供熱機(jī)組低壓缸零出力工況下熱經(jīng)濟(jì)性分析

汪 可， 田 亮

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

2021年,我國(guó)在十四五規(guī)劃中提出要加快發(fā)展非化石能源,大力提升風(fēng)電、光伏發(fā)電規(guī)模,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)[1]。隨著未來風(fēng)、光等可再生能源裝機(jī)量的進(jìn)一步攀升,發(fā)電企業(yè)積極響應(yīng)國(guó)家政策,對(duì)燃煤機(jī)組的靈活性提出了更高的要求,更多的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組也開始參與電網(wǎng)調(diào)峰。由于常規(guī)抽汽供熱機(jī)組的供熱蒸汽取自中壓缸排汽,加大供熱量必然導(dǎo)致通過高、中壓缸流量增加,因此供熱機(jī)組的發(fā)電量往往和采暖抽汽量耦合,每當(dāng)大風(fēng)降溫天,供熱需求和風(fēng)電利用的矛盾會(huì)變得更加突出,使得風(fēng)電出力受到限制,導(dǎo)致更多地區(qū)出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象,進(jìn)而浪費(fèi)了大量清潔能源[2]。

為了解決當(dāng)前清潔能源利用率不高的難題,工程師們提出諸多設(shè)想,部分方案已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用:文獻(xiàn)[3]針對(duì)某一供熱系統(tǒng),使用迭代算法得到了儲(chǔ)熱罐的最佳容量,并且通過定值計(jì)算來分析儲(chǔ)熱罐對(duì)供熱機(jī)組的調(diào)峰靈活性提升效果;文獻(xiàn)[4]運(yùn)用遺傳算法和雙層決策模型來實(shí)現(xiàn)大范圍的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃,以提高風(fēng)電的接入能力;文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了在加裝電鍋爐后某機(jī)組包括調(diào)峰能力在內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)的改變;文獻(xiàn)[6]提出將東北地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)和電鍋爐綁定的方案,在消納風(fēng)電的同時(shí)可以保障供熱;文獻(xiàn)[7,8]計(jì)算了汽輪機(jī)在低壓缸切除狀態(tài)下的各級(jí)熱力參數(shù),表明其可以有效地降低機(jī)組最小負(fù)荷,一定程度上能解除熱電耦合,釋放出更大的調(diào)峰裕度;文獻(xiàn)[9]計(jì)算并分析了機(jī)組在采暖抽汽工況下的熱耗等參數(shù),表明供熱可以提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性;文獻(xiàn)[10]介紹了某330 MW機(jī)組經(jīng)過低壓缸切除供熱改造的實(shí)際案例,改造后的機(jī)組大幅增加采暖抽汽量,供熱煤耗降低量最高達(dá)30%,為電廠創(chuàng)造了極大的收益。文獻(xiàn)[11]提出一種不需要汽輪機(jī)詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)即可計(jì)算機(jī)組變工況后各項(xiàng)熱力參數(shù)的算法;文獻(xiàn)[12]提出了確定變工況算法的起點(diǎn)負(fù)荷的方法,并使用改進(jìn)后的弗留格爾公式,在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上減小了誤差。

在眾多提升供熱機(jī)組靈活性的技術(shù)中,低壓缸零出力因?yàn)槠涞屯顿Y和可觀的經(jīng)濟(jì)收益,得到了很多熱電企業(yè)的關(guān)注。目前關(guān)于低壓缸零出力熱經(jīng)濟(jì)性的文獻(xiàn),少有對(duì)多種工況下在低壓缸零出力前后的定量分析和熱經(jīng)濟(jì)性對(duì)比,而且大多是計(jì)算發(fā)電功率、熱耗,很少結(jié)合能源對(duì)外售出的價(jià)格去直觀體現(xiàn)電廠在收益上的增減。本文首先分析了某350 MW超臨界供熱機(jī)組的實(shí)際情況;然后利用機(jī)組的熱力平衡規(guī)律分別計(jì)算出在100%TMHCR(最大供熱)和40%THA兩種典型性工況下汽輪機(jī)進(jìn)入低壓缸零出力后的發(fā)電功率、供熱負(fù)荷和熱耗等各項(xiàng)熱力性能參數(shù);最后依據(jù)近幾年當(dāng)?shù)氐纳暇W(wǎng)電價(jià)和熱價(jià),對(duì)比分析低壓缸零出力能否擴(kuò)大電廠的經(jīng)濟(jì)收益。

