600 MW火電機(jī)組供電煤耗拐點(diǎn)分布規(guī)律探析

李一飛，聶陳翰

(1.福建華電電力工程公司，福州　350512；2.福建華電可門發(fā)電公司，福州　350512)

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600 MW火電機(jī)組供電煤耗拐點(diǎn)分布規(guī)律探析

李一飛1，聶陳翰2

(1.福建華電電力工程公司，福州350512；2.福建華電可門發(fā)電公司，福州350512)

供電煤耗是火力發(fā)電廠發(fā)電設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性能的總指標(biāo)，反映發(fā)電廠各方面工作水平。對(duì)某電廠海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷率與供電煤耗間存在非線性關(guān)系，且存在明顯的煤耗拐點(diǎn)。通過試驗(yàn)確定了單機(jī)煤耗拐點(diǎn)特性，分析了汽輪機(jī)熱耗率、鍋爐效率、輔機(jī)廠用電率及外部因素對(duì)供電煤耗的影響，為火電廠檢修安排、負(fù)荷分配、發(fā)電量計(jì)劃制定等工作提供技術(shù)支持。

火電廠；供電煤耗；拐點(diǎn)；汽輪機(jī)熱耗率；鍋爐效率；廠用電率

0　引言

某火電廠目前裝機(jī)容量為4×600 MW，汽輪機(jī)組采用上海汽輪機(jī)廠有限公司引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的N600-24.2/566/566型600 MW超臨界、單軸、三缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)，鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)煤種為神府煤，校核煤種為晉北煤。

2014年9月，國家發(fā)改委、國家能源局和國家環(huán)保部等三部委聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》中要求，到2020年，現(xiàn)役600 MW及以上機(jī)組(除空冷機(jī)組)改造后平均供電煤耗低于300 g/(kW·h)，其中600 MW超臨界濕冷機(jī)組供電煤耗先進(jìn)值應(yīng)達(dá)297 g/(kW·h)，與該指標(biāo)相比，該廠還存在一定差距。通過有效的技術(shù)改造及管理提升來深挖電廠節(jié)能潛力，迫在眉睫。

針對(duì)當(dāng)前火電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)持續(xù)下降的現(xiàn)狀，分析機(jī)組的負(fù)荷率、環(huán)境溫度及燃用煤種等因素對(duì)供電煤耗的影響，從更精細(xì)的角度挖掘設(shè)備的節(jié)能潛力，力保機(jī)組更長(zhǎng)時(shí)間處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)域，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組負(fù)荷與供電煤耗間存在非線性關(guān)系，且單機(jī)具備特有的煤耗特性。摸清機(jī)組煤耗分布規(guī)律，有利于電廠進(jìn)行經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

1　歷史數(shù)據(jù)的回歸分析

單元機(jī)組的煤耗水平主要由設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)水平?jīng)Q定，包括汽輪機(jī)設(shè)計(jì)熱耗率、鍋爐設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)廠用電率、制造工藝與質(zhì)量等[1]。設(shè)計(jì)煤耗一般是機(jī)組設(shè)計(jì)條件及額定負(fù)荷時(shí)的保證值，運(yùn)行供電煤耗常高于設(shè)計(jì)供電煤耗，其主要影響因素為：環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷率、燃用煤種等外部因素；設(shè)備健康狀態(tài)、運(yùn)行的合理性等內(nèi)部因素。將負(fù)荷率、環(huán)境溫度及燃用煤種等因素對(duì)供電煤耗的影響修正后，供電煤耗和設(shè)計(jì)供電煤耗仍存在一定差距，該差距就是設(shè)備健康程度和機(jī)組運(yùn)行合理性的影響結(jié)果，是機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的潛力所在[2]。通過數(shù)據(jù)分析，查找差距，探明癥結(jié)所在。

