基于背壓的火電機組負荷計算模型及出力受阻分析

商攀峰，郭俊山，鞏志強，韓 悅，鄭 威

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

我國電網夏季負荷通常處于高位運行，特別是空調負荷增長迅速。2019 年的山東電網全網最高用電負荷8 410.8 萬kW，出現(xiàn)在7 月26 日；2020 年的8月17 日至18 日，全省普遍高溫，山東電網全網用電負荷連續(xù)兩天突破歷史最高紀錄，其中制冷負荷超過3 000 萬kW。山東電網電源結構復雜，風電、光伏等新能源發(fā)電受天氣影響有時無法保證有效供給，為響應電網電力調度，進一步提升火電機組在夏季負荷高峰時的頂峰出力能力十分必要。

構建并網機組負荷模型，監(jiān)測機組的最大出力能力，及時發(fā)現(xiàn)出力受阻因素，可以有效地提升火電機組在夏季負荷高峰時的頂峰出力能力?；痣姀S的冷端終參數(shù)，不僅與凝汽設備有關，還與汽輪機的低壓部分以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)有關，需要通過電廠的冷端系統(tǒng)測試來確定［1-2］，建立負荷與上述參數(shù)的多因素分析模型尤為復雜。而通過凝汽器的排汽壓力pc表征蒸汽終參數(shù)可以簡化機組負荷模型，則不需要考慮不同機組的終端參數(shù)［3-5］。背壓—負荷模型是基于火電廠冷端優(yōu)化設計方法而提出的：維持汽輪機進汽量恒定，通過優(yōu)化冷端參數(shù)，改變汽輪機背壓，達到調整功率的目的，建立背壓與功率的關系。

1 背壓—負荷模型構建

山東省內統(tǒng)調機組夏季工況背壓多數(shù)采用11.8 kPa，因此本文以11.8 kPa 作為背壓-負荷模型的基準背壓，研究夏季高溫時段真空偏離基準背壓時的負荷分布情況?；痣姀S驗收試驗工況通常分為額定工況、T-MCR 工況、VWO 工況、能力工況（夏季工況）、高加切除工況等，基本覆蓋機組熱耗率、供電煤耗率、發(fā)電煤耗率、汽輪機出力、各缸效率和通流效率，其中的夏季工況是指汽輪機在夏季高背壓、補水率3%、額定電功率下的出力工況［6-7］，對于夏季極端天氣負荷高峰時的頂峰出力研究十分重要。針對以上驗收工況，根據(jù)靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)分別建立相關模型公式。

1.1 靜態(tài)參數(shù)模型

第一步，根據(jù)選取的基準背壓（11.8 kPa）測試機組在純凝、額定功率因數(shù)下連續(xù)、穩(wěn)定的最大出力Pmax，以及最大主蒸汽流量Gmax。

第二步，根據(jù)機組TMCR 工況和TRL 工況熱平衡圖，選取靜態(tài)參數(shù)為：TMCR 工況設計出力；TMCR工況設計背壓；TRL工況試驗背壓；TRL工況試驗調節(jié)級壓力；TRL工況設計出力；TRL工況試驗一抽壓力；TRL工況設計背壓；調節(jié)級壓力報警值；TRL工況試驗主蒸汽流量；一抽壓力報警值；TRL工況試驗出力。

采用靜態(tài)參數(shù)計算背壓對出力的影響系數(shù)K。

式中：PTMCRd、PTRLd分別為TMCR 工況設計出力、TRL工況設計出力，MW；pbpTRLd、pbpTMCRd分別為TRL 工況設計背壓、TMCR工況設計背壓，kPa；K有量綱1/kPa。

