济性，影响到机组的综合收益。

2.1 对热效率的影响

以某电厂9F燃气蒸汽联合循环机组为例，机组抽汽供热工况会降低发电机的出力，即在获得一定供热流量的同时，减少了一定的电能输出。

该机组在环境温度16.5℃，纯凝工况下运行时的机组功率为452.07MW。在汽轮机抽汽额定工况下抽出111t/h蒸汽对外供热，抽汽参数为300℃，1.5MPa，该工况机组的发电功率为420MW，机组降低了32.07MW。

经计算该机组在纯凝工况下的效率为58.36%，但在额定供热工况下的效率达到了69.4%，可以看出机组供热后效率得到了大幅提升，煤耗指标也得到了较大幅度的降低。其实，对于供热机组而言，供热量越大，其联合循环效率也越高。

2.2 对机组收益的影响

对于热电企业而言，机组生产运营的经济性更为重要，运行收益关系到企业的生存和发展，其影响远高于机组的煤耗、效率等经济指标。

联合循环机组纯凝工况下机组的功率为452.07MW。在汽轮机抽汽额定工况下抽出111t/h，抽汽参数为300℃，1.5MPa，机组的发电功率为420MW，机组降低了32.07MW。

按该热电企业对外供热220元/吨，机组小时的供热收益为24420元；因该机组对外供热，降低了机组出力为32.07MW，按供热收益反算电价为0.761元/kWh。也即只有在电价低于0.761元/kWh时对外供热才是合算的。

天然气价格高低对联合循环机组运行有着较大的影响，国内某省近几年天然气价格波动较大，每立方天然气最高达到3.36元，最低只有2.14元，9F联合循环机组电价也在0.71元/kWh至0.90元/kWh之间波动。由此可见，机组供热对机组运行指标改善有一定的帮助，并不是一定会增加经营收益。

供热成本及收益估算

因联合循环机组供热来自于汽轮机抽汽，机组运行情况较为复杂，较难按常规方式对供热成本进行计算。在此按发电机会成本对供热成本进行估算。

某燃气发电机组纯凝各工况，额定出力452.07MW，额定供热111t/h，减少发电量为32.07MW，按不同电价得出供热成本表格如下：

由上表可以看出，供热机会成本是随电价的变动而变动的，如果电价较高，供热价格不进行相应调整，供热也会处于亏损的不利状态。按上述热电企业采用主机的对外供热价格为220元/t，在0.6元的发电价格时较为合理，在电价达到0.7元以上时，考虑其他成本时就会处于供热亏损的状态。

效率计算对比方法

为了合理的评估热电联产机组的运行经济性，应采取客观合理的方式对机组发电、供热进行区分，以体现能量梯级利用和电热价格的差异。

3.1 加权系数计算法

按机组的电、热负荷曲线确定对外供热机组功率和供热的系数，折算回纯凝机组的运行工况，对机组进行评估2。如上述热电企业，可以按111t/h热量与32.07电量进行计算，得出折算系数A为3.46，最终得出发电机组的热耗和效率。

折算系数

A = Q热/P减少

3.2同类机组等供热量对比法

对于同类联合循环供热机组，由于外部条件不同，供热量存在一定的差异，可以采取同等供热量的对比方式，在同等供热量下计算机组的运行效率、热耗煤耗等进行指标，并进行综合分析比较。

经济性测算的必要性

现在普遍的观点均认为，热电联产机组具有更高的热效率和经济性，这也符合大部分机组的实际情况，但在天然气价格大幅变动，供热价格又相对固定的特定情况下，供热未必能为热电企业带来更大的收益，甚至有可能出现亏损3。

5.1 燃气发电企业受制于较高的天然气成本，天然气价格对发电和供热成本有着较大的影响，且燃气发电机组多处于长三角、珠三角等经济发达地区，大部分为工业供热，由于民营企业的承受能力所限，蒸汽供热价格变动受到较大限制，很难实现以气价为基础的热价联动。如果气价大幅上升，热电企业供热就会面临亏损。

5.2 燃气热电企业供热盈利空间有限，虽然很多热电企业热衷于通过供热来提高机组的热效率等经济指标，但未必能通过供热获得相应的供热收益，因此应对供热、发电收益进行综合测算。

5.3机组供热效率未必高于容量较大的燃气锅炉。当前燃气锅炉环保指标也得到了较大的提升，采用烟气再循环等技术之后，先进的低氮燃烧器NOx排放也达到了30mg/Nm3甚至更低，且操作更为灵活。吨蒸汽消耗天然气也降低至80方左右，竞争力也进一步增强。

小结

随着燃气发电事业的快速发展，我国天然气热电联产装机也得到了较大的发展，尤其是在京津冀、长三角、珠三角等经济发达区域呈现出较好的态势。燃气热电企业经济环保，实现了电力热力的联合供应，为城镇工业经济的快速发展提供了能源支持。燃气热电联产机组热耗、煤耗、热效率等经济指标一直沿用燃煤机组的相关标准，没有考虑热力和电力的能级差别，客观上造成了供热机组经济指标普遍好于纯凝机组，也造成了机组为了经济指标和以热定电，创造条件改供热的多个案例。机组供热是否一定能够获得相应的收益应该进行相应的测算，对于热电企业而言，综合经济效益关系到企业的生存和发展，也是提高企业竞争力的关键。

参考文献

1. 刘俊峰，F级燃气-蒸汽联合循环机组供热经济性分析[J]，汽轮机技术，2017（03）
2. 李瑞雪，石奇光，张静秋，燃气—蒸汽联合循环供热机组能耗分摊的方法分析[J]，资源节约与环保，2015（05）
3. 宋晓玮，张国强，李永毅，燃气轮机联合循环热电联产供热供电量优化分配研究[J]，热力发电，2019（03）