供電煤耗是指發(fā)電廠向廠外每供出1 kW·h電能所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量。由公式(1)與(2)，根據(jù)入爐煤、油計(jì)量裝置實(shí)測(cè)的發(fā)電所耗原煤量和燃油量，按平均熱值計(jì)算出耗用的標(biāo)準(zhǔn)煤量，然后再計(jì)算得到的供電煤耗稱為正平衡供電煤耗[3]；由公式(1)與(3)根據(jù)鍋爐效率和鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽含熱量反算出的供電煤耗，稱為反平衡供電煤耗。

(1)

(2)

(3)

式中：bg為供電煤耗，g/(kW·h)；bf為發(fā)電煤耗，g/(kW·h)；e為發(fā)電廠用電率，%；Be為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)耗用標(biāo)準(zhǔn)煤量，t；W為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)發(fā)電量，kW·h；q為汽輪機(jī)熱耗率，kJ/(kW·h)；Qnet,ar為收到基低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，%；ηg為管道效率，%。

根據(jù)該電廠近3年的機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，正平衡計(jì)算得到海量的供電煤耗數(shù)據(jù)，采用反平衡計(jì)算校核，剔除偏差較大的數(shù)值。這些長(zhǎng)期運(yùn)行積累的海量歷史數(shù)據(jù)包含豐富的機(jī)組性能、運(yùn)行邊界和工況信息[4]，通過回歸分析，采用最小二乘法擬合，得到機(jī)組的煤耗特性二次曲線，如圖1所示。由圖1可知，供電煤耗與負(fù)荷存在非線性關(guān)系，且存在一個(gè)煤耗過渡區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)極狹窄，難以定義，可近似認(rèn)為是在某負(fù)荷點(diǎn)附近，稱為煤耗拐點(diǎn)。負(fù)荷低于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較高且變化趨勢(shì)明顯，為高煤耗區(qū)；負(fù)荷高于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較低且變化趨勢(shì)緩慢，為平穩(wěn)區(qū)；接近滿負(fù)荷時(shí)，煤耗略有上升。將拐點(diǎn)附近稱為煤耗經(jīng)濟(jì)區(qū)，通過合理調(diào)度，盡量讓機(jī)組負(fù)荷較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在這一區(qū)域，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)煤耗。

圖1　某電廠機(jī)組負(fù)荷-煤耗分布曲線(回歸擬合)

2　煤耗試驗(yàn)

機(jī)組運(yùn)行中存在較多干擾因素，且實(shí)際工況下負(fù)荷點(diǎn)隨機(jī)分布在各負(fù)荷段，降低了曲線擬合精確度，因此圖1所示煤耗拐點(diǎn)并不明顯。為確定單機(jī)煤耗拐點(diǎn)特性，該電廠通過分機(jī)組煤耗試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

試驗(yàn)周期為1周，保持試驗(yàn)期間煤種穩(wěn)定，在特定負(fù)荷段下穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(1)消除輔助用汽、吹灰、煤種變化等擾動(dòng)因素，試驗(yàn)前標(biāo)定了給煤機(jī)并剔除了煤量累計(jì)誤差。機(jī)組試驗(yàn)工況期間的煤耗，不代表機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下的煤耗[5]。

(2)根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，#1與#2機(jī)組，#3與#4機(jī)組煤耗特性分別相近，為避免負(fù)荷調(diào)度困難，只選取#1，#4機(jī)組作為試驗(yàn)對(duì)象。

(3)選取不同的負(fù)荷段，燃燒同一煤質(zhì)，采取相同的磨煤機(jī)組合方式，進(jìn)行穩(wěn)定工況試驗(yàn)。燃用與設(shè)計(jì)煤種相近的煤種，熱值偏差小于0.1 MJ/kg。試驗(yàn)工況負(fù)荷為210，270，330，390，450，510，570，600 MW，各工況持續(xù)2 h。

