Transcript 第四讲 热电联产

热电联产
1热电联产的意义
（1）热电联产与单一能量生产方式的比较：

单一能量生产：单纯发电或单纯供热

热电联产：电能热能联合生产
实现热电联产必须具备的基本条件是：
 有热用户，而且要保证热用户所需要的参数（压力和温度）和
流量；
 在供热的同时还要保证必须数量的电能。
热电厂节约燃料 示例：
T
h0
T
h0
T0
p0
p0
w ’i
wa
h ca
h ’c
h ’, h
pc
h ha
hh
ph
hc
q ca
q ha
Δ qc
Δ qh
S
S
(a)朗肯循环
(b)供热循环
图4－1 朗肯循环，供热循环的T－S图

图（a）：理想朗肯循环热效率ηt和实际朗肯循环热效率
ηi(即汽轮机的绝对内效率)为：
t 
i 
wa

q 0  q ca
q0
w a
q0
q0

q0  qc
q0
1
q ca
1
h ca  h c
q0
 1
qc
q0
 1
h 0  h c
h c  h c
h 0  h c

图（b）：理想供热循环热效率ηt和实际循环热效率ηi 为：
w i  q ha
'
 th 
 ih 
w i  q h
q 0

q 0

( h 0  h ha )  ( h ha  h h )
w i  ( q ha   q h )
q 0
h 0  h h

1
( h 0  h h )  ( h ha  h h )  ( h h  h ha )
h 0  h h
1
分析图4－1和上述四式可知：
①朗肯循环的ηt、ηi值均较低，其排汽虽有较大热量，但品位太低，
无法利用，故其热能利用率很低。
②纯供热循环的ηth，ηih均为1，完全没有像朗肯循环那样的冷源热损
失，故可大幅度的提高热电厂的热经济性。
若取ηbηp=0.88，ηmηg=0.95，ηi=0.40，那么朗肯循环的凝汽式电厂的
煤耗率为：
b 
0 . 123
0 . 88  0 . 95  0 . 40
 0 . 368 kg ( kW  h )
纯供热循环的背压机的热电厂发电煤耗量为：
b tp 
0 . 123
0 . 88  0 . 95
 0 . 147 kg ( kW  h )
由此可见发电的煤耗量大大降低。
③对于抽汽凝汽式机组，可视为背压式机组与凝汽式机组复合而
成，其中供热汽流是完全没有冷源热损失，它的ηth仍为1。但是
它的凝汽汽流仍有被冷却水带走的冷源热损失，该凝汽流的绝对
内效率ηic不仅不等于1，而且还比相同循环参数、同容量的凝汽式
汽轮机(即替代电厂的汽轮机)的绝对内效率ηi要低，这是在热电联
产热经济定性分析中，影响热电联产的燃料节省的不利因素。
（2）热电联产的优点




节约能源
减轻大气污染，改善环境
提高供热质量，改善劳动条件
其它经济效益
（3）热电厂的不利因素



热电厂的投资比同容量凝汽式电厂的投资大。
热电厂的工质损失比凝汽式电厂大的多，补水率大，
热力设备运行可靠性降低。
调节抽汽式汽轮机存在凝汽流发电，比凝汽式机组热
经济性差。
2 热电联产的基本形式
(1)蒸汽轮机热电联产
 蒸汽轮机热电联产目前是国内外发展热化事业的基础，
是联产集中供热的最主要形式。
 对外同时供热和发电的蒸汽轮机称为供热式汽轮机，装
有供热式汽轮机的发电厂称为热电厂。
供热式汽轮机的型式有：
 背压式汽轮机
 抽汽式汽轮机
 凝汽采暖两用机
 低真空供热的凝汽机组。
(2)燃气轮机热电联产

燃气轮机热电联产系统是利用燃气轮机的排气提供热能，
来对外界供热或制冷，其系统图如下图。燃气轮机的排气
在余热锅炉中加热水，产生的蒸汽直接作为生产用汽或居
民生活供热。
排烟：500℃
废热：150℃
(3)核电热电联产

