燃煤熱電機組適應(yīng)性供熱技術(shù)應(yīng)用

山西國錦煤電有限公司 趙 明 太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院 劉嘉樂

近年來，我國新能源快速發(fā)展，局部裝機占比過大，火電廠需要降低負(fù)荷為其騰出消納空間[1-2]。但火電廠“以熱定電”的傳統(tǒng)運行方式，使供熱和新能源消納的矛盾日益凸顯，因此越來越多的機組進行了供熱增容改造。目前供熱增容改造技術(shù)主要包括高背壓供熱、低壓缸零出力供熱、高中壓缸旁路供熱等[3-5]。高背壓供熱利用低壓缸排汽加熱循環(huán)水，冷源損失降低，供熱經(jīng)濟性最高；但熱電耦合特性加重，運行靈活性差，無法參與新能源消納。低壓缸零出力供熱僅向低壓缸通入少量冷卻蒸汽，以實現(xiàn)采暖抽汽最大化；供熱經(jīng)濟性較好，且一定程度上弱化了機組熱電耦合特性。高中壓缸旁路供熱利用供熱蒸汽不進入汽輪機實現(xiàn)最大程度的熱電解耦，供熱能力強；但經(jīng)濟性差，且對設(shè)備運行可靠性要求高。

1 機組概況

山西國錦煤電有限公司位于山西省交城縣境內(nèi)，一期工程為2×300MW亞臨界空冷的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，配置2×1070t/h循環(huán)流化床鍋爐。汽輪機為雙缸雙排汽、一次中間再熱、抽凝式直接空冷型式。給水回?zé)嵯到y(tǒng)共7級，為3高加+1除氧+3低加型式，低加疏水逐級回流，除氧器滑壓運行。

國錦電廠同步向太原市和交城縣供熱，其設(shè)計供熱方式為五段采暖抽汽供熱。隨著兩地經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，為提升機組的調(diào)峰靈活性和供熱能力，電廠已先后對1、2號機組完成高背壓供熱、低壓缸空載供熱改造。針對遠期供熱規(guī)劃，計劃對2號機組進行高低壓旁路聯(lián)合供熱改造。該電廠一次熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示，兩地?zé)峋W(wǎng)回水混合后依次流經(jīng)1、2號熱網(wǎng)凝汽器，再分別流向?qū)?yīng)的熱網(wǎng)加熱器后對外供熱。其中1、2號熱網(wǎng)凝汽器汽源分別為1、2號機組低壓缸排汽，交城、太原熱網(wǎng)加熱器的高溫蒸汽來自于兩機組的五段抽汽；加熱器均設(shè)置有旁路管道，均可被安全切除。

圖1 一次熱網(wǎng)循環(huán)水流程圖

2 智能化適應(yīng)性供熱模式

2.1 適應(yīng)性供熱模式

在初寒期→嚴(yán)寒期→末寒期的全供熱工況下，供熱需求隨環(huán)境溫度不斷變化。僅使用單一供熱模式時，熱電機組會存在以下問題：初末寒期供熱需求較低，只進行了低壓缸空載或高低壓旁路聯(lián)合供熱改造的機組抽汽參數(shù)高，能量損耗較大，供熱經(jīng)濟性低；嚴(yán)寒期只進行了高背壓供熱改造的機組供熱能力不足。因此熱電廠應(yīng)根據(jù)供熱需求和鍋爐負(fù)荷合理選擇供熱模式。燃煤熱電機組智能化適應(yīng)性供熱系統(tǒng)包括A～F6種供熱模式，1#機組分別為：A乏汽供熱、B抽乏汽供熱、C空載供熱、D抽汽高背壓供熱、E空載供熱、F空載供熱；2#機組分別為：A高背壓供熱、B抽汽高背壓供熱、C抽汽高背壓供熱、D空載供熱、E空載供熱、F高低旁供熱。

模式A：雙機高背壓供熱。1號機組背壓較低(約14kPa)，2號機組背壓較高(約32kPa)，梯級利用兩臺汽機乏汽熱量。該模式僅適用于初末寒期，熱負(fù)荷需求很低，兩地供水溫度均低于70℃的情況下；模式B：雙機抽汽高背壓供熱。在模式A基礎(chǔ)上關(guān)小低壓缸進汽蝶閥，開大采暖抽汽蝶閥，利用兩臺機組的五段抽汽繼續(xù)加熱循環(huán)水；模式C、D：單機抽汽高背壓+單機空載供熱。這兩種模式下，單臺機組保持抽汽高背壓供熱運行。另一臺機組投入羅茨真空泵，并調(diào)節(jié)空冷風(fēng)機列數(shù)和頻率以降低機組背壓，并僅向低壓缸通入約80t/h的冷卻流量，實現(xiàn)采暖抽汽量提升；模式E：雙機空載供熱。該模式下兩臺機組均僅在空載工況下運行，兩臺熱網(wǎng)凝汽器均被切除；模式F：單機空載+單機高低旁供熱。在模式E的基礎(chǔ)上增加2號鍋爐出力，通過高低壓旁路增加供熱蒸汽量，不改變高壓缸進汽量，在不影響電負(fù)荷的前提下實現(xiàn)供熱能力的提升。