(4)計(jì)算期煤量采用給煤機(jī)累計(jì)基數(shù)差值，計(jì)算期電量采自關(guān)口電量表計(jì)。

利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正平衡計(jì)算，并通過反平衡計(jì)算校核，篩選試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]，得到電廠的負(fù)荷-煤耗基準(zhǔn)曲線，如圖2所示。由圖2可知，#1，#4機(jī)組存在煤耗拐點(diǎn)，該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)負(fù)荷為450 MW。拐點(diǎn)附近負(fù)荷為經(jīng)濟(jì)區(qū)(結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及電廠實(shí)際情況，定義拐點(diǎn)附近煤耗±3 g/(kW·h)區(qū)域?yàn)槊汉慕?jīng)濟(jì)區(qū))：負(fù)荷低于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較高且變化趨勢(shì)明顯，為高煤耗區(qū)；負(fù)荷高于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較低且變化趨緩，為平穩(wěn)區(qū)。另外，本次試驗(yàn)時(shí)間為7月份，不同試驗(yàn)月份，拐點(diǎn)應(yīng)有所偏移。

圖2　某電廠600 MW超臨界機(jī)組負(fù)荷-煤耗基準(zhǔn)曲線

3　影響因素的理論分析

在實(shí)際運(yùn)行中，煤種變化與機(jī)組發(fā)電負(fù)荷率是影響供電煤耗的最主要因素。鍋爐、汽輪機(jī)以及輔機(jī)等設(shè)備隨負(fù)荷、煤質(zhì)的變化表現(xiàn)出不同的運(yùn)行特性，它們共同決定了整臺(tái)機(jī)組供電煤耗的變化趨勢(shì)。

3.1汽輪機(jī)熱耗率的影響

負(fù)荷降低時(shí)，汽輪機(jī)熱耗率呈明顯升高的趨勢(shì)[2]。圖3給出了幾種典型的汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率與負(fù)荷的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，對(duì)于不同類型的機(jī)組，設(shè)計(jì)熱耗率隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)一致，有明顯的規(guī)律性。

圖3　不同機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率與負(fù)荷的關(guān)系曲線

汽輪機(jī)熱耗特性方程可以通過熱力試驗(yàn)求得，根據(jù)各試點(diǎn)的修正計(jì)算結(jié)果畫出熱耗率與發(fā)電機(jī)功率的關(guān)系曲線，即熱耗特性曲線。圖4為該電廠600 MW超臨界機(jī)組設(shè)計(jì)熱耗率、實(shí)際熱耗率與負(fù)荷的關(guān)系曲線，兩條曲線均存在明顯的拐點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，該曲線可近似表示為一直線，如果額定負(fù)荷不等于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，此特性曲線就是一條折線，拐點(diǎn)就是經(jīng)濟(jì)負(fù)荷點(diǎn)。

3.2鍋爐效率的影響

鍋爐效率主要受燃燒煤質(zhì)特性的影響。該電廠2011年前燃用煤種與設(shè)計(jì)煤種的低位熱值差小于0.1 MJ/kg，對(duì)制粉系統(tǒng)運(yùn)行及鍋爐燃燒影響不大。2011年后該廠摻燒劣質(zhì)煤常態(tài)化，平均低位熱值下降2.0 MJ/kg。煤質(zhì)變差，鍋爐飛灰、底渣、排煙溫度明顯上升，同負(fù)荷下燃煤量增加，鍋爐輔機(jī)耗電率增加，導(dǎo)致機(jī)組供電煤耗增加。對(duì)于不同類型的鍋爐，鍋爐設(shè)計(jì)效率與負(fù)荷之間沒有一致的規(guī)律性，圖5給出了幾種典型容量鍋爐效率隨負(fù)荷的變化曲線，其中600 MW超臨界機(jī)組鍋爐效率最高。

