微型燃气轮机 冷热电三联产系统的产品成本分析
杨晚生,郭开华
中山大学工学院,广东广州 510006
[摘 要] 介绍了微型燃气轮机(微燃机)(的构成,利用热力学理论对
,计算了在不同天然气成本单价
()ηy的发电量成本单价和制冷量成本单价。ηy的增加而减小;天然气成本单价增加会增大发电量成;;制冷量成本单价随天然气成本单价增;y在>70%后对单位制冷量成本单价的影响降低。
[关 键 词] 微燃机;冷热电联产系统;产品;成本单价分析;余热利用率;发电量;制冷量[中图分类号] TM621[文献标识码] A
[文章编号] 1002-3364(2010)07-0001-03
[DOI编号] 10.3969/j.issn.1002-3364.2010.07.001
PRODUCTCOSTANALYSISOFCOOL,HEAT,ANDELECTRICITYCO-GENERATIONSYSTEMUSINGMICROGASTURBINE
YANGWansheng,GUOKaihua
SchoolofEngineering,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275,GuangdongProvince,PRC
Abstract:Thestructureofcool,heat,andelectricityco-generationsystemhasbeenpresented.Byu2singthethermodynamictheory,theunitpriceofproductcostinsaidco-generationsystemunderra2tedworkingconditionhasbeenanalysed,theunitpriceofgenerationcostandrefrigerationcostunderdifferentunitpriceofnaturalgascostanddifferentrecoveryrateofresidualheatinexhaustgasunderdifferentoperatingconditionsofthemicrogasturbinebeingcalculated.Resultsofcalcualtionshowthattheunitpriceofgenerationcostdecreasesastherecoveryrateofresidualheatinfluegas(ηy)in2creases;theincreaseofunitpricefornaturalgascostmayincreasetheuntipriceofgenerationcost;en2hancementofhaseffectsupondecreasingunitpriceofthegenerationcost;theunitpriceofrefrigera2tioncostincreasesastheunitpriceofnaturalgascostincreases;intheeventofηy>70%,theinfluenceuponunitpriceofrefrigerationcostwillbedecreased.
Keywords:microgasturbine;cool,heat,andelectricityco-generationsystem;product;analysisofunitpriceforproductcost
基金项目:
中山大学-BP液化天然气中心项目(99103-9390001)和广东省教育厅液化天然气与低温技术重点实验室项目(39000-3211101)作者简介:
杨晚生(1970-),男,山西高平人,博士研究生,副教授,系副主任,主要研究方向为建筑节能、热环境、热物理及能源利用技术。E-mail:[email protected]
1
微燃机三联产系统具有能源利用效率高、环境相容性好、安全可靠、供能灵活等特点,已经成为国内外分布式联产系统的主要发展模式之一[1-6]。本文对所建的三联产系统在不同天然气成本单价和不同烟气余热利用率下的发电量成本单价和制冷量成本单价进行了系统的分析,以明确其产品价格的影响规律,为三联产系统的高效经济运行提供必要的技术支持[7-9]。
kJ/(kW・h)。
发电量成本单价:
ce=
×cf=[1-(1-ηe)ηy](4)
ηeQf,dQf,d×