采用的轻水反应堆核电厂的新蒸汽参数一般是4.9～
6.86MPa的饱和蒸汽或低过热度蒸汽，其装置效率只有33%
左右，反应堆的热损失不到5%，即62%左右的低温热能排
入大气和江河之中，不仅热损失大，而且造成热污染。

热电联产就是将反应堆产生的热能转化为水蒸汽，再送往
汽轮机发电的同时，利用抽汽或者排汽进行供热。

利用汽轮机排汽作为采暖热源的热电联产是核电热电联产
的另一种方式，为保证供暖热源的参数，采用排汽压力为
0.98MPa的背压式汽轮机。自核热得来的新汽经过汽轮机
作功后进入热网换热器，加热热网水，使热网水达到供暖
所要求的温度。
(4)内燃机热电联产

热电联产系统中应用的内燃机主要有两种：Diesel柴油机和
Otto点燃式内燃机。其热电联产循环系统如下。该系统中余
热回收有两种方式：高温余热回收和低温余热回收。高温余
热回收在余热锅炉中进行，用以对外供热，低温余热回收为
内燃机冷却系统。
排烟
～ 200℃
蒸汽或热水
～ 450℃
内燃机
冷却器
热用户
油
空气
水
不同的热电联产方式性能参数 ：
热电联产方式
热电比，kW/kW 发电效率，%
热效率，%
背压式蒸汽轮机
4.0～14.3
14～28
84～92
抽汽冷凝式蒸汽轮机
2.0～10.0
22～40
60～80
燃气轮机
1.3～2.0
24～35
70～85
燃汽轮机联合循环
1.0～1.7
34～40
69～83
内燃机
1.1～2.5
33～53
75～85
3、热电厂的总热耗量的分配
及主要热经济指标
一、热电厂总热耗量的分配：

由于热电厂的热耗量Qtp是既发电又供热的总的热耗量，在
经济性评价时，需将Qtp分为发电和供热两项，称之为分项
热经济指标。热电厂总热耗Qtp与锅炉热负荷Qb，机组热耗
量Q0有如下关系：
Q tp  B tp q net 
Qb
b

Q0
 b p
Q tp  Q tp , h  Q tp , e

对热电厂总热耗量Qtp分配方法的要求：
既要反映电、热两种产品的品位不同，又要反映热电联产
过程的技术完善程度，且计算简便，并能为国家节约能源，
促进热化事业的发展。
三类典型分配方法：

热量法：热电联产效益归电。

实际焓降法：热电联产效益归热

做功能力法：将热电联产效益折衷分摊在
发电、供热两个方面。
1、热量法分配——将总热耗量按照生产热、电两种能量产品
的数量比例来分配，首先确定分配给供热方面的热量。
Q tp , h 
Qh
 b p

Q
 b p hs
特点：
1）简单直观，便于应用。
2）冷源损失以热量形式供给热用户，热化发电部分不再有冷
源损失，供热方面仅获得热电厂高效大锅炉的好处，但集中
供热的热网效率使之打了折扣。
3）仅以热力学第一定律为依据，未考虑经汽轮机做功后的供
热汽流品位降低的情况，无法反映供热参数高低的情况，易
造成能源浪费。
2、实际焓降法——原则是：热电厂分配给供热的热耗量是按
照联产供热汽流在汽轮机中少做的内功占新汽的所做内功的
比例来分配。
Q tp , h  Q tp
D h ( hh  hc )
D o ( ho  h c )
特点：
1）上式仅适用于非再热机组。
2）考虑了供热抽汽品质方面的差别，可鼓励热用户降低供
热参数，提高热化的节能效果。
3）令冷源损失全部划分为发电方面，属好处归热法，热电
厂发电方面得不到好处，反而多耗煤。
3）做功能力法——原则是：热电厂分配给供热的热耗量按
联产供热汽流的可用能占新蒸汽的可用能比例来分配。
Q tp , h  Q tp
D h ,t e h
D o eo
 Q tp
D h , t ( h h  T en s h )
D 0 ( h 0  T en s 0 )
特点：
1）以热力学第一定律和第二定律为依据，考虑了热能的数
量和质量差别，使热电联产的好处较合理的分配给热电两
种产品，理论上较有说服力。
2）由于供热不同于做功，且供热式汽轮机的供热抽汽或背
压排汽温度接近环境温度，因此分配结果于实际焓降法相
差不大。
二、热电厂的主要热经济指标
热经济指标用来表示热力设备或系统能量利用及转换过程
的技术完善程度。
（1）、热电厂的燃料利用系数：
 tp 
3600 Pe  Q h
B tp Q net