1 機(jī)組概況

該電廠建設(shè)有2×350 MW的國(guó)產(chǎn)超臨界燃煤空冷機(jī)組,該機(jī)組高、中壓缸采用合缸反向布置,為一次中間再熱、直接空冷、雙缸雙排汽的抽汽凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組設(shè)置有8段回?zé)岢槠?分別為3臺(tái)高壓加熱器,1臺(tái)除氧器,以及4臺(tái)低壓加熱器,額定工況下給水經(jīng)過回?zé)嵯到y(tǒng)升溫至276 ℃,離開一號(hào)高壓加熱器后直接進(jìn)入鍋爐。機(jī)組主要熱力參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組主要熱力參數(shù)

該機(jī)組能為周邊工業(yè)生產(chǎn)和居民采暖供汽,工業(yè)用汽以汽網(wǎng)輸送,視參數(shù)要求,汽源來自3號(hào)高加抽汽或除氧器抽汽,前者抽汽壓力2.0 MPa左右,后者在0.8 MPa左右,工業(yè)用汽離開機(jī)組后幾乎不返回,電廠在凝汽器端補(bǔ)水;采暖抽汽取自中壓缸排汽,蒸汽壓力參數(shù)為0.4 MPa,供暖汽流在換熱器完成換熱過程后,回水直接進(jìn)入除氧器,無需補(bǔ)水,目前可供當(dāng)?shù)爻^8×106m2的面積取暖,且計(jì)劃為更多的地區(qū)提供暖氣,因此需要進(jìn)一步提高供熱能力。其熱力系統(tǒng)如圖1所示。

2 低壓缸零出力技術(shù)

2.1 技術(shù)介紹

低壓缸零出力技術(shù)通過靈活地開啟或關(guān)閉中低壓連通管上的低壓蝶閥來實(shí)現(xiàn)低壓缸的“出力”或者“零出力”狀態(tài)的切換,切換速度較快。在零出力狀態(tài)下,關(guān)閉低壓蝶閥后的同時(shí)開啟供熱管道閥門,將機(jī)組中壓缸排汽幾乎全部用于供熱,使得低壓缸在僅有少量來自旁路連通管冷卻蒸汽的情況下空轉(zhuǎn),大量增加供熱的同時(shí)降低了汽輪機(jī)出力,一定程度上解除了供熱量和電負(fù)荷的耦合。并且,凝汽器端的冷源損失是影響電廠效率的一大因素,由于低壓缸零出力狀態(tài)下幾乎不再有低壓缸排汽,供熱回水會(huì)進(jìn)入除氧器,避免了余熱浪費(fèi)在空氣中,從而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

2.2 技術(shù)改造

實(shí)現(xiàn)低壓缸出力狀態(tài)的靈活切換需要在中低壓連通管上安裝可完全密封的蝶閥,阻斷原本用來做功的蒸汽進(jìn)入低壓缸。文獻(xiàn)[13]表明,當(dāng)流量降低到20 t以內(nèi),低壓缸葉片不會(huì)產(chǎn)生顫振,鼓風(fēng)現(xiàn)象減小到可容忍的范圍,汽輪機(jī)能夠長(zhǎng)期安全運(yùn)行。同時(shí)要增設(shè)旁路系統(tǒng),向低壓缸內(nèi)通入少量的冷卻蒸汽帶走鼓風(fēng)產(chǎn)生的熱量。根據(jù)廠家的安全運(yùn)行說明,低壓缸末級(jí)和次末級(jí)葉片的溫度不應(yīng)該超過120 ℃,因此需要設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)隨時(shí)關(guān)注葉片的狀況,并且對(duì)末兩級(jí)葉片進(jìn)行抗水蝕金屬耐磨層噴涂處理,這樣可在運(yùn)行中投入減溫水保障葉片安全。

3 基于熱力平衡規(guī)律的變工況算法

3.1 抽氣口壓力計(jì)算

對(duì)于汽輪機(jī)每個(gè)抽氣口級(jí)前的壓力與流量,假定機(jī)組通流面積因調(diào)節(jié)閥未動(dòng)作而不發(fā)生變化,可用弗留格爾公式描述其數(shù)學(xué)關(guān)系[14]:

(1)

式中:0代表基準(zhǔn)工況,下標(biāo)1代表變工況后;D為抽氣口級(jí)前蒸汽流量,kg/h;p0、p1為抽氣口級(jí)前壓力,pc為下一抽氣口級(jí)前壓力或缸排汽壓力,MPa;T為蒸汽溫度,假定蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做理想膨脹,蒸汽溫度在變工況前后不發(fā)生變化。則當(dāng)T1=T0時(shí),公式可簡(jiǎn)化為

(2)

3.2 回?zé)嵯到y(tǒng)抽氣流量計(jì)算

回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)是機(jī)組熱力系統(tǒng)的基本組成部分,作用是抽出在汽輪機(jī)做功后的蒸汽,利用其余熱逐級(jí)提升鍋爐給水溫度,減少機(jī)組冷源損失。而加熱器的端差一定程度上反映出回?zé)嵯到y(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性[15],其中抽汽口蒸汽壓力下的飽和水溫度和加熱器出口水溫度之差通常稱為上端差(TTD),相對(duì)的下端差(DCA)指加熱器疏水出口溫度和水側(cè)入口溫度之差,以這臺(tái)350 MW機(jī)組一號(hào)高加為例,其端差隨負(fù)荷變化情況如表2所示。

表2 加熱器端差隨工況變化情況

可以看出,在負(fù)荷變化幅度不大時(shí),端差不變或改變不超過0.1 ℃,對(duì)加熱器內(nèi)水和蒸汽焓值影響極小。以鄰近工況作為基準(zhǔn)工況,假設(shè)工況變動(dòng)前后端差未發(fā)生改變,通過下式可求取變工況后加熱器各入口和出口的溫度:

tsi=f(pi)

(3)

twi=tsi-ΔTTTDi

(4)

t′i=twi+1+TDCAi

(5)

對(duì)于高壓加熱器和低壓加熱器,若不考慮流量損失,其給水流量Dwi不發(fā)生變化且分別與主蒸汽流量和凝結(jié)水泵流量相等。根據(jù)加熱器物質(zhì)平衡與能量平衡,可由以下公式求得抽汽流量Di:

(6)

對(duì)于hi,由式(2)可以算得抽氣口級(jí)前的壓力,結(jié)合蒸汽溫度,代入水蒸氣性質(zhì)函數(shù)計(jì)算得到抽汽焓hi。

3.3 變工況計(jì)算步驟

本文基于Simulink搭建低壓缸零出力迭代計(jì)算模型。機(jī)組處于低壓缸零出力狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),低壓缸內(nèi)僅有少量冷卻蒸汽,6、7、8號(hào)低壓加熱器停止運(yùn)行,無回?zé)岢槠?。?jì)算以1～5段抽汽流量作為迭代值,模型主體部分通過循環(huán)計(jì)算1至5號(hào)加熱器回?zé)岢槠髁?。?dāng)循環(huán)至各抽汽流量值僅在誤差允許范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí),計(jì)算結(jié)束。具體計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2 變工況迭代計(jì)算步驟Fig.2 Iterative calculation steps of part-load condition

3.4 機(jī)組熱力性能參數(shù)計(jì)算

以回?zé)嵯到y(tǒng)的8段抽汽為劃分點(diǎn),將汽輪機(jī)做功的通流部分劃為9個(gè)級(jí)段,把每個(gè)級(jí)段包含的數(shù)個(gè)級(jí)組視為一個(gè)整體,分別計(jì)算蒸汽在級(jí)段內(nèi)的焓降并相加,再考慮汽輪機(jī)機(jī)械效率和發(fā)電機(jī)效率,可以求得機(jī)組的發(fā)電功率Ne,其計(jì)算公式如下:

W1=(D0-Dhfxl)×(h0-h1)

(7)

W2=(D0-Dhfxl-D1)×(h1-h2)

(8)

Dgp=D0-Dhfxl-D1-D2

(9)

W3=(Dgp+DQLQ+Dhfxl)×(hzr-h3)

(10)

W4=(Dgp+DQLQ+Dhfxl-D3)×(h3-h4)

(11)

W5=(Dgp+DQLQ+Dhfxl-D3-D4)×(h4-h5)

(12)

Dzp=Dgp-DQLQ-Dhfxl-D3-D4-D5

(13)

W6=Dzp×(h5-h6)

