王興國，李春玉，盧盛陽，陳國偉，黃海東

(1.河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；河北省電力公司,石家莊 050021)

近年來，隨著城市化和集中供熱事業(yè)的發(fā)展，熱電聯(lián)產(chǎn)機組在電網(wǎng)中的比重不斷增加，如何在滿足供熱的前提下，讓熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機組適度參與電網(wǎng)調(diào)峰，成為電網(wǎng)企業(yè)和發(fā)電企業(yè)共同關(guān)心的問題。按照《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》要求：“供熱機組必須安裝并實時運行熱負荷實時監(jiān)測裝置，并與電力調(diào)度機構(gòu)聯(lián)網(wǎng)，接受實時動態(tài)監(jiān)管?！币詿岫娭笩犭娐?lián)產(chǎn)機組運行時根據(jù)熱負荷來確定電負荷，不同類型的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，以熱定電的具體方法也不盡相同。對背壓式供熱汽輪機來說，由于汽輪機進汽除了供給回熱系統(tǒng)的抽汽以外，全部排汽均用于供熱，熱電負荷呈簡單的線性關(guān)系，是純粹的以熱定電；而對于抽汽凝汽式供熱機組來說，是從汽輪機中間級抽出部分蒸汽供熱用戶，又分為一次抽汽和二次抽汽，采用牽連調(diào)節(jié)的抽汽機組，在一定范圍內(nèi)可以達到熱電自制，熱電負荷都能滿足；但對于目前按照純凝工況設計的大型供熱機組來說，調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)壓系統(tǒng)采用獨立調(diào)節(jié)方式，按以熱定電方式運行，電負荷與熱負荷呈復雜的多元關(guān)系。根據(jù)熱負荷確定電負荷的上下限，分析發(fā)電機功率、主蒸汽量、調(diào)整抽汽量三者之間的關(guān)系，建立熱電聯(lián)產(chǎn)機組“以熱定電”數(shù)學模型，是安裝并實時運行熱負荷監(jiān)測裝置的前提條件。

1 雙抽凝汽式供熱汽輪機運行工況分析

1.1 運行方式分析

雙抽凝汽式供熱汽輪機組分為高壓、中壓和低壓段三部分，蒸汽在高壓缸膨脹做功至一定壓力后，一部分蒸汽抽出供給工業(yè)熱用戶，另一部分蒸汽進入汽輪機的中壓部分，在中壓缸膨脹至一定壓力后，又有一部分蒸汽抽出供采暖熱用戶，余下部分的蒸汽進入汽輪機的低壓部分繼續(xù)膨脹做功，最后排至凝汽器。

一次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機在對外供熱抽汽量為0時，相當于1臺凝汽式汽輪機，理論上若將進入高壓缸的蒸汽全部抽出供給工業(yè)熱用戶，則相當于1臺背壓式汽輪機；在帶一定工業(yè)熱負荷時，若將中壓缸排汽全部供給采暖熱用戶，則相當于2臺背壓式汽輪機。但在實際運行中，為了冷卻低壓缸，帶走由于鼓風摩擦損失所產(chǎn)生的熱量，必須有一定量的蒸汽流過低壓段而進入凝汽器，所需最小流量為低壓缸設計流量的5%～10%。因此，在正常供熱狀態(tài)下，一次調(diào)節(jié)抽汽式供熱汽輪機相當于1臺背壓機和1臺凝汽式汽輪機聯(lián)合運行，而2次調(diào)節(jié)抽汽式供熱汽輪機相當于2臺背壓機和1臺凝汽式汽輪機聯(lián)合運行。

1.2 機組工況圖分析

兩次調(diào)節(jié)抽汽式汽輪機典型工況見圖1。汽輪機工況圖為調(diào)整抽汽式汽輪機的特性曲線，表示了電功率、新蒸汽流量及調(diào)整抽汽量之間的相互關(guān)系，以及機組可能發(fā)生的各類工況的范圍。

