火電廠汽輪機(jī)抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)消納風(fēng)電的研究

郭容赫，潘宏剛，董思宇

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159;2.沈陽(yáng)工程學(xué)院能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136)

1 我國(guó)風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及棄風(fēng)現(xiàn)象

隨著現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷更新，風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量不斷增大，兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的主力機(jī)組.風(fēng)力發(fā)電具有技術(shù)成熟、建設(shè)周期短、運(yùn)行和維護(hù)成本低以及不產(chǎn)生任何污染等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)當(dāng)今發(fā)展最快的可再生清潔能源之一［1］.2013年新增風(fēng)電并網(wǎng)容量1 449萬(wàn)kW，風(fēng)電年發(fā)電量1 349億kWh，成為我國(guó)繼火電、水電之后的第三大能源來(lái)源.

受電網(wǎng)調(diào)峰能力不足的約束，限制風(fēng)電上網(wǎng)的問(wèn)題日益突出.根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明:2013年全國(guó)棄風(fēng)電量162.31億kWh，平均棄風(fēng)率11%，限制風(fēng)電出力主要集中在甘肅、河北、蒙東、蒙西及吉林等地區(qū)，風(fēng)電消納問(wèn)題仍集中“三北”(西北、華北及東北)地區(qū).在我國(guó)北方，棄風(fēng)主要發(fā)生在冬季供熱期以及夜間低谷負(fù)荷期.在冬季供熱期間，供熱機(jī)組負(fù)荷已降到最低值，電網(wǎng)無(wú)從消納過(guò)剩電力供應(yīng)，被迫限制風(fēng)電出力，特別是在夜間低谷負(fù)荷期間，電力負(fù)荷很低，風(fēng)電出力較大，更要限制風(fēng)電出力.風(fēng)電的這種反調(diào)峰特性，導(dǎo)致區(qū)域中大量風(fēng)電不能上網(wǎng)、產(chǎn)生嚴(yán)重的棄風(fēng)問(wèn)題，特別是內(nèi)蒙和東北地區(qū)受風(fēng)能資源豐富，電力負(fù)荷需求低，供熱周期長(zhǎng)等不利因素影響，冬季棄風(fēng)現(xiàn)象更加嚴(yán)重［2］.

2 抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)消納風(fēng)電

2.1 抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)的組成及作用

抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)由加熱器、抽汽管道、疏水管道、給水管道、閥門(mén)等設(shè)備組成，是電廠熱力系統(tǒng)中重要的組成部分.抽汽回?zé)崾菑钠啓C(jī)數(shù)個(gè)中間級(jí)抽出一部分蒸汽，引入加熱器，對(duì)凝結(jié)水或者給水進(jìn)行加熱.抽出的蒸汽做了部分功后不再送至凝汽器，使蒸汽熱量得到充分利用，同時(shí)利用蒸汽加熱給水，提高了給水溫度，減少了鍋爐受熱面的傳熱溫差，從而減少了給水加熱工程中的不可逆損失.抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)是影響電廠熱效率最大的系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)的利用減少了汽輪機(jī)的冷源損失，大大提高了機(jī)組循環(huán)熱效率.

2.2 電鍋爐加熱凝結(jié)水

電鍋爐加熱凝結(jié)水，使水溫達(dá)到某個(gè)加熱器出口溫度時(shí)，就可以替代該加熱器的抽汽量，不需要抽汽加熱凝結(jié)水，省下的這部分蒸汽繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)做功.該方法可以消納棄風(fēng)電量，同時(shí)也提高了電廠經(jīng)濟(jì)性.

2.3 電鍋爐替代抽汽方式

電鍋爐加熱凝結(jié)水后，由于引入回?zé)嵯到y(tǒng)地點(diǎn)不同，替代加熱器的抽汽量是不同的.引入4#低加入口處，只能替代4#低加抽汽量;引入3#低加入口處，可以替代3#低加抽汽量，或者替代3#、4#低加抽汽量.依此類(lèi)推，引入2#低加入口處，有3種替代方式，引入1#低加入口處，有4種替代方式.電鍋爐加熱凝結(jié)水后，分別引入4臺(tái)低加的入口處，可有10種替代加熱器抽汽方式［3］.