式中:ce为发电量成本单价,元/(kW・h);cf为天然气
单价,元/m3(标准状态);Qf,d为天然气的低位发热值,kJ/m3(标准状态)。
1 试验系统
微燃机三联产试验系统由1台额定功率为30的Capstone公司制造的微燃机、1120kW式制冷机)组成。,其排冷,(图1)
。
当取ηe=27.5%=0.49,Qf,d=
1-T0
/m3,此值为广州市城市燃气现
,(4)可以得出发电量成本单价、:
ηy)ce=0.336cf(1-0.73
(5)
式中:T1、T2为烟气通过吸收式制冷机的进、出口温度,℃;T0为三联产系统测试环境温度
,本试验取T0
=25℃;ce为三联产系统的发电量成本单价,元/(kW・h)。
不同天然气成本单价下余热利用率与发电成本单价之间的关系见图2。
图1 微燃机三联产试验系统
2 发电量成本单价
发电量成本单价是关系到三联产系统运行经济性
的主要指标之一,是确定三联产系统制冷量和供热量成本单价的主要考量因素。根据三联产系统配置,微燃机单位发电量的燃气消耗量:
Q1=×3600=
ηeE
图2 不同cf下发电成本单价与烟气余热利用率
(1)
烟气余热回收热量:
ηy(2)Q2=(1-ηe)Q1・
式中:ηe为微燃机发电效率,%;ηy为烟气余热利用率;Qf为微燃机的燃气消耗量,kJ;E为微燃机发电量,kW・h;Q1为微燃机的燃气消耗量,kJ/(kW・h)。
分摊于发电量的燃气消耗量:
Q3=Q1-Q2=
=
3 制冷量成本单价
对于三联产系统,制冷量和供热量的成本单价直接影响着系统的经济性,是三联产系统经济成本核算的基础数据,合理的制冷(热)量单价对于正确评价三联产系统的经济性,推广和发展三联产系统具有十分重要的意义。
本系统在不补燃的情况下,即完全依靠微燃机的烟气余热来实现制冷,其制冷量成本单价为:
ηe
-[(1-ηe)y]
ηe
ηe
[1-(1-ηe)ηy](3)
式中:Q3为三联产系统分摊于发电量的燃气消耗量,
2
×cf-×ce
cc=
Q0
代入式(6)得:
=
cf-×ce
(1-ηe)QfCOPa×ηy-[1-(1-ηe)ηy]
ηcc=
(1-ηe)×COPa×
ηy,元/kW
=
-×ce
(1-η((8)
e)×COPa×ηy6)
式中:c 当取Qf,d=38895.4kJ/m3(标准状态),ηe=c为三联供系统的制冷量成本单价,元/kW;Q0为吸收式制冷机的额定制冷量,kW;COP27.5%,COPa=1.2,则公式(8)变为:
a为吸收式
制冷机的性能系数,取COPa=1.2。
c-5(ηc=.cf,元/kW
又因为:ce=
Q×cf
(9)
f,d
=
,根据式(9)计算出烟气余
Qηe)ηyf,d×
e[1-
(1-η],/(kW・h)
1和表2所示。
1 烟气余热利用率和制冷量成本单价的关系
项目
ηy
cc
1.069cf
0.534cf
0.356cf
0.267cf
0.214cf
0.178cf
0.153cf
0.134cf
0.119cf
0.107cf
表2 烟气余热利用率、天然气成本单价和制冷量成本单价关系
元/kW
项目
ce
ccccccccc1.00.1070.1610.2140.2680.3210.3750.4280.4820.5350.90.1190.1790.2380.2980.3570.4170.4760.5360.5950.80.1340.2010.2680.3350.4020.4690.5360.6030.6700.7
0.1530.2300.3060.3830.4590.5360.6120.6890.765η0.60.1780.2670.3560.4450.5340.6230.7120.8010.890y
0.50.2140.3210.4280.5350.6420.7490.8560.9631.0700.40.2670.4010.5340.6680.8010.9351.0681.2021.3350.30.3560.5340.7120.8901.0681.2461.4241.6021.7800.20.5340.8011.0681.3351.6021.8692.1362.4032.6700.1
1.069
1.604
2.318
2.673
3.207
3.742
4.276
4.811
5.345
4 计算结果
余热利用率对降低发电量成本单价具有一定的作用;