圖1 典型雙抽凝汽式供熱汽輪機組工況圖

在第一象限中，有等工業(yè)抽汽線，各平行線對應于不同的工業(yè)抽汽量，同時，還有主蒸汽流量限制線、功率限制線、最小排汽流量限制線。在第四象限中，有等采暖抽汽線、采暖抽汽流量限制線、功率方向線。以熱定電運行模型需要探討的是在已知工業(yè)抽汽流量和采暖抽汽流量的條件下，電功率變化范圍及對應的新蒸汽流量變化范圍。由于受到汽輪機通流能力、高中低壓缸負荷分配及低壓缸摩擦鼓風損失產(chǎn)生熱量的影響，工況圖上設置了主蒸汽流量限制線、功率限制線、最小排汽流量限制線和采暖抽汽流量限制線，因此，電功率的變化是有一定限制的，這也是以熱定電的原理。需要說明的是，從新蒸汽流量與工業(yè)抽汽線交點向下所作垂直線，交于橫坐標軸的點并不是其對應功率，需要向下延伸相交于等采暖抽汽線，然后平行與功率方向線作出一條線與橫坐標軸的交點，才是真實的電功率值，前面的功率值與該功率值的差值為對應采暖抽汽熱化發(fā)電功率。通過工況圖的分析可以看出，受進汽量的限制，最大可調(diào)電功率隨抽汽量的增加而下降。受凝汽量的限制，最小可調(diào)電功率隨抽汽量的增加而上升。二者的綜合效應是機組的調(diào)峰能力隨抽汽量的增加而大幅度減少，極限值為零。隨著工業(yè)抽汽流量的增加，電功率的調(diào)整范圍減小，而且其調(diào)整區(qū)間向左平移(減小的方向)，熱化發(fā)電功率只與采暖抽汽量有關(guān)，由于通流能力的限制，不僅工業(yè)抽汽流量有限制，而且對應采暖抽汽流量限制線也不同。

如圖1所示為1臺200 MW雙抽凝汽式供熱汽輪機工況圖，已知主蒸汽流量、工業(yè)抽汽流量、采暖抽汽流量和電功率值中的任何3個參數(shù)，均可以確定另外1個參數(shù)。例如，已知新蒸汽流量670 t/h，工業(yè)抽汽流量為160 t/h，采暖抽汽流量為240 t/h，由工況圖可以查得電功率為146 MW。但是如果已知2個參數(shù)，就可以確定另外2個參數(shù)的變化范圍，對于雙抽供熱汽輪機來說，“以熱定電”模型建立的具體目標是，在滿足工業(yè)抽汽流量和采暖抽汽流量的前提下，計算出機組安全運行的可調(diào)電負荷范圍，與此相對應，主蒸汽流量也會有所不同。根據(jù)該機組的技術(shù)規(guī)范(最大調(diào)整工業(yè)抽汽量220 t/h，最大調(diào)整采暖抽汽量340 t/h，最大主蒸汽量670 t/h)以及機組實際運行時熱負荷，確定了一組工業(yè)抽汽和采暖抽汽典型運行數(shù)據(jù)，然后通過查圖1，得到發(fā)電機功率和主蒸汽流量數(shù)據(jù)，匯總以后形成表1。

表1 200 MW雙抽凝汽式汽輪機組以熱定電分析計算結(jié)果

工業(yè)抽汽量/(t·h-1)采暖抽汽量/(t·h-1)最大值發(fā)電機功率/MW主蒸汽量/(t·h-1)最小值發(fā)電機功率/MW主蒸汽量/(t·h-1)22017014067022015014567013564022010015267011555816024014667016020015267013060016010016767090483100270137.2670100200155670116554100100179.667080371

2 以熱定電負荷調(diào)度數(shù)學模型的建立

建立以熱定電模型，首先要根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)或理論計算數(shù)據(jù)，建立熱、電關(guān)系函數(shù)，然后根據(jù)汽輪機通流部分設計和各類限制工況的要求，進行邊界計算和校核，給出電負荷可調(diào)區(qū)間。

2.1 數(shù)學模型的確定

熱電聯(lián)產(chǎn)機組主蒸汽流量、抽汽流量與機組發(fā)電功率三者之間的關(guān)系可以根據(jù)前蘇聯(lián)專家介紹的簡便實用的經(jīng)驗公式建立：

D0=Pe·de+Y1·D1+Y2·D2

(1)

