1 炼化企业自备电厂热电联产方式的基本介绍
炼化企业自备电厂将燃料、水等一次能源转化成蒸汽、热水等二次能源, 为装置提供生产所需的蒸汽、动力和热能。与传统发电企业最大的区别在于炼化企业自备电厂, 主要任务是为生产装置提供动力支撑, 发电是为了回收利用锅炉产出的高压蒸汽与生产装置所需的低压蒸汽之间的压差能量, 从而达到提高能源利用率, 节省燃料的目的。从实现形式上看, 炼化企业自备电厂供汽与产电过程, 主要是通过背压式和抽凝式两类汽轮机完成。其中, 背压式汽轮机不需要耗能巨大的凝汽设备与冷却水编制, 可直接将蒸汽的压差能量全部用于做功发电。在能量回收利用上, 背压式汽轮机发电成本几乎为零。但在实际应用过程中, 由于背压式汽轮机不具备蓄能作用, 对蒸汽系统的抗扰动能力相对较弱, 当蒸汽系统出现波动时, 背压式汽轮机无法应对蒸汽变化极易造成停车。因此, 背压式汽轮机一般不会单独使用, 而是配合其它减温减压器或带有凝汽设备的汽轮机共同使用。而抽凝汽轮机配备了凝气设备, 具有一定的蓄能能力, 当蒸汽管网产生压力扰动时候, 可以通过控制抽汽量和发电量的双重方式, 在较大的控制范围内满足生产装置蒸汽与电量需求, 是炼化企业热电联产方式的首选。但是由于在利用蒸汽的压差能量时, 抽凝式汽轮机需要消耗部分高压蒸汽, 所以其发电必含有一定成本。
2 以天然气为燃料的自备电厂在热电联产方式下的发电成本问题
一般来说, 锅炉产出的高压蒸汽60%以上的成本来自燃料, 而这一比例会随着燃料价格上涨而不断增加。因此, 出于对成本的考虑, 传统炼化企业自备电厂主要以价格相对较低的煤炭作为燃料。虽然采用抽凝式汽轮机在发电过程中需要消耗部分高压蒸汽, 但是由于蒸汽价格相对便宜, 同时回收的蒸汽压差能量进一步摊薄了发电成本, 从而使自备电厂自发电成本显著低于外购电成本。虽然全国各地煤炭价格和外购电价格略有不同, 但总体来说, 以煤炭为燃料自备电厂, 采用热电联产方式, 发电成本普遍低于当地外购电成本0.1-0.2元/Kwh。为此, 人们形成了“以热电联产方式运行的自备电厂, 发电成本要低于外购电成本, 且随着热电联产规模效应的扩大, 发电成本会越低”的普遍共识。
然而随着人们环保观念的不断深入和新环保法对环保要求的不断提高, 人们也对新建炼化企业的环保标准为不断提高。例如四川石化公司自备电厂, 为降低烟气中粉尘及氮氧化合物的排放, 采用价格相对较高的天然气作为动力燃料。但四川石化在设计上仍然延用“热电联产”的设计思路, 希望通能热电联产的规模优势来弥补燃料高成本的先天缺陷。但在实际运行的过程中, 我们发现自备电厂发电并没有降低企业燃动成本, 反而随着发电量的增加, 全厂燃动成本的投入也不断增加。可见, 以热电联产模式的发电优势, 对于采用价格较高的天然气为原料的自备电厂已不在适用。
3 自备电厂发电成本的经济性探究
为了验证热电联产方式在经济上是否仍然适用于以天然气为原料自备电厂, 我们必须寻求一种真实反映自备电厂发电成本的计算方法, 由于自备电厂同时产生形式不同、质量不等的两种产品——蒸汽与电能, 以质量守恒为原则的计算方法将不在适用, 为此, 我们需要从汽轮机的发电原理入手, 借助热力学定律, 对蒸汽与电能成本重新进行分摊。
3.1 稳定运行过程中抽凝式汽轮机的能量分布
汽轮机在稳定运行过程中可看做定常流系统, 根据热力学第一定律, 进入汽轮机的蒸汽能量等于汽轮机各部分消耗的能量, 如忽略损失, 则进入汽轮的蒸汽总能量可以分割成抽汽蒸汽、做功发电、轴封加热、凝汽器带走的乏汽以及机械密封损失等五部分。
利用热力学第一定律反应汽轮机内部各部分能量较为直观, 计算简单, 但是蒸汽与电能, 虽然同时具有能量, 两者的用途大不相同, 也即是说能量在转化过程中, 不但存在“量”的转移, 还包括“质”的变化。而采用热力学第一定律分配蒸汽和电能成本, 仅从能“量”出发, 低估了能“质”所附带的价值。为此, 根据热力学第二定律, 即能量在转换过程中具有不可逆性, 我们根据汽轮机内部的能量分布, 各不同“能阶”的能量重新赋予价值 (在热力学中以“火用”值计算) , 重新分配蒸汽和电成本, 从而得出以天然气为燃料的自备电厂自发电的真实成本。
3.2 采用火用值法计算汽轮机发电成本
四川石化公司天然气到厂不含税价涨为2.197元/立, 燃料油价格按热值比照天然气涨至约3301元/吨。脱盐水经低压除氧器加热104℃后, 同汽机产出的凝结水共同进入高压除氧器继续加热至158℃, 因统计系统在该处缺少累计计量, 通过热值按给水加热温升计算该部分能量消耗的蒸汽成本, 经计算吨蒸汽成本为285.30元/吨, 单位吉焦热值成本为82.40元。
根据热力学第二定律, 通过汽轮机内各部分能量所具有的火用值分配发电成本, 经测算该汽轮机投入的能量中, 46%被外抽蒸汽带走, 34%用于转换成电, 6%为“冷源损失”, 剩余14%为换热、表计误差及汽轮机损失。同样, 从发电用热考虑, 则该部分能量成本所得到的电单位成本为0.671元/度, 加入冷源损失的火用消耗后, 则发电单位成本上升至0.790元/度, 剩余14%火用损失主要被加热凝结水的蒸汽带走, 能量被循环利用, 该部分成本不计入发电成本中, 为此, 汽轮机发电的成本应为0.790元/度。而此时, 四川石化公司年均外购电不含税价格为0.50元/度, 由此得出, 四川石化自备电厂以天然气为原料, 自备电厂发电量越多, 燃动成本也随之增加。
4 成果验证
四川石化将自备电厂年初将4炉3机运行逐步调整为3炉2机、3炉1机运行。截止6月底, 自备电厂已节省燃动成本2, 374万。为此, 公司将进一步研究, 自备电厂0机运行方案。如具备条件, 四川石化将采用停机措施, 以进一步降低企业燃料成本。