某300MW亞臨界CFB機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性研究

史鵬飛 ，康朝斌，張華鋒，王 興，張 偉

(國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司太原分公司，山西 太原 030006)

1 引言

為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上一般辯論會(huì)上提出：中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]，即“雙碳”目標(biāo)。為了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，到2030年，我國(guó)非化石能源占一次消費(fèi)能源的比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)量將達(dá)到12億(kW·h)以上[2-4]。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，助力“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，是我國(guó)未來必須長(zhǎng)期堅(jiān)持的一項(xiàng)重大決策部署。由于新能源發(fā)電出力具有隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，我國(guó)電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了放棄風(fēng)、棄光等問題。為了消納更多的新能源，燃煤火電機(jī)組被迫要求全面參與深度調(diào)峰，各地都出臺(tái)了相關(guān)政策，部分燃煤機(jī)組需要深度調(diào)峰至30%額定負(fù)荷甚至20%額定負(fù)荷。

近年來，諸多工程技術(shù)專家和學(xué)者圍繞燃煤火電機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性開展了大量的研究工作。牛旭恩等[5]從鍋爐壽命管理、安全性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)論述了超臨界機(jī)組深調(diào)調(diào)峰對(duì)鍋爐設(shè)備影響和采取的措施。張廣才等[6]從提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、實(shí)現(xiàn)機(jī)組供熱工況熱電解耦、提高機(jī)組主輔機(jī)及其環(huán)保裝置低負(fù)荷下設(shè)備適應(yīng)性方面對(duì)深度調(diào)峰技術(shù)進(jìn)行了匯總。陳曉利等[7]基于Ebsilon仿真軟件建立了抽汽供熱、高低旁供熱、低壓缸切除供熱等不同組合方式下靈活性調(diào)峰熱力模型，分析了深度調(diào)峰對(duì)機(jī)組性能、供熱能力和調(diào)峰能力的影響，并提出了最優(yōu)深度調(diào)峰的方案。于浩洋等[8]論述了機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組熱力性能、發(fā)電成本和經(jīng)濟(jì)性，并建立了深度調(diào)峰性能評(píng)價(jià)分析的流程。趙斌等[9]針對(duì)600MW超臨界燃煤空冷機(jī)組開展了深度調(diào)峰至50%、45%、40%、35%和30%額定負(fù)荷的試驗(yàn)研究[10]，對(duì)鍋爐效率、汽機(jī)熱耗率、廠用電率和發(fā)供電煤耗進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)分析。

機(jī)組在深度調(diào)峰負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，設(shè)備性能和經(jīng)濟(jì)性會(huì)明顯下降[11-13]。而且隨著機(jī)組長(zhǎng)期深度調(diào)峰，機(jī)組負(fù)荷率持續(xù)下降，經(jīng)濟(jì)性降低[14-16]。本文以某電廠300MW亞臨界CFB燃煤機(jī)組為例，分析了機(jī)組在不同負(fù)荷工況及深調(diào)工況的性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，分析了機(jī)組在計(jì)劃電力不變的前提下，機(jī)組分別在50%、55%、60%和65%負(fù)荷率時(shí)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，可為燃煤機(jī)組深度調(diào)峰優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

2 研究方法

2.1 機(jī)組概況

某300MW亞臨界CFB機(jī)組鍋爐配置為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、流化床，型號(hào)為DG1070/17.4-Ⅱ2。汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CZK312/N300-16.7/538/538，機(jī)組最大出力為335MW，額定出力300MW，額定背壓14kPa。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of boiler

表2 汽輪機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)及保證值Tab.2 Main design parameters and guaranteed values of steam turbine

2.2 機(jī)組深度調(diào)峰試驗(yàn)

亞臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)通常在基本負(fù)荷附近。當(dāng)機(jī)組長(zhǎng)期在深度調(diào)峰工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性和各項(xiàng)設(shè)備性能指標(biāo)會(huì)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況值。