圖7　不同負(fù)荷下廠用電率分布

圖4　某電廠設(shè)計(jì)熱耗率、實(shí)際熱耗率與負(fù)荷的關(guān)系曲線

圖5　不同鍋爐設(shè)計(jì)效率與負(fù)荷的關(guān)系

圖6為反平衡推算的該電廠#3鍋爐效率與負(fù)荷的關(guān)系曲線。由圖6可知，600 MW超臨界鍋爐最佳效率區(qū)基本穩(wěn)定在70%～80%負(fù)荷的范圍內(nèi)。從實(shí)際運(yùn)行情況看，隨著負(fù)荷的降低，氣體與固體不完全燃燒熱損失將會(huì)增加，在維持原有過量空氣系數(shù)的情況下，排煙熱損失隨排煙溫度的降低而有所減少，鍋爐效率大都呈下降趨勢(shì)。低于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，鍋爐效率急劇下降，而高于經(jīng)濟(jì)負(fù)荷時(shí)，鍋爐效率也逐漸下降，但下降趨勢(shì)平緩。但從歷史性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鍋爐效率的影響遠(yuǎn)小于汽輪機(jī)熱耗率的影響。

圖6　某電廠 #3鍋爐效率與負(fù)荷的關(guān)系曲線

3.3輔機(jī)廠用電率的影響

整臺(tái)發(fā)電機(jī)組中包含了許多輔機(jī)，各輔機(jī)耗電受負(fù)荷影響程度不同。根據(jù)該電廠廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)采集的數(shù)據(jù)對(duì)各輔機(jī)的耗電率進(jìn)行分析，得出了機(jī)組廠用電率的分布情況以及隨負(fù)荷的變化情況，從而了解廠用電率的內(nèi)在變化規(guī)律。從圖7可見，隨著負(fù)荷率的下降，在廠用電率中占比較大且上升明顯的主要輔機(jī)包括循環(huán)水泵、脫硫系統(tǒng)、一次風(fēng)機(jī)和磨煤機(jī)。

分析該電廠2015年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，廠用電率與機(jī)組負(fù)荷并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，還受煤質(zhì)等因素的影響[7]。以滿負(fù)荷時(shí)的廠用電率為基準(zhǔn)，計(jì)算不同負(fù)荷率下廠用電率與基準(zhǔn)廠用電率的比值，編制比廠用電率圖，可更加直觀地分析廠用電率與負(fù)荷的關(guān)系。如圖8所示，負(fù)荷率35%時(shí)對(duì)廠用電率的影響是滿負(fù)荷時(shí)的1.64倍左右；負(fù)荷率高于75%，影響逐漸平緩。因此，廠用電率變化對(duì)供電煤耗的影響也存在一個(gè)從急劇變化到平緩過渡的過程。受環(huán)境及負(fù)荷因素的制約，影響比重較大的循環(huán)水泵耗電率等呈現(xiàn)較為明顯的變化規(guī)律，這在調(diào)整輔機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式時(shí)可作為重要的考量因素。

圖8　負(fù)荷率與比廠用電率的關(guān)系曲線

3.4外部因素的影響

實(shí)際運(yùn)行中，受內(nèi)外部因素影響，機(jī)組煤耗拐點(diǎn)曲線并非固定不變。從該電廠負(fù)荷-煤耗曲線的變化趨勢(shì)看，與該區(qū)域海水(含環(huán)境)溫度趨勢(shì)基本相同。隨著海水溫度的上升，煤耗拐點(diǎn)也同步上移,這是機(jī)組固有特性。實(shí)際的負(fù)荷-煤耗曲線受外部因素影響較大，海水溫度是導(dǎo)致煤耗拐點(diǎn)出現(xiàn)上述規(guī)律的重要因素。

由圖9可知，春、冬季在機(jī)組負(fù)荷率75%附近出現(xiàn)煤耗拐點(diǎn)，而在夏、秋季，隨著環(huán)境溫度和海水溫度的上升，煤耗拐點(diǎn)明顯上移，7，8，9這3個(gè)月的煤耗拐點(diǎn)均在負(fù)荷率80%以上。

