化工區(qū)多熱源協(xié)同供熱成本和優(yōu)化分析

曾雪峰 薛明華 黃偉棟

1.國(guó)家電投集團(tuán)廣東電力有限公司 2.上海明華電力科技有限公司 3.上海漕涇熱電有限責(zé)任公司

0 前言

工業(yè)蒸汽熱網(wǎng)是化工、制藥等產(chǎn)業(yè)園區(qū)的重要公用基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)集中式供熱系統(tǒng)取代各企業(yè)自建的小型鍋爐是當(dāng)前的趨勢(shì)。此模式不僅可以顯著降低企業(yè)使用蒸汽的成本，提高供熱可靠性，更有利于保護(hù)園區(qū)環(huán)境，減少碳排放[1,2]。位于上海金山區(qū)的上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)是我國(guó)最具規(guī)模的化學(xué)工業(yè)園區(qū)，園區(qū)集聚了眾多在國(guó)際上有影響力的化工企業(yè)，由于化工企業(yè)對(duì)供熱蒸汽品質(zhì)有著極高的要求，本著節(jié)能、環(huán)保、減碳和資源循環(huán)利用這一原則，上?；瘜W(xué)工業(yè)區(qū)采用了集中供熱模式。目前供熱蒸汽來(lái)源是位于化工區(qū)內(nèi)的一座9F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)電廠和一座超超臨界燃煤電廠，其中燃機(jī)電廠除有燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)供熱，還有燃?xì)忮仩t作為備用蒸汽來(lái)源。目前高壓供熱蒸汽參數(shù)為：壓力4.4±0.1 MPa，溫度263±10 ℃。中壓供熱蒸汽的參數(shù)為：壓力2.2±0.1 MPa，溫度216±10 ℃。日常高壓和中壓供熱蒸汽負(fù)荷接近600 t/h的水平。

由于電力生產(chǎn)的特點(diǎn)，隨著熱電負(fù)荷的變化，燃?xì)廨啓C(jī)和燃煤電廠供熱成本不可能始終保持在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運(yùn)行[3]。因此，在多熱源協(xié)同供熱，熱網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生一定變化時(shí)，在確保熱網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性以及機(jī)組安全發(fā)電的前提下，對(duì)各熱源的供熱負(fù)荷進(jìn)行優(yōu)化分配十分必要。

目前國(guó)內(nèi)外熱電負(fù)荷優(yōu)化分配的主要應(yīng)用對(duì)象是同一類型機(jī)組電廠，廣大學(xué)者與工程師對(duì)此也進(jìn)行了廣泛研究，在數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法兩方面都取得了一定成果[4,5]，但往往存在目標(biāo)函數(shù)、約束條件和優(yōu)化算法過(guò)于復(fù)雜等問(wèn)題，不能得到有效的電廠運(yùn)行指導(dǎo)方式[6]。從所查閱的文獻(xiàn)看，對(duì)于多熱源協(xié)同供熱的不同類型電廠開(kāi)展供熱負(fù)荷分配的研究較少。

本文研究工業(yè)熱網(wǎng)多熱源協(xié)同供熱成本計(jì)算和供熱優(yōu)化問(wèn)題，采用微增利潤(rùn)法計(jì)算多熱源的供熱成本，當(dāng)工業(yè)熱網(wǎng)供熱量需求發(fā)生變化，對(duì)多個(gè)熱源電廠之間的供熱負(fù)荷優(yōu)化分配，在保證各用戶供熱質(zhì)量的前提下，結(jié)合熱網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與熱負(fù)荷情況，合理分配多個(gè)熱源間的供熱比，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的目標(biāo)。

1 多熱源機(jī)組微增利潤(rùn)法原理和方法

位于化工區(qū)的燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠擁有2 臺(tái)GE公司設(shè)計(jì)制造的9F 型聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)供機(jī)組和3臺(tái)燃?xì)忮仩t。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用雙軸布置，余熱鍋爐不補(bǔ)燃。當(dāng)蒸汽輪機(jī)供熱量過(guò)大，同時(shí)燃機(jī)負(fù)荷偏低，導(dǎo)致蒸汽輪機(jī)負(fù)荷過(guò)低時(shí)，將對(duì)燃機(jī)負(fù)荷進(jìn)行干預(yù)。如受天然氣或電調(diào)限制，將啟動(dòng)燃?xì)忮仩t增加供汽量。在實(shí)際運(yùn)行中優(yōu)先滿足化工區(qū)熱用戶的供熱需求，也承擔(dān)一定的電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)。3 臺(tái)燃?xì)忮仩t為臥式布置、單鍋筒、自然循環(huán)鍋爐。鍋爐前部為水平布置的爐膛，四周布滿膜式水冷壁，煙道內(nèi)布置蒸發(fā)受熱面、過(guò)熱器、省煤器。燃?xì)忮仩t主要運(yùn)行在出現(xiàn)供熱不足的情況下，從熱備狀態(tài)到滿負(fù)荷運(yùn)行僅需幾分鐘時(shí)間。

