基于烟风系统的火电机组节能运行特性研究.pdf

2023 年 11 月2023 年第 11 期“双碳”目标是构建人类命运共同体的重大举措1-2，在实现它的社会变革中，电力系统承担着无可替代的责任3。2020 年，能源相关行业排放 CO2约 9.9109t，其中电力行业 CO2直接排放占比 45%4。构建以新能源为主体的新型电力系统，是电力行业发展的主旋律5-6。2020 年，电能在能源终端的消费比例约为 27%，2030年，将提高至 40%左右，2060 年，将继续提高至 70%左右。“双碳”变革，彻底改变了电力系统的固有模式，带来巨大的风险挑战，也赋予全新的创造与机遇7。煤电与清洁电力并不是此消彼长、相互替代的关系，而是相互协调、相互补充、相互促进的发展模式8-9。煤电在新型电力系统中，将从电量主体逐渐向容量主体转变，为清洁电力的发展让出市场份额，同时为能源供给安全提供支撑保障10-11。通过推动煤电行业节能降碳改造、灵活性改造、供热改造“三改联动”，实现煤电的低碳、高效、清洁、灵活发展12-13。煤电是一种可灵活调节电源，也是调峰和顶峰主力。600 MW，1 000 MW 高参数和大容量火电机组在深度调峰工况下实现节能降碳，是火电企业突破自我、走收稿日期：2023-07-14第一作者简介：杨茂林袁 1997 年生袁 男袁 河南漯河人袁 硕士袁 工程师袁 主要从事能源与动力工程尧 火力发电方面的研究遥基于烟风系统的火电机组节能运行特性研究杨茂林1袁2袁 孙利娟1袁2袁 岳毅2袁 张印1袁 任仲宇1袁3袁 赵宏2（1.中国华能集团有限公司河南分公司，河南 郑州 450018；2.华能沁北发电有限责任公司，河南 济源 459011；3.华能河南清洁能源分公司，河南 郑州 450018）摘要：为了实现火电机组在深度调峰期间节能降耗袁 研究烟风系统运行节能特性具有重要意义遥 单侧烟风系统运行最多能带 50%负荷袁 满足深度调峰要求的同时袁 还能够有效地降低厂用电率遥 通过调取烟风系统历史运行数据袁 拟合2 台引风机总功率与负荷公式袁 结果为一次函数遥 拟合 2 台引风机总风量与负荷公式袁 拟合单台引风机功率与风量公式袁结果均为指数函数遥 通过进行 240 MW袁 300 MW 单台引风机运行试验袁 进行拟合计算结果与试验结果对比袁 验证拟合计算结果的准确性和可靠性遥 600 MW 的火电机组袁 负荷高于 220 MW 时袁 运行 2 台引风机节能袁 负荷低于 220 MW 时袁 运行 1 台引风机节能遥 研究结果能够为单侧烟风系统运行节能转折点的探究提供理论指导袁 同时丰富了火电机组节能运行技术手段遥关键词：火电机组曰 烟风系统曰 深度调峰曰 引风机曰 能耗曰 节能运行特性中图分类号：TK223.26文献标志码：A文章编号：2095-0802-(2023)11-0103-05Energy-efficient Operation Characteristics of Thermal Power Units Based on Airand Gas SystemYANG Maolin1,2,SUN Lijuan1,2,YUE Yi2,ZHANG Yin1,REN Zhongyu1,3,ZHAO Hong2(1.Henan Branch of China Huaneng Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450018,Henan,China;2.Huaneng Qinbei Power GenerationCo.,Ltd.,Jiyuan 459011,Henan,China;3.Huaneng Henan Clear Energy Branch,Zhengzhou 450018,Henan,China)Abstract:In order to realize the energy conservation and consumption reduction of thermal power units during deep peakregulation,it was of great significance to study the energy-efficient operation characteristics of air and gas system.The single-sideair and gas system could operate with up to 50%load.It met the requirements of deep peak regulation,but also could effectivelyreduce the plant power rate.The historical