燃煤電廠供熱能力提升策略探析

宋吉慶

摘 要：我國正在大力實(shí)施節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略，光伏和風(fēng)電為主的可再生能源機(jī)組迅速增長，大力發(fā)展可再生能源是我國未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分。為配合可再生能源機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)以及消除峰谷差日益增大對(duì)電網(wǎng)安全的影響，電網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組的調(diào)峰次數(shù)和品質(zhì)提出了更高的要求。在供暖季，受系統(tǒng)熱力特性的限制熱電廠均采取“以熱定電”的模式運(yùn)行，而供熱負(fù)荷隨時(shí)間變化緩慢，為保證供熱質(zhì)量，機(jī)組基本不具備調(diào)峰能力，穩(wěn)定的供熱需求和頻繁的調(diào)峰需求之間存在矛盾。已有一些電廠通過低壓缸零出力、高低旁路聯(lián)合供熱改造以及蓄熱式電鍋爐等技術(shù)來增強(qiáng)機(jī)組的調(diào)峰能力。

關(guān)鍵詞：深度調(diào)峰;熱電解耦;高低旁聯(lián)合供熱;低壓缸零出力

中圖分類號(hào)： TU833? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

目前，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用“以熱定電”的運(yùn)行方式，即通過汽輪機(jī)中排抽汽將蒸汽送入熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，再將符合熱網(wǎng)參數(shù)要求的循環(huán)水送至城市管網(wǎng)。但機(jī)組中排抽汽壓力受機(jī)組電負(fù)荷影響，電負(fù)荷過低會(huì)導(dǎo)致中排抽汽壓力不足，而無法將抽汽送至熱網(wǎng)加熱器，熱網(wǎng)循環(huán)水的溫度因此而降低。當(dāng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組受電網(wǎng)深度調(diào)峰政策限制，在采暖期機(jī)組負(fù)荷必須降至40%額定負(fù)荷以下，此時(shí)，熱網(wǎng)循環(huán)水溫度將受影響，如不降負(fù)荷就必須接受電網(wǎng)考核，熱、電矛盾使得大量火電機(jī)組在嚴(yán)寒期受到考驗(yàn)。

1 澠池?zé)犭姍C(jī)組供熱供汽概況

澠池?zé)犭姮F(xiàn)裝機(jī)為2臺(tái)350 MW超臨界雙抽凝汽式燃煤供熱機(jī)組，于2016年建成投產(chǎn)，汽輪機(jī)為型號(hào)CC350/291-24.2/1.3/0.4/566/566、超臨界、一次中間再熱、三缸兩排汽、單軸、抽汽凝汽式，與相應(yīng)容量的鍋爐和發(fā)電機(jī)配套，構(gòu)成大型燃煤發(fā)電機(jī)組，在電網(wǎng)中以帶基本負(fù)荷為主，也可承擔(dān)部份調(diào)峰任務(wù)，機(jī)組按以熱定電的方式運(yùn)行。

澠池?zé)犭姺謩e向義馬市和澠池縣提供居民采暖，熱力供售為躉售方式。管轄范圍包括供熱首站及一次網(wǎng)至廠界外一米，廠外一次網(wǎng)及二次網(wǎng)均由熱力公司所轄，一次網(wǎng)補(bǔ)水由澠池?zé)犭娯?fù)責(zé)，二次網(wǎng)補(bǔ)水由熱力公司負(fù)責(zé)。地區(qū)供熱期為當(dāng)年11月15日至次年3月15日，周期4個(gè)月。居民采暖供熱方式為汽輪機(jī)五段抽汽至供熱首站熱網(wǎng)加熱器加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，機(jī)組設(shè)計(jì)額定采暖抽汽2×265 t/h，供熱首站配置4臺(tái)管殼式熱網(wǎng)加熱器、1臺(tái)電動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵和2臺(tái)汽動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)泵，最大熱網(wǎng)供水流量7 320 t/h，設(shè)計(jì)供熱面積970萬m2。2019～2020年采暖季供熱面積460萬m2，采暖售熱量331.3萬吉焦。

澠池?zé)犭姵攒O售形式承擔(dān)地區(qū)城鎮(zhèn)采暖供熱外，還向周邊用汽企業(yè)以直供方式供給工業(yè)用汽。機(jī)組投產(chǎn)設(shè)計(jì)為采用旋轉(zhuǎn)隔板由中壓缸第六級(jí)后可調(diào)整抽汽方式對(duì)外供給工業(yè)蒸汽，廠界處蒸汽參數(shù)1.3 MPa、366℃。機(jī)組設(shè)計(jì)額定工業(yè)抽汽2×100t/h，最大抽汽量2×200t/h。