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

以某熱電廠300 MW機(jī)組為例，該機(jī)組為亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽，機(jī)組設(shè)有8段回?zé)岢槠?，依次供給3臺(tái)高壓加熱器、1臺(tái)除氧器和4臺(tái)低壓加熱器，并在中低壓導(dǎo)管上設(shè)有采暖抽汽(5段抽汽)，機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)

以額定工況平衡圖的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以電鍋爐加熱凝結(jié)水替代1#低加抽汽量為例說(shuō)明，應(yīng)用等效熱降法分析各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo).

1 kg主蒸汽的等效熱降為

式中，h0—主蒸汽的焓，kJ·(kg)－1;hn—排汽焓，kJ·(kg)－1;σ—再熱器吸熱量，kJ·(kg)－1;τr—加熱器焓升，kJ·(kg)－1;ηr—抽汽效率.

電鍋爐加熱凝結(jié)水，水溫等于1#低加出口水溫時(shí)，可以替代1#低加的抽汽量，此時(shí)1 kg主蒸汽等效熱降為

被排擠的1#低加抽汽回到汽輪機(jī)內(nèi)繼續(xù)做功，在主蒸汽流量不變時(shí)，機(jī)組功率增加.為保持機(jī)組功率不變，則主蒸汽流量減少，主蒸汽流量減少量為

式中，ΔG—主蒸汽流量減少量，kg·h－1;G0—額定工況主蒸汽流量，kg·h－1.

主蒸汽流量減少的同時(shí)再熱器流量也減少，2者使鍋爐耗煤量減少為

式中，ΔB—鍋爐耗煤減少量，kg·h－1;ΔQ1—鍋爐過(guò)熱器吸熱量減少值，kg·h－1;ΔQ2—鍋爐再熱器吸熱量減少值，kg·h－1.

電鍋爐加熱凝結(jié)水機(jī)組煤耗降低為

式中，Δb—鍋爐耗煤減少量，g·(kWh)－1;Pel—額定功率，kW.

加熱凝結(jié)水電鍋爐需要的熱量為

式中，Q—電鍋爐需要熱量，kJ·s－1;c—凝結(jié)水比熱容，kJ·(kg·℃)－1;m—凝結(jié)水流量，kg·s－1;Δt—加熱器溫升，℃.

電鍋爐消耗功率為

式中，Ped—電鍋爐消耗功率，kW;ηed—電鍋爐效率，%.

機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤按700元·t－1計(jì)算，煤耗降低每小時(shí)收益為

每度棄風(fēng)電量每小時(shí)收益為

根據(jù)以上算法［4］，計(jì)算結(jié)果，如表1所示.

①在300MW負(fù)荷時(shí)，電鍋爐加熱凝結(jié)水替代1#至4#低加的抽汽量，煤耗降低最多為7.52 g·(kWh)－1，此時(shí)電鍋爐消耗功率也最多，為90.6 MW;②只替代4#低加的抽汽量，每度棄風(fēng)電量收益最大為0.034元;③替代3#、4#低加的抽汽量，煤耗降低為7.0 g·(kWh)－1，此時(shí)電鍋爐消耗功率為54.4 MW，每度棄風(fēng)電量收益為0.027元，綜合考慮投資與收益，該方案為最佳.

表1 電鍋爐加熱凝結(jié)水替代抽汽經(jīng)濟(jì)性比較

電鍋爐加熱與抽汽加熱運(yùn)行方式相比，由于抽汽量的減少，在主蒸汽流量相同時(shí)，機(jī)組功率增加;或者在同樣功率時(shí)，主蒸汽流量減少，耗煤量減少.主蒸汽流量的減少，使汽輪機(jī)各級(jí)后壓力降低，抽汽壓力降低，各加熱器出口水溫有所降低(端差不變的條件下);抽汽量繼續(xù)在汽輪機(jī)內(nèi)做功，最終到達(dá)凝汽器，增加了冷源損失.這些變化會(huì)使機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性略有降低，但整體經(jīng)濟(jì)性是提高的.通過(guò)表1可看出，電鍋爐加熱凝結(jié)水，引入1#低加入口處，替代4臺(tái)加熱器的抽汽量，機(jī)組煤耗降低最多，但消耗的風(fēng)電也最多.引入4#低加入口處，只替代4#低加抽汽量，每度棄風(fēng)電量收益最高.