1.2 動態(tài)參數(shù)模型

動態(tài)參數(shù)模型分析背壓與負荷的關系，動態(tài)參數(shù)為：有功功率；主汽流量；給水流量；調節(jié)級壓力；工業(yè)抽汽流量1；工業(yè)抽汽溫度1；工業(yè)抽汽壓力1；工業(yè)抽汽流量2；工業(yè)抽汽壓力2；再熱蒸汽壓力；工業(yè)抽汽溫度2；再熱蒸汽溫度；冷再熱蒸汽壓力；無功功率；冷再熱蒸汽溫度；功率因數(shù)；真空；大氣壓力；低壓缸排汽溫度（汽機側）；低壓缸排汽溫度（電機側）。

第一步，根據(jù)機組運行工況下的背壓pbpc和主蒸汽流量Gc，計算出機組在主蒸汽流量Gmax下的背壓pbpcc。

式中：a為主蒸汽流量變化1%時背壓的增加量，取0.036 kPa。

第二步，結合靜態(tài)參數(shù)模型第一步測試結果，計算出機組在背壓pbpcc下的最大出力Pmaxc。同時需要考慮工業(yè)抽汽對負荷的影響。

當機組沒有對外供汽時

抽汽口在冷再熱器或冷再熱器之前時：

抽汽口在冷再熱器之后時：

式中：Gg為對外供汽流量，t/h；hg、hhrh、hcrh、hex分別為對外供汽焓、再熱蒸汽焓、冷再熱蒸汽焓、低壓缸排汽焓，kJ/kg；po為基準背壓，取11.8 kPa。hg、hhrh、hcrh根據(jù)機組當前工況下的相應壓力、溫度參數(shù)，查水和水蒸汽表求得；hex根據(jù)壓力pbpcc、干度取0.92，查水和水蒸汽表求得。

第三步，比較Pmaxc和機組當前工況下出力Pc。

當Pmaxc≥Pc時，機組剩余出力為P=Pmaxc-Pc。

當Pmaxc＜Pc時，機組剩余出力為P=0。

2 模型實施結果與試驗數(shù)據(jù)比對分析

選取山東省統(tǒng)調公用機組進行模型實施，在山東省熱電在線監(jiān)測平臺上實時展示機組最大負荷預測值。通過山東省調度控制中心進行機組最大出力遠程在線測試試驗，測試機組在額定功率因數(shù)下連續(xù)、穩(wěn)定的最大出力Pm以及最大主蒸汽流量Gm，共111臺次。比對模型最大負荷預測值與最大出力遠程試驗實測值，若Pmaxc=Pc=PTRL，模型成功預測機組負荷且達到額定負荷出力；若Pmaxc=Pc＜PTRL，模型成功預測機組負荷且低于機組額定工況負荷，及模型能夠成功預測機組降出力；若Pmaxc＞Pc，模型預測結果大于實際出力，表明該機組存在受限因素未納入模型中。111臺次試驗比對中，成功預測機組負荷93臺次，其中包括成功預測降出力19臺次，存在受限因素18臺次。

2.1 機組降出力情況分析

通過背壓-負荷分析模型成功預測到機組降出力19臺次，降出力及預測結果如表1所示。

表1 模型實施-降出力機組 單位：MW

最大出力遠程在線測試試驗結果表明，存在機組無法達到銘牌工況負荷的情況，嚴重影響夏季高溫負荷高峰時電網升負荷。存在降出力是因為機組主蒸汽流量并未達到設計的主蒸汽流量，而造成這種問題的原因是復雜的，涉及到煤質、磨煤機、風機、空預器的運行情況［8-9］，本文中統(tǒng)一用主蒸汽流量來表征對負荷的影響。

2.2 機組出力受阻分析

模型最大負荷預測值與最大出力遠程試驗實測值比對見表2。

結果表明，存在18 臺次模型計算值高于實際最大負荷，偏差值在5%以上，根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，機組具備滿負荷出力能力。影響機組繼續(xù)帶負荷的主要因素為背壓、工業(yè)抽汽和主蒸汽流量限制。