3600 Pe  Q h
Q tp
1）燃料利用系数是数量指标，只能表明燃料能量在数量上的
有效利用程度。
2）电厂运行时，燃料利用系数可能在相当大的范围变动，有
些可能不合理。
3）燃料利用系数不能作为评价热电厂热经济性的单一指标,在
设计热电厂时，可估算热电厂燃料的消耗量。
（2）、供热机组的热化发电率 ：
 
Wh
Qh
总的发电量：W=Who+∑Whi＋Wc。
供热循环的发电量：
=W
W h WW
h0 +
hi +
W+∑W
c
hW
ho
hi。
kW.h/GJ
意义：供热机组每单
位吉焦热化供热量
的热化发电量，是
评价热电联产技术
完善程度的质量指
标。
包含：
外部热化发电量
内部热化发电量
h0
D0
h fw
Dc
H1
H
h h, D h
CY
h'h
Dh
抽汽式供热汽轮机系统图
Q h  D h ( h h  h h ) / 10
6
①外部热化发电率：
W h ,o  D h ( h 0  h h ) m g / 3600
0 
W h ,o
 278
Qh
h0  hh
h h  h h
 m g
：
②内部热化发电率
Z
W hi 

D j ( h 0  h j )  m  g 3600
h
1
z

i 
W hi
Qh
D j ( h 0  h j ) m g
h
j 1

z
D h ( h h  h h )  10
3600  278 

6
j 1
D j ( h0  h j )
h
 m g
D h ( h h  h h )
③供热汽轮机的热化发电率
：
   0   i   (1  e )  278
h0  hh
h h  h h
 m  g (1  e )
Z
e 
i
0


D j ( h0  h j )
h
1
D h ( h0  h h )
相对热化发电份额
热化发电率指标的特点：
1）热化发电率是质量指标。
2）影响ω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。
3）ω的应用：只能用来比较供热参数相同的供热式机组的热经
济性，供热参数不同的热电厂不能比较它们的热经济性，也
不能用以比较热电厂和凝汽式电厂的热经济性。
（3）、热电厂的热电比
R tp 
Qh
3600W

Qh
3600(W h  W c )
1）对于凝汽火电厂，无供热成分，虽整个动力装置的发电量
很大，但热电比为零。
2）对于背压式供热机组，排汽热量全部被利用，热电比较高。
3）对于抽汽式供热机组，因抽汽量是可调节的，热电比可随
外界热负荷的变化而变化。当抽汽量最大时，热电比接近
于背压机；当外界无热负荷时，相当于一台凝汽式汽轮机。
影响热电比的主要因素：
1）热电机组的新汽参数（P0，t0）。
2）热电机组的供热（抽、排汽）参数（ Ph，th ）。
3）汽轮机相对内效率。
特点：
1）热电比只是个“量”的指标，不能作为“质”的指标。
2）虽然对热电比有底线要求，但不应片面提高热电比，否则
将对鼓励节能，提高能源利用率不利。
3）热电比只能衡量热电机组本身的利用率或节能经济效果，
其值不易作为热电机组之间的横向比较。
（4）、我国对热电厂总指标的规定
《关于发展热电联产的规定》提出，用热点比和总效率两个
经济指标考核热电厂的经济效果。规定：
1）汽轮发电机组的蒸汽流既发电又供热的常规热电联产应
符合下列指标：
 总热效率年平均大于45％
 热电联产的热电比：单机容量50MW以下，热电比年平均
大于100％；单机容量50MW～200MW，热电比年平均大
于50％；单机容量200MW及以上抽汽凝汽两用供热机，
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：
 总热效率年平均大于55％
 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％。
二、热电厂分项计算的主要热经济指标
序
号
项目
发电方面
电功率和热
1 负荷及供热
量
Pe，kW
2 标准煤耗率
B tp , e
供热方面
用户热负荷Q，GJ/h
热电厂供热量
Q ，GJ/h
Q tp , h 
s
b tp , e 
s
4 发电热耗率
q tp , e 
s
,kg标煤/GJ
Pe
 tp , e 
3 热效率
Q tp . e
Pe
 hs
3600 Pe
3600
 tp , e
s
Q / 10
 tp , h 
Q tp , e

