供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析.pdf

第 50 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 电 力 大 学 学 报Journal of North China Electric Power UniversityVol.50,No.4Jul.,2023doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2023.04.12供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析汪 可,田 亮(华北电力大学 控制与计算机工程学院,河北 保定 071003)摘要:低压缸零出力运行是当前供热机组灵活性改造的主要方式。依据电网现行深调峰补偿政策,核算机组不同工况下的收益是现场面临的实际问题。研究一种基于热平衡规律的变工况快速算法,能够在保证基本计算准确度的情况下快速计算出机组变工况后运行状态。以某 350 MW 超临界供热机组为例,分别计算 100%TMHCR(最大供热)和 40%THA 工况下低压缸零出力运行前后的发电功率、供热功率及热耗等参数,进而计算出发电供热收益。结果显示,100%TMHCR 工况低压缸零出力运行能够降低发电负荷约 8%,提升供热负荷 27%,40%THA 工况可将发电负荷降低至 25%Pe,经济效益显著。关键词:供热机组;低压缸零出力;经济性分析;变工况计算中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1007-2691(2023)04-0112-07Thermal Economy Analysis of Heating Unit under Zero-output Condition of Low Pressure CylinderWANG Ke,TIAN Liang(School of Control and Computer Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)Abstract:The zero-output condition of low pressure cylinder is the main method for modifying the flexibility of the cur-rent heating unit.According to the current deep peak shaving compensation policy of the power grid,it is a practical problem to calculate the benefit of the unit under different working conditions.A fast algorithm for part-load conditions based on the heat balance law is studied,which can quickly calculate the operating status of the unit after condition has changed while ensuring the basic calculation accuracy.Taking a 350 MW supercritical heating unit as an example,we calculated parameters including the power generation,heating power,and heat consumption under 100%TMHCR(maximum heating)and 40%THA operating conditions before and after zero-output condition of low pressure cylinder.Based on this,revenue from power generation and heating was calculated.The results show that low-pressure cylinder zero output operation under 100%TMHCR working condition can reduce power generation