(4)不同天然气成本单价所对应的制冷量成本单(1)发电量成本单价与烟气余热利用率呈线形递
价不同,制冷量成本单价随天然气成本单价的增大而减的关系,在燃料成本单价一定的情况下,发电量成本增大;
单价随着ηy的增大而逐渐减小;
(5)在天然气成本单价一定的情况下,制冷量成本(2)天然气成本单价是影响发电量成本单价的主单价随着烟气余热利用率的提高而呈单调下降趋势;要因素,天然气成本单价的增加会增大发电量成本单烟气余热利用率在大于70%后制冷量成本单价下降价;
速度增大,反映出在烟气余热利用率大于70%之后对(3)天然气成本单价对发电量成本单价的影响随单位制冷量成本单价的影响降低。
着烟气余热利用率的提高逐渐减小,反映出提高烟气
(下转第6页)
3
负荷区段,供电煤耗率平均降低1.3g/(kW・h)。3.2 采用最佳定滑压运行方式带来的影响
持两阀点滑压运行,主蒸汽压力比原滑压运行时高,高
排温度则相对下降10℃左右,因此减少了再热减温水的使用量。
由图1可知,在最佳定滑压运行阶段,同一负荷的主蒸汽压力定值高于机组当前实际设定值,且滑压曲线的斜率也略大,即负荷变化时压力变化率略大一些。这就要求负荷450MW时,定压运行,负荷升速率比原来小一些。否则,负荷升速率过大容易超压导致安全门动作。对于450MW负荷拐点要尽可能平稳过渡。
相同负荷工况主蒸汽压力升高时,不变情况下,汽比焓值下降得更快,的热量增加。,不易提升主蒸汽温度。对5器减温水流量,使机组循环效率提高。同时,主蒸汽压力提高、主蒸汽温度不变情况下,主蒸汽比焓值降低,高压缸排汽(高排)温度下降,再热蒸汽需要的吸热量增加,再热器减温水流量相应减少,同样有利于提高经济性。此外,由于主蒸汽压力的提高,相同负荷工况下汽包压力上升,炉水和饱和蒸汽中含硅量会相应减少,有利于提高主蒸汽化学品质,降低汽轮机通流部件结垢的程度。
试验表明,与原滑压运行方式相比,由于540～450MW负荷间也采用了定压运行,高排温度相对下降0～26.7℃左右,而在450～300MW负荷段因保
4 最佳定滑压运行的经济效益
2009年台山电厂5运行,其中22454.2t,5
7t,1号、3号、4号5,5台机组累计节约标煤830元/t折算,可带来980万元。SO2、CO2和粉尘的排放分别减少180、77762、2568t/a。
随着广东电网装机容量的日益增大,电网的调峰深度也将越来越大,在未来的若干年内必然会出现大容量机组长时间低负荷运行的情况,省内已投产的国产600MW机组及即将投产1000MW机组参与调峰运行,也可参照本方法实现经济运行。
[参 考 文 献]
[1] 李千军,等.国产600MW汽轮机组定滑压运行方式测试
方法研究[J].汽轮机技术,2009(5):386-389.
[2] 李千军.沙角A电厂300MW机组调峰负荷下滑压运行
经济性分析[J].广东电力,2004(2):34-37.
[3] 李明,等.大型汽轮机组运行方式优化试验研究及经济性
分析[J].湖南电力,2008(1):27-30.
(上接第3页)
[参 考 文 献]
[1] 孔祥强,王如竹,李瑛,等.基于热气机分布式冷热电联供
theseparateproductionofheatandpower[J].AppliedThermalEngineering,1998(11):935-946.
[6] MaidmentGG,TozerRM.Combinedcoolingheatand
powerinsupermarkets[J].AppliedThermalEngineering,2002(22):653-665.
[7] 杨勇平,王加璇.确定热电厂供热成本的热经济学方法
[J].热能动力工程,1995,10(2):73-77.
[8] 方国元,彭启珍,张树芳.联合循环电厂成本的热经济学
效益分析[J].中国建设信息,2005(4):24-28.
[2] 杜建一,王云,俆建中.分布式能源系统与微型燃气轮机
的发展与应用[J].工程热物理学报,2004,25(5):786-788.
[3] 蔡睿贤,张娜.关于分布式能源系统的思考[J].科技导
报,2005,23(9):7-8.
[4] 王如竹.关于建筑物节能及复合能量系统的几点思考
[J].太阳能学报,2002(3):322-335.
[5] MartensA.TheenergeticfeasibilityofCHPcomparedto
分析[J].燃气轮机技术,2003,16(3):18-22.