operation data of the air and gas system were collected.The formula between the totalpower of the two induced draft fans and the load was fitted,and the result was a linear function.The formula between the total airvolume of the two induced draft fans and the load was fitted,and the formula between the power of the single induced draft fanand the air volume was fitted.The results were exponential functions.Under the condition of 240 MW and 300 MW,the operationexperiment of single induced draft fan was carried out.The fitting calculated results were compared with the experimental results.The accuracy and reliability of the fitting calculation results were verified.For 600 MW thermal power unit,when the load washigher than 220 MW,running two induced draft fans could save energy,when the load was lower than 220 MW,running one induceddraft fan could save energy.The research results could provide theoretical guidance for exploring the energy-efficient turningpoint of the single-side air and gas system,and enrich the technical means of energy-efficient operation of thermal power units.Key words:thermal power unit;air and gas system;deep peak regulation;induced draft fan;energy consumption;energy-efficient operation characteristics（总第 218 期）节能减排1032023 年第 11 期2023 年 11 月注：BMCR 为锅炉最大连续蒸发量，TB 工况点的风量、风压为风机能力考核点。图 2引风机各工况下设计轴功率和效率图向转型的关键一步14-15。机组负荷在 20%50%之间时，单侧烟风系统运行满足深度调峰工况需求。通过调取烟风系统运行历史数据，进行数据拟合，探究单侧烟风系统运行节能转折点，并用具体的实验结果验证拟合计算结果的准确性和可靠性。研究结果可为火电机组的节能运行提供理论指导，同时为火电企业的数字化应用提供借鉴意义。1实验及表征1.1烟风系统特性一火电厂 600 MW 机组，锅炉为装型结构，烟风系统为 A，B 侧对称双系列结构。图 1 为该火电厂 600 MW火电机组烟风系统流程图。单侧一次风机、送风机、空预器、引风机为一个系列，单系列烟风系统运行时，机组最大能够带 55%，即 330 MW 的负荷。双系列烟风系统的结构，既解决了单台设备出力不足的现实难题，又增强了火电机组的灵活性和稳定性。单侧烟风系统中任一设备发生故障时，可以通过降低机组负荷，停运单侧烟风系统，实现不停机在线维修。1.2引风机特性引风机采购自成都风机厂，电机定频运行，采用入口导叶调节流量。图 2 展示了引风机各工况下设计轴功率和效率。引风机设计入口温度 110，入口密度 0.89 kg/m3。机组负荷为 350 MW 时，引风机轴功率和效率分别为 1 138 kW，60.9%。机组负荷从 350 MW上升至 TB 工况时，引风机轴功率呈现持续增长的变化趋势，从 1 138 kW 增长至 3 329 kW，然而引风机效率却呈现先增长、后降低的变化趋势。机组负荷从 350 MW上升至 480 MW 时，引风机效率从 60.9%增长至 80.1%，增长幅度最大，为 19.2%。