2.5 安全性分析

在電鍋爐并入回?zé)嵯到y(tǒng)之后，若電鍋爐出現(xiàn)故障，可以恢復(fù)原系統(tǒng)運(yùn)行，不影響機(jī)組安全運(yùn)行.有風(fēng)電時(shí)，電鍋爐加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水，凝結(jié)水溫度提高，相應(yīng)排擠加熱器的抽汽，對(duì)于有抽汽調(diào)整門(mén)的加熱器，調(diào)整門(mén)需要參與調(diào)節(jié)，由于調(diào)整門(mén)參與調(diào)整次數(shù)增加，對(duì)其壽命的影響有待評(píng)估，而對(duì)于末2級(jí)沒(méi)有抽汽調(diào)整門(mén)的加熱器沒(méi)有任何影響.沒(méi)有風(fēng)電時(shí)，電鍋爐不加熱回?zé)嵯到y(tǒng)中的凝結(jié)水，與原運(yùn)行系統(tǒng)一樣.

2.6 對(duì)機(jī)組調(diào)峰的影響

由于采用電鍋爐加熱凝結(jié)水，替代加熱器抽汽加熱，增加了汽輪機(jī)做功能力.為了保持汽輪機(jī)負(fù)荷不變，需要減少主蒸汽流量.機(jī)組調(diào)峰時(shí)，當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷調(diào)到最低，與之匹配的鍋爐蒸發(fā)量不一定是最低值，特別是在冬季供熱期間，此時(shí)鍋爐蒸發(fā)量還有減少空間.因此汽輪機(jī)和鍋爐出力都能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)調(diào)峰要求，該方法對(duì)機(jī)組調(diào)峰沒(méi)有影響.

2.7 對(duì)凝結(jié)水泵出力的影響

電鍋爐最好布置在凝結(jié)水泵附近，若遠(yuǎn)離凝結(jié)水泵，由于管道的加長(zhǎng)而導(dǎo)致沿程阻力增加，凝結(jié)水泵出口壓力會(huì)有所增大，也會(huì)增加泵的耗功.

3 電鍋爐替代抽汽的可行性

電鍋爐布置不受場(chǎng)地限制，系統(tǒng)接入簡(jiǎn)單，不影響原運(yùn)行方式，不影響系統(tǒng)及設(shè)備安全.消納風(fēng)電加熱凝結(jié)水時(shí)，電廠經(jīng)濟(jì)性大大提高，沒(méi)有風(fēng)電時(shí)，與原運(yùn)行系統(tǒng)一樣.采用第9種方案后，1臺(tái)300 MW級(jí)的火電機(jī)組每年(按4 000 h計(jì)算)可接納21.8億度棄風(fēng)電量，煤耗下降7.0 g·(kWh)－1，減少2.1萬(wàn)t CO2的排放量.因此，在火電廠回?zé)嵯到y(tǒng)中加裝電鍋爐來(lái)消納棄風(fēng)的方法具有可行性［5］.

4 結(jié)論

用電鍋爐替代抽汽來(lái)加熱回?zé)嵯到y(tǒng)的凝結(jié)水來(lái)消納風(fēng)電的方法，具有投資少、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高及經(jīng)

濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，在技術(shù)上具有可行性.該方法的實(shí)施對(duì)于火電廠而言，可以降低機(jī)組煤耗，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性;對(duì)于風(fēng)電廠而言，棄風(fēng)的電量得到了利用，增加了企業(yè)收益;對(duì)社會(huì)而言，CO2等污染物排放的減少，改善了生活環(huán)境質(zhì)量.

［1］ 張運(yùn)洲，白建華，辛頌旭.我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)及消納相關(guān)重大問(wèn)題研究［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2010，22(1):1－6.

［2］ 許睿超，羅衛(wèi)華.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的不利影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術(shù)，2011(2):1－4.

［3］ 王乃寧，張志剛.汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1987:45－46.

［4］ 林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1994.

［5］ 李巖，武慶源，王鵬.汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)改變對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響［J］.東北電力技術(shù)，2010(7):4－8.