浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(5): 972-980 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.05.019

能源与环境工程

联合循环发电系统全生命周期㶲环境学评估

王光烛,, 陈坚红,, 洪细良, 王小荣, 陈强峰, 盛德仁, 李蔚

Exergoenvironmental evaluation for combined cycle power generation system based on life cycle assessment

WANG Guang-zhu,, CHEN Jian-hong,, HONG Xi-liang, WANG Xiao-rong, CHEN Qiang-feng, SHENG De-ren, LI Wei

通讯作者: 陈坚红，男，副教授. oricd.org/0000-0003-0957-6914. E-mail: power@zju.edu.cn

收稿日期: 2018-04-28  

Received: 2018-04-28  

作者简介 About authors

王光烛（1995—），女，硕士，从事联合循环发电系统研究.oricd.org/0000-0001-7323-1860.E-mail:21727025@zju.edu.cn , E-mail：21727025@zju.edu.cn

摘要

以9FA级燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，建立基于全生命周期（LCA）和Eco-indicator99的㶲环境学分析模型，探究电力生产过程中环境学成本形成过程. 在对系统组件进行㶲分析的基础上，明确各组件在全生命周期内的环境学影响，并划分影响组件输出产品的环境学影响因素. 从组件层面揭示联合循环机组环境影响的形成过程以及单个组件对整个系统环境影响的贡献程度. 研究表明，大部分组件自身的环境学影响较小，㶲损引起的环境学影响构成该组件主要的环境学影响，但燃烧室内污染物降低的环境学影响大于其㶲损所产生的环境学影响. 联合循环电厂生产电力的环境学影响为5.80 mPts/MJ，近乎“超低排放”燃煤电厂生产电力的环境学影响的一半.

关键词： 联合循环发电系统 ; 全生命周期评价 ; 㶲环境学分析 ; 环境评价

Abstract

An exergoenvironmental analysis model based on life cycle assessment (LCA) and Eco-indicator99 was established to explore the environmental cost formation process in the power production process, taking the 9FA gas-steam combined cycle unit as the research object. The environmental impacts of each component throughout the life cycle were clarified, and the environmental impact factors affecting the component output products were divided, based on the exergoenvironmental analysis of system components. The formation process of the environmental impact of the combined cycle unit and the contribution of individual component to the overall system environmental impact were revealed from the component level. Results showed that the environmental impact of the component itself was small for most components, and the environmental impact caused by the damage constituted the main environmental impact of the component, but the environmental impact of the pollutant reduction in the combustion chamber was greater than that caused by the damage. The environmental impact of electricity production from the combined cycle power plant was 5.80 mPts/MJ, which was nearly half of the environmental impact of electricity production from " ultra-low emission” coal-fired power plants.

Keywords： combined cycle power generation system ; life cycle assessment ; exergoenvironmental analysis ; environmental evaluation

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本文引用格式

王光烛, 陈坚红, 洪细良, 王小荣, 陈强峰, 盛德仁, 李蔚. 联合循环发电系统全生命周期㶲环境学评估. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(5): 972-980 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.05.019

WANG Guang-zhu, CHEN Jian-hong, HONG Xi-liang, WANG Xiao-rong, CHEN Qiang-feng, SHENG De-ren, LI Wei. Exergoenvironmental evaluation for combined cycle power generation system based on life cycle assessment. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(5): 972-980 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.05.019

利用化石燃料生产电能的过程总是伴随着对环境的影响，燃气-蒸汽联合循环发电可大幅度降低污染程度，且效率较高，在未来发电行业中越发重要. 对燃气-蒸汽联合循环发电系统中某一设备进行技术上的改进可以提高该设备和系统整体的效率，减少生产过程中的污染. 然而，在改进设备的生产制造阶段以及其寿命结束后的处理阶段却可能消耗更多的能源，产生更大的环境学影响[1]. 因此，对每个组件进行全生命周期（life cycle assessment，LCA）的环境学影响评价并挖掘其改进潜力具有重要的意义.