load by about 8%and in-crease heating load by about 27%,while 40%THA working condition can reduce power generation load to 25%Pe,showing significant economic benefits.Key words:heating unit;zero-output condition of low pressure cylinder;economic analysis;calculation of part-load condition收稿日期:2021-11-12.基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFB0902100);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017MS132).0 引 言 2021 年,我国在十四五规划中提出要加快发展非化石能源,大力提升风电、光伏发电规模,实现碳达峰、碳中和的目标1。随着未来风、光等可再生能源装机量的进一步攀升,发电企业积极响应国家政策,对燃煤机组的灵活性提出了更高的要求,更多的热电联产机组也开始参与电网调峰。由于常规抽汽供热机组的供热蒸汽取自中压缸排汽,加大供热量必然导致通过高、中压缸流量增加,因此供热机组的发电量往往和采暖抽汽量耦合,每当大风降温天,供热需求和风电利用的矛盾会变得更加突出,使得风电出力受到限制,导致更多地区出现弃风弃光现象,进而浪费了大量清洁第 4 期汪 可,等:供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析能源2。为了解决当前清洁能源利用率不高的难题,工程师们提出诸多设想,部分方案已经得到实际应用:文献3针对某一供热系统,使用迭代算法得到了储热罐的最佳容量,并且通过定值计算来分析储热罐对供热机组的调峰灵活性提升效果;文献4运用遗传算法和双层决策模型来实现大范围的储能系统规划,以提高风电的接入能力;文献5详细介绍了在加装电锅炉后某机组包括调峰能力在内各项指标的改变;文献6提出将东北地区的风电场和电锅炉绑定的方案,在消纳风电的同时可以保障供热;文献7,8计算了汽轮机在低压缸切除状态下的各级热力参数,表明其可以有效地降低机组最小负荷,一定程度上能解除热电耦合,释放出更大的调峰裕度;文献9计算并分析了机组在采暖抽汽工况下的热耗等参数,表明供热可以提高机组的热经济性;文献10介绍了某 330 MW 机组经过低压缸切除供热改造的实际案例,改造后的机组大幅增加采暖抽汽量,供热煤耗降低量最高达 30%,为电厂创造了极大的收益。文献11提出一种不需要汽轮机详细结构参数即可计算机组变工况后各项热力参数的算法;文献12提出了确定变工况算法的起点负荷的方法,并使用改进后的弗留格尔公式,在传统算法的基础上减小了误差。在众多提升供热机组灵活性的技术中,低压缸零出力因为其低投资和可观的经济收益,得到了很多热电企业的关注。目前关于低压缸零出力热经济性的文献,少有对多种工况下在低压缸零出力前后的定量分析和热经济性对比,而且大多是计算发电功率、热耗,很少结合能源对外售出的价格去直观体现电厂在收益上的增减。本文首先分析了某 350 MW 超临界供热机组的实际情况;然后利用机组的热力平衡规律分别计算出在 100%TMHCR(最大供热)和 40%THA 两种典型性工况下汽轮机进入低压缸零出力后的发电功率、供热负荷和热耗等各项热力性能参数;最后依据近几年当地的上网电价和热价,对比分析低压缸零出力能否扩大电厂的经济收益。1 机组概况 该电厂建设有 2350 MW 的国产超临界燃煤空冷机组,该机组高、中压缸采用合缸反向布置,为一次中间再热、直接空冷、双缸双排汽的抽汽凝汽式汽轮机。机组设置有 8 段回热抽汽,分别为 3台高压加热器,1 台除氧器,以及 4 台低压加热器,额定工况下给水经过回热系统升温至 276,离开一号高压加热器后直接进入锅炉。机组主要热力参数如表 1 所示。