萬 杰，許天寧，李 澤，張志強(qiáng)，劉金福

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．東北電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006;3．哈爾濱熱電有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 引言

當(dāng)前，風(fēng)能等可再生能源是最具規(guī)?；_發(fā)前景的新能源。然而，風(fēng)電等新能源電力功率的強(qiáng)度隨機(jī)波動(dòng)不確定性，使得規(guī)?；履茉措娏ο{成為目前電力系統(tǒng)面臨的重大現(xiàn)實(shí)問題。并且，中國(guó)貧油、少氣、富煤的能源結(jié)構(gòu)布局決定了火力發(fā)電在發(fā)電裝機(jī)構(gòu)成中的主導(dǎo)地位，因此，電源結(jié)構(gòu)性矛盾突出，缺乏可平抑新能源電力隨機(jī)波動(dòng)特性的電源。所以，中國(guó)新能源電力的規(guī)?；l(fā)展必然主要依賴于火電機(jī)組的快速深度調(diào)峰［1］。此外，隨著電力峰谷差越來越大，不僅許多大功率純凝火電機(jī)組參與調(diào)峰［2］，而且許多熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組也勢(shì)必參與電力調(diào)峰［3］。由于機(jī)組進(jìn)行深度的變工況運(yùn)行，汽輪機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況、機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降。因此，為了提高電廠的經(jīng)濟(jì)效益，必須采用滑壓運(yùn)行方式。與定壓運(yùn)行相比，滑壓運(yùn)行具有多種優(yōu)點(diǎn)。以300 MW 級(jí)別的機(jī)組，通過滑壓運(yùn)行較定壓運(yùn)行方式可平均降低發(fā)電煤耗2 g/kW·h 左右［4－5］。

目前的滑壓運(yùn)行方法都是將機(jī)組的發(fā)電功率(負(fù)荷)作為自變量來確定機(jī)組的主蒸汽壓力，并根據(jù)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)理論滑壓曲線進(jìn)行優(yōu)化修正，確定出負(fù)荷與滑壓值之間的最優(yōu)對(duì)應(yīng)關(guān)系［6－7］。一般通過實(shí)驗(yàn)比較法來獲取機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力，國(guó)內(nèi)外大部分電廠都采用這種方法對(duì)滑壓曲線進(jìn)行確定，但是對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的精度和實(shí)驗(yàn)過程的要求比較高［8］。在缺乏高精度實(shí)驗(yàn)條件的情況下，也可采用耗差分析法［9］，即提取對(duì)機(jī)組滑壓運(yùn)行性能有關(guān)鍵影響的運(yùn)行參數(shù)，分別計(jì)算這些參數(shù)對(duì)機(jī)組熱耗率影響的分項(xiàng)耗差，匯總得到耗差總和，并以耗差總和最小為機(jī)組不同滑壓尋優(yōu)評(píng)判的依據(jù)。此外，還可運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)建立優(yōu)化模型來確定最優(yōu)運(yùn)行主蒸汽壓力［10－13］。但是，這種以功率(負(fù)荷)為橫坐標(biāo)的滑壓運(yùn)行曲線沒有考慮背壓及抽汽的變化對(duì)機(jī)組的影響，顯然具有一定的局限性。以熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，純凝工況的滑壓運(yùn)行曲線在采暖期就會(huì)偏離最優(yōu)主蒸汽壓力運(yùn)行工況，經(jīng)濟(jì)性會(huì)嚴(yán)重下降;此外，在某些負(fù)荷點(diǎn)還可能出現(xiàn)抽汽量不能滿足供熱需求的問題。