目前，对燃气-蒸汽联合循环发电系统进行环境学影响评价的方法主要有3类：1）环境成本评价法[2]，即采用环境经济学理论将环境影响转化为经济指标进行评价；2）生命周期评价法[3-4]，即通过流程化建模以燃料、电能或某些污染物为中心对整个发电过程或部分过程进行从原材料提取到废弃处置的全范围考察；3）㶲环境学评价法[5-6]，即以㶲流为基础，对发电过程或生命周期内的污染物排放成本或环境影响进行分析和评价.

近年来，许多学者采用不同的㶲环境学评价方法对不同的能源转化系统进行分析和环境影响评价. Ahmadi等[7]对热电冷三联产系统进行㶲分析和污染物排放的环境成本分析，通过定义可持续性指标探讨系统㶲损和环境成本之间的联系，并在文献[8]中以系统最小总成本为目标函数对某热电厂进行能源-经济-环境的优化. 环境影响并不只包含运行中的污染物排放，也包含机组每个热力设备生产制造和报废阶段所产生的环境影响. Lazzaretto等[2]提出结合㶲流与每个组件各自生命周期环境影响的㶲环境学方法，该方法将各个组件以及外界输入流的全生命周期环境影响生态指标Eco-indicator99分配到㶲流中，从组件层面分析环境影响的形成过程，探讨组件热力学不完善与其环境影响之间的关系. Banerjee等[9]对比当前存在的5种㶲环境学方法，指出文献[2]中的方法是有效的评价方法. 国内也有学者运用多种类型的㶲环境学分析方法对发电系统的环境学影响进行探讨. 较为典型的是利用㶲的概念表示污染物环境学影响[10-12]，陈清林等[13]认为影响因素还包括污染物的强度特性. 另一种㶲环境学分析方法可理解为㶲经济学的拓展，即将污染物的环境影响转换为金钱资本，与传统经济学中的能量成本和投资成本叠加对系统进行分析评价[14-16]. 在全生命周期㶲环境学分析领域，Hong等[17]对“超低排放”燃煤电厂展开㶲环境学分析和评价，并与锅炉出口烟气无处理情境下燃煤电厂的环境学影响进行对比. 然而在联合循环电厂领域，国内还缺乏较深入的研究. 燃气蒸汽联合循环洁净无尘、造价低廉、建设周期短、运行灵活，如果能从全生命周期角度出发，评价联合循环机组中各组件的环境学影响并挖掘其改进潜力，对实现联合循环电厂的高效、环保运行，具有重大意义.

Eco-indicator99是荷兰大学环境科学中心和荷兰公司Pre Consultants B.V.开发的系列软件SimaPro中最重要的生命周期评价方法，广泛应用于产品和过程环境影响值的计算. 本研究以燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，建立基于LCA和Eco-indicator99的㶲环境学模型，分析系统环境学影响在组件中的分布；基于该模型，分析组件输出产品的单位㶲环境影响组成，将其影响因素分为3个部分：㶲损的环境学影响、组件的环境影响和组件污染物的环境学影响；计算每个组件的相对环境影响差和㶲环境学因子，分析每个组件在降低环境影响方面的改进潜力；从组件层面揭示燃气-蒸汽联合循环机组的环境影响的形成过程以及每个组件对整个系统环境影响的贡献程度；从环境影响角度，给出燃气-蒸汽联合循环机组的设计和优化方向.

1. 㶲环境学理论

㶲环境学建模包含3个步骤：1）对所研究的燃气-蒸汽联合循环系统进行㶲分析；2）对系统内的组件以及组件输入、输出的全生命周期环境学影响进行计算；3）将计算得到的环境学影响分配到对应的㶲流，得到㶲环境变量. 通过㶲环境变量对组件以及整个能源转换系统进行评价，挖掘组件的节能潜力.

1.1. 㶲分析

㶲分析法，作为兼顾能量“数量”与“品质”的分析方法，从热力学过程不可逆程度的角度对热现象进行评价分析，更深入地揭示能量转换过程中能量“数量”与“品质”的变化规律，是更为科学、全面的分析方法.