表 1 机组主要热力参数Tab.1 Main thermal parameters of unit项目/单位数值额定功率/MW350.000额定主蒸汽流量/(t/h)1 055.10最大主蒸汽流量/(t/h)1 110.00额定主蒸汽压力/MPa24.200额定再热蒸汽压/MPa4.000保证热耗率/(kJ/kW h)8 035.9最大采暖抽汽量/(t/h)600.00最大工业抽汽量/(t/h)80.00该机组能为周边工业生产和居民采暖供汽,工业用汽以汽网输送,视参数要求,汽源来自 3 号高加抽汽或除氧器抽汽,前者抽汽压力 2.0 MPa左右,后者在 0.8 MPa 左右,工业用汽离开机组后几乎不返回,电厂在凝汽器端补水;采暖抽汽取自中压缸排汽,蒸汽压力参数为 0.4 MPa,供暖汽流在换热器完成换热过程后,回水直接进入除氧器,无需补水,目前可供当地超过 8106 m2的面积取暖,且计划为更多的地区提供暖气,因此需要进一步提高供热能力。其热力系统如图 1 所示。图 1 机组热力系统图Fig.1 Diagram of unit thermal power system2 低压缸零出力技术2.1 技术介绍 低压缸零出力技术通过灵活地开启或关闭中低压连通管上的低压蝶阀来实现低压缸的“出力”或者“零出力”状态的切换,切换速度较快。在零出力状态下,关闭低压蝶阀后的同时开启供热管道阀门,将机组中压缸排汽几乎全部用于供热,使311华 北 电 力 大 学 学 报2023 年得低压缸在仅有少量来自旁路连通管冷却蒸汽的情况下空转,大量增加供热的同时降低了汽轮机出力,一定程度上解除了供热量和电负荷的耦合。并且,凝汽器端的冷源损失是影响电厂效率的一大因素,由于低压缸零出力状态下几乎不再有低压缸排汽,供热回水会进入除氧器,避免了余热浪费在空气中,从而提高机组的热经济性。2.2 技术改造 实现低压缸出力状态的灵活切换需要在中低压连通管上安装可完全密封的蝶阀,阻断原本用来做功的蒸汽进入低压缸。文献13表明,当流量降低到 20 t 以内,低压缸叶片不会产生颤振,鼓风现象减小到可容忍的范围,汽轮机能够长期安全运行。同时要增设旁路系统,向低压缸内通入少量的冷却蒸汽带走鼓风产生的热量。根据厂家的安全运行说明,低压缸末级和次末级叶片的温度不应该超过 120,因此需要设置温度监控点随时关注叶片的状况,并且对末两级叶片进行抗水蚀金属耐磨层喷涂处理,这样可在运行中投入减温水保障叶片安全。3 基于热力平衡规律的变工况算法3.1 抽气口压力计算 对于汽轮机每个抽气口级前的压力与流量,假定机组通流面积因调节阀未动作而不发生变化,可用弗留格尔公式描述其数学关系14:D1D0=p21-p2cp20-p2cT1T0(1)式中:0 代表基准工况,下标 1 代表变工况后;D 为抽气口级前蒸汽流量,kg/h;p0、p1为抽气口级前压力,pc为下一抽气口级前压力或缸排汽压力,MPa;T 为蒸汽温度,假定蒸汽在汽轮机内做理想膨胀,蒸汽温度在变工况前后不发生变化。则当T1=T0时,公式可简化为p1=p0D1D0(2)3.2 回热系统抽气流量计算 回热加热系统是机组热力系统的基本组成部分,作用是抽出在汽轮机做功后的蒸汽,利用其余热逐级提升锅炉给水温度,减少机组冷源损失。而加热器的端差一定程度上反映出回热系统的热经济性15,其中抽汽口蒸汽压力下的饱和水温度和加 热 器 出 口 水 温 度 之 差 通 常 称 为 上 端 差(TTD),相对的下端差(DCA)指加热器疏水出口温度和水侧入口温度之差,以这台 350 MW 机组一号高加为例,其端差随负荷变化情况如表 2 所示。表 2 加热器端差随工况变化情况Tab.2 Heater terminal difference changes with working con-ditions端差THA75%THA50%THA40%THA30%THATTD/-1.7-1.6-1.7-1.6-1.7DCA/5.55.55.65.65.5可以看出,在负荷变化幅度不大时,端差不变或改变不超过 0.1,对加热器内水和蒸汽焓值影响极小。以邻近工况作为基准工况,假设工况变动前后端差未发生改变,通过下式可求取变工况后加热器各入口和出口的温度:tsi=f(pi)(3)twi=tsi-TTTDi(4)ti=twi+1+TDCAi(5)式中:pi为本级加热器抽汽压力,MPa;f(x)为求取某压力下饱和水温度的函数;tsi、twi、twi+1、ti分别代表 i 级加热器汽侧饱和水温度、i 级加热器出口水温度、i+1 级加热器出口水温度、i 级加热器疏水温度,;TTTDi、TDCAi为基准工况下 i 级加热器上、下端差,。twi+1可按照式(4)由 i+1 级加热器汽侧饱和水温度和上端差求得。对于高压加热器和低压加热器,若不考虑流量损失,其给水流量 Dwi不发生变化且分别与主蒸汽流量和凝结水泵流量相等。