在 BMCR 工况下，引风机效率最高，为 86.2%。引风机出力继续增大至 TB 工况时，引风机效率下降，为 84.8%。流量增加、出力增大是引风机轴功率持续增长的原因。从 350 MW 到 BMCR 工况，引风机入口导叶开度一直加大，节流损失逐渐减少，因此引风机效率不断提高。从 BMCR 工况至 TB 工况，引风机入口导叶开度维持最大不变，引风机流量增大引起局部阻力损失增加，因此引风机效率下降。图 1一火电厂 600 MW 火电机组烟风系统流程图1.3单台引风机运行试验流程为了保证机组的安全稳定运行，在进行单侧烟风系统停运试验时，只停运 A 引风机，以减少操作量，控制风险源，避免巨大扰动导致跳机。维持烟风系统的总风量不变，2 台一次风机和 2 台送风机同时运行，对比单台引风机运行和 2 台引风机运行时引风机总耗电量的变化情况。单台引风机运行试验在机组负荷 300 MW 工况下进行。具体地，维持机组负荷稳定，首先打开引风机联络烟道挡板，然后逐渐关小 A 引风机入口导叶开度，开大 B 引风机入口导叶开度，维持炉膛压力在-100 +100 Pa 之间。当 A 引风机入口导叶开度关至15%时，停运 A 引风机，关闭 A 引风机前、后挡板，防止返风，从而完全隔绝 A 引风机。在 300 MW 工况下，维持 B 引风机单独稳定运行 4 h，记录 B 引风机的耗电烟气炉膛A 侧冷一次风A 侧空气预热器一次风A 一次风机A 引风机A 送风机B 引风机B 送风机一次风二次风二次风静电除尘器热一次风A 侧脱硝反应器B 侧脱硝反应器B 侧空气预热器B 侧冷一次风B 一次风机烟囱4 0003 2002 4001 6008001009080706050风机轴功率；风机效率。80.185.786.23 3292 6432 3181 6671 13884.8350480600BMCRTB工况/MW60.91042023 年 11 月2023 年第 11 期量。接着以 3 MW/min 的速率降低机组负荷至 240 MW，再次稳定运行 4 h 后，记录 B 引风机在 240 MW 工况下单独运行时的耗电量。试验结束后，在 240 MW 负荷下，重新启动 A 引风机，并入烟风系统运行。1.4能耗表征单、双台引风机运行采用对照法分析节能特性。对照分析表征包括 240 MW，300 MW 负荷下单、双台引风机实际运行耗电量的对比表征，也包括通过历史数据拟合求得的 200300 MW 负荷阶段，单、双台引风机理论计算耗电量的对比表征。图 3 为单、双台引风机运行能耗表征流程图。通过调取 2 台引风机运行时的历史数据，拟合 2 台引风机总功率与负荷公式，拟合 2 台引风机总风量与负荷公式。同时，分别调取2 台引风机运行时各自的功率和烟气量，拟合单台引风机功率与风量公式。由于烟道布置结构、挡板开度、引风机型号完全一致，2 台引风机的功率和风量显示出高度的一致性。当机组的负荷一定时，总风量和烟气量也是一定的，此时烟气量由 2 台引风机共同抽吸。假设特定负荷下的烟气量全部由 1 台引风机抽吸，通过拟合的单台引风机功率和风量的公式，计算在该特定负荷下 1 台引风机运行时的引风机耗电量，从而通过理论计算对比单、双台引风机运行时的耗电量，然后通过具体的实验结果验证理论计算值，这样既减少了试验量，又验证了理论计算结果的准确性。2结果与讨论2.1机组负荷对引风机总风量的影响图 4 显示了总风量随机组负荷的变化情况。总风量与机组负荷的拟合公式如公式(1)所示，拟合因子R12为 0.979。y1=3 021.6x1+288 811.7，(1)式中：x1为机组负荷的数值，单位 MW；y1为总风量的数值，单位 m3/h。总风量与机组负荷拟合公式为一次函数，二者呈现正相关关系，总风量随着机组负荷的增加而增长。当机组负荷为 230 MW 时，总风量为 1 056 000 m3/h，总风量与机组负荷的比值为 4 590 m3/（MW h）。机组负荷增加至 590 MW 时，总风量为 2 109 000 m3/h，总风量与机组负荷的比值为 3 570 m3/（MW h）。公式(1)的截距 288 811.7 是低负荷时总风量与机组负荷比值偏高，而高负荷时总风量与机组负荷比值偏低的具体体现。图 3单双台引风机运行能耗表征流程图图 4总风量与机组负荷拟合曲线图2 台引风机运行历史数据历史负荷数据2 台引风机总风量、总功率数据2 台引风机总功率与负荷拟合曲线2 台引风机总风量与负荷拟合曲线引风机功率与风量拟合曲线单台引风机功率与负荷计算值单、双台引风机运行节能对比计算值与试验值对比单台引风机总风量、功率数据单台引风机运行实验数据实验负荷数据单、双台引风机运行节能特性2 400 0002 000 0001 600 0001 200 000800 0002 030 0002 109 0001 770 0001 447 0001 162 0001 056 000y1=3 021.6x1+288 811.7R12=0.979200300400500600负荷/MW杨茂林，等：基于烟风系统的火电机组节能运行特性研究1052023 年第 11 期2023 年 11 月图 5引风机总功率与机组负荷拟合曲线图为了保证磨煤机出力，同时防止煤粉管道堵塞，煤粉管道风速维持在 2025 m/s 之间。