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1、燃气蒸汽联合循环机组“以热定电”边际 贡献模型分析作者：王道祥来源：机电信息2015年第24期王道祥（江苏省工程咨询中心，江苏南京210003）摘要：边际贡献模型研究对优化燃气一蒸汽联合循环热电联产机组运行方式，降低运行成 本具有重要意义。现推导分析了 “以热定电”典型运行方式下热电边际贡献随热电负荷的变化 规律，以指导燃气发电企业合理调度机组运行方式。通过典型机组实例计算分析，在“以热定 电”工况下，热电边际贡献随热负荷增加而增大。关键词：燃气一蒸汽联合循环；热电联产；热电边际贡献；抽凝机组；以热定电0引言燃气一蒸汽联合循环是我国重点发展的燃气轮机发电技术之一 1。天然气发电厂主要分 布于长
2、三角、东南沿海等经济发达省市。联合循环热电联产机组供热以工业热负荷为主，与单 纯燃气轮机发电方式相比提高了能源利用率，但与燃煤发电相比，发电成本较高。主要原因是 天然气价格较高，可以占到总成本的60%80%，再考虑到固定资产折旧等因素，部分发电企业 盈利微薄甚至亏损。在现有天然气价格、供热价格和上网电价体制下，通过优化机组运行方式 降低成本、提高机组经济效益具有重要意义。已有不少学者在热电成本分摊理论和机制上进行了研究2。5，但没有结合机组实际运 行方式进行经济性分析。另外，文献6。9仅仅针对蒸汽轮机，通过模型研究了热电联产机 组供热和发电负荷的关系，没有针对联合循环机组进行整体研究，也没有系
3、统推理分析经济效 益。本文通过建立联合循环热电联产机组不同运行方式下的热电边际贡献模型，从经济效益角 度探讨热电边际贡献模型随发电、供热负荷的变化规律，用以指导燃气发电企业合理调度机组 运行方式，取得最大的经济效益。多轴联合循环在燃气一蒸汽联合循环热电联产机组中较为常见，所以本文以常用的多轴联 合循环抽凝供热机组为研究对象，建立其热电边际贡献模型。多轴联合循环工艺流程图如图1 所示。用1 蜥气一蒸汽E?和环3S抽功电暇广工芸诚森图1热电边际贡献模型燃气一蒸汽联合循环热电联产收益来自供热和发电（热和电两种产品），变动成本主要是 天然气燃料成本，热电边际贡献模型为：BJGX=QhXSh+（Pgt+
4、Pst）X（1-Z）XSe-FXSf（1）或：BJGX=QhX（Sh-SfXdh） + （Pgt+Pst）X（1-Z）X（Se-SfXde）（2）式中，BJGX为边际贡献（元）；Qh为供热量或供热负荷（GJ或GJ/h）； Pgt为燃气轮机 发电量或发电功率（kWh或kW）； Pst为汽轮机发电量或发电功率（kWh或kW）；Z为综 合厂用电率；F为天然气燃料量（kg或Nm3, kg/h或Nm3/h）； Sh为供热单价（元/GJ）； Se 为上网电价（元/kWh）； Sf为天然气单价（元/kg或元/Nm3）； dh为供热气耗率（kg/GJ或 Nm3/GJ）； de为发电气耗率（kg/kWh或Nm3
5、/kWh）。而热电产品利润为：SP=BJGX- （Gh+Ge）（3）式中，SP为热电销售利润（元）；Gh为供热固定成本分摊（元）；Ge为供电固定成本分 摊（元）。由式（3）可知，当固定成本不变时，热电边际贡献将对利润产生直接的影响，边际贡献越 大，热电产品利润就越大。所以在一定的运行条件下，实现热电边际贡献最大化，实质上是实 现热电利润最大化。为研究热电边际贡献与供热、发电负荷、燃料量之间的关系，由式（1）进 行变换：BJGX=QhXSh+（Pgt+Pst）X（1-Z）XSe-FXSf=DhXhhXSh/1000+（Pgt+Pst）X（1-Z）XSe-FXSf（4）Pst= （D0Xh0-Dh
6、Xhh-DcXhc）XnmXng/3.6（5）Dc=D0-Dh （6）式中，Dh为供热抽汽量（t/h）； hh为供热抽汽焓（kJ/kg）； D0、Dc分别为汽轮机进口 流量、排汽流量（t/h）；h0、hc分别为汽轮机进口焓、排汽焓（kJ/kg）；当汽轮机有多股进 汽，如来自余热锅炉的高压和低压出口蒸汽时，D0Xh0为汽轮机各股进口流量和焓值乘积之和， D0为各股进口流量之和；当抽汽供热有多级抽汽时，DhXhh为各级抽汽流量和焓值乘积之和， Dh为各级抽汽流量之和；nm、ng分别为汽轮机机械效率和汽轮机侧发电机效率。式（6）中，为简化计算分析，Dc计算不考虑汽轮机泄漏等损失，并且汽轮机只有供热抽
7、 汽，没有其他抽汽。2“以热定电”热电边际贡献模型研究“以热定电”运行工况是热电联产机组最典型的运行方式，它依据供热负荷的大小来确定 发电负荷。在研究热电边际贡献随抽汽供热负荷变化规律时，由于主要变化发生在汽轮机侧， PgtX(1-Z)XSe和FXSf基本固定不变，可不予考虑。基于此，对式(4)进行简化，得到 “以热定电”工况下热电边际贡献模型：BJGX=DhXhhXSh/1000+PstX(1-Z)XSe(7)由式(7)可知，“以热定电”运行工况下，热电边际贡献主要与汽轮机发电功率和供热负 荷有关。汽轮机发电功率与汽轮机进汽流量、供热负荷有关，当汽轮机进汽流量不变时，汽轮 机发电功率大小取决