根据加热器物质平衡与能量平衡,可由以下公式求得抽汽流量 Di:Di=Dw(hwi-hwi+1)-Di(hi-1-hi)hi-hi(6)式中:Dw、Di分别为给水流量、i 级加热器疏水出口流量,t/h;hi为抽汽焓,kJ/kg;hwi、hwi+1为 i 级加热器出口水焓、i+1 级加热器出口水焓,将 twi、twi+1代入水蒸气性质函数计算得到,kJ/kg;hi、hi-1为 i 级加热器疏水出口焓、i-1 级加热器疏水出口焓,将 ti、ti+1水蒸气性质函数计算得到,kJ/kg。对于 hi,由式(2)可以算得抽气口级前的压力,结合蒸汽温度,代入水蒸气性质函数计算得到抽汽焓 hi。3.3 变工况计算步骤 本文基于 Simulink 搭建低压缸零出力迭代计算模型。机组处于低压缸零出力状态下运行时,低压缸内仅有少量冷却蒸汽,6、7、8 号低压加热器411第 4 期汪 可,等:供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析停止运行,无回热抽汽。计算以 15 段抽汽流量作为迭代值,模型主体部分通过循环计算 1 至 5号加热器回热抽汽流量。当循环至各抽汽流量值仅在误差允许范围内变动时,计算结束。具体计算步骤如图 2 所示。图 2 变工况迭代计算步骤Fig.2 Iterative calculation steps of part-load condition3.4 机组热力性能参数计算 以回热系统的 8 段抽汽为划分点,将汽轮机做功的通流部分划为 9 个级段,把每个级段包含的数个级组视为一个整体,分别计算蒸汽在级段内的焓降并相加,再考虑汽轮机机械效率和发电机效率,可以求得机组的发电功率 Ne,其计算公式如下: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)Ne=9i=1Wi()e m1 0003 600(18)式中:D0为主蒸汽流量,D1 8为各段抽汽流量,Dgp、Dzp、DQLQ、Dhfxl分别为高压缸排汽流量、中压缸排汽流量、中压缸冷却流量和阀杆漏气,t/h;W1 9分别为各级段的焓降,kJ;h0为主蒸汽焓值,h1 8分别是各段抽汽的焓,kJ/kg;E 为机组的发电功率,MW;e代表发电机效率,m代表机械效率,两者乘积取 99%。机组的供热负荷取单位时间内采暖抽汽的焓降,计算公式如下:Nh=Dh(h5-hr)(19)式中:Nh为供热负荷,GJ/h;Dh为采暖抽汽流量,t/h;采暖抽汽取自中压缸排汽,其热力参数与五段抽汽焓 h5相同,hr为供热回水焓,kJ/kg;计算机组热耗 q 时,考虑到供热抽汽,相对纯凝工况下热耗计算需要将供热量从蒸汽在锅炉里的总吸热量中减去,计算公式如下:q=D0(h0-hfw)+Dgp(hzr-hgp)-NhNe(20)式中:hfw、hzr、hgp分别为锅炉给水焓、再热蒸汽焓、高压缸排汽焓。4 经济性计算与分析 机组最大供热工况(100%TMHCR)和 40%THA 工况中与变工况计算相关的热力参数如表 3和表 4 所示。表 3 100%TMHCR 工况主要热力参数Tab.3Main thermal parameters under100%TMHCRpart-load condition蒸汽类型流量/(t/h)压力/MPa比焓/(kJ/kg)主蒸汽1 110.0024.2003 396.0一段抽汽75.866.9293 097.2二段抽汽88.474.5963 009.9三段抽汽66.572.3043 404.5四段抽汽56.490.8353 124.4五段抽汽23.260.4002 964.9六段抽汽8.370.0402 594.6七段抽汽6.260.0132 451.5八段抽汽0.310.004 92 337.5供热抽汽600.000.4002 964.9511华 北 电 力 大 学 学 报2023 年表 4 40%THA 工况主要热力参数Tab.4 Main thermal parameters under 40%THApart-load condition蒸汽类型流量/(t/h)压力/MPa比焓/(kJ/kg)主蒸汽389.3724.2003 396.0一段抽汽15.802.4653 020.6二段抽汽22.441.7352 954.7三段抽汽16.330.8873 389.8四段抽汽7.260.3733 147.3五段抽汽14.280.2333 035.4六段抽汽14.840.0932 747.0七段抽汽10.690.0292 644.2八段抽汽4.700.010 72 502.9供热抽汽000将表 3 和表 4 数据输入变工况热力参数计算模型,得出两个工况切换至低压缸零出力后的主要热力参数,结果如表 5 和表 6 所示。