无论负荷高低，一次风母管压力都控制在 7 kPa 以上。因此，在低负荷阶段，一次风量偏大，导致总风量与机组负荷的比值偏高。此外，虽然送风机跟随 O2体积分数自动调节二次风量，但是 O2体积分数波动范围较大，在 2%8%之间。低负荷阶段，燃煤量较少，所需总风量也较少，然而送风机在动叶开度较小的情况下，二次风量依然偏大，导致 O2体积分数偏高，在 4%8%范围内，因此总风量与机组负荷的比值偏高。高负荷阶段，燃煤量较多，所需总风量也较多，然而送风机在动叶开度全开的情况下，二次风量也无法维持高的 O2体积分数，O2体积分数偏低，在 2%4%范围内，因此总风量与机组负荷的比值偏低。机组负荷一定时，煤质是影响总风量的另一个主要因素。锅炉燃用煤种热值在16.7323.02 MJ/kg 之间。当锅炉燃用高热值煤种时，煤电比较小，进入炉膛的总煤量较少，因此总风量也较少，总风量与机组负荷的比值随之偏低。相反地，锅炉燃用高热值煤种时，煤电比较大，进入炉膛的总煤量较多，因此总风量也较多，总风量与机组负荷的比值随之偏高。2.2机组负荷对引风机能耗的影响总风量、烟气量随着机组负荷的增加而增大。图 5显示了引风机总功率随机组负荷的变化情况。引风机总功率为 2 台引风机同时运行时的功率之和。引风机总功率与机组负荷的拟合公式如公式(2)所示，拟合因子R22为 0.967。y2=189.714ex2/193.413+1 850.96，(2)式中：x2为机组负荷的数值，单位 MW；y2为引风机总功率的数值，单位 kW h。公式(2)为指数函数，引风机总功率随着机组负荷的增加而增大。当负荷从 230 MW 增加至 300 MW 时，引风机总功率从 2 531 kW h 增大至 2 669 kW h。当负荷从 500 MW 增加至 590 MW 时，引风机总功率从4 503 kW h 增大至 5 943 kW h。相比于 230300 MW的低负荷阶段，在 500590 MW 的高负荷阶段，引风机总功率随机组负荷的增加而加速增大。引风机总功率随机组负荷的增加而加速增大，其原因是引风机功率受风量的影响，随着引风机风量的增加而加速增长。图 6 显示了引风机总功率随引风机风量的变化趋势。引风机功率与引风机风量的拟合公式如公式(3)所示，也为指数函数，拟合因子R32为 0.955。y3=950.4ex3/1 189+192.2，(3)式中：x3为引风机风量的数值，单位 m3/h；y3为引风机功率的数值，单位 kW h。当机组负荷从 230 MW 增加至 300 MW 时，引风机总风量从 1 056 000 m3/h 增大至 1 162 000 m3/h。当机组负荷从 500 MW 增加至 590 MW 时，引风机总风量从1 770 000 m3/h 增大至 2 109 000 m3/h。相比于 230300 MW 的低负荷阶段，在 500590 MW 的高负荷阶段，引风机风量也处于较高的水平，引风机功率随引风机风量的增加而加速增大。负荷越高，引风机每增加相同的风量，所消耗的电量越多，其原因是引风机所受到的管道阻力逐渐增大。2.3单双台引风机运行节能特性烟风系统单、双台引风机运行耗电量由公式(1)公式(3)计算得出。图 7 显示了单、双台引风机耗电量随机组负荷的变化情况。无论是单台引风机独立运行，还是 2 台引风机并联运行，引风机耗电量都随着机组负荷的增加而增大。单台引风机独立运行时，机组负荷从200 MW 上升至 300 MW，引风机耗电量从 2 231 kW h增长至 3 645 kW h，增长幅度为 1 414 kW h。2 台引风机并联运行时，机组负荷从 200 MW 上升至 300 MW时，引风机总耗电量从 2 385 kW h 增长至 2 746 kW h，增长幅度为 361 kW h。在 200300 MW 负荷区间，单台引风机独立运行时的引风机耗电量增长幅度，远高图 6引风机总功率与引风机风量拟合曲线图7 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0005 9434 5033 4012 6692 531y2=189.714ex2/193.413+1 850.96R22=0.967200300400500600负荷/MW5 203引风机总功率；引风机总功率与负荷拟合曲线。