300 MW亞臨界機(jī)組的熱電解耦模式對比

朱旭東，馬紅和，韓 洋

(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引 言

隨大數(shù)據(jù)時(shí)代的高速發(fā)展以及人工智能技術(shù)的迭代更新，我國區(qū)域供熱系統(tǒng)正在由三代向四代發(fā)展[1-2]，四代區(qū)域供熱系統(tǒng)具體為減少化石燃料，增加可再生能源供熱比例，并與智能電網(wǎng)[3]共建能源互聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，我國可再生能源進(jìn)入規(guī)模化倍速發(fā)展階段[4-7]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年底，我國可再生能源發(fā)電裝機(jī)量占比接近40%，其中風(fēng)電、光伏發(fā)電等可間歇性能源發(fā)電的裝機(jī)量逐年上升且大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電[8-10]，給電網(wǎng)調(diào)峰工作帶來較大壓力，進(jìn)而導(dǎo)致棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象加重。此外，隨城市的不斷發(fā)展，對冬季供暖需求增大，現(xiàn)有供熱機(jī)組不足以支撐城市供熱。供熱機(jī)組面臨新能源消納困難[11]和供熱期熱-電矛盾突出的雙重壓力，迫切需要進(jìn)行熱電解耦技術(shù)改造[12-14]。

近年來，學(xué)者對供熱機(jī)組的熱電解耦技術(shù)進(jìn)行了許多研究。目前，常見的熱電解耦技術(shù)有高低旁路聯(lián)合供熱、低壓缸空載供熱、儲熱供熱、電極鍋爐等。居文平等[15]從技術(shù)特點(diǎn)、技術(shù)優(yōu)勢和限制等角度對4種常見的熱電解耦技術(shù)進(jìn)行比較分析，但未對改造的調(diào)峰效果以及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化研究。鄂志君等[16]對低壓缸零出力模式不同發(fā)電量、供熱量下的電熱特性、最大熱電比(定義為機(jī)組的供熱量和發(fā)電量之比，反映了供熱機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平)、新能源消納能力等參數(shù)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在機(jī)組發(fā)電量均為125 MW時(shí)，經(jīng)折算低壓缸零出力改造后每年可節(jié)約標(biāo)煤38 686.33 t。張猛等[17]利用變工況熱力計(jì)算方法對低壓缸零出力改造方案的調(diào)峰深度進(jìn)行計(jì)算分析，該方案能使該機(jī)組負(fù)荷率降至40%以下。劉浩晨等[18]對熱網(wǎng)換熱器的熱力學(xué)性能進(jìn)行了較為全面的分析。這些研究取得了較好進(jìn)展，為供熱機(jī)組實(shí)現(xiàn)熱電解耦提供了許多有效方案，但對同一機(jī)組不同熱電解耦模式的直接對比以及高低旁路不同進(jìn)汽量對機(jī)組電熱特性和供熱能力影響的研究仍存在不足。

以某300 MW亞臨界供熱機(jī)組為例，基于Aspen Plus V11軟件對機(jī)組分別采用低壓缸空載、高低旁路聯(lián)合供熱模式建模、計(jì)算；同時(shí)，對上述2種模式從電熱特性、供熱能力、抽汽加熱器火積效率等角度進(jìn)行分析。此外，定量分析了機(jī)組在高低旁路聯(lián)合供熱模式下，高參數(shù)膨脹機(jī)進(jìn)汽和汽輪機(jī)進(jìn)汽量的比值(簡稱進(jìn)汽比)對機(jī)組電熱特性和供熱能力的影響。為建設(shè)高穩(wěn)定性、高時(shí)效性、多種清潔能源互補(bǔ)的智能能源互聯(lián)網(wǎng)提供有效依據(jù)，確定供熱機(jī)組不同熱電解耦模式下的新能源消納能力并指導(dǎo)新能源發(fā)電的上網(wǎng)量，避免棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象的發(fā)生。