目前設(shè)置一根供汽管線，廠外工業(yè)供汽管網(wǎng)工程，從澠池?zé)犭娮罱K向澠池縣4家企業(yè)和產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)供汽敷設(shè)供熱管道滿足該片區(qū)的工業(yè)用戶的熱負(fù)荷需求，其中澠池縣4家企業(yè)為直供、產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)為躉售。于2016年6月9日正式開工，2017年3月全線供汽。熱網(wǎng)管道根據(jù)敷設(shè)路由的地形地貌、負(fù)荷類別、沿途的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)以及熱用戶分布位置情況，主要以直埋及架空相結(jié)合方式敷設(shè)管道。新建蒸汽管道總長度約8.89 km（展開長度）;主干線管徑DN400、DN350、DN300;管網(wǎng)設(shè)計(jì)最大流量為45 t/h。由于供汽量小，旋轉(zhuǎn)隔板經(jīng)濟(jì)性低，電廠于設(shè)計(jì)階段設(shè)置了壓力匹配器，由冷再引射中壓缸第六級(jí)抽汽。

2 燃煤機(jī)組供熱能力提升策略

2.1 低壓缸零出力

低壓缸零出力技術(shù)是保留少量冷蒸汽進(jìn)入低壓缸，實(shí)現(xiàn)低壓缸零出力運(yùn)行，更多的蒸汽進(jìn)入供熱系統(tǒng)，提高供熱能力，降低電負(fù)荷，同時(shí)降低發(fā)電煤耗。首先核算滿足制造廠設(shè)計(jì)的葉片強(qiáng)度條件下的最小流量，然后采用可完全密封的液壓蝶閥切除低壓缸進(jìn)汽管進(jìn)汽，新增旁路管道通入少量冷卻蒸汽，帶走低壓缸零出力后的鼓風(fēng)熱量來實(shí)現(xiàn)低壓缸零出力運(yùn)行，在滿足供熱的條件下減少機(jī)組負(fù)荷滿足電網(wǎng)深度調(diào)峰需求，實(shí)現(xiàn)熱電解耦[1]。

通過液壓蝶閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”與“滿出力”在線切換，在電網(wǎng)波谷階段低壓缸“零出力”實(shí)現(xiàn)機(jī)組深度調(diào)峰，在電網(wǎng)波峰階段低壓缸“滿出力”運(yùn)行，滿足電網(wǎng)用電需求，既實(shí)現(xiàn)了余熱回收，又滿足了電網(wǎng)峰谷需求，實(shí)現(xiàn)了熱電解耦。對(duì)于300 MW等級(jí)機(jī)組，改造后相同主蒸汽量條件下，采暖抽汽流量每增加100 t/h，供熱負(fù)荷增大約71 MW，電調(diào)峰能力增大約50 MW，發(fā)電煤耗降低約36 g/kWh。根據(jù)低壓缸零出力供熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和需求，改造總體工作范圍包括：供熱蝶閥改造、增設(shè)低壓缸冷卻蒸汽系統(tǒng)、配套汽輪機(jī)本體運(yùn)行監(jiān)視測(cè)點(diǎn)改造、低壓缸末級(jí)葉片抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理、低壓次末級(jí)、末級(jí)葉片運(yùn)行安全性校核、配套供熱系統(tǒng)改造、配套抽空氣系統(tǒng)改造、配套自動(dòng)控制系統(tǒng)改造、低壓缸零出力運(yùn)行調(diào)試。

2.2 高低旁路聯(lián)合供熱

為了解決火電機(jī)組因熱電耦合造成的考核金額巨大或熱網(wǎng)供水不達(dá)標(biāo)的問題，該方案基于高低旁聯(lián)合供熱模式的熱電解耦系統(tǒng)，能夠在降低機(jī)組負(fù)荷的情況下，將蒸汽送至熱網(wǎng)加熱器，確保熱網(wǎng)加熱器正常工作。

高壓旁路裝置由高壓旁路閥（高旁閥含減溫器）、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥等組成，減溫水取自高壓給水。高壓旁路的作用是將鍋爐出口的主蒸汽經(jīng)高壓旁路減溫減壓后引至再熱冷段[2]。

低壓旁路裝置由低壓旁路閥（低壓閥含減溫器）、噴水調(diào)節(jié)閥、噴水隔離閥、凝汽器入口減溫減壓器等組成，減溫水取自凝結(jié)水。低壓旁路的作用是將再熱器出口的再熱蒸汽經(jīng)低壓旁路管道減溫減壓后引至凝汽器[3]。

該方案基于火電機(jī)組高低壓旁路系統(tǒng)，創(chuàng)造性地利用高低壓旁路系統(tǒng)將蒸汽引入熱網(wǎng)加熱器，使熱網(wǎng)汽源不受機(jī)組負(fù)荷影響，實(shí)現(xiàn)熱電解耦。熱電解耦后的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，一方面可以提高機(jī)組在供暖的深度調(diào)峰能力與新能源機(jī)組的利用率，能夠促進(jìn)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí);另一方面，可以在采暖期實(shí)現(xiàn)機(jī)組熱電解耦，顯著提高機(jī)組的供熱能力，有力保障冬季供暖的安全、可靠性，社會(huì)效益顯著。