本文針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的純凝工況的滑壓運(yùn)行曲線在采暖期不能正常投運(yùn)的兩個(gè)突出問題進(jìn)行研究，提出了一種以供熱抽汽量作為修正參數(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采暖期滑壓運(yùn)行曲線優(yōu)化方法。并且，還給出了機(jī)組供熱工況下的最優(yōu)主蒸汽壓力的獲取方法及自動(dòng)滑壓方式在機(jī)組DCS 實(shí)施改造的策略。最后，通過對(duì)實(shí)際300 MW 機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化測(cè)試試驗(yàn)，驗(yàn)證了該滑壓運(yùn)行優(yōu)化方式的有效性:能夠在滿足供熱量需求的前提下，實(shí)現(xiàn)滑參數(shù)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式;并且，能夠根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行靈活調(diào)整，滿足不同供熱模式的最優(yōu)運(yùn)行方式。這對(duì)提高熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱期的深度變負(fù)荷運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性具有重要的意義。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組滑壓運(yùn)行的特殊性分析

1．1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組滑壓運(yùn)行存在的問題

隨著熱電聯(lián)產(chǎn)生產(chǎn)方式的發(fā)展，各熱電廠都在挖掘機(jī)組的節(jié)能潛力，以達(dá)到降低發(fā)電煤耗、節(jié)約發(fā)電成本。然而，火電機(jī)組目前普遍采用的滑壓運(yùn)行曲線，一般是將機(jī)組的負(fù)荷作為自變量來確定機(jī)組的主蒸汽壓力，機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化，機(jī)組的主蒸汽壓力便隨之改變。由于機(jī)組負(fù)荷的影響因素較多，例如抽汽熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，當(dāng)抽汽量改變時(shí)會(huì)使機(jī)組電負(fù)荷發(fā)生顯著的變化。并且，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在非采暖期采用的滑壓運(yùn)行曲線一般都是機(jī)組出廠時(shí)的原始設(shè)計(jì)曲線，或者機(jī)組在非采暖期進(jìn)行試驗(yàn)獲得。所以，機(jī)組非抽汽供熱工況時(shí)的滑壓運(yùn)行曲線，已經(jīng)不再適用于抽汽供熱工況的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;甚至，在一些低負(fù)荷區(qū)域不能滿足抽汽供熱需求而不得不放棄自動(dòng)滑壓運(yùn)行方式，而采用手動(dòng)定壓方式運(yùn)行。這對(duì)機(jī)組的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性就會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在采暖期的滑壓運(yùn)行方式的研究就顯得非常重要。

1．2 供熱抽汽對(duì)機(jī)組的滑壓運(yùn)行的影響分析

滑壓調(diào)節(jié)主要有純滑壓調(diào)節(jié)、節(jié)流滑壓調(diào)節(jié)、復(fù)合滑壓調(diào)節(jié)等。然而，在較高負(fù)荷下采用滑壓調(diào)節(jié)，由于新汽壓力減小，將使每千克蒸汽的可用能(理想焓降)減少，降低循環(huán)熱效率，使熱耗增加，這也是采用滑壓運(yùn)行的主要缺點(diǎn)。因此，較高負(fù)荷時(shí)采用滑壓調(diào)節(jié)是不經(jīng)濟(jì)的，只有當(dāng)負(fù)荷減小到一定數(shù)值，采用定壓調(diào)節(jié)將因節(jié)流損失較大，使調(diào)節(jié)級(jí)效率降低較多時(shí)，采用滑壓調(diào)節(jié)才是最有力的，如圖1 所示。也就是說從熱經(jīng)濟(jì)角度來看，只有當(dāng)循環(huán)熱效率的降低小于高壓缸內(nèi)效率的提高、給水泵耗功的減少和再熱蒸汽溫度升高引起熱效率提高三者之和時(shí)，采用滑壓調(diào)節(jié)方能提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

此外，由于初壓的變化，對(duì)機(jī)組的循環(huán)效率、相對(duì)內(nèi)效率、給水泵的功耗、節(jié)流損失等產(chǎn)生影響，因此，在給定負(fù)荷下主蒸汽壓力的滑壓設(shè)定值，必須考慮這些因素的綜合影響。對(duì)于抽汽供熱機(jī)組，其最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線的確定較一般的中間再熱凝汽式機(jī)組更為復(fù)雜，其主要原因在于:

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工作在抽汽模式時(shí)，供熱抽汽的抽汽壓力是由熱用戶決定，故供熱抽汽點(diǎn)的壓力為定值，因此，供熱抽汽點(diǎn)壓力不隨機(jī)組工況變化而變化;