1 供熱機(jī)組概況

1.1 機(jī)組汽輪機(jī)概況

以哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的300 MW亞臨界燃煤直接空冷機(jī)組為研究對象。汽輪機(jī)為一次中間再熱、兩缸兩排汽、單抽供熱、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，采用抽汽凝汽供熱(背壓14 kPa)模式，供熱抽汽壓力為0.2～0.6 MPa。機(jī)組共有7段回?zé)岢槠?，分別向3臺高壓加熱器、1臺除氧器、3臺低壓加熱器供汽加熱給水。汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 汽輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工業(yè)抽汽需求

根據(jù)實(shí)際需求對電廠供熱系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，機(jī)組抽汽分為工業(yè)抽汽和供熱抽汽兩大部分。工業(yè)抽汽分為5個(gè)區(qū)域，機(jī)組總工業(yè)抽汽量為239.1 t/h。工業(yè)抽汽區(qū)域分布見表2。

表2 工業(yè)抽汽區(qū)域分布

2 機(jī)組熱力系統(tǒng)計(jì)算模型

2.1 物性方法選擇

基于Aspen Plus V11軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，選擇正確的物性方法極為關(guān)鍵。機(jī)組熱力系統(tǒng)涉及的主要物質(zhì)是水(H2O)，選用模擬工況的溫度為293.15～811.15 K。STEAM-TA物性方法利用ASME蒸汽表關(guān)聯(lián)式計(jì)算純水和蒸汽熱力性質(zhì)，溫度為273.15～1 073.00 K，適用于所建模型。

2.2 機(jī)組熱力系統(tǒng)模型的建立

基于Aspen Plus V11軟件對機(jī)組熱力系統(tǒng)建模。機(jī)組熱力系統(tǒng)建模時(shí)，需要選擇基本模型。鍋爐(BOLIER)和再熱器(RHT)采用Heater模型。按照機(jī)組抽汽口為節(jié)點(diǎn)將汽輪機(jī)分為若干級組，每一級組均采用Compr模型，其排汽分為2部分：抽汽回?zé)岵糠趾瓦M(jìn)入下一級組繼續(xù)膨脹做功部分。Compr模型機(jī)械效率為99%。機(jī)組熱力系統(tǒng)模型如圖1所示(F為分流，M為合并流股，HP為高壓缸，IP為中壓缸，LP為低壓缸)?；?zé)嵯到y(tǒng)中，3個(gè)高壓加熱器(H1、H2、H3)和3個(gè)低壓加熱器(H5、H6、H7)均采用HeatX模型。水中含氧量對熱力系統(tǒng)循環(huán)效率的影響可以忽略，建模時(shí)并未在循環(huán)水中加入氧氣成分，因此除氧器(DEA)采用Mixer模型[19]。抽汽供熱系統(tǒng)中，抽汽加熱器(H8、H9)采用HeatX模型。給水泵(FP)和凝結(jié)水泵(DP)采用Pump模型，效率設(shè)為75%?？绽鋶u(ACI)采用Heater模型，水箱(TANK)采用Mixer模型。

圖1 機(jī)組熱力系統(tǒng)模型

汽輪機(jī)變工況計(jì)算時(shí)，假設(shè)各中間級組的等熵效率不變。額定工況下各級組的等熵效率見表3。

表3 額定工況下各級組的等熵效率

2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性，分別對比了TRL工況(汽輪機(jī)的額定工況)、滑壓75%工況、滑壓50%工況、滑壓40%工況4種典型工況中汽機(jī)熱力參數(shù)的設(shè)計(jì)值和模擬值。

所選典型工況下汽機(jī)熱力參數(shù)設(shè)計(jì)值與模型計(jì)算結(jié)果的對比見表4，由表4可知，模型計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值的偏差較小，均小于2.0%，表明建立的熱力系統(tǒng)模型準(zhǔn)確可靠。

表4 典型工況下汽機(jī)熱力參數(shù)對比

2.4 熱力學(xué)性能分析方法

“火積(entransy)”是描述物體的一種狀態(tài)參數(shù)，表示熱量對0 K環(huán)境傳熱的能力[18]，具體為

(1)