㶲主要可分为化学㶲和物理㶲：

${E_j} = E_j^{\rm{P}} + E_j^{\rm{C}} = q_{mj}(e_j^{\rm{P}} + e_j^{\rm{C}})/1\;000.$
(1)

式中： ${E_j}$为物质j的㶲， $E_j^{\rm{P}}$为物质j的物理㶲， $E_j^{\rm{C}}$为物质j的化学㶲， $q_{mj}$为物质j的质量流量， $e_j^{\rm{P}}$为物质j的物理比㶲， $e_j^{\rm{C}}$为物质j的化学比㶲.

在不同温度、压力、湿度状态下同种物质的化学㶲千差万别，缺乏统一的量化公式. 在本研究中，除了天然气须计算化学㶲，其他物质的㶲计算均只考虑物理㶲. 烷烃类燃料（ ${{\rm{C}}_a}{{\rm{H}}_b}$）的化学比㶲表达式[18]为

$e_{{\rm{al}}}^{\rm{C}} = {\rm{LH}}{{\rm{V}}_{{{\rm{C}}_a}{{\rm{H}}_b}}}(1.033 + 0.016\;9b/a - 0.069\;8/a).$
(2)

式中： ${\rm{LH}}{{\rm{V}}_{{{\rm{C}}_a}{{\rm{H}}_b}}} $为烷烃的低位发热量；a、b分别为烷烃类燃料分子式中碳、氢原子个数.

物理比㶲表达式为

$e_j^{\rm{P}} = h - {h_0} - {T_0}(s - {s_0}).$
(3)

式中： $h$为物质 $j$的比焓； ${h_0}$为标准状态下物质 $j$的比焓； ${T_0}$为标准状态下温度， ${T_0}$=273.15 K；s为物质 $j$的比熵； ${s_0}$为标准状态下物质 $j$的比熵.

对于生产性组件，㶲所量化的某一组件k的生产目的被称为“产品”，即为产品㶲 ${E_{{\rm{P}},k}}$. 为了获得该产品所消耗的㶲被称为“燃料”，即为燃料㶲 ${E_{{\rm{F}},k}}$. 没有生产目的的组件被称为“耗散性组件”，其存在的原因通常是为了使系统效率更高或者使循环能够连续进行. 比如凝汽器就是“耗散性组件”，在实际计算过程中，文献[6]将其按照生产性组件进行处理，凝汽器的产品为排入江河的循环水带走的㶲值，但整个系统的最终产品有且只有电力，凝汽器产品将进入㶲排的范围. 㶲排为系统向外界环境释放的㶲值，电厂中常见的㶲排为排放至大气的烟气.

生产性组件的㶲平衡为

${E_{{\rm{F}},k}} = E{}_{{\rm{P}},k} + {E_{{\rm{D}},k}}.$
(4)

式中： ${E_{{\rm{D}},k}}$为组件的㶲损.

组件k的㶲效率表达式为

${\varepsilon _k} = {{{E_{{\rm{P}},k}}}/{{E_{{\rm{F}},k}}}}.$
(5)

㶲效率反映出组件㶲的利用程度，组件的㶲损越小，㶲效率越高，则组件㶲利用程度越高. 组件k的㶲损比表达式为

${y_{{\rm{D}},k}} = {E_{{\rm{D}},k}}/{E_{{\rm{F,tot}}}}.$
(6)

式中： ${E_{\rm{F,tot}}}$为系统的燃料㶲.