(14)

W7=(Dzp-D6)×(h6-h7)

(15)

W8=(Dzp-D6-D7)×(h7-h8)

(16)

W9=(Dzp-D6-D7-D8)×(h8-hdp)

(17)

(18)

式中:D0為主蒸汽流量,D1～8為各段抽汽流量,Dgp、Dzp、DQLQ、Dhfxl分別為高壓缸排汽流量、中壓缸排汽流量、中壓缸冷卻流量和閥桿漏氣,t/h;W1～9分別為各級(jí)段的焓降,kJ;h0為主蒸汽焓值,h1～8分別是各段抽汽的焓,kJ/kg;E為機(jī)組的發(fā)電功率,MW;ηe代表發(fā)電機(jī)效率,ηm代表機(jī)械效率,兩者乘積取99%。

機(jī)組的供熱負(fù)荷取單位時(shí)間內(nèi)采暖抽汽的焓降,計(jì)算公式如下:

Nh=Dh×(h5-hr)

(19)

式中:Nh為供熱負(fù)荷,GJ/h;Dh為采暖抽汽流量,t/h;采暖抽汽取自中壓缸排汽,其熱力參數(shù)與五段抽汽焓h5相同,hr為供熱回水焓,kJ/kg;

計(jì)算機(jī)組熱耗q時(shí),考慮到供熱抽汽,相對(duì)純凝工況下熱耗計(jì)算需要將供熱量從蒸汽在鍋爐里的總吸熱量中減去,計(jì)算公式如下:

(20)

式中:hfw、hzr、hgp分別為鍋爐給水焓、再熱蒸汽焓、高壓缸排汽焓。

4 經(jīng)濟(jì)性計(jì)算與分析

機(jī)組最大供熱工況(100%TMHCR)和40%THA工況中與變工況計(jì)算相關(guān)的熱力參數(shù)如表3和表4所示。

表3 100%TMHCR工況主要熱力參數(shù)

表4 40%THA工況主要熱力參數(shù)

將表3和表4數(shù)據(jù)輸入變工況熱力參數(shù)計(jì)算模型,得出兩個(gè)工況切換至低壓缸零出力后的主要熱力參數(shù),結(jié)果如表5和表6所示。

表5 100%TMHCR變工況計(jì)算結(jié)果

表6 40%THA變工況計(jì)算結(jié)果

由表5和表6可知,切換至低壓缸零出力狀態(tài)后,100%TMHCR工況每小時(shí)增加了165.9 t抽汽流量,供熱能力同比擴(kuò)大27.8%;40%THA工況則額外獲得了每小時(shí)281 t的供熱抽汽。

另外,1至3段抽汽流量和壓力未見明顯變化,經(jīng)分析是由于低壓缸流量幾乎全部進(jìn)入供熱抽汽管道,再回流至除氧器,在汽水循環(huán)中這部分蒸汽的作用只是從做功改變?yōu)闊峤粨Q,流量未發(fā)生較大變化,進(jìn)而主蒸汽流量基本不變,因此高、中壓缸部分的運(yùn)行狀態(tài)和抽汽也和變工況前相近,主要的變化發(fā)生在除氧器和5號(hào)低壓加熱器[16]。

進(jìn)一步分析機(jī)組電、熱負(fù)荷和熱經(jīng)濟(jì)性,將變工況后的熱力參數(shù)代入公式(18)、(19)和(20),得到其發(fā)電功率、供熱負(fù)荷和熱耗,和變工況前的熱力性能參數(shù)對(duì)比如表7和表8所示。

表7 100%TMHCR低壓缸零出力前后熱力參數(shù)對(duì)比

表8 40%THA低壓缸零出力前后熱力參數(shù)對(duì)比

由表7可見,因?yàn)樽児r前低壓缸本身就處于最小進(jìn)汽狀態(tài),100%TMHCR工況下低壓缸停止做功后,機(jī)組發(fā)電功率僅降低額定功率的8.4%。而供熱從1 477.0 GJ/h上升27.8%至1 886.0 GJ/h,熱耗下降至4 028.0 kJ/kW·h。

從表8可看出,40%THA工況切換至低壓缸零出力運(yùn)行不僅將發(fā)電降低至額定功率的25%,擴(kuò)大了調(diào)峰區(qū)間,并獲得了711.6 GJ/h的供熱能力。且由于幾乎不再有凝汽器端的冷源損失,熱耗從8 262.8 kJ/kW·h下降到4 894.0 kJ/kW·h。