式中，Evh為物體的火積，J·K；Qvh為物體的熱量，J；T為溫度，K。

火積效率用來定義傳熱過程的效率，具體定義為末態(tài)火積和初態(tài)火積的比值，如式(2)所示：

ηvh=Evhm/Evhc，

(2)

式中，Evhc為初態(tài)火積，J·K；Evhm為末態(tài)火積，J·K。

在供熱機(jī)組中，換熱器大多數(shù)為表面式換熱器，其汽水連接方式如圖2所示。表面式換熱器的火積效率計(jì)算如式(3)所示:

圖2 表面式換熱器汽水連接方式

(3)

2.5 發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分析方法

供熱機(jī)組按照等效電法[20]計(jì)算發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗(標(biāo)準(zhǔn)煤熱值為29 307 kJ/kg)。根據(jù)熱量的品位，將熱量轉(zhuǎn)換為等效電，然后與發(fā)電量分?jǐn)倶?biāo)準(zhǔn)燃煤量，其轉(zhuǎn)換方法為

Pd=Qdη。

(4)

其中，Pd為等效電量，MW；Qd為機(jī)組供熱量，MW；η為等效電轉(zhuǎn)換系數(shù),具體為：

(5)

式中，T0為環(huán)境溫度；T1、T2分別為加熱前、加熱后的循環(huán)水溫度。

發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗的計(jì)算方法為

(6)

式中，Bf為發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，g/kWh；B為標(biāo)準(zhǔn)燃煤量，kg；Pe為機(jī)組發(fā)電量，MW。

3 熱電解耦模式

3.1 低壓缸空載供熱(背壓3 kPa)模式

低壓缸空載供熱模型如圖3所示。低壓缸最小冷卻流量是限制供熱機(jī)組運(yùn)行靈活性的主要因素，并且會(huì)隨低壓缸末級排汽壓力的降低而減小。在供熱期間，使機(jī)組低壓缸保持在高真空(3 kPa)條件下運(yùn)行，并滿足低壓缸最小冷卻流量以及抽汽回?zé)?，能夠大幅減少低壓缸進(jìn)汽，從而增加中壓缸供熱抽汽量，減少發(fā)電量，提高機(jī)組的調(diào)峰能力和供熱能力。

圖3 低壓缸空載供熱模型

低壓缸最小冷卻流量計(jì)算方法如下：

(7)

(8)

式中，Vmin為末級最小容積流量，m3/kg；Dc0為THA工況低壓缸排汽流量，t/h；Vc0為低壓缸額定背壓下排汽比容，m3/kg；Gvmin為末級相對最小容積流量，取0.4；Gcmin為低壓缸末級最小流量，t/h；Vc為低壓缸不同背壓下排汽比容，m3/kg。

空冷機(jī)組末級動(dòng)葉片長度為680 mm，以該長度葉片為基準(zhǔn)，通過機(jī)組變工況計(jì)算得出低壓缸最小冷卻流量和末級壓力的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 末級壓力和冷卻流量的關(guān)系曲線

3.2 高低旁路聯(lián)合供熱模式

高低旁路聯(lián)合供熱模型如圖5所示。部分主蒸汽經(jīng)高參數(shù)膨脹機(jī)繞過高壓缸，減少了高壓缸做功。高參數(shù)膨脹機(jī)排汽和高壓缸排汽經(jīng)再熱器后，部分再熱蒸汽經(jīng)低壓旁路繞過中壓缸，減少了中壓缸做功。低壓旁路蒸汽經(jīng)減溫、減壓后達(dá)到0.7 MPa、298 ℃，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)供熱抽汽和工業(yè)抽汽。進(jìn)入旁路的抽汽量越多，機(jī)組的供熱能力越強(qiáng)，發(fā)電量越少，進(jìn)而更大程度實(shí)現(xiàn)熱電解耦。