1.2. 全生命周期环境学影响

LCA[19]是目前应用最广泛的环境评价方法，广泛应用于电力行业环境评价[20]，其应用过程主要包括目的和范围的确定、清单分析、影响分析. 在分析中不同的计算方法侧重不同. Eco-indicator计算方法[21]基于对环境损害的原理考虑全生命周期对产品进行环境学影响评价，是目前被广泛应用的数据库之一. 所谓的环境学影响是指以下3个方面：资源利用、人类健康、生态系统. Eco-indicator方法将产品清单分析的数据（材料、能源、重金属、SO2等），按类划分到各个环境问题中，再将各类环境问题做归一化处理，最终归结到对资源、人类健康和生态系统的损害. 将各类损害按一定的权重系数相加，即可得出产品的生态指数，其结果以生态指数因子来展现，值越大代表环境学影响越大. 如表1所示为单位质量污染物的环境学影响指数[22]. 表中，P为单位质量产品的生态指数.

表 1   单位质量污染物的环境学影响

Tab.1  Environmental impacts of pollutants （per unit mass）

污染物 P/（mPts·kg−1） 污染物 P/（mPts·kg−1）
CO2 5.454 5 CH4 114.622 0
NO 4 216.740 0 PM 2.5 18 181.180 0
NO2 2 749.360 0

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1.3. 㶲环境学分析

如同㶲经济学中将经济成本分配到㶲流，在㶲环境学中，将全生命周期评价得到的环境学影响分配到㶲流，得到比环境学影响，表达式为

${B_j} = {E_j}{b_j}.$
(7)

式中： ${B_j}$为单位时间内Eco-indicator计算出的环境学影响； ${b_j}$为比环境学影响，即单位㶲的环境学成本.

对于组件k的环境学平衡，基本原理为输入流的环境学影响等于输出流的环境学影响. 则

$\sum\limits_{j = 1}^n {{B_{j,k,{\rm{in}}}} + {Y_k} + B_k^{{\rm{PF}}}} = \sum\limits_{j = 1}^m {{B_{j,k,{\rm{out}}}}} .$
(8)

式中： ${B_{j,k,{\rm{in}}}}$为组件k输入流j的环境学影响， ${Y_k}$为组件自身的环境学影响， $B_k^{\rm{PF}}$为污染物的环境学影响， ${B_{j,k,{\rm{out}}}}$为组件k输出流j的环境学影响，m、n分别为输出流、输入流的“数目”.

输入流不仅包含输入物质的环境学影响，更包含全生命周期内组件自身的环境学影响，组件自身环境学影响表达式为

${Y_k} = Y_k^{{\rm{CO}}} + Y_k^{{\rm{OM}}} + Y_k^{{\rm{DI}}}.$
(9)

式中： $Y_k^{{\rm{CO}}}$为组件建造时期的环境学影响，包含原材料提取、组件生产、运输和安装； $Y_k^{{\rm{OM}}}$为组件运行和维护过程的环境学影响； $Y_k^{{\rm{DI}}}$为组件废弃处理过程的环境学影响.

若组件在运行过程中产生污染物，则污染物的环境学影响也应纳入环境学平衡方程中：

$B_k^{{\rm{PF}}} = \sum\limits_i {b_i^{{\rm{PF}}}({q_m}_{i,{\rm{out}}} - {q_m}_{i,{\rm{in}}})} .$
(10)

式中： ${q_m}_{i,{\rm{out}}}$、 ${q_m}_{i,{\rm{in}}}$ 分别为污染物i流出、流入组件的质量流量； $b_i^{\rm{PF}} $ 为污染物i的比环境学影响.

本研究所涉及的污染物清单及环境学影响因子如表1所示，环境学影响的燃料-产品平衡方程表达式为

$B_{{\rm{P}},k}^{} = B_{{\rm{F}},k}^{} + {Y_k} + B_k^{{\rm{PF}}}.$
(11)

式中： ${B_{{\rm{P}},k}}$、 ${B_{{\rm{F}},k}}$分别为产品和燃料的环境学影响. 类比于物质流的比环境学影响，单位产品比环境学影响 ${b_{{\rm{P}},k}}$和燃料比环境学影响 ${b_{{\rm{F}},k}}$表达式分别为

${b_{{\rm{P}},k}} = {B_{{\rm{P}},k}}/{E_{{\rm{P}},k}},$
(12)

${b_{{\rm{F}},k}} = {{{B_{{\rm{F}},k}}}/{{E_{{\rm{F}},k}}.}}$
(13)