為了摸清該300MW亞臨界CFB循環(huán)流化床直接空冷燃煤機(jī)組深度調(diào)峰對(duì)設(shè)備性能的影響和經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)負(fù)荷選定100%、75%、50%、40%、30%額定負(fù)荷，分析不同負(fù)荷下的運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備性能[17-26]，包括鍋爐性能、汽機(jī)性能和熱耗率、廠用電率及發(fā)、供電煤耗率等。為保障機(jī)組安全運(yùn)行，逐步將機(jī)組負(fù)荷從300MW逐次降低至90MW。試驗(yàn)在不投油等助燃的情況下進(jìn)行，保持試驗(yàn)工程中煤質(zhì)穩(wěn)定，爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，主、輔設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，并確保環(huán)保各項(xiàng)指標(biāo)在合理的范圍內(nèi)。每個(gè)負(fù)荷工況穩(wěn)定2h，記錄相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 鍋爐性能

隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，CFB機(jī)組鍋爐熱效率、各項(xiàng)熱損失隨之也發(fā)生變化。鍋爐各項(xiàng)熱損失隨機(jī)組負(fù)荷的變化見圖1，鍋爐熱效率隨機(jī)組負(fù)荷的變化見圖2。從圖1中可以看出，CFB鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)，鍋爐排煙熱損失和散熱損失隨著負(fù)荷的降低而增加。尤其是排煙損失，在機(jī)組負(fù)荷低于50%時(shí)，排煙熱損失增加比較明顯。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從50%深調(diào)到30%時(shí)，排煙熱損失相對(duì)增加了30.15%。

圖1 鍋爐各項(xiàng)損失隨負(fù)荷的變化Fig.1 Variation of various boiler losses with load

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，鍋爐散熱損失隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，散熱損失有所增加但變化不大。固體未完成燃燒熱損失和灰渣物理熱損失總體上隨著負(fù)荷的降低而降低，這是因?yàn)闄C(jī)組總的風(fēng)量在負(fù)荷降低的過程中變化不大，隨著入爐煤量的減少，爐內(nèi)氧量較為充足，燃燒更加充分。

從圖2中可知，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，鍋爐效率先增大后降低，機(jī)組負(fù)荷從100%降低至50%的過程中，試驗(yàn)鍋爐效率從85.03%增加到87.82%，相對(duì)增加了3.18%。機(jī)組負(fù)荷從50%下降至30%的過程中，試驗(yàn)鍋爐效率從87.82%下降至86.67%，相對(duì)下降了1.31%，機(jī)組深調(diào)下機(jī)組鍋爐效率隨著負(fù)荷的降低而降低。

圖2 鍋爐效率隨負(fù)荷的變化率Fig.2 Change rate of boiler efficiency with load

3.2 汽機(jī)性能

機(jī)組50%負(fù)荷以下時(shí)，亞臨界機(jī)組兩個(gè)調(diào)節(jié)汽門開啟，隨著負(fù)荷的降低，調(diào)節(jié)汽門開度減小，調(diào)門節(jié)流損失增大。部分機(jī)組深度調(diào)峰至40%以下時(shí)，為保障機(jī)組的安全運(yùn)行，調(diào)節(jié)汽門采用節(jié)流配汽運(yùn)行方式，所有調(diào)門同時(shí)開啟，增大了調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流損失，使得高壓缸效率大幅度下降。機(jī)組各負(fù)荷下運(yùn)行參數(shù)如表3所示。隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力隨之降低。在機(jī)組深度調(diào)峰到50%負(fù)荷以下時(shí)，主汽溫度與設(shè)計(jì)值相比變化不大。再熱溫度不能維持設(shè)計(jì)值540℃，實(shí)際運(yùn)行只有520℃左右。給水溫度隨著機(jī)組負(fù)荷的降低而降低。使得機(jī)組熱力循環(huán)平均吸熱溫度有所升高，循環(huán)效率下降，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。根據(jù)不同負(fù)荷運(yùn)行工況參數(shù)，計(jì)算得到汽輪機(jī)三缸效率隨機(jī)組負(fù)荷的變化如圖3所示，運(yùn)行熱耗率和機(jī)組絕對(duì)電效率隨機(jī)組負(fù)荷的變化如圖4和圖5所示。

表3 機(jī)組各負(fù)荷下汽輪機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.3 Running parameters of steam turbine units under different loads