依據(jù)該機(jī)組的熱力資料以及表7和表8的電熱負(fù)荷數(shù)據(jù),繪制出如圖3所示的常規(guī)抽汽和低壓缸零出力條件下的熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)區(qū)域。

圖3 熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)區(qū)域圖Fig.3 Regulation ranges thermoelectric load

圖中ABDE為常規(guī)抽汽方式下的熱電負(fù)荷調(diào)節(jié)區(qū)域,A、D兩點(diǎn)分別為閥門全開工況和40%THA工況,B點(diǎn)為100%TMHCR工況,E點(diǎn)為低壓缸和鍋爐都處于最小流量下的常規(guī)抽汽供熱工況,C、F兩點(diǎn)分別為100%TMHCR工況和40%THA工況進(jìn)入低壓缸零出力后的變工況?？梢钥闯?低壓缸零出力使得可調(diào)節(jié)區(qū)域明顯擴(kuò)大。

以國(guó)家能源局2019年發(fā)布的東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)規(guī)則為例,供熱機(jī)組參與深調(diào)峰時(shí),其上網(wǎng)電價(jià)實(shí)施階梯式的補(bǔ)償機(jī)制,分為兩檔:負(fù)荷率在40%～50%區(qū)間內(nèi)獲得第一檔的補(bǔ)貼價(jià)格,0.4元/kW·h;當(dāng)負(fù)荷率低于40%可獲得第二檔補(bǔ)貼價(jià)格,1元/kW·h。對(duì)不參加深調(diào)峰的機(jī)組,電價(jià)按黑龍江省發(fā)布的上網(wǎng)電價(jià)基準(zhǔn)價(jià)格0.372 3元/kW·h來計(jì)算收益;熱價(jià)取當(dāng)?shù)亟鼛啄甑钠骄鶅r(jià)格,35元/GJ。在供暖期,假設(shè)機(jī)組需要保持一定的熱負(fù)荷全天候運(yùn)行,根據(jù)以上電、熱價(jià),計(jì)算出不同工況下機(jī)組運(yùn)行一天收益,對(duì)比結(jié)果如表9和表10所示。

表9 100%TMHCR工況低壓缸零出力前后收益對(duì)比

表10 40%THA工況低壓缸零出力前后收益對(duì)比

由表9可知,100%TMHCR工況進(jìn)入低壓缸零出力后單日發(fā)電收益下降26.27萬元,但是供熱收益的上漲使得總收益增加近8萬元/天?？紤]熱耗下降帶來的煤炭成本減少,因此其綜合效益必然更高[17]。

由表10可知,40%THA工況進(jìn)入低壓缸零出力后電廠的上網(wǎng)電價(jià)不僅進(jìn)入深調(diào)峰最高檔的標(biāo)準(zhǔn),發(fā)電收益增加84.95萬元/天,而且額外獲得59.77萬元/天的供熱收益,其總收益由133.4萬元/天增至278.12萬元/天。

5 結(jié) 論

使用基于熱平衡理論的低壓缸零出力變工況算法,計(jì)算出100%TMHCR工況和40%THA工況進(jìn)入低壓缸零出力運(yùn)行的熱力性能參數(shù),并結(jié)合對(duì)外出售能源的價(jià)格,對(duì)比了兩個(gè)工況在低壓缸零出力前后的收益。

(1)100%TMHCR工況進(jìn)入低壓缸零出力后的發(fā)電功率從285 MW降至255.6 MW,供熱負(fù)荷由1 477.0 GJ/h上升至1 886.0 GJ/h,熱耗下降至4 023.0 kJ/kW·h;40%THA工況的發(fā)電功率從140 MW降至90.98 MW,并增加711.6 GJ/h的供熱量,熱耗下降至4 894.0 kJ/kW·h。

(2)低壓缸零出力在提高100%TMHCR工況最大供熱量的同時(shí),擴(kuò)大了供熱面積,使得收益增長(zhǎng)了近8萬元/天,而在40%THA工況下進(jìn)入低壓缸零出力,機(jī)組在保證一定供熱能力的同時(shí)可參與深調(diào)峰,收益增加了144.72萬元/天,兩種工況均為為電廠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。