圖5 高低旁路聯(lián)合供熱模型

4 結(jié)果與討論

4.1 電熱特性分析

抽汽凝汽供熱模式及低壓缸空載供熱模式的電熱特性模擬計(jì)算結(jié)果見表5、6。

由表5、6可知，機(jī)組采用低壓缸空載供熱模式時(shí)，相同主蒸汽流量下的機(jī)組總抽汽量(工業(yè)抽汽量+供熱抽汽量)相比抽汽凝汽供熱模式提高了約185 t/h；相同抽汽量條件下，機(jī)組發(fā)電量降低約80 MW以上，相當(dāng)于機(jī)組調(diào)峰能力提高26.7%，這部分發(fā)電量的降低為風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電提供了上網(wǎng)空間，消納了新能源，防止棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象發(fā)生。最大熱電比由0.584升至1.338。這是因?yàn)榈蛪焊着牌麎毫档停璧淖钚±鋮s流量大幅減少。此外，在滿足低壓缸最小冷卻流量、抽汽回?zé)嵋约肮I(yè)抽汽量為239.1 t/h的基礎(chǔ)上，該模式下臨界負(fù)荷的主蒸汽流量為403.37 t/h。

表5 抽汽凝汽供熱模式的電熱特性

表6 低壓缸空載供熱模式的電熱特性

機(jī)組低壓缸空載供熱和抽汽凝汽供熱模式供熱特性和調(diào)峰特性對比如圖6所示。

圖6 低壓缸空載供熱和抽汽凝汽供熱模式調(diào)峰特性對比

機(jī)組采用高低旁路聯(lián)合供熱模式時(shí)，不同進(jìn)汽比下的電熱特性模擬計(jì)算結(jié)果如表7和圖7所示。

表7 高低旁路聯(lián)合供熱模式下不同進(jìn)汽比的電熱特性

圖7 高低旁路聯(lián)合供熱模式下不同進(jìn)汽比的電熱特性

由表7可知，在主蒸汽流量保持額定且工業(yè)抽汽量為239.1 t/h的基礎(chǔ)上，進(jìn)汽比為1∶9時(shí)，機(jī)組發(fā)電量為208.82 MW，供熱量為306.79 MW，此時(shí)的發(fā)電負(fù)荷為69.6%，熱電比為1.469；進(jìn)汽比為4∶6時(shí)，機(jī)組發(fā)電量為146.65 MW，供熱量為376.21 MW，發(fā)電負(fù)荷為48.9%，降低了20.7%，熱電比為2.565，相對提高了1.096。此外，在滿足低壓缸最小冷卻流量、抽汽回?zé)帷⒐I(yè)抽汽量為239.1 t/h且進(jìn)汽比為4∶6的基礎(chǔ)上，該模式下臨界負(fù)荷的主蒸汽量為417.30 t/h。

由圖7可知，隨著高參數(shù)膨脹機(jī)進(jìn)汽和汽輪機(jī)進(jìn)汽量比值的增加，機(jī)組發(fā)電量減少，供熱量增加，且大致呈線性關(guān)系。原因有2方面：① 部分主蒸汽、再熱蒸汽進(jìn)入高、低壓旁路，繞過汽輪機(jī)高、中壓缸，導(dǎo)致機(jī)組做功減少；② 直接將高品質(zhì)蒸汽減溫、減壓后用于工業(yè)抽汽及供熱抽汽，在供熱量增加的同時(shí)導(dǎo)致機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性較差。

綜上所述，當(dāng)主蒸汽流量保持額定時(shí)，高低旁路聯(lián)合供熱模式相比抽汽凝汽供熱模式，供熱抽汽量最大可提升約312.51 t/h，折合供熱量增加約240.17 MW，發(fā)電量最大減少約86.15 MW；相比于低壓缸空載供熱模式，供熱抽汽量最大可提升約124.11 t/h，折合供熱量約95.91 MW，發(fā)電量最大減少約62.73 MW。由此可知，機(jī)組采用高低旁路聯(lián)合供熱模式能最大程度實(shí)現(xiàn)熱電解耦，一方面可以在供熱期間提供足夠多的熱負(fù)荷，另一方面減少發(fā)電量可以為風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電提供了上網(wǎng)空間，消納了新能源。