表 5 100%TMHCR 变工况计算结果Tab.5 Calculation results under 100%TMHCR part-load condition蒸汽类型流量/(t/h)压力/MPa比焓/(kJ/kg)主蒸汽1 110.0024.2003 396.0一段抽汽77.356.9293 097.2二段抽汽92.444.5893 008.9三段抽汽69.582.2923 405.2四段抽汽33.010.8273 123.7五段抽汽18.760.4402 963.5供热抽汽765.900.4402 963.5表 6 40%THA 变工况计算结果Tab.6 The calculation results under 40%THA part-load con-dition蒸汽类型流量/(t/h)压力/MPa比焓/(kJ/kg)主蒸汽389.3724.2003 396.0一段抽汽15.852.4653 020.6二段抽汽22.331.7302 954.0三段抽汽16.370.8903 390.3四段抽汽7.710.3733 139.0五段抽汽5.660.2313 035.0供热抽汽281.000.2313 035.0由表 5 和表 6 可知,切换至低压缸零出力状态后,100%TMHCR 工况每小时增加了 165.9 t 抽汽流量,供热能力同比扩大 27.8%;40%THA 工况则额外获得了每小时 281 t 的供热抽汽。另外,1 至 3 段抽汽流量和压力未见明显变化,经分析是由于低压缸流量几乎全部进入供热抽汽管道,再回流至除氧器,在汽水循环中这部分蒸汽的作用只是从做功改变为热交换,流量未发生较大变化,进而主蒸汽流量基本不变,因此高、中压缸部分的运行状态和抽汽也和变工况前相近,主要的变化发生在除氧器和 5 号低压加热器16。进一步分析机组电、热负荷和热经济性,将变工况后的热力参数代入公式(18)、(19)和(20),得到其发电功率、供热负荷和热耗,和变工况前的热力性能参数对比如表 7 和表 8 所示。表 7 100%TMHCR 低压缸零出力前后热力参数对比Tab.7 Comparison of thermal parameters before and after ze-ro-output condition of low pressure cylinder under 100%TMHCR part-load condition数据名称100%TMHCR变工况前100%TMHCR变工况后发电功率/MW285.030255.635供热负荷/(GJ/h)1 477.01 886.0热耗/(kJ/kW h)5 063.04 028.0表 8 40%THA 低压缸零出力前后热力参数对比Tab.8 Comparison of thermal parameters before and after ze-ro-output condition of low pressure cylinder under 40%THA part-load condition数据名称40%THA 变工况前40%THA 变工况后发电功率/MW140.00090.980供热负荷/(GJ/h)0711.6热耗/(kJ/kW h)8 262.84 894.0由表 7 可见,因为变工况前低压缸本身就处于最小进汽状态,100%TMHCR 工况下低压缸停止做功后,机组发电功率仅降低额定功率的8.4%。而供热从 1 477.0 GJ/h 上升 27.8%至1 886.0 GJ/h,热耗下降至 4 028.0 kJ/kW h。从表 8 可看出,40%THA 工况切换至低压缸零出力运行不仅将发电降低至额定功率的 25%,扩大了调峰区间,并获得了 711.6 GJ/h 的供热能力。且由于几乎不再有凝汽器端的冷源损失,热耗从 8 262.8 kJ/kW h 下降到4 894.0 kJ/kW h。依据该机组的热力资料以及表 7 和表 8 的电热负荷数据,绘制出如图 3 所示的常规抽汽和低压缸零出力条件下的热电负荷调节区域。图中 ABDE 为常规抽汽方式下的热电负荷调节区域,A、D 两点分别为阀门全开工况和 40%THA 工况,B 点为 100%TMHCR 工况,E 点为低压缸和锅炉都处于最小流量下的常规抽汽供热工况,C、F 两点分别为 100%TMHCR 工况和 40%THA 工况进入低压缸零出力后的变工况。可以看出,低压缸零出力使得可调节区域明显扩大。