8、于供热负荷。3案例计算分析以某厂燃气一蒸汽联合循环热电联产机组为例，对不同工况下的热电边际贡献模型进行计 算分析。机组主机部分由一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机和两台发电机组成。联 合循环机组采用分轴布置，即燃气轮机和蒸汽轮机分轴，分别驱动各自发电机。生产工艺流程 简图如图1所示。燃气轮机为SGT5O2000E型燃机，由西门子公司提供，额定转速3000r/min。余热锅炉为 双压无再热、无补燃、卧式、无旁路烟囱、自然循环余热锅炉，由东方锅炉集团公司提供。蒸 汽轮机为次高压、单缸、三压、无再热、下排汽、单轴、双抽、凝汽式汽轮机，型号为 LZC81O7.8/2.3/1.3/0.6，由上海电
9、气集团公司提供。蒸汽轮机蒸汽进口分为高压侧和低压侧， 分别由余热锅炉高压侧和低压侧过热蒸汽进入。机组基准工况参数：汽轮机高压侧进口压力、温度、流量分别为7.8MPa、521C和 210.4t/h；汽轮机低压侧进口压力、温度、流量分别为0.61MPa、222.8C和56.23t/h； 一段抽 汽口压力、温度、流量分别为2.3MPa、373.3C和40t/h；二段抽汽口压力、温度、流量分别为 1.3MPa、328.1C 和 50t/h。“以热定电”运行工况热电边际贡献随抽汽量不同，相应各工况发电功率和热电边际贡献 计算过程如表1所示。士 1H T hj 卅攵 ”： 圭暮塞MR坚港-RI*1* IJ
10、I k I1E 420. 4JJ4LU245.fiSHLacRfiW-.Uk|i-J IM. I IJ琳科3WS.5ITMI盹皿盹or心*IILE11?.!wkj. fcKiJ侦.凹j “m. it3 N.?3 I4X1.J*J1AM iJJjf燃”S4L4?诚.14i-Li成心rfoLU141. 1国档J-H.S注犒. ki既i2 n2 IM.E X3.7IZ 37L ?t2 JFS.P崖餐口电由申4, g. ti+? m. W河.Ub4- W. W歧白厂用titCkM?O.UBt.UE.1U. gOLiJW仙也出5JI. K44依.好 E S.W44. -K成为心成w* K5= WWMEW
11、.E1hjCL欧t.vfy认燕EMUiU除皮IT另51 IBSS,赛i. 4+e神击N I社努.担到七二燃泣电-!出吒电电向鸟传坦却若根据表1数据，得到“以热定电”工况发电负荷与供热抽汽量关系曲线以及热电边际贡献 与供热抽汽量关系曲线，如图2和图3所示。W0IVI侦IIIM E W或芸 T h A J d 4 * 4JJF5.W W 聘IW.WIIO.W* 115 IF-M-H. W un I 值扯 *陆叫F伟汽8尘:矢响说函由图2可知，随着供热抽汽量增加，发电负荷呈下降趋势。主要因为汽轮机进口流量不变， 随着抽汽量的增加，抽汽口后用于做功的蒸汽减少，进而降低了发电功率。当抽汽量达到最大 抽汽
12、工况时，汽轮机发电功率减少到最低。而由图3可知，随着供热抽汽量增加，热电边际贡献呈增长趋势。可见，天然气耗量基本 相同的情况下，按“以热定电”运行策略，随着热负荷增加，热电边际贡献增大，当达到最大 抽汽工况时，热电边际贡献最大。4结语(1) 本文建立了燃气一蒸汽联合循环抽凝供热机组热电边际贡献计算模型，并推导了 “以 热定电”典型运行工况下的热电边际贡献简化计算模型。(2) 通过实际案例进行计算分析，得出结论：天然气耗量基本相同的情况下，随着热负荷 增加，热电边际贡献增加。(3) 建立热电边际贡献计算模型，可以指导企业根据外界热负荷和电负荷需求情况合理制 订运行策略，优化运行方式，最大限度地降
13、低天然气燃料成本。参考文献1孙培锋，蒋志强.燃气轮机在热电联产工程中的应用状况分析J .能源研究与信息， 2013，29 (1)： 6。10.2于彦显，梁辉.燃气一蒸汽联合循环机组热电成本分摊方法探讨J .热力发电， 2013，42 (11)： 6。11.3何永秀，张培基，张一星.热电联产项目供热、供电成本分摊机制的研究J .中国 电力，2004，37 (6)： 63。66.4张伟中.燃气一蒸汽联合循环发电的技术经济分析J.电力技术经济，2003 (3)： 43。46.5叶学民，阎维平，高正阳.合理确定热电联产机组中热电分摊比的折合分摊模型J. 中国电机工程学报，2003，23 (2)： 16
14、8171.6王漪，薛永锋，张敏，等.基于能量平衡法的以热定电数学模型研究J .汽轮机技 术，2014，56 (2)： 150。152.7 郭涛，张旭，杨洪玲.热电联产火电厂“以热定电”可行性研究J.东北电力技术， 2013, 34 (4)： 1315.8 解春林，薛永锋，王松岭.供热机组在线监测系统以热定电模型研究J .东北电力 技术，2012，33 (7)： 9 11.9 吴龙，袁奇，丁俊齐，等.基于变工况分析的供热机组负荷特性研究J .热能动力 工程，2012，27 (4)： 424428.收稿日期：20150722作者简介：王道祥(1979)，男，山东济宁人，国家注册咨询工程师，研究方向：火电 厂运行优化。
燃气蒸汽联合循环机组“以热定电”边际贡献模型分析