供熱蒸汽分為高壓和中壓蒸汽，高壓蒸汽來(lái)源主要有三處：一是余熱鍋爐新蒸汽經(jīng)由高壓減溫減壓裝置供汽；二是蒸汽輪機(jī)一段抽汽；三是燃?xì)忮仩t主供汽。中壓蒸汽來(lái)源主要也有三處：一是余熱鍋爐中壓過(guò)熱蒸汽；二是蒸汽輪機(jī)二段抽汽；三是燃?xì)忮仩t主供汽經(jīng)由中壓減溫減壓裝置供汽。

燃煤機(jī)組為百萬(wàn)超超臨界壓力機(jī)組，其中鍋爐型式為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐、一次中間再熱、采用單爐膛，單切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼結(jié)構(gòu)、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐。汽輪機(jī)型式或超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠?。高壓供熱汽源?lái)自汽機(jī)一段抽汽或者新蒸汽，中壓供熱汽源來(lái)自汽機(jī)二段抽汽。

本文計(jì)算多熱源機(jī)組的供熱成本，以利潤(rùn)為目標(biāo)函數(shù)，僅考慮燃料成本，不考慮其他諸如經(jīng)營(yíng)、人工、損耗等相關(guān)成本。燃料成本是計(jì)算的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其他成本的影響需在目標(biāo)函數(shù)的關(guān)系式上乘以或除以相關(guān)系數(shù)即可。

目標(biāo)函數(shù)中利潤(rùn)成本可用圖1表示：

圖1 利潤(rùn)成本關(guān)系圖

目標(biāo)函數(shù)中利潤(rùn)成本的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

式中：M——利潤(rùn)

Qd——機(jī)組發(fā)電量

Pd——上網(wǎng)電價(jià)

（2）節(jié)假日因素。節(jié)假日對(duì)于用戶以及企業(yè)用電都有很大的差別，我們?cè)谔幚頃r(shí)將其離散化，0表示工作日，1表示節(jié)假日。

Qr——機(jī)組供熱量，

Pr——供熱單價(jià)

Qm——燃料量

Pm——燃料單價(jià)

由于機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中的負(fù)荷變化有序平穩(wěn)，一般情況下，不會(huì)出現(xiàn)劇烈的負(fù)荷波動(dòng)，因此，本文采用微增利潤(rùn)最大的方法計(jì)算機(jī)組利潤(rùn)（供熱成本），其核心思想是假設(shè)1 h增加1 t供熱量，計(jì)算供熱蒸汽來(lái)自不同汽源點(diǎn)時(shí)的發(fā)電量、燃料量的變化量，從而得出增加1 t蒸汽獲得的利潤(rùn)。利潤(rùn)微增公式見(jiàn)式（2）。

式中ΔM 是增加供熱蒸汽后利潤(rùn)微增量。下標(biāo)1 表示增加高壓或中壓供熱1 h 增加1 t 后發(fā)電量、熱量、燃料量值，下標(biāo)2 表示未增加供熱的機(jī)組發(fā)電量、熱量、燃料量。以9F 型熱電聯(lián)供聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工作流程為例：天然氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部燃燒發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)排氣至余熱鍋爐，加熱余熱鍋爐中的水，產(chǎn)生新蒸汽推動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，同時(shí)可由蒸汽輪機(jī)進(jìn)行高壓抽汽和中壓抽汽。由該工作流程可知，余熱鍋爐出口新蒸汽流量是聯(lián)系燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的重要參數(shù)，可依據(jù)該中間變量建立聯(lián)合循環(huán)機(jī)組天然氣燃料消耗和熱負(fù)荷、電負(fù)荷之間的關(guān)系，從而計(jì)算增加供熱蒸汽后利潤(rùn)微增量[7]。燃?xì)忮仩t和燃煤電廠也可按照此方法的思路計(jì)算增加供熱蒸汽后利潤(rùn)微增量。

2 多熱源機(jī)組供熱成本分析

以微增利潤(rùn)計(jì)算方法為基礎(chǔ)，分別根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組與燃煤機(jī)組相關(guān)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組增加1 h 高壓或中壓供熱增加1 t 后利潤(rùn)的變化情況。由于燃?xì)忮仩t設(shè)備也參與工業(yè)熱網(wǎng)供熱，計(jì)算結(jié)果也包括燃?xì)忮仩t供熱成本分析。

2.1 燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組供熱成本分析

在表1工況下，每增加1 t高、中壓供熱量，燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)高壓供熱微增導(dǎo)致利潤(rùn)微增為：