以国家能源局 2019 年发布的东北电力辅助服务市场运营规则为例,供热机组参与深调峰时,其上网电价实施阶梯式的补偿机制,分为两档:负荷率在 40%50%区间内获得第一档的补贴价格,611第 4 期汪 可,等:供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析图 3 热电负荷调节区域图Fig.3 Regulation ranges thermoelectric load0.4 元/kW h;当负荷率低于 40%可获得第二档补贴价格,1 元/kW h。对不参加深调峰的机组,电价按 黑 龙 江 省 发 布 的 上 网 电 价 基 准 价 格0.372 3 元/kW h 来计算收益;热价取当地近几年的平均价格,35 元/GJ。在供暖期,假设机组需要保持一定的热负荷全天候运行,根据以上电、热价,计算出不同工况下机组运行一天收益,对比结果如表 9 和表 10 所示。表 9 100%TMHCR 工况低压缸零出力前后收益对比Tab.9Comparison of benefits before and after zero-output state of low pressure cylinder under 100%TMHCR part-load condition收益类型100%TMHCR变工况前100%TMHCR变工况后供电收益/(万元/天)254.68228.41供热收益/(万元/天)124.06158.42总收益/(万元/天)378.74386.83表 10 40%THA 工况低压缸零出力前后收益对比Tab.10Comparison of benefits before and after zero-output state of low pressure cylinder under 40%THA part-load condition收益类型40%THA 变工况前40%THA 变工况后供电收益/(万元/天)133.40218.35供热收益/(万元/天)059.77总收益/(万元/天)133.40278.12由表9 可知,100%TMHCR 工况进入低压缸零出力后单日发电收益下降 26.27 万元,但是供热收益的上涨使得总收益增加近 8 万元/天。考虑热耗下降带来的煤炭成本减少,因此其综合效益必然更高17。由表 10 可知,40%THA 工况进入低压缸零出力后电厂的上网电价不仅进入深调峰最高档的标准,发电收益增加 84.95 万元/天,而且额外获得59.77 万 元/天 的 供 热 收 益,其 总 收 益 由133.4 万元/天增至 278.12 万元/天。5 结 论 使用基于热平衡理论的低压缸零出力变工况算法,计算出 100%TMHCR 工况和 40%THA 工况进入低压缸零出力运行的热力性能参数,并结合对外出售能源的价格,对比了两个工况在低压缸零出力前后的收益。(1)100%TMHCR 工况进入低压缸零出力后的发电功率从 285 MW 降至 255.6 MW,供热负荷由 1 477.0 GJ/h 上升至 1 886.0 GJ/h,热耗下降至4 023.0 kJ/kW h;40%THA 工况的发电功率从140 MW 降至 90.98 MW,并增加 711.6 GJ/h 的供热量,热耗下降至 4 894.0 kJ/kW h。(2)低压缸零出力在提高 100%TMHCR 工况最大供热量的同时,扩大了供热面积,使得收益增长了近 8 万元/天,而在 40%THA 工况下进入低压缸零出力,机组在保证一定供热能力的同时可参与深调峰,收益增加了 144.72 万元/天,两种工况均为为电厂带来一定的经济效益。参考文献:1 陈国平,董昱,梁志峰.能源转型中的中国特色新能源高质量发展分析与思考 J.中国电机工程学报,2020,40(17):5493-5506.CHEN Guoping,DONG Yu,LIANG Zhifeng.Analysis and reflection on high-quality development of new ener-gy with chinese characteristics in energy transition J.Proceedings of the CSEE,2020,40(17):5493-5506(in Chinese).2 李政,陈思源,董文娟,等.碳约束条件下电力行业低碳转型路径研究 J.中国电机工程学报,2021,41(12):3987-4001.LI Zheng,CHEN Siyuan,DONG Wenjuan,et al.Low carbon transition pathway of power sector under carbon emission 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