(2)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工作在非抽汽模式時(shí)，其工作狀況與一般的中間再熱凝汽式機(jī)組類似，因此，供熱抽汽點(diǎn)壓力隨機(jī)組工況變化而變化。

由此可見，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組工作在抽汽工況和非抽汽模式時(shí)，機(jī)組和回?zé)峒訜崞鞯淖児r特性將會(huì)存在較大差異，主要體現(xiàn)如下:由于兩種工作模式下，供熱抽汽點(diǎn)壓力具有較大差異，這使得供熱抽汽點(diǎn)附近的機(jī)組效率在機(jī)組變工況時(shí)將會(huì)存在較大差異;在兩種工作模式下，由于供熱抽汽的影響，供熱抽汽點(diǎn)之后的各回?zé)岢槠c(diǎn)的抽汽量以及各回?zé)峒訜崞鞯墓ぷ鳡顩r也會(huì)存在較大差異;當(dāng)供熱抽汽量發(fā)生變化時(shí)，供熱抽汽點(diǎn)之后的各回?zé)岢槠c(diǎn)的抽汽量以及各回?zé)峒訜崞鞯墓ぷ鳡顩r也會(huì)存在較大差異。所以，當(dāng)以機(jī)組負(fù)荷作為自變量確定滑壓曲線時(shí)，對(duì)于抽汽機(jī)組必須考慮背壓和抽汽量?jī)蓚€(gè)因素的影響，即最優(yōu)主汽壓= F(負(fù)荷，背壓，抽汽量)。此時(shí)，滑壓曲線圖已變成三維圖，如圖1 所示，比非抽汽機(jī)組更為復(fù)雜，如果還按目前的方法來確定最優(yōu)滑壓值則必然不可靠。這種簡(jiǎn)單的滑壓曲線確定方法，在機(jī)組變工況運(yùn)行時(shí)并不是最優(yōu)的。

圖1 不同抽汽工況下的滑壓曲線示意圖

2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱期的滑壓運(yùn)行優(yōu)化

2．1 抽汽供熱機(jī)組的滑壓運(yùn)行優(yōu)化

目前的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在采暖期一般都會(huì)有幾個(gè)長(zhǎng)期運(yùn)行的典型供熱工況。因此，可以根據(jù)抽汽工況點(diǎn)來確定每一負(fù)荷點(diǎn)的最優(yōu)主蒸汽運(yùn)行壓力;然后，將多條適合多采暖工況的滑壓運(yùn)行曲線都植入機(jī)組的DCS 中，從而在確保抽汽量滿足采暖需求的前提下，機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行的主蒸汽壓力也能夠達(dá)到最優(yōu)。具體的最優(yōu)主蒸汽運(yùn)行壓力及DCS 實(shí)現(xiàn)方法如下所述。

2．2 最優(yōu)主蒸汽的獲取方法

為了得到采暖期精確度較高的滑壓運(yùn)行曲線，采用試驗(yàn)法獲取最優(yōu)主蒸汽壓力，如表1。

表1 采暖期變工況下的主蒸汽壓力尋優(yōu)方法

(1)首先，選定采暖期的幾個(gè)常運(yùn)行供熱抽汽量分別為Q1t/h、Q2t/h、Q3t/h、…;

(2)然后，在固定抽汽量Q1t/h 的工況下，一般需開展四個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的壓力尋優(yōu)試驗(yàn):F11MW、F12MW、F13MW、F14MW;這四個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的選取可以參考純凝工況的滑壓曲線:F11和F14可以選擇純凝工況滑壓曲線的兩個(gè)滑壓拐點(diǎn)，F(xiàn)12和F13可以選擇純凝工況滑壓區(qū)間的2 個(gè)中間點(diǎn)，即可保證試驗(yàn)有效性;