在實(shí)際運(yùn)行中，各電廠都希望機(jī)組盡量在高負(fù)荷運(yùn)行，以保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全穩(wěn)定運(yùn)行。但在當(dāng)前持續(xù)低負(fù)荷常態(tài)化的形勢(shì)下，結(jié)合電廠各機(jī)組的煤耗特性，盡量將機(jī)組負(fù)荷安排在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷區(qū)域，不失為一種有效的節(jié)能手段，在電廠近年的實(shí)踐中也充分體現(xiàn)了這一策略的可行性。

圖9　某電廠2013，2014年煤耗拐點(diǎn)分布情況

4　結(jié)論

(1)從歷史數(shù)據(jù)以及煤耗試驗(yàn)可知，供電煤耗與負(fù)荷存在非線性關(guān)系，且存在一個(gè)煤耗經(jīng)濟(jì)過渡區(qū)，定義為煤耗拐點(diǎn)。負(fù)荷低于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較高且變化明顯，負(fù)荷高于拐點(diǎn)時(shí)，煤耗較低且變化趨緩。

(2)實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組負(fù)荷不可控，是影響供電煤耗的最大外部因素。鍋爐、汽輪機(jī)以及輔機(jī)等設(shè)備隨負(fù)荷變化表現(xiàn)出不同的運(yùn)行特征，共同影響機(jī)組的供電煤耗。

(3)理論上，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷越高，鍋爐效率越高，汽輪機(jī)熱耗率越小，煤耗越低，發(fā)電煤耗和供電煤耗均有此規(guī)律。

(4)根據(jù)該電廠的歷史數(shù)據(jù)繪制熱耗率隨負(fù)荷的變化曲線以及鍋爐效率、廠用電率變化曲線。供電煤耗隨機(jī)組負(fù)荷的變化趨勢(shì)與熱耗率、廠用電率隨負(fù)荷的變化趨勢(shì)一致。研究負(fù)荷與鍋爐效率、熱耗率、廠用電率的變化規(guī)律，就可以明確負(fù)荷與煤耗的變化規(guī)律。

(5)從歷史數(shù)據(jù)看，不處在最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)的機(jī)組，盲目提高負(fù)荷，影響煤耗的程度有可能被放大。機(jī)組負(fù)荷率相同的情況下，峰谷差越大的機(jī)組日平均供電煤耗越大。

綜上所述，由于客觀存在負(fù)荷率結(jié)構(gòu)性差異，全年負(fù)荷-煤耗拐點(diǎn)具有規(guī)律性，摸清分機(jī)組特定時(shí)段的煤耗特性，對(duì)全年的檢修安排、負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配、發(fā)電量計(jì)劃等有一定的指導(dǎo)意義。

[1]全國發(fā)電機(jī)組技術(shù)協(xié)作會(huì).影響600 MW等級(jí)機(jī)組供電煤耗的因素[J].電力技術(shù),2010，19(2):1-3.

[2]劉福國,蔣學(xué)霞,李志.燃煤發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率影響供電煤耗的研究[J].電站系統(tǒng)工程,2008，24(4):47-49.

[3]火力發(fā)電廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算方法：DL/T 904—2004[S].

[4]王寧玲,付鵬,陳德剛,等.大數(shù)據(jù)分析方法在廠級(jí)負(fù)荷分配中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015(1):68-73.

[5]張軍科.600 MW機(jī)組深度調(diào)峰供電煤耗研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015(4):129-130.

[6]張磊,秦嶺,陸超,等.600 MW機(jī)組正反平衡煤耗試驗(yàn)研究[J].電力與能源,2015，36(3):401-403.

[7]張方,吳京龍,林柏林.煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組發(fā)電煤耗的影響分析[J].機(jī)電信息,2013(27):115-116.

(本文責(zé)編：劉芳)

2016-04-25；

2015-05-19

TM 621

A

1674-1951(2016)06-0013-04

李一飛(1974—)，男，福建莆田人，工程師，從事電廠熱能動(dòng)力等方面的研究。

聶陳翰(1984—)，男，福建閩清人，工程師，工學(xué)碩士，從事電廠節(jié)能減排等方面的研究(E-mail:niechenh@163.com)。