2.2 不同模式的最大供熱能力

上述供熱模式的本質(zhì)區(qū)別在于運行背壓和抽汽位置不同。根據(jù)不同背壓下低壓缸的最小排汽流量，計算不同位置的最大抽汽流量，即可得到機組的最大供熱能力。其中低壓缸最小排汽量與背壓關(guān)系如圖2所示。供熱期國錦電廠還承擔(dān)了共計249.1t/h的工業(yè)抽汽，將其平攤至兩臺機組后，計算最大連續(xù)蒸發(fā)量（TMCR）下不同模式的最大供熱能力，結(jié)果詳見圖3。

圖2 不同背壓下的低壓缸最小排汽量

圖3 不同供熱模式的最大供熱量和發(fā)電量

可以看出，相同鍋爐負(fù)荷下模式A→F的最大供熱能力逐漸增加而發(fā)電量逐漸減小。因此，采暖抽汽位置越靠前供熱蒸汽參數(shù)越高、機組的供熱能力越強，但發(fā)電量會減小、即經(jīng)濟性降低。其中模式C、D只是1、2號機組運行模式互換，最大供熱能力和發(fā)電量基本一致。當(dāng)模式B供熱能力不足需切換至供熱能力更高的模式時，一般選擇模式C。此時1號機背壓由較低的14kPa降至4kPa，相較于D模式下2號機由32kPa降至4kPa，運行工況變動較小，更為安全。F模式下兩臺機組供熱能力達到最大，約1105MW，在保證最大工業(yè)抽汽的前提下，供熱面積可達2450萬平方米，可滿足遠期供熱規(guī)劃。

3 智能化適應(yīng)性供熱系統(tǒng)

3.1 適應(yīng)性供熱策略

適應(yīng)性供熱思路為：首先根據(jù)燃煤鍋爐的實時蒸發(fā)量求出各模式的當(dāng)前最大供熱量，在模式最大供熱能力滿足熱力公司所下發(fā)供熱負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，選擇發(fā)電量最大的模式，稱其為最優(yōu)模式；然后根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)所處模式判斷需進行模式間切換或模式內(nèi)優(yōu)化，并給出相關(guān)建議；最后運行人員根據(jù)提示執(zhí)行相關(guān)操作。若六種供熱模式均無法滿足供熱需求，則在適應(yīng)性供熱界面中顯示“機組供熱極限不滿足需求”。

3.2 當(dāng)前供熱模式判別

圖4 適應(yīng)性供熱技術(shù)思路

表1 測試結(jié)果

表2 優(yōu)化供熱參數(shù)

適應(yīng)性供熱系統(tǒng)需自動識別當(dāng)前供熱模式。若當(dāng)前模式不是最優(yōu)模式時則建議進行模式間切換。比較當(dāng)前供熱出力和熱負(fù)荷需求，若當(dāng)前出力大于需求則選擇較低供熱出力模式；若當(dāng)前出力小于需求，則選擇較高供熱出力模式；并在燃煤熱電廠智能化適應(yīng)性供熱界面中顯示具體應(yīng)切換至何供熱模式，以及切換的順控步驟。同時在模式切換完成兩小時內(nèi)不再給出切換建議，避免頻繁操作。

若當(dāng)前模式是最優(yōu)模式，則比較至太原、交城一次熱網(wǎng)的出水溫度和熱力公司要求的供熱溫度。若出水溫度與供熱溫度間的差值小于供熱溫度偏差限值2℃時，則不進入進行模式優(yōu)化；若出水溫度與供熱溫度間差值大于該限值，則進行模式內(nèi)優(yōu)化計算，給出調(diào)整建議。不同供熱模式采暖抽汽位置及運行背壓不同，因此優(yōu)化的運行參數(shù)也不同。如將背壓調(diào)整至某值、將抽汽量調(diào)整至某值、將蒸發(fā)量調(diào)整至某值等，并在適應(yīng)性供熱界面中顯示。

3.3 適應(yīng)性供熱技術(shù)應(yīng)用效果

本技術(shù)應(yīng)用在國電智深DCS系統(tǒng)上完成系統(tǒng)搭建。

在當(dāng)前運行模式為C，太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度循環(huán)水量分別為8000t/h和4000t/h，1、2號機組蒸發(fā)量分別為720t/h和765t/h的工況下，通過改變太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度供水溫度，測試適應(yīng)性供熱系統(tǒng)的有效性（表1）。通過測試結(jié)果可看出，隨著太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度水溫的升高，最優(yōu)模式依次從模式A升至模式F。若當(dāng)前模式不是最優(yōu)模式時，適應(yīng)性供熱系統(tǒng)提示模式切換、順控方向和步驟。若當(dāng)前模式是最優(yōu)模式時（如測試4、5組），適應(yīng)性供熱系統(tǒng)提示模式優(yōu)化及優(yōu)化供熱參數(shù)，包括1、2號機向太原和交城熱網(wǎng)供汽量、優(yōu)化背壓及優(yōu)化發(fā)電量，如表2所示。實驗結(jié)果表明，該適應(yīng)性供熱系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動選擇模式切換或運行參數(shù)優(yōu)化，使供熱負(fù)荷與供熱需求間誤差不超過1%。