b tp , h 
B tp , h
kJ/(kW.h)
6
Q
Q tp , h
kg标煤/GJ
  b p hs
热电厂热经济计算

例：已知某热电厂装有C50－8.83/1.27型供热式汽轮机，
新汽p0＝8.83MPa， t0＝535℃，h0＝3475kJ/kg， s0＝
6.780kJ/（kg K），采暖调节抽汽ph＝1.27MPa， hh＝
3024.1kJ/kg， sh＝6.9645kJ/（kg K），回水比焓hw,h＝
418.68kJ/kg，回水率100％；排汽hc＝2336.2kJ/kg， h’c
＝99.65kJ/kg。汽轮机进汽量D0＝370t/h，最小凝汽量Dc
＝18t/h，锅炉管道效率ηbp＝0.88，汽轮机的机电效率ηmηg
＝0.96，热网效率ηhs＝0.97，Ten＝273.15K，不考虑回热
，不计散热损失。
1、求该热电厂的燃料利用系数和热化发电率。
2、分别按照热电厂总热耗量的三种典型分配方法求发电
、供热的热经济指标。
三、热电厂的节煤量的计算及节煤条件
1、比较的基础
B t p = B t p ( e )+ Bt p ( h )
ηp
ηm
ηi h
ηb
W=W h+ W c
ηi c
hh
b
B tp
ηg
h c ηh s
Qh
Q=Q η
hs
h
h 'c
h fw
'
(a)热电厂的热力系统
B f =B c p + B h
(b)热电分产的热力系统
ηp e
ηp ( d)
ηm e
ηg e
ηi
ηb ( d)
Bh
B cp η
be
Q
Qc
假设供热机组与代替凝汽式机组的ηb， ηp， ηm， ηg相等；与供热式机组
相比较的分产供热锅炉效率ηb，d与ηb相差较大，管道效率基本相同；热
电厂集中供热带来的热网散热损失用热网效率来衡量。
2、节煤量的计算

热电厂总的标准煤耗Btp，为用于发电、供热的标准煤耗之和
B tp  B tp , e  B tp , h

热电分产总标准煤耗Bf为分产发电标准煤耗Bcp与分产供热
煤耗Bh之和：
B f  B cp  B h

则热电联产的节煤量为
：
 B  B f  B tp  B cp  B h  B tp , e  B tp , h  ( B cp  B tp ,e )  ( B h  B tp ,h )
发电节煤量 供热节煤量
3、联产供热节煤条件

分产供热的标准煤耗量 ：
B d ,h 
Q  10
s

29270   b , d   p , d

34.1  Q
 b ,d   p ,d
热电厂供热的标准煤耗量 ：
B tp , h 
Q  10
s
B  B
s
h

6
s
d ,h
6
29270   b   p   hs
B
s
tp , h

34.1  Q
 b   p   hs

1
1
 34.1Q 

  b , d   p , d  b   p   hs
节煤条件：
1
 b ,d   p ,d

1
 b   p   hs
>0



4、热电厂发电的节煤条件

分产发电的标准煤耗量 ：
s
Be

＝ b e  Pe 
s
0.123  Pe
 be    pe  i   m e   ge
0 .1 2 3
 b  p  m  g
凝汽流发电的标准煤耗量 ：
bec 
s