根据燃料法则[23]，燃料㶲流值下降属于燃料㶲的一部分，燃料的比环境学影响在燃料㶲流递减中保持不变. 㶲损可以看作是为了生产指定产品而多出的能源消耗. 基于这样的考虑，组件k的㶲损的环境学影响表达式为

${B_{{\rm{D}},k}} = {b_{{\rm{F}},k}}{E_{{\rm{D}},k}}.$
(14)

由式（14）可以看出， ${B_{{\rm{D}},k}}$不仅取决于㶲损，还取决于燃料的比环境学影响. 燃料的比环境学影响很大程度又取决于组件在系统的位置，因为在整个系统从燃料到产品的过程中， ${b_{{\rm{F}},k}}$逐渐变大.

组件k的比环境学影响相对差表达式为

${r_{{\rm{b}},k}} = \left( {{b_{{\rm{P}},k}} - {b_{{\rm{F}},k}}} \right)/{b_{{\rm{F}},k}}.$
(15)

该指标表明组件降低环境学影响的潜力，该值较大表明降低坏境学影响较易实现，反之则较难实现.

组件k的环境学影响因子表达式为

${f_{{\rm{b}},k}} = \left( {{Y_k}{\rm{ + }}B_k^{{\rm{PF}}}} \right)\Big/\left( {{Y_k} + {B_{{\rm{D}},k}} + B_k^{{\rm{PF}}}} \right).$
(16)

${f_{{\rm{b}},k}}$反映㶲损的环境学影响在组件的总环境学影响中所占比例. ${f_{{\rm{b}},k}}$较大，说明组件自身的环境学影响和生成污染物占据主导； ${f_{{\rm{b}},k}}$较小，说明组件的㶲损的环境学影响占据主导.

2. 燃气-蒸汽联合循环发电系统

发电系统为通用电气公司的9FA级联合循环机组，由压气机、燃烧室、燃气透平、汽轮机、三压再热余热锅炉（heat recovery steam generator， HRSG）和氢冷发电机等设备构成. 其中，燃气轮机、汽轮机和发电机是单轴连接，主要参数如表2所示. 天然气组分如表3所示.

表 2   燃气-蒸汽联合循环发电系统主要参数

Tab.2  Key parameters of gas-steam combined cycle power generation system

参数 取值 参数 取值
空气质量流量 2 270.2 t/h 大气温度 17.4 °C
燃料质量流量 50.1 t/h 大气相对湿度 78.89%
天然气低位发电量 48 686.3 kJ/kg 大气压力 101.10 kPa
额定热效率 60.6% 余热锅炉排烟温度 83.8 °C
功率 388.9 MW 再热蒸汽温度 565.5 °C
排汽压力 5.84 kPa 主蒸汽温度 565.5 °C

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表 3   天然气主要组分表

Tab.3  Main components of natural gas

组分 rB/% 组分 rB/%
CO2 0.61 I-C4H10 0.10
N2 2.59 n-C4H10 0.13
CH4 93.09 I-C5H12 0.04
C2H6 2.51 n-C5H12 0.04
C3H8 0.62 C6H14 0.24

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如图1所示为燃气-蒸汽联合循环机组的热力系统图，为典型的单轴布置、以天然气为燃料、无补燃型三压再热余热锅炉的热力系统. 余热锅炉出口烟气各组分质量浓度如表4所示，其中氧气体积分数为14.36%.