4.2 熱力學(xué)性能分析

通過火積效率可定量描述不同熱電解耦模式下抽汽加熱器傳熱效率。抽汽加熱器火積效率見表8。

表8 不同工況下火積效率變化情況

低壓缸空載供熱模式時(shí)，保證低壓缸最小冷卻流量，得到TRL工況、滑壓85%、滑壓75%、滑壓50%、滑壓40%工況下的抽汽加熱器火積效率。由表9可知，隨著主蒸汽流量以及供熱量增加，火積效率降低，主要是因?yàn)橹髡羝髁吭黾拥耐瑫r(shí)，進(jìn)入抽汽加熱器的高溫蒸汽流量增加，引起初態(tài)火積增大，進(jìn)而導(dǎo)致火積效率降低。

高低旁路聯(lián)合供熱模式時(shí)，保持主蒸汽流量不變，隨著進(jìn)汽比增加，H8抽汽加熱器的火積效率降低。主要是因?yàn)殡S著旁路進(jìn)汽量的增加，在優(yōu)先供應(yīng)工業(yè)抽汽的情況下，進(jìn)入H8抽汽加熱器的高溫蒸汽量不斷增加；H9抽汽加熱器的火積效率增加，且變化幅度較小，集中在62.898%～64.961%。其主要原因是進(jìn)汽比增加的同時(shí)，中壓缸排汽流量逐漸減少，導(dǎo)致進(jìn)入H9抽汽加熱器的高溫蒸汽減少，進(jìn)而引起火積效率的變化。

主蒸汽流量均為1 017.98 t/h時(shí)，高低旁路聯(lián)合供熱模式中H8抽汽加熱器的火積效率在不同進(jìn)汽比條件下均大于低壓缸空載供熱模式中H8抽汽加熱器的火積效率，但H9抽汽加熱器的火積效率與H8相近。主要原因是H9抽汽加熱器的冷進(jìn)口、熱進(jìn)口溫度與低壓缸空載供熱模式中H8抽汽加熱器相似，均屬于第1級加熱；而高低旁路聯(lián)合供熱模式中H8抽汽加熱器屬于第2級加熱。

4.3 發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分析

為定量比較不同熱電解耦模式的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，以主蒸汽參數(shù)以及低壓缸排汽參數(shù)不變?yōu)榍疤幔瑢C(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：在主蒸汽流量均為1 017.98 t/h時(shí)，采用等效電法將機(jī)組供熱量轉(zhuǎn)換后，抽汽凝汽供熱、低壓缸空載供熱以及高低旁路聯(lián)合供熱模式的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別為311.64、262.32、258.22 g/kWh。

5 結(jié) 論

1)機(jī)組采用高低旁路聯(lián)合供熱模式能最大限度實(shí)現(xiàn)熱電解耦，其最大熱電比會(huì)隨進(jìn)汽比升高而升高，從1.469升高至2.565，較于抽汽凝汽供熱、低壓缸空載供熱模式，最大熱電比分別提高了1.981倍和1.227倍。但由于直接將高品質(zhì)蒸汽通過減溫、減壓用于供熱，導(dǎo)致其熱經(jīng)濟(jì)性較差。

2)在保證機(jī)組發(fā)電量相同，且滿足低壓缸最小冷卻流量、回?zé)岢槠臈l件下，機(jī)組采用低壓缸空載供熱模式時(shí)，相比于抽汽凝汽供熱模式，機(jī)組總抽汽量提升了185 t/h左右；保證機(jī)組總抽汽量不變的情況下，發(fā)電功率約降低80 MW，相當(dāng)于調(diào)峰能力提高26.7%。

3)低壓缸空載供熱模式時(shí)，抽汽加熱器火積效率隨主蒸汽流量增加而降低，變化范圍較大，從99.754% 降至63.656%；高低旁路聯(lián)合供熱模式時(shí)，在保證額定主蒸汽流量的情況下，隨著進(jìn)汽比的增加，兩抽汽加熱器火積效率變化趨勢相反。