從圖3中可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組高壓缸效率變化最明顯，中壓缸效率隨機(jī)組負(fù)荷的降低變化不大，低壓缸效率隨負(fù)荷的降低有所降低。機(jī)組100%負(fù)荷時(shí)高壓缸效率為82.17%，負(fù)荷降低至50%時(shí)高壓缸效率為69.89%，深調(diào)至40%負(fù)荷時(shí)高壓缸效率為64.59%，深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)高壓缸效率只有51.33%。從高壓缸效率曲線可以看出，在深調(diào)負(fù)荷下，高壓缸效率隨機(jī)組負(fù)荷降低而下降的幅度增加。低壓缸效率在機(jī)組100%負(fù)荷時(shí)為87.21%，負(fù)荷降至50%時(shí)低壓缸效率85.20%，深調(diào)至40%負(fù)荷時(shí)低壓缸效率為84.94%，深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)高壓缸效率僅為84.35%。三缸效率的降低反映出在深調(diào)負(fù)荷下，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，汽輪機(jī)本體性能逐漸惡化。

圖3 汽輪機(jī)三缸效率隨機(jī)組負(fù)荷的變化Fig.3 Variation of turbine three-cylinder efficiency with unit load

從圖4和圖5中可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組運(yùn)行熱耗隨之增加，絕對(duì)電效率隨之減少，機(jī)組在100%負(fù)荷時(shí)運(yùn)行熱耗和絕對(duì)電效率分別為8573.56kJ/(kW·h)和41.99%，負(fù)荷降低至50%時(shí)運(yùn)行熱耗和絕對(duì)電效率分別為9164.27kJ/(kW·h)和39.28%，深調(diào)至40%負(fù)荷時(shí)運(yùn)行熱耗和絕對(duì)電效率分別為9580.57kJ/(kW·h)和37.58%，深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)運(yùn)行熱耗和絕對(duì)電效率分別為9947.59kJ/(kW·h)和36.19%。

圖4 機(jī)組運(yùn)行熱耗率隨負(fù)荷的變化Fig.4 Variation of heat consumption rate in unit operation with load

圖5 機(jī)組絕對(duì)電效率隨負(fù)荷的變化Fig.5 Variation of unit absolute electrical efficiency with load

從熱耗率曲線可以看出，在深調(diào)負(fù)荷下，熱耗率隨機(jī)組負(fù)荷降低而增加的幅度增加。從絕對(duì)電效率曲線可以看出，機(jī)組絕對(duì)電效率隨負(fù)荷的降低下降的幅度增加。在深調(diào)負(fù)荷下，機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和效率隨著負(fù)荷的降低逐步惡化。

3.3 機(jī)組廠用電率和發(fā)供電煤耗

隨著機(jī)組的負(fù)荷的降低，各主要輔機(jī)偏離設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)，效率下降，廠用電率增加。機(jī)組廠用電率隨負(fù)荷變化曲線如圖6所示。機(jī)組運(yùn)行發(fā)、供電煤耗隨機(jī)組負(fù)荷變化曲線如圖7所示。

圖6 機(jī)組廠用電率隨負(fù)荷的變化Fig.6 Variation of plant power rate with load

圖7 機(jī)組發(fā)、供電煤耗隨負(fù)荷的變化Fig.7 Variation of coal consumption of power generation and power supply with load

從圖6中可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組廠用電率隨之增加，機(jī)組在100%負(fù)荷時(shí)廠用電率10.14%，負(fù)荷降低至50%時(shí)廠用電率11.63%，深調(diào)至40%負(fù)荷時(shí)廠用電率為13.63%，深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)廠用電率為18.63%。從廠用電率曲線可以看出，在深調(diào)負(fù)荷下，廠用電率隨機(jī)組負(fù)荷降低而增加的幅度增加，負(fù)荷越低，增加幅度越大。

從圖7可以看出，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗隨之增加。機(jī)組在100%負(fù)荷時(shí)，發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別349.27g/(kW·h)和388.68g/(kW·h)；降低至50%負(fù)荷時(shí)，發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別361.48g/(kW·h)和409.05g/(kW·h)；深調(diào)至40%負(fù)荷時(shí)，發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別380.39g/(kW·h)和440.43g/(kW·h)；深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)發(fā)、供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗分別為397.58g/(kW·h)和488.61g/(kW·h)。

機(jī)組負(fù)荷從50%深調(diào)至40%時(shí)，供電煤耗升高31.38g/(kW·h)，機(jī)組負(fù)荷從40%深調(diào)至30%時(shí)，供電煤耗升高48.18g/(kW·h)。從機(jī)組發(fā)、供電煤耗曲線可以看出，在深調(diào)負(fù)荷下，發(fā)、供電煤耗隨機(jī)組負(fù)荷降低而增加的幅度增加，負(fù)荷越低，增加幅度越大。