2.2.1 背壓對負荷的影響

TZ#3、SH#3、LQ#1、TZ#4 和LW#4 的最大出力遠程試驗結果如表3所示。

通過對相同容量的5 臺機組研究發(fā)現(xiàn)，當主蒸汽流量達到機組設計工況下主蒸汽流量時，背壓的變化造成了負荷的變化，而夏季高溫條件下，循環(huán)水溫度較高，限制了真空，無法實現(xiàn)背壓的進一步下降，因此負荷的調整空間是有限的，表3 中數(shù)據(jù)表明試驗期間負荷的調整范圍在1.6%～5.4%之間。

表3 靜態(tài)參數(shù)與最大試驗數(shù)據(jù)對照

2.2.2 工業(yè)抽汽對負荷的影響

分析表2 數(shù)據(jù)，結果表明工業(yè)抽汽對負荷預測存在影響，是機組升負荷時的受限因素。LB#1 機組模型計算值347.00 MW，實際負荷278.40 MW，預測結果高于實際值。分析發(fā)現(xiàn)LB#1 機組實際有兩路工業(yè)抽汽，總流量約200 t/h，實際出力受限。電網正備用緊張時可以采用錯峰供應工業(yè)抽汽實現(xiàn)機組的頂峰出力。

表2 模型計算值高于實際出力機組

2.2.3 主蒸汽流量限制對負荷的影響

分析表3 主蒸汽流量數(shù)據(jù)，結果表明主蒸汽流量的受限是影響機組繼續(xù)帶負荷的重要因素。

HZ#2 機組模型計算值127.60 MW，實際負荷110.00 MW，模型計算值高于實際值。試驗期間機組主蒸汽流量為316.23 t/h，低于額定工況時的397.56 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗期間HZ#2 機組的煤質差，爐內有結焦，影響機組帶負荷。

HD#1 機組模型計算值331.8 MW，實際負荷297.7 MW，模型計算值高于實際值。試驗期間機組主蒸汽流量為978.3 t/h，低于額定工況時的1 059.4 t/h，試驗期間引風機振動大，運行中升負荷受限。

LC#3 機組模型計算值334.3 MW，實際負荷308.9 MW，模型計算值高于實際值。試驗期間主蒸汽流量945.7 t/h，未達到考核試驗主蒸汽流量1 045.4 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗期間磨煤機電流超限，給煤量下降，影響升負荷。

LY#5 機組模型計算值141.2 MW，實際負荷117.1 MW，模型計算值高于實際值。試驗期間主蒸汽流量362.32 t/h，未達到考核試驗主蒸汽流量455.64 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗期間空預器存在堵塞情況，無法繼續(xù)升負荷。

通過模型計算最大負荷預測值與最大出力遠程試驗實測值比對分析，背壓-負荷分析模型能夠成功預測機組負荷，對存在降出力的機組同樣有效。對存在處理受限的機組，模型預測結果會高于實際出力，主要受限因素為背壓，工業(yè)抽汽和主蒸汽流量，其中主蒸汽流量受限可能是煤質、引風機、磨煤機、空預器等因素造成的。

3 結語

通過構建背壓-負荷分析模型，分析夏季機組偏離汽輪機銘牌保證工況運行時的出力能力，能夠掌握機組夏季真空下的負荷可調度空間。

背壓-負荷模型結合最大出力試驗能夠有效預測機組降出力情況。

工業(yè)抽汽是影響機組帶負荷能力的重要因素，導致帶工業(yè)抽汽運行時機組負荷無法達到模型分析的最大負荷，可以通過錯峰供應工業(yè)抽汽的方法提供可調度負荷，緩解電網壓力。

背壓-負荷分析模型研究得出機組負荷的受阻因素包括主蒸汽流量、工業(yè)抽汽和機組背壓。

通過優(yōu)化真空，背壓的降低是有限的，最大出力遠程在線測試試驗中負荷的調整范圍在1.6%～5.4%之間。