(3)再然后，進(jìn)行每一負(fù)荷點(diǎn)的最優(yōu)主蒸汽壓力尋優(yōu)試驗(yàn)，基準(zhǔn)點(diǎn)選擇也可以參考純凝工況的滑壓運(yùn)行曲線，以F11MW 負(fù)荷點(diǎn)為例:M12和M13的取值可以在純凝工況下此負(fù)荷點(diǎn)的最優(yōu)主蒸汽壓力值的基礎(chǔ)上相應(yīng)增加或者減小0．5 ～1 MPa 左右，M11和M14的取值相應(yīng)增加或者減小1 ～2 MPa 左右，即可保證將此負(fù)荷點(diǎn)的最優(yōu)主蒸汽壓力包含在內(nèi);

(4)同一抽汽量工況下的其余三個(gè)負(fù)荷點(diǎn)F12～F14的壓力尋優(yōu)試驗(yàn)范圍N11～N14、P11～P14、R11～R14的選擇方法與F11的壓力范圍M11～M14的選擇方法相同;

(5)重復(fù)上述的做法，進(jìn)行其余抽汽工況下(Q2t/h、Q3t/h、…)的壓力尋優(yōu)試驗(yàn);

(6)需要注意的是，在同一負(fù)荷點(diǎn)下的實(shí)驗(yàn)中，不僅需要盡可能維持抽汽量不變，而且還要盡可能保持冷凝器背壓盡可能不變;此外，每一個(gè)汽壓工況都要穩(wěn)定1 h 左右，這些對(duì)所獲取的滑壓運(yùn)行曲線的精確程度影響非常重要;

(7)計(jì)算每一抽汽量情況下的16 個(gè)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)組試驗(yàn)熱耗值;

(8)在每一抽汽工況、每一負(fù)荷點(diǎn)下，基于最小二乘方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)主蒸汽壓力和相應(yīng)的機(jī)組試驗(yàn)熱耗值進(jìn)行曲線擬合，確定每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)下，機(jī)組的最優(yōu)主蒸汽壓力設(shè)定值。

這樣，不僅得到了每一抽汽量下的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線;而且，由于試驗(yàn)的前提條件為保持抽汽量不變，這樣也就保證了機(jī)組滑壓運(yùn)行時(shí)的壓力能夠保證各典型抽汽工況下的供熱需求量。

2．3 機(jī)組DCS 改造的實(shí)現(xiàn)策略

目前電廠DCS 中查值用的函數(shù)框只適用于二維圖，對(duì)于三維圖就只能當(dāng)做二維來處理。因此，以機(jī)組負(fù)荷作為自變量來確定機(jī)組的最優(yōu)滑壓值只適用于某一抽汽量，當(dāng)實(shí)際工況的抽汽量偏離這一背壓值和抽汽量時(shí)，該滑壓值已非最優(yōu)。所以，本文提出一種可以將所有抽汽量下的滑壓運(yùn)行曲線都植入機(jī)組DCS 的改造策略，利用二維查詢方法近似實(shí)現(xiàn)三維滑壓曲線。如圖2 所示，為植入三條滑壓運(yùn)行曲線的機(jī)組DCS 改造策略示意圖。此方法不僅可以通過引入抽汽量作為修正參考值來選擇滑壓運(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)多個(gè)抽汽量工況下的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;而且，還具備良好的擴(kuò)展性，可以將純凝工況下的滑壓運(yùn)行曲線以及其他更多抽汽量工況下的滑壓運(yùn)行曲線都植入DCS 中，更加接近機(jī)組的全工況最優(yōu)運(yùn)行方式。

圖2 三維滑壓運(yùn)行曲線的二維實(shí)現(xiàn)方法示意圖

3 改造試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該方法的有效性，本文以某300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采暖期的滑壓優(yōu)化為例，進(jìn)行效果對(duì)比說明。主要對(duì)比過程及相應(yīng)參數(shù)如下。

圖3 機(jī)組純凝工況滑壓曲線及抽汽常運(yùn)行模式

3．1 某300 MW 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組滑壓運(yùn)行優(yōu)化