表 4   余热锅炉出口烟气质量浓度

Tab.4  Exhaust gas mass concentration of HRSG

组分 ρB/（mg·m−3） 组分 ρB/（mg·m−3）
N2 837 836 NO 47
CO2 65 103 NO2 38
H2O 61 964 PM 2.5 49

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图 1

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图 1   9FA级型燃气-蒸汽联合循环发电机组热力系统图

Fig.1   Thermal system diagram of 9FA gas-steam combined cycle power plant


3. 㶲环境分析与评价

3.1. 㶲分析

根据㶲平衡方程，列出系统各组件的产品㶲-燃料㶲方程，使用Ebsilon Professional软件计算得到系统内各股㶲流. 系统各组件㶲分析结果如表5所示. 如图2所示为系统各组件的㶲表现，可以看出，虽然燃气轮机燃烧室㶲效率相比文献[17]中得到的燃煤电厂燃烧室效率有小幅提升，但化学反应仍产生最大㶲损，其值占整个系统㶲损的68%. 由表5可知，燃机输出功率大，尽管其㶲效率较高，其㶲损比为4.13%，压气机、低压汽机、发电机也类似. 泵的㶲效率较低，不过其㶲损相比总损失可忽略不计. 㶲效率同样较低的凝汽器的㶲损不容忽视. 在余热锅炉方面，高、中压段余热锅炉㶲效率明显高于低压段. 高压段㶲效率均高于90%，但其汽水质量流量大，㶲损大，尤其是蒸发器的㶲损. 中、低压段的换热器㶲利用情况均为蒸发器最好，省煤器次之，过热器最差. 中低压部分的过热器换热温差均为最大，造成的不可逆损失最大，所以㶲利用情况最差，而蒸发器的换热温差最小，㶲利用情况最好.

表 5   燃气-蒸汽联合发电系统循环组件㶲分析

Tab.5  Exergy analyses of gas-steam combined cycle power generation system at component level

组件 EF,k/MW EP,k/MW ED,k/MW εk/% yD,k/%
AC（压气机） 244.69 231.94 12.74 94.79 1.87
CC（燃烧室） 916.51 738.39 178.11 80.57 26.09
FH（燃料加热器） 1.95 1.41 0.54 72.23 0.08
GT（燃机） 519.81 491.65 28.16 94.58 4.13
HP（高压汽机） 32.60 31.02 1.58 95.15 0.23
IP（中压汽机） 47.76 45.78 1.98 95.84 0.29
LP（低压汽机） 75.63 68.66 6.97 90.78 1.02
GEN（发电机） 392.43 388.90 3.53 99.10 0.52
CND（冷凝器） 24.26 19.28 4.98 79.48 0.73
CP（凝结水泵） 0.11 0.08 0.03 74.64 0.00
RP（再循环水泵） 0.02 0.02 0.00 82.06 0.00
LPEC（高压省煤器） 15.78 12.21 3.57 77.40 0.52
LPEV（高压蒸发器） 9.73 8.51 1.23 87.39 0.18
LPSH2（低压过热器） 0.52 0.39 0.13 74.53 0.02
LPSH1（低压过热器） 1.42 1.05 0.37 73.81 0.05
IPEC（中压省煤器） 2.68 2.38 0.29 89.00 0.04
IPEV（中压蒸发器） 9.87 9.13 0.74 92.53 0.11
IPSH（中压过热器） 1.21 1.03 0.18 84.77 0.03
HPEC2（高压省煤器） 10.46 9.33 1.13 89.21 0.17
HPEC1（高压省煤器） 18.80 17.62 1.18 93.73 0.17
HPEV（高压蒸发器） 62.31 55.74 6.57 89.45 0.96
HPSH2（高压过热器） 30.97 27.67 3.30 89.36 0.48
HPSH1（高压过热器） 11.19 10.39 0.80 92.82 0.12
RH（再热器） 28.96 25.72 3.24 88.82 0.47
HFP（高压给水泵） 1.07 0.92 0.16 85.19 0.02
IFP（中压给水泵） 0.08 0.06 0.02 75.34 0.00

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图 2

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图 2   燃气-蒸汽联合循环系统组件㶲表现

Fig.2   Exergy performance of gas-steam combined cycle system


3.2. 组件自身环境学影响

使用Eco-indicator方法计算全生命周期内联合循环系统组件的环境学影响. 由于在计算中是按照组件正常寿命来考虑的，所以一般不考虑各种突发情况（如检修、更换等）带来的影响. 在组件报废处理时，组件回收利用、废物处理、填埋处理的环境学影响因子分别为−70.0、−32.0、1.4 mPts/kg[22]；根据文献[24]，对于金属废弃物，91%采用直接报废的填埋方式，只有少部分能够回收利用，所以本研究按照填埋的方式计算. 不同建造材料的环境学影响因子如表6所示[22].