 cp

供热汽流的发电标准煤耗量 ：
b eh 

0.123  Pe
0.123
 b   p   ic   m   g
由于ηic< ηi< ηih=1，故有：bec> be> beh

热电厂发电的标准煤耗量：
s
B tp , e

= W c  becs + W h  behs
热电厂发电的节煤量：
 B e  B e  B tp , e
s
s
= bes  W - W c  becs - W h  behs
= bes  W c + bes  W h -W c  becs -
W h  b eh
s
= W h ( bes  behs )  W c ( bes  becs )
上式第一项为热电厂节煤的有利因素，是热电厂发电理论
上节约燃料的最大值，因为冷源损失用于了供热，称“联
产节能”；第二项为节煤的不利因素，是供热机组凝汽流
发电多消耗的燃料，原因如下：
供热机组的容量及蒸汽参数一般低于代替电网凝汽
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
单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，若供水调节比凝汽式
机组差，则排汽压力高，热经济性有所降低。
因此，从第一项中扣去第二项，才是热电厂发电实际
节煤量；即，热电厂发电是否节煤存在一定的条件
，要满足  B >0。

e

将Wc＝W－Wh代入上式，整理得：
 B e  W h ( bec  beh )  W ( bec  be )

节煤条件：
W h  ( b ec  b eh )  W  ( bec  be ) >0
Wh
定义热化发电比X= W ，含义是供热机组热化发电量占供
热机组总发电量的比例。将X、be、 beh、 bec、代入△Be可
得：
 Be 
0 . 123 W h
 b p m g
[(
1
 i ,c
 1) 
1
(
1
X  i ,c

1
i
)]
a
h
全年热化发电量：W h   Q h u ，全年内热电厂发电节煤量为：
0 . 123  Q h u
h
B e 
a
 b p m g
[(
1
 i ,c
 1) 
1
(
1
X  i ,c

1
i
)]
Be  0
时，即供热机组凝汽流发电所多耗的燃料等于其供
热汽流所节省的燃料时，是热电厂发电节煤的临界
值，此时的热化发电比称为临界热化发电比[X]。
1
则:
X  
b ec  b e
b ec  b eh
或：
[X ] 
 i ,c
1
 i ,c

1
i
1
显然[X]是由供热机组的特性与替代机组的特性决定的
特性参数。
从以上的分析和推导可知：热电厂的发电节煤条件是
供热机组的热化发电比一定要大于临界热化发电比，即。
5、供热机组临界年供热小时数[  ]
h
u
由全年内热电联产较分产的节煤量公式可知，其它条件一定
时，供热机组年供热小时数偏低的话，不能发挥供热机组节
约燃料的优越性。根据临界热化发电比的定义得：
X  
Pe [ u ]
h
h
Pe [ u ]  Pe { u  [ u ]}
h
r
h
因此可得供热机组临界年供热小时数：
Pe  u [ X ]
r
[ u ] 
h
Pe  Pe [ X ]  Pe [ X ]
h
r
只有  uh > [ uh ] 时，供热机组发电才能节煤。
6、热电厂总节煤量的计算
 B   B e   B h  ( b cp  b e , h )W h  ( b e , c  b cp )W c  ( b d , h  b tp , h ) Q

0 . 123 W h
 b p m g
[(
1
 i ,c
 1) 
1
(
1
X  i ,c

1
i
)]  34 . 1Q (
1
 b , d p , d

1
 b p hs
)
全年内热电厂总节煤量为：
0 . 123  Q h u
h
B 
a
 b p m g
[(
1
 i ,c
 1) 
1
(
1
X  i ,c