如圖3 所示，(a)為機(jī)組純凝工況下的滑壓運(yùn)行曲線;(b)為機(jī)組抽汽常運(yùn)行工況，由于此機(jī)組為供熱主力機(jī)組，因此，其抽汽量一共有3 個(gè)常運(yùn)行工況。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，所選擇的負(fù)荷點(diǎn)如表2 所示，基本能夠覆蓋圖3 的三種常運(yùn)行抽汽工況。如圖4 所示，為一種抽汽工況下的機(jī)組滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn):(a)為負(fù)荷變化過程，(b)為汽壓變化過程。通過熱耗率計(jì)算。如圖5 所示，為試驗(yàn)所得的一種供熱負(fù)荷工況下的滑壓運(yùn)行曲線。其他兩個(gè)抽汽工況的滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)類似。將優(yōu)化所得的三條滑壓運(yùn)行曲線植入機(jī)組的DCS 中，并進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性考核試驗(yàn)。

表2 某一抽汽量下的各負(fù)荷點(diǎn)滑壓值選擇

圖4 某一抽汽工況下的滑壓運(yùn)行優(yōu)化試驗(yàn)過程

3．2 實(shí)際改造效果對(duì)比分析

通過機(jī)組實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，機(jī)組滑壓運(yùn)行能夠正常投入，即機(jī)組在滑壓運(yùn)行的同時(shí)也能夠滿足供熱抽汽量的需求。對(duì)機(jī)組優(yōu)化改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用Matlab 計(jì)算平臺(tái)選取背壓基本不變值的數(shù)據(jù)，對(duì)改造前后的熱耗率進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比分析。為了使改造效果對(duì)比更加明顯，對(duì)三個(gè)常運(yùn)行抽汽量工況的熱耗進(jìn)行平均計(jì)算，結(jié)果如下表3 所示。從表中對(duì)比可以看出，進(jìn)行滑壓運(yùn)行優(yōu)化后，機(jī)組發(fā)電熱耗率平均降低50 kJ/kg 左右，效果顯著。

圖5 某一抽汽工況下的滑壓運(yùn)行曲線

表3改造前后的三個(gè)抽汽量下的熱耗率

4 結(jié)論及展望

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在抽汽供熱期不能正常投入純凝工況下的滑壓運(yùn)行曲線的問題進(jìn)行研究，通過理論分析和試驗(yàn)研究如下:

(1)提出了一種以供熱抽汽量作為修正參數(shù)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組抽汽供熱期汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行優(yōu)化方法，給出了最優(yōu)主蒸汽壓力的獲取方法和機(jī)組DCS改造的實(shí)現(xiàn)策略;此方法不僅能夠滿足滑壓運(yùn)行時(shí)的供熱抽汽量需求，而且利用二維函數(shù)查詢方法近似實(shí)現(xiàn)了三維滑壓運(yùn)行曲線;

(2)此滑壓運(yùn)行優(yōu)化方法具備很好的可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際供熱工況對(duì)植入的滑壓曲線進(jìn)行調(diào)整，因此，具備很好的工程應(yīng)用及推廣價(jià)值。實(shí)際機(jī)組的優(yōu)化改造試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方式的有效性。

此外，由于高背壓工況供熱是一種很久之前就被關(guān)注的供熱［14］，是未來的一種更加高效供熱方式。因此，后續(xù)工作還需要針對(duì)高背壓工況的最優(yōu)滑壓運(yùn)行曲線獲取方法進(jìn)行研究，進(jìn)一步降低機(jī)組在深度變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的供電煤耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

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［12］王建平，關(guān)秀紅，魏棟，等．基建期汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行機(jī)組最佳初壓的確定［J］．節(jié)能技術(shù)，2012，30(5):470 －473．

［13］劉偉，葉亞蘭，司風(fēng)琪，等． 基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SA－BBO 算法的汽輪機(jī)組最優(yōu)運(yùn)行初壓的確定［J］．熱能動(dòng)力工程，2013，28(1):18 －22．

［14］時(shí)乃新．利用汽輪機(jī)凝汽器排汽作供熱熱源時(shí)的參數(shù)選擇［J］．節(jié)能技術(shù)，1992(1):10．