[9] 彭启珍,张树芳,郭江龙.热经济学成本分析中补充方程
的合理构造[J].热力发电,2003(10):29-34.
6
微型燃气轮机 冷热电三联产系统的产品成本分析
杨晚生,郭开华
中山大学工学院,广东广州 510006
[摘 要] 介绍了微型燃气轮机(微燃机)(的构成,利用热力学理论对
,计算了在不同天然气成本单价
()ηy的发电量成本单价和制冷量成本单价。ηy的增加而减小;天然气成本单价增加会增大发电量成;;制冷量成本单价随天然气成本单价增;y在>70%后对单位制冷量成本单价的影响降低。
[关 键 词] 微燃机;冷热电联产系统;产品;成本单价分析;余热利用率;发电量;制冷量[中图分类号] TM621[文献标识码] A
[文章编号] 1002-3364(2010)07-0001-03
[DOI编号] 10.3969/j.issn.1002-3364.2010.07.001
PRODUCTCOSTANALYSISOFCOOL,HEAT,ANDELECTRICITYCO-GENERATIONSYSTEMUSINGMICROGASTURBINE
YANGWansheng,GUOKaihua
SchoolofEngineering,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275,GuangdongProvince,PRC
Abstract:Thestructureofcool,heat,andelectricityco-generationsystemhasbeenpresented.Byu2singthethermodynamictheory,theunitpriceofproductcostinsaidco-generationsystemunderra2tedworkingconditionhasbeenanalysed,theunitpriceofgenerationcostandrefrigerationcostunderdifferentunitpriceofnaturalgascostanddifferentrecoveryrateofresidualheatinexhaustgasunderdifferentoperatingconditionsofthemicrogasturbinebeingcalculated.Resultsofcalcualtionshowthattheunitpriceofgenerationcostdecreasesastherecoveryrateofresidualheatinfluegas(ηy)in2creases;theincreaseofunitpricefornaturalgascostmayincreasetheuntipriceofgenerationcost;en2hancementofhaseffectsupondecreasingunitpriceofthegenerationcost;theunitpriceofrefrigera2tioncostincreasesastheunitpriceofnaturalgascostincreases;intheeventofηy>70%,theinfluenceuponunitpriceofrefrigerationcostwillbedecreased.
Keywords:microgasturbine;cool,heat,andelectricityco-generationsystem;product;analysisofunitpriceforproductcost
基金项目:
中山大学-BP液化天然气中心项目(99103-9390001)和广东省教育厅液化天然气与低温技术重点实验室项目(39000-3211101)作者简介:
杨晚生(1970-),男,山西高平人,博士研究生,副教授,系副主任,主要研究方向为建筑节能、热环境、热物理及能源利用技术。E-mail:[email protected]
1
微燃机三联产系统具有能源利用效率高、环境相容性好、安全可靠、供能灵活等特点,已经成为国内外分布式联产系统的主要发展模式之一[1-6]。本文对所建的三联产系统在不同天然气成本单价和不同烟气余热利用率下的发电量成本单价和制冷量成本单价进行了系统的分析,以明确其产品价格的影响规律,为三联产系统的高效经济运行提供必要的技术支持[7-9]。
kJ/(kW・h)。
发电量成本单价:
ce=
×cf=[1-(1-ηe)ηy](4)
ηeQf,dQf,d×
式中:ce为发电量成本单价,元/(kW・h);cf为天然气
单价,元/m3(标准状态);Qf,d为天然气的低位发热值,kJ/m3(标准状态)。
1 试验系统
微燃机三联产试验系统由1台额定功率为30的Capstone公司制造的微燃机、1120kW式制冷机)组成。,其排冷,(图1)
。
当取ηe=27.5%=0.49,Qf,d=
1-T0
/m3,此值为广州市城市燃气现
,(4)可以得出发电量成本单价、:
ηy)ce=0.336cf(1-0.73
(5)
式中:T1、T2为烟气通过吸收式制冷机的进、出口温度,℃;T0为三联产系统测试环境温度
,本试验取T0
=25℃;ce为三联产系统的发电量成本单价,元/(kW・h)。
不同天然气成本单价下余热利用率与发电成本单价之间的关系见图2。
图1 微燃机三联产试验系统
2 发电量成本单价
发电量成本单价是关系到三联产系统运行经济性
的主要指标之一,是确定三联产系统制冷量和供热量成本单价的主要考量因素。根据三联产系统配置,微燃机单位发电量的燃气消耗量:
Q1=×3600=
ηeE
图2 不同cf下发电成本单价与烟气余热利用率
(1)
烟气余热回收热量:
ηy(2)Q2=(1-ηe)Q1・
式中:ηe为微燃机发电效率,%;ηy为烟气余热利用率;Qf为微燃机的燃气消耗量,kJ;E为微燃机发电量,kW・h;Q1为微燃机的燃气消耗量,kJ/(kW・h)。
分摊于发电量的燃气消耗量:
Q3=Q1-Q2=
=
3 制冷量成本单价
对于三联产系统,制冷量和供热量的成本单价直接影响着系统的经济性,是三联产系统经济成本核算的基础数据,合理的制冷(热)量单价对于正确评价三联产系统的经济性,推广和发展三联产系统具有十分重要的意义。
本系统在不补燃的情况下,即完全依靠微燃机的烟气余热来实现制冷,其制冷量成本单价为:
ηe
-[(1-ηe)y]
ηe
ηe
[1-(1-ηe)ηy](3)
式中:Q3为三联产系统分摊于发电量的燃气消耗量,
2
×cf-×ce
cc=
Q0
代入式(6)得:
=
cf-×ce
(1-ηe)QfCOPa×ηy-[1-(1-ηe)ηy]
ηcc=
(1-ηe)×COPa×
ηy,元/kW
=
-×ce
(1-η((8)
e)×COPa×ηy6)
式中:c 当取Qf,d=38895.4kJ/m3(标准状态),ηe=c为三联供系统的制冷量成本单价,元/kW;Q0为吸收式制冷机的额定制冷量,kW;COP27.5%,COPa=1.2,则公式(8)变为:
a为吸收式
制冷机的性能系数,取COPa=1.2。
c-5(ηc=.cf,元/kW
又因为:ce=
Q×cf
(9)
f,d
=
,根据式(9)计算出烟气余
Qηe)ηyf,d×
e[1-
(1-η],/(kW・h)
1和表2所示。
1 烟气余热利用率和制冷量成本单价的关系
项目
ηy
cc
1.069cf
0.534cf
0.356cf
0.267cf
0.214cf
0.178cf
0.153cf
0.134cf
0.119cf
0.107cf
表2 烟气余热利用率、天然气成本单价和制冷量成本单价关系
元/kW
项目
ce
ccccccccc1.00.1070.1610.2140.2680.3210.3750.4280.4820.5350.90.1190.1790.2380.2980.3570.4170.4760.5360.5950.80.1340.2010.2680.3350.4020.4690.5360.6030.6700.7
0.1530.2300.3060.3830.4590.5360.6120.6890.765η0.60.1780.2670.3560.4450.5340.6230.7120.8010.890y
0.50.2140.3210.4280.5350.6420.7490.8560.9631.0700.40.2670.4010.5340.6680.8010.9351.0681.2021.3350.30.3560.5340.7120.8901.0681.2461.4241.6021.7800.20.5340.8011.0681.3351.6021.8692.1362.4032.6700.1
1.069
1.604
2.318
2.673
3.207
3.742
4.276
4.811
5.345
4 计算结果
余热利用率对降低发电量成本单价具有一定的作用;