1
i
)]  34 . 1Q (
1
 b , d p , d

1
 b p hs
)
热电厂燃料节省的计算

例：已知某热电厂装有C50－8.83/1.27型供热式汽轮机
，新汽p0＝8.83MPa， t0＝535℃，h0＝3475kJ/kg， s0＝
6.780kJ/（kg K），抽汽hh＝3024.1kJ/kg， sh＝6.9645kJ/
（kg K），回水比焓hw,h＝418.68kJ/kg，回水率100％；
排汽hc＝2336.2kJ/kg， h’c ＝99.65kJ/kg。汽轮机进汽量
D0＝370t/h，最小凝汽量Dc＝18t/h，锅炉管道效率ηbp＝
0.88，汽轮机的机电效率ηmηg ＝0.96，热网效率ηhs＝0.97
，Ten＝273.15K，不考虑回热，不计散热损失。其额定功
率Pre＝5×104kW。与热电分产相比，设分产发电代替凝
汽式机组的发电标准煤耗率为357g/kW.h，分产供热时锅
炉管道效率ηb,dηp,d=0.75×0.98＝0.735，机组全年运行小
时数为6000h，供热机组年供热小时数为4000小时。
1、求全年内热电厂供热、发电节约的标准煤量及热电厂
节约的总标准煤量。
2、若机组年供热小时数为1000h还能节煤吗？若不能，
全年多耗多少标准煤？
3、求解供热机组临界年供热小时数。
四、热化系数
一、热化系数的定义:计算热负荷（热负荷的最大值）中由
汽轮机抽汽承担的份额(比例)称为热电厂的热化系数。
Q(GJ/h)
2
8
3
Qm
QTh
4
1
5
8760
有采暖和热水负荷的全年热负荷的持续曲线
6

小时热化系数：供热机组的小时最大热化供热量与小时最
大热负荷之比：
T 

Qh
Qm
年热化系数：供热机组全年热化供热量与全年热负荷之比：
n
面积 1834561
＝ 面积 1234561
热化系数是热电厂最重要的技术经济参数之一，供热机组的
容量和热电厂的燃料节约量均取决于热化系数。
通常采用的是小时热化系数，简称热化系数
新建供热式机组热化系数的选择必须遵循能量供应相等的原
则，即不同方案供应的能量在数量与质量方面都应该相等。
二、理论上最佳热化系数
理论上最佳热化系数是使热电厂与热电分产相比燃料节
约量最大时所对应的热化系数，表明热电厂热经济性的最
佳状态。
P(kW Q ( G J / h )
α
)
2
α'T 8 ＇
采暖和
热水负
荷的持
续时间
2＇
△ QT
△Wh
αT
8
9＇
△Wc
9
10
3
4
图
5
1
0
nT
n
8760
K
6 n (h )

理论上最佳热化系数的含义就是：在这个热化系数时，联
产和分产相比节约的燃料量 B为最大。
 B  W h ( b e  b eh )  W c ( b ec  b e ) + ( B h  B tp ( h ) )
 B  W h ( b e  b eh )  W c ( b ec  b e )
求导： B

  W h ( b e  b eh )   W C ( b ec  b e )
当  B ＝0时，节煤量的绝对值最大，这是热化系数理论上
最佳值的条件，即：
 W h ( b e  b eh )   W C ( b ec  b e )  0

将上式变形为：
W h
W C
 W h   Peh  n T
 W C   Peh  n K

b e  b eh
b ec  b e
nT
b e  b eh
n T  n K ＝ b ec  b eh
有上述公示可以看出，影响最佳热化系数的主要因素如下：




热负荷持续时间曲线的形状及持续时间的长短。
供热机组的热力特性，即供热机组的型式、容量、参数和
热力系统的完善性。具体反映在供热机组的供热汽流和凝
汽流的发电煤耗率上。
代替凝汽式汽轮机组的容量、参数和热力系统的完善程度
，即代替凝汽式汽轮机组的发电煤耗率
分产供热设备的容量、参数及其热力性能等
三、最佳热化系数的确定

热电厂的热化系数的选取，不仅决定热电联产的节煤量，
而且决定供热汽轮机的安装容量。当热电厂的最大热负荷
不变时，若假定安装型号和参数相同的汽轮机，提高热化
系数会增大热电厂的安装容量，因为要求的抽汽量将增加。
由于热电厂的价格率较高，增大热电厂安装容量时，热电
厂与凝汽式电厂的基建投资差额将增大，而尖峰热源的投
资将减少。热化系数为最佳值时，应使燃料的节约量最大
且它的投资量尽量小。需要根据技术经济计算决定最佳的
热化系数。
(
nT
n
) zj 
b ec  b e
b ec  b eh

(K h  K f )  (E H  f K )
( b ec  b eh )  c 1  n