表 6   材料的环境学影响

Tab.6  Environmental impacts of materials　　 mPts·kg−1

物质 P 物质 P
高合金 910 铜 1 400
低合金 110 铸铁 240
铁 86 − −

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大部分组件的重量和详细的材质无法查阅，因此组件重量估算表达式为

$ m = \rho sd \left( D - d \right)/D.$
(17)

式中：m为重量； $\rho $ 为密度，金属密度均取7.85 t/m3；s为面积；d为壁厚；D为外径. 式（17）参考圆筒式结构材料得出.

联合循环电厂采用日启停运行模式，年运行小时数为4 500 h，寿命为20 a[6]，均为满负荷运行. 组件自身环境学影响如图3所示. 在全生命周期范围内，联合循环机组组件自身的环境学影响整体上较小. 各组件自身的环境学影响差距较大，其中余热锅炉组件的环境学影响最突出，尤其是高温段的再热器和1号高压过热器，且随着受热温度的升高，组件环境学影响增大. 相比而言，燃气轮机的各组件环境学影响大多较小，主要受其重量的限制. 低压汽机建造的环境学成本大于高、中压缸建造的环境学成本之和.

图 3

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图 3   组件自身环境学影响

Fig.3   Component-related environmental impacts


3.3. 㶲环境学分析

根据环境学平衡方程以及燃料法则，得出联合循环机组各组件的进出口环境学影响，如图4所示. 由表7可以看出，对于除燃烧室以外的其他组件，㶲损引起的环境学影响构成该组件主要环境学影响. 组件㶲损的环境学影响的大小与㶲损大小相对应. 对于燃烧室，燃烧产物主要为CO2、H2O以及相对少量的其他污染物，燃烧室产品的比环境学影响小于燃料的比环境学影响. 表7中燃烧室的fb，k较大，污染物降低的环境学影响大于燃烧室㶲损引起的环境学影响. 在㶲损的环境学影响较大的组件中，压气机和燃机的改进潜能均较低，而低压缸、余热锅炉高压蒸发器的改进潜力是前者的2倍. 在余热锅炉中，低压段的潜能明显大于中、高压段，随着换热温度的升高，同一压力下的余热锅炉的改进潜能整体呈现上升趋势. 泵的㶲损的环境学影响均较小，但改进潜力巨大. 泵的fb,k较大，尤其是凝结水泵，因此降低泵的环境学影响，着重点还应放在组件的优化设计和制造工艺的改善上.

图 4

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图 4   燃气-蒸汽联合循环发电系统组件的㶲环境学表现

Fig.4   Exergoenvironmental performance of gas-steam combined cycle power generation system at component level


表 7   联合循环电厂组件㶲环境学分析

Tab.7  Exergoenvironmental analyses of gas-steam combined cycle power generation system at compo-nent level