(4)不同天然气成本单价所对应的制冷量成本单(1)发电量成本单价与烟气余热利用率呈线形递
价不同,制冷量成本单价随天然气成本单价的增大而减的关系,在燃料成本单价一定的情况下,发电量成本增大;
单价随着ηy的增大而逐渐减小;
(5)在天然气成本单价一定的情况下,制冷量成本(2)天然气成本单价是影响发电量成本单价的主单价随着烟气余热利用率的提高而呈单调下降趋势;要因素,天然气成本单价的增加会增大发电量成本单烟气余热利用率在大于70%后制冷量成本单价下降价;
速度增大,反映出在烟气余热利用率大于70%之后对(3)天然气成本单价对发电量成本单价的影响随单位制冷量成本单价的影响降低。
着烟气余热利用率的提高逐渐减小,反映出提高烟气
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负荷区段,供电煤耗率平均降低1.3g/(kW・h)。3.2 采用最佳定滑压运行方式带来的影响
持两阀点滑压运行,主蒸汽压力比原滑压运行时高,高
排温度则相对下降10℃左右,因此减少了再热减温水的使用量。
由图1可知,在最佳定滑压运行阶段,同一负荷的主蒸汽压力定值高于机组当前实际设定值,且滑压曲线的斜率也略大,即负荷变化时压力变化率略大一些。这就要求负荷450MW时,定压运行,负荷升速率比原来小一些。否则,负荷升速率过大容易超压导致安全门动作。对于450MW负荷拐点要尽可能平稳过渡。
相同负荷工况主蒸汽压力升高时,不变情况下,汽比焓值下降得更快,的热量增加。,不易提升主蒸汽温度。对5器减温水流量,使机组循环效率提高。同时,主蒸汽压力提高、主蒸汽温度不变情况下,主蒸汽比焓值降低,高压缸排汽(高排)温度下降,再热蒸汽需要的吸热量增加,再热器减温水流量相应减少,同样有利于提高经济性。此外,由于主蒸汽压力的提高,相同负荷工况下汽包压力上升,炉水和饱和蒸汽中含硅量会相应减少,有利于提高主蒸汽化学品质,降低汽轮机通流部件结垢的程度。
试验表明,与原滑压运行方式相比,由于540～450MW负荷间也采用了定压运行,高排温度相对下降0～26.7℃左右,而在450～300MW负荷段因保
4 最佳定滑压运行的经济效益
2009年台山电厂5运行,其中22454.2t,5
7t,1号、3号、4号5,5台机组累计节约标煤830元/t折算,可带来980万元。SO2、CO2和粉尘的排放分别减少180、77762、2568t/a。
随着广东电网装机容量的日益增大,电网的调峰深度也将越来越大,在未来的若干年内必然会出现大容量机组长时间低负荷运行的情况,省内已投产的国产600MW机组及即将投产1000MW机组参与调峰运行,也可参照本方法实现经济运行。
[参 考 文 献]
[1] 李千军,等.国产600MW汽轮机组定滑压运行方式测试
方法研究[J].汽轮机技术,2009(5):386-389.
[2] 李千军.沙角A电厂300MW机组调峰负荷下滑压运行
经济性分析[J].广东电力,2004(2):34-37.
[3] 李明,等.大型汽轮机组运行方式优化试验研究及经济性
分析[J].湖南电力,2008(1):27-30.
(上接第3页)
[参 考 文 献]
[1] 孔祥强,王如竹,李瑛,等.基于热气机分布式冷热电联供
theseparateproductionofheatandpower[J].AppliedThermalEngineering,1998(11):935-946.
[6] MaidmentGG,TozerRM.Combinedcoolingheatand
powerinsupermarkets[J].AppliedThermalEngineering,2002(22):653-665.
[7] 杨勇平,王加璇.确定热电厂供热成本的热经济学方法
[J].热能动力工程,1995,10(2):73-77.
[8] 方国元,彭启珍,张树芳.联合循环电厂成本的热经济学
效益分析[J].中国建设信息,2005(4):24-28.
[2] 杜建一,王云,俆建中.分布式能源系统与微型燃气轮机
的发展与应用[J].工程热物理学报,2004,25(5):786-788.
[3] 蔡睿贤,张娜.关于分布式能源系统的思考[J].科技导
报,2005,23(9):7-8.
[4] 王如竹.关于建筑物节能及复合能量系统的几点思考
[J].太阳能学报,2002(3):322-335.
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