2.3 蓄熱式電鍋爐

電鍋爐供熱改造方案即在熱源側(cè)設(shè)置電熱鍋爐，以彌補(bǔ)低負(fù)荷供熱能力不足的缺口，以實(shí)現(xiàn)熱電解耦。該技術(shù)本質(zhì)上是利用設(shè)置的電鍋爐或蓄熱式電鍋爐直接加熱熱網(wǎng)循環(huán)水，增加電能消耗，降低電廠上網(wǎng)電量，變相實(shí)現(xiàn)提高機(jī)組的電調(diào)峰能力以及電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力。

目前，電熱鍋爐主要采用直接電熱鍋爐和蓄熱式電加熱鍋爐（蓄熱材料一般采用高鋁混凝土磚和氧化鎂磚）。從實(shí)現(xiàn)原理來看，電鍋爐具有“完全”的熱電解耦能力，熱電解耦能力強(qiáng)，不足之處在于直接將高品質(zhì)的電能轉(zhuǎn)換為熱能，雖然電能到熱能的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)99%以上，但電能的生產(chǎn)過程，一次能源的利用效率往往只有30%～40%（常規(guī)火電廠熱效率）。與直接利用熱能供熱的方式相比，供熱經(jīng)濟(jì)性差。此外，根據(jù)電鍋爐供熱改造調(diào)研情況，電鍋爐供熱改造單位投資約為1 000元/kW，投資高;且對(duì)電鍋爐供熱改造對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰政策的依耐性非常高，由于用電成本較高，如果沒有調(diào)峰政策補(bǔ)貼，則很難回收投資成本，政策風(fēng)險(xiǎn)較高。

3 供熱改造案例實(shí)踐

3.1 改造方案

選取澠池?zé)犭姷囊惶?hào)機(jī)組和二號(hào)機(jī)組，以低壓缸和中壓缸為調(diào)整對(duì)象，從2個(gè)氣壓缸里抽汽，一部分引入背壓小汽輪機(jī)，均勻引入，帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)做工。同時(shí)將排氣引入加熱器，控制循環(huán)水溫度，溫度在95℃時(shí)停止加熱。一部分汽被均勻引入加熱器內(nèi)，將循環(huán)水加熱至130℃使停止加熱。供熱參數(shù)見表1。

根據(jù)上述參數(shù)，在3臺(tái)加熱器共同運(yùn)行時(shí)，溫度可達(dá)120℃，飽和水壓力達(dá)到0.74 MPa，中低壓聯(lián)通管抽汽量為325 t/h。

3.2 方案應(yīng)用效果

將以上改造方案應(yīng)用到實(shí)踐中，先供熱120 d，平均熱負(fù)荷105 MW，標(biāo)準(zhǔn)煤消耗37 kg/GJ，年供熱量1 385 900 GJ，熱耗率為7 000 kJ·（kW·h）-1。。與改造前相比，供熱期內(nèi)節(jié)煤4 000 t，有效減少了二氧化碳和二氧化硫的排放，有效減少了對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的污染，同時(shí)提升了資源利用率。

3.3 投產(chǎn)后實(shí)際運(yùn)行情況

根據(jù)該文提出的改造方案構(gòu)建了新的燃煤供熱裝置，并于2019年9月投產(chǎn)。此前，做好了各項(xiàng)初期準(zhǔn)備工作，如方案調(diào)整、材料采購、人員配置等，并將投產(chǎn)城市管道充水，根據(jù)區(qū)域?qū)嵤┓侄翁幚?，沖洗水管并測(cè)試水壓，持續(xù)10天無異常情況后啟動(dòng)熱網(wǎng)循環(huán)水泵和城市循環(huán)水泵，使用除污器沖洗管道以提升水質(zhì)，在水質(zhì)達(dá)到要求后，運(yùn)行供熱改造裝置，低壓聯(lián)通抽汽參數(shù)為100 t/h，溫度逐漸從常溫上升到70℃，通過觀察運(yùn)行情況判斷控制需求，共開啟2臺(tái)熱循環(huán)水泵，流量1 800 t/h，水溫105℃，回水溫度59℃。系統(tǒng)熱負(fù)荷高峰期時(shí)，連通管抽氣量上升約80 t/h。

在此基礎(chǔ)上，為減少安全隱患，增加了6 kV母線段連接供熱裝置與異步發(fā)電機(jī)，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制在3 000 r/min，并設(shè)置變壓器計(jì)算電負(fù)荷量。與優(yōu)化前對(duì)比，用電量減少了3%，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

總而言之，如何在電負(fù)荷受限的情況下提升火電機(jī)組供熱能力，需要我們?cè)趯?shí)際工作中不斷的探索，總結(jié)教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)，該文對(duì)火電機(jī)組在有限電負(fù)荷工況下供熱能力提升技術(shù)進(jìn)行的探討，希望可以使火電機(jī)組盡快擺脫熱電不能解耦的困局，在保證對(duì)外供熱、供汽質(zhì)量不降的前提下，多參與電網(wǎng)的深度調(diào)峰工作，為我國實(shí)施的節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略貢獻(xiàn)力量，使可再生能源機(jī)組優(yōu)先發(fā)電的同時(shí)而不減熱負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)

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