组件 BD,k/
（mPts·s−1） 		$ {Y_k} + B_k^{{\rm{PF}}} + {B_{{\rm{D}},k}} \\ $/
（mPts·s−1） 		bF,k bP,k fb,k/% rb,k/%
AC 69.50 69.66 5.45 5.75 0.23 5.50
CC 978.42 −247.81 5.49 5.16 494.83 −6.11
FH 3.37 3.38 6.22 8.65 0.38 39.00
GT 145.24 145.38 5.16 5.45 0.10 5.74
HP 9.17 9.24 5.79 6.09 0.77 5.14
IP 11.50 11.59 5.80 6.05 0.74 4.37
LP 40.69 41.01 5.83 6.43 0.79 10.24
GEN 20.29 20.50 5.74 5.80 1.01 0.91
CND 29.06 29.23 5.84 7.35 0.57 25.99
CP 0.17 0.18 5.80 8.52 7.61 47.03
RP 0.02 0.02 5.80 7.28 5.80 25.53
LPEC 18.39 18.50 5.16 6.68 0.59 29.56
LPEV 6.33 6.40 5.16 5.92 1.13 14.76
LPSH2 0.68 0.68 5.16 6.94 0.89 34.53
LPSH1 1.92 1.93 5.16 6.93 0.72 34.30
IPEC 1.52 1.53 5.16 5.76 0.49 11.61
IPEV 3.80 3.85 5.16 5.58 1.35 8.15
IPSH 0.95 0.96 5.16 5.93 0.53 15.01
HPEC2 5.82 5.85 5.16 5.80 0.62 12.43
HPEC1 6.08 6.14 5.16 5.51 0.90 6.93
HPEV 33.89 34.06 5.16 5.77 0.47 11.87
HPSH2 17.00 17.31 5.16 5.78 1.81 12.02
HPSH1. 4.15 4.25 5.16 5.58 2.50 8.24
RH 16.70 17.13 5.16 5.82 2.53 12.87
HFP 0.92 0.93 5.80 6.91 1.28 19.28
IFP 0.11 0.11 5.80 8.06 3.84 38.98

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根据各组件的环境学影响情况，最终得到系统的㶲环境学分析，如表8所示. 表中，BPF,tot为系统产生污染物的总环境学影响，BF,tot为系统燃料的总环境学影响，BP,tot为系统产品的总环境学影响，BL,tot为系统和外界环境的㶲进出变化，Ytot为系统各个组件总环境学影响，BD,tot为系统㶲损的环境学影响，bF,tot为系统燃料的比环境学影响，bP,tot为系统产品的比环境学影响.

表 8   系统层面㶲环境学分析

Tab.8  Exergoenvironmental analyses at system level

参数 数值 参数 数值
BPF,tot/（mPts·s−1） −1 226.41 Ytot/（mPts·s−1） 2.749
BF,tot/（mPts·s−1） 3 687.92 BD,tot/（mPts·s−1） 1 412.99
BP,tot/（mPts·s−1） 2 247.04 bF,tot/（mPts·s−1） 5.40
BL,tot/（mPts·s−1） 217.51 bP,tot/（mPts·MJ−1） 5.80

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由表8可知，天然气单位热值环境学影响为5.40 mPts/MJ，相比于煤的3.93 mPts/MJ有所提升. 燃料中环境学影响因子较高的甲烷燃烧后生成环境学影响因子较低的CO2及小部分NOX及烟尘，由式（11）可知，系统产生污染物的环境学影响为负. 联合循环系统的㶲效率远大于燃煤系统，其㶲损小于燃煤系统，使得㶲损的环境学影响较小. 联合循环电厂生产的电力的环境学影响为5.80 mPts/MJ，为“超低排放”燃煤电厂的10.77 mPts/MJ[17]的一半，低于欧洲高压电的环境学标准6.39 mPts/MJ[22]. 组件自身㶲损占总㶲损的比例为19.10%，与组件自身㶲环境学影响占总㶲环境学影响比例22.09%相近；产品与燃料的㶲损比为0.57，与㶲环境学影响比0.60相近，可见㶲损仍是㶲环境学影响的关键影响因素.

4. 结　论

（1）在全生命周期内联合循环机组组件的自身环境学影响较小. 㶲损引起的环境学影响构成组件主要的环境学影响. 因此即使考虑了组件从生产到报废的整个生命周期，要减少对环境的影响，还是应该把提高热力系统的热力学完善程度作为重点.

（2）燃烧室污染物降低的环境学影响大于燃烧㶲损引起的环境学影响，要降低联合循环发电系统生产过程对环境的影响，应优先考虑降低污染物排放.

（3）联合循环发电污染物的环境学影响为负，其电力的环境学影响为5.80 mPts/MJ，近乎“超低排放”燃煤电厂所产生电力的环境学影响（10.77 mPts/MJ）的一半.

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