3.4 機(jī)組不同負(fù)荷率下全年熱經(jīng)濟(jì)性

隨著深調(diào)幅度與時(shí)間的增加，低負(fù)荷所占的比重增加，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2021年機(jī)組負(fù)荷率為65%，平均背壓為7.5kPa，將機(jī)組運(yùn)行熱耗折算至7.5kPa下，機(jī)組各負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)如表4所示。

表4 折算至平均背壓機(jī)組各負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)Tab.4 Operating parameters of each load converted to average back pressure unit

2021年按照各負(fù)荷所占比例，全年負(fù)荷率為65%，經(jīng)加權(quán)計(jì)算得到供電煤耗345g/(kW·h)。機(jī)組按照全年負(fù)荷率60%、55%、50%進(jìn)行計(jì)算，按照不同負(fù)荷比例進(jìn)行加權(quán)，各負(fù)荷率下機(jī)組供電煤耗變化如表5所示。

表5 機(jī)組不同負(fù)荷率下供電煤耗變化Tab.5 Coal consumption changes of power supply units under different load rates

從表5可以看出，如果全年按照負(fù)荷率60%運(yùn)行，經(jīng)加權(quán)計(jì)算全年供電煤耗約350g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加4～5g/(kW·h)。如果全年按照負(fù)荷率55%運(yùn)行，經(jīng)加權(quán)計(jì)算全年供電煤耗約351.5g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加6～7g/(kW·h)。如果全年按照負(fù)荷率50%運(yùn)行，經(jīng)加權(quán)計(jì)算全年供電煤耗約355.5g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加10～11g/(kW·h)。如果按照全年按照負(fù)荷率不變，雖然深調(diào)去年深調(diào)比例增加，但是高負(fù)荷比例也同時(shí)增加，綜合全年來看供電煤耗約比2021年增加1～2g/(kW·h)。

4 結(jié)論與建議

(1)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行中，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，CFB鍋爐效率隨之先降低，鍋爐排煙損失是使得鍋爐效率下降的主要原因。

(2)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行中，隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，機(jī)組主汽和再熱運(yùn)行參數(shù)隨之降低。汽輪機(jī)高壓缸效率變化較為明顯。當(dāng)負(fù)荷下降至30%時(shí)，高壓缸效率只有51%左右，低壓缸效率有所下降。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)下降和本體性能的下降導(dǎo)致機(jī)組熱耗率增加，深調(diào)負(fù)荷越低，增加的幅度越大。

(3)機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行中，廠用電率隨著機(jī)組負(fù)荷的降低而升高。當(dāng)機(jī)組深調(diào)至30%負(fù)荷時(shí)廠用電率為18.63%，負(fù)荷越低，廠用電率增加幅度越大。機(jī)組發(fā)、供電煤耗在100%～50%運(yùn)行時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，發(fā)、供電煤耗增加比較平緩。進(jìn)入深調(diào)負(fù)荷時(shí)，發(fā)、供電煤耗隨機(jī)組負(fù)荷降低而增加的幅度增加，負(fù)荷越低，增加幅度越大。機(jī)組負(fù)荷從50%深調(diào)至40%時(shí)，供電煤耗升高31.38g/(kW·h)，而機(jī)組負(fù)荷從40%深調(diào)至30%時(shí)，供電煤耗升高了48.18g/(kW·h)。

(4)隨著機(jī)組深調(diào)負(fù)荷的不斷降低和深調(diào)時(shí)間的不斷增加，機(jī)組全年運(yùn)行供電煤耗持續(xù)增加，機(jī)組負(fù)荷率從65%負(fù)荷率分別下降至60%、55%、50%負(fù)荷率時(shí)，機(jī)組純凝全年運(yùn)行供電煤耗分別升高約4～5g/(kW·h)、6～7g/(kW·h)、10～11g/(kW·h)。如果按照全年按照負(fù)荷率不變，雖然深調(diào)比例增加，但是高負(fù)荷比例也同時(shí)增加，綜合全年來看供電煤耗約比2021年會(huì)增加1～2g/(kW·h)。