中壓供熱微增導(dǎo)致利潤(rùn)微增為：75元/t蒸汽×h。

2.2 燃?xì)忮仩t供熱成本分析

表1 燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)利潤(rùn)微增值計(jì)算表

表2 燃?xì)忮仩t供熱利潤(rùn)微增值計(jì)算表

燃?xì)忮仩t也是化工區(qū)熱網(wǎng)高、中壓熱源供應(yīng)點(diǎn)，用于在緊急狀況下提供高中壓蒸汽。表2 給出了燃?xì)忮仩t運(yùn)行參數(shù)，序號(hào)13 和14 給出了燃?xì)忮仩t1 h高、中壓供熱微增1 t導(dǎo)致的利潤(rùn)微增計(jì)算數(shù)據(jù)值。在表2 工況下，每增加1 t 高、中壓供熱量，燃?xì)忮仩t高壓供熱微增導(dǎo)致利潤(rùn)微增為35 元/t 蒸汽×h，中壓供熱微增導(dǎo)致利潤(rùn)微增為40 元/t 蒸汽×h。

2.3 超超臨界燃煤機(jī)組供熱成本分析

為了分析燃煤機(jī)組供熱成本，以兩臺(tái)百萬(wàn)超超臨界機(jī)組為例，其中汽機(jī)出力等數(shù)據(jù)取自機(jī)組實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，煤價(jià)、上網(wǎng)電價(jià)等取自電廠財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。表3中序號(hào)16和17給出了1 h高、中壓供熱微增1 t 導(dǎo)致的利潤(rùn)微增計(jì)算數(shù)據(jù)值。新蒸汽指進(jìn)汽機(jī)發(fā)電之前的蒸汽，由于僅提供高壓供熱熱源，故僅對(duì)高壓供熱利潤(rùn)微增計(jì)算。

在表3工況下，高中壓蒸汽每增加1 t供熱量，1號(hào)機(jī)組高、中壓供熱微增使利潤(rùn)微增為138 元/t 蒸汽×h 和145 元/t 蒸汽×h。2 號(hào)機(jī)組高、中壓供熱微增導(dǎo)致利潤(rùn)微增為139元/t蒸汽×h和146元/t蒸汽×h。新蒸汽高壓供熱微增使利潤(rùn)微增為115元/t 蒸汽×h。由數(shù)據(jù)可見(jiàn)，兩臺(tái)燃煤機(jī)組之間的利潤(rùn)微增差異較小。由于新蒸汽未直接參與發(fā)電，新蒸汽直接減溫減壓產(chǎn)生的高壓蒸汽利潤(rùn)增值明顯比汽輪機(jī)一段抽汽少，顯然這是一種不經(jīng)濟(jì)的供熱方式。

表3 燃煤機(jī)組供熱利潤(rùn)微增值計(jì)算表

2.4 供熱成本對(duì)比與分析

圖2 高壓、中壓供熱成本微增利潤(rùn)圖

以上分別計(jì)算了燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組、燃?xì)忮仩t和超超臨界燃煤機(jī)組高中壓供熱蒸汽增加1 t 時(shí)，產(chǎn)生的利潤(rùn)微增計(jì)算情況，本文以1 號(hào)燃煤機(jī)組為例。圖2給出了各機(jī)組之間的微增利潤(rùn)比較。

由圖2可知，對(duì)于高壓和中壓蒸汽，燃煤機(jī)組微增利潤(rùn)最多，燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的微增利潤(rùn)次之，燃?xì)忮仩t的微增利潤(rùn)最少。這是由于煤價(jià)、天然氣價(jià)格以及機(jī)組效率共同影響的結(jié)果。因此從利潤(rùn)最大角度考慮，多熱源供熱網(wǎng)首先保證燃煤機(jī)組的供熱量，其后依次是燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)以及燃?xì)忮仩t的供熱，增量利潤(rùn)才能最大化。

3 總結(jié)

本文采用微增利潤(rùn)法計(jì)算供熱成本，利用新蒸汽流量建立不同機(jī)組燃料消耗量和熱負(fù)荷、電負(fù)荷之間的關(guān)系。其核心思想是假設(shè)增加1 t供熱量，計(jì)算供熱蒸汽來(lái)自不同汽源點(diǎn)時(shí)的發(fā)電量、燃料量以及機(jī)組功率的變化量，從而計(jì)算得出增加1t蒸汽獲得的利潤(rùn)值。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于化工區(qū)內(nèi)多熱源機(jī)組，超超臨界燃煤機(jī)組高中壓供熱微增利潤(rùn)最大、燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組高中壓供熱微增利潤(rùn)次之，燃?xì)忮仩t高中壓供熱微增利潤(rùn)居于末位，上述為綜合考慮煤價(jià)、天然氣價(jià)格以及機(jī)組效率共同影響的結(jié)果。