7 0006 0005 0004 0003 0002 000引风机功率；引风机功率与风量拟合曲线。y3=950.4ex/1 189+192.2R32=95.55 9435 2034 5033 4012 5312 669900 000 1 200 000 1 500 000 1 800 000 2 100 000 2 400 000引风机风量/（m3 h-1）1062023 年 11 月2023 年第 11 期于 2 台引风机并联运行时的引风机总耗电量增长幅度。单台引风机独立运行，引风机风量处于高水平阶段，风速高，管道阻力大，因此引风机耗电量增长幅度大。2 台引风机并联运行时，每台引风机的风量仅为单台引风机独立运行时风量的 50%，引风机风量处于低水平阶段，风速低，管道阻力小，因此引风机耗电量增长幅度小。图 7单双台引风机运行节能特性机组负荷为 220 MW 时，单、双台引风机运行耗电量相当，分别为 2 459 kW h，2 443 kW h，相差仅为16 kW h。机组负荷在 220300 MW 区间时，单台引风机运行耗电量高于 2 台引风机运行总耗电量，并且随着负荷的增加，二者之间的差距越来越大。负荷为240 MW 时，二者相差 205 kW h，负荷为 300 MW 时，二者相差 899 kW h。机组负荷在 200220 MW 区间，单台引风机运行耗电量低于 2 台引风机运行总耗电量，并且随着负荷的降低，二者之间的差距也越来越大。负荷为 210 MW，二者相差 71 kW h，负荷为 200 MW，二者相差 154 kW h。机组负荷 220 MW 是单台引风机运行比 2 台引风机运行节能的分界点。在机组负荷为 240 MW，300 MW 时，对单、双台引风机进行运行试验。负荷为 240 MW 时，单台引风机运行实际耗电量为 2 762 kW h，而理论拟合计算值为2 712 kW h，二者偏差 50 kW h，偏差率 1.8%。负荷为300 MW 时，单台引风机运行实际耗电量为 3 499 kW h，而理论拟合计算值为 3 645 kW h，二者偏差 146 kW h，偏差率 4.2%。试验结果与拟合计算结果显示出高度的一致性，验证了拟合公式理论计算值的准确性和可靠性。3结论调整烟风系统运行方式，是火电机组深度调峰期间重要的节能措施。调取历史数据，拟合总风量与机组负荷、引风机总功率与机组负荷、引风机总功率与引风机总风量公式，并在 240 MW，300 MW 负荷下进行具体的单、双台引风机运行试验，得出主要结论如下。1)总风量与机组负荷拟合公式为一次函数。引风机总功率与机组负荷拟合公式、引风机总功率与引风机总风量的拟合公式，均为指数函数。2)引风机总风量增加后，烟气流速加快，烟风系统管道阻力增大，是引风机总功率随引风机总风量、机组负荷增加而加速增长的原因。3)机组负荷 220 MW 是单台引风机运行比 2 台引风机运行节能的分界点。负荷高于 220 MW 时，2 台引风机运行更节能；负荷低于 220 MW 时，单台引风机运行更节能。4)在机组负荷为 240 MW，300 MW 的试验中，2 台引风机运行比单台引风机运行分别节能 289 kW h，850 kW h。试验结果与拟合计算结果显示出高度的一致性。参考文献：1 习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话 J.中华人民共和国国务院公报，2020(28)：5-7.2 康重庆，陈启鑫，夏清.低碳电力技术的研究展望 J.电网技术，2009，33(2)：1-7.3 肖先勇，郑子萱.“双碳”目标下新能源为主体的新型电力系统：贡献、关键技术与挑战 J.工程科学与技术，2022，54(1)：47-59.4 江冰.构建面向 30 60 的新型电力系统：中国电力 4.0 的思考J.全球能源互联网，2021，4(6)：534-541.5 舒印彪，陈国平，贺静波，等.构建以新能源为主体的新型电力系统框架研究 J.中国工程科学，2021，23(6)：61-69.6 范帅，危怡涵，何光宇，等.面向新型电力系统的需求响应机制探讨 J.电力系统自动化，2022，46(7)：1-12.7 张智刚，康重庆.碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望 J.中国电机工程学报，2022，42(8)：2806-2819.8 曹雅丽.把握转型节奏“三步走”构建新型电力系统 N.中国工业报，2022-08-11(A1).9 刘学，刘硕，于松泰，等.面向新型电力系统灵活性提升的调峰容量补偿机制设计 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