式中：D0為新蒸汽流量，t/h；Pe為發(fā)電機功率，MW；de為純凝工況汽耗率，t/MWh；Y1為工業(yè)抽汽不足系數(shù)；D1為工業(yè)抽汽流量，t/h；Y2為采暖抽汽不足系數(shù)；D2為采暖抽汽流量，t/h。式中的工業(yè)抽汽不足系數(shù)Y1和采暖抽汽不足系數(shù)Y2可通過試算法得到，相應的凝汽量可用下式表示：

Dc=KD0-D1-D2

(2)

式中：K為回熱系數(shù)。

同時，由式(1)可以得到下式：

Pe=(D0-Y1·D1-Y2·D2)/de

(3)

將該機組純凝工況下的汽耗率3.003 t/MWh以及表1中的數(shù)據(jù)代入式(3)，通過試算，得到Y(jié)1、Y2的值，因此該型機組以熱定電數(shù)學模型為：

Pe=(D0-0.555·D1-0.749 25·D2)/3.003

(4)

2.2 數(shù)學模型的邊界計算選擇

根據(jù)不同工況下的設計數(shù)據(jù)建立起來的以熱定電模型在實際應用時，還需要考慮以下邊界計算：最大主蒸汽流量限制、最小排汽流量限制、最大工業(yè)抽汽流量限制、最大采暖抽汽流量限制、鍋爐最低穩(wěn)燃負荷影響、設備實際狀態(tài)及效率的影響等。

a. 最大主蒸汽流量受汽輪機高、中、低壓缸最大通流面積和鍋爐最大蒸發(fā)量(BMCR)影響。對于純凝機組來說，鍋爐最大蒸發(fā)量對應于汽輪機閥門全開工況(VWO)；但對于熱電聯(lián)產(chǎn)機組來說，有的是以保證純凝工況高效運行為設計原則，有的是以保證供熱工況高效運行為設計原則，由此造成高、中、低壓缸通流面積分配比例也不相同。目前，河北省南部電網(wǎng)熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機最大主蒸汽流量通常取鍋爐最大蒸發(fā)量。

b. 低壓缸最小排汽流量是在最大抽汽量下，為防止低壓缸部件和葉片產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，保證一定冷卻蒸汽流量。最小流量與排汽面積有關(guān)，末級葉片越長，摩擦鼓風損失越大，不同機型的設計要求也不同，通常情況下不高于設計最大工況流量的10%。

c. 最大工業(yè)抽汽流量和最大采暖抽汽流量是根據(jù)當?shù)責嶝摵尚枨蠹盁峄禂?shù)要求，對汽輪機通流面積設計優(yōu)化后的結(jié)果，在工況圖上體現(xiàn)為等工業(yè)抽汽線及所對應的采暖抽汽限制線，或者等采暖抽汽線及工業(yè)抽汽限制線。

d. 鍋爐最低穩(wěn)燃負荷是指鍋爐在斷油情況下，穩(wěn)定燃燒的最小負荷，一般以鍋爐蒸發(fā)量來表示。由于熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪機最小可投抽汽限制線為最大流量的45%以上，因此，在確定調(diào)峰下限時，需要對鍋爐最低穩(wěn)燃負荷和以熱定電模型計算最小負荷進行比較，取其大者。

e. 設備實際狀態(tài)及效率的影響。設備效率降低意味著蒸汽耗量增大。抽汽壓力及抽汽閥門的開度等實際運行參數(shù)，都會導致理論計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，為了使模型可操作性強，能夠準確指導電網(wǎng)調(diào)度，通常需要通過現(xiàn)場實測加以修正計算。

3 結(jié)束語

隨著《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》的深入貫徹執(zhí)行，各地方都在建設熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)，如何根據(jù)不同機組特性，建立熱電負荷關(guān)系特性曲線，是供熱汽輪機組以熱定電運行的關(guān)鍵。以上以實際典型機組工況圖為依據(jù)，介紹了一種建立數(shù)學模型的簡易方法，該方法仍有許多不足之處，希望技術(shù)人員加強研究提出更科學的方法。

參考文獻：

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[4] 鄭體寬.熱力發(fā)電廠[M].北京：中國電力出版社，2001.