劉中祥

(江蘇淮陰發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇淮安223002)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，熱負(fù)荷需求不斷增長(zhǎng)。越來(lái)越多的大型純凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組升級(jí)改造為抽汽凝汽式熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，并逐步取代周邊分散的供熱小鍋爐。純凝機(jī)組改造成供熱機(jī)組后，不僅可以提高機(jī)組自身的熱效率、降低供電煤耗，還可發(fā)揮大容量機(jī)組環(huán)保設(shè)施完備的優(yōu)勢(shì)，減少二氧化硫、氮氧化物和煙塵等污染物的排放，節(jié)能環(huán)保效益顯著[1]。但與此同時(shí)，大型純凝汽式發(fā)電機(jī)組進(jìn)行供熱改造后，其可調(diào)度的有功電負(fù)荷區(qū)間勢(shì)必受到影響。以往為保證機(jī)組供熱，供熱機(jī)組通常都在額定出力70%以上的區(qū)間運(yùn)行。在電網(wǎng)峰谷差日益加大、供熱裝機(jī)容量所占比重日益提高的情況下，整個(gè)電網(wǎng)的調(diào)峰能力受到越來(lái)越大的制約。分析供熱機(jī)組在滿足供熱參數(shù)條件下的參與電網(wǎng)深度調(diào)峰能力，對(duì)保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電等可再生能源的消納能力，促進(jìn)節(jié)能減排有著重要意義。

1 純凝機(jī)組供熱改造的主要類型

1.1 按改造后供熱抽汽口的位置劃分

（1）高排抽汽供熱。高排抽汽供熱是從汽輪機(jī)高壓缸排汽即再熱冷段抽汽，供熱量受鍋爐再熱器超溫和高壓缸末級(jí)葉片強(qiáng)度的限制，不能過大。

（2）熱再抽汽供熱。再熱熱段抽汽供熱克服對(duì)鍋爐超溫的影響和抽汽量的限制，此方式不影響鍋爐安全運(yùn)行，抽汽量大小只受汽輪機(jī)末級(jí)葉片強(qiáng)度的限制。

（3）中排抽汽供熱。中排抽汽供熱是在汽輪機(jī)中低壓缸連通管上，接三通抽出低壓蒸汽，中排的壓力隨著機(jī)組負(fù)荷的變化而變化，為了滿足供汽壓力穩(wěn)定，需在三通后低壓缸進(jìn)汽前增加一個(gè)控制蝶閥，在低負(fù)荷時(shí)進(jìn)行節(jié)流，以保證閥前的壓力。為了保證低壓缸必要的冷卻流量，調(diào)節(jié)蝶閥的最小開度有一定限制。同時(shí)在抽汽量增大、蝶閥關(guān)小的情況下，中排溫度將上升，為了保證中壓排汽缸及中壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片的安全，中排溫度不得過高。這些限制條件使得熱負(fù)荷與電負(fù)荷的匹配提出了更高的要求[2]。

1.2 按改造后抽汽口的數(shù)量劃分

（1）單抽汽式供熱機(jī)組。單抽汽式機(jī)組，其汽輪機(jī)以抽汽口為界分為高壓部分和低壓部分，相當(dāng)于一臺(tái)背壓式汽輪機(jī)與一臺(tái)凝汽式汽輪機(jī)的組合。鍋爐來(lái)的新蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓部分作功，膨脹至一定壓力后分為二股，一股抽出供給熱用戶，一股進(jìn)入低壓部分繼續(xù)膨脹作功，最后排入凝汽器。

（2）雙抽汽式供熱機(jī)組。雙抽汽式汽輪機(jī)組生產(chǎn)電能的同時(shí)，有2個(gè)不同壓力的抽汽供給熱用戶。

2 供熱改造機(jī)組運(yùn)行特性變工況計(jì)算

分析供熱機(jī)組的調(diào)峰能力，需要了解供熱改造機(jī)組的運(yùn)行特性。目前供熱汽輪機(jī)運(yùn)行特性的獲取方法有2種，一種是由汽輪機(jī)制造廠提供，一種是通過現(xiàn)場(chǎng)熱力試驗(yàn)得出。除少數(shù)供熱改造時(shí)同時(shí)進(jìn)行了汽輪機(jī)通流改造的機(jī)組外，大多數(shù)純凝改供熱機(jī)組并沒有制造廠提供的特性曲線。現(xiàn)場(chǎng)熱力試驗(yàn)方法得到的結(jié)果固然準(zhǔn)確，但需要不斷調(diào)整熱、電負(fù)荷對(duì)外界熱用戶和電網(wǎng)調(diào)度會(huì)產(chǎn)生影響。還有部分機(jī)組正處于熱用戶拓展階段，目前供熱量較小、但熱負(fù)荷增長(zhǎng)預(yù)期較大，尚不具備試驗(yàn)條件。針對(duì)以上問題，探索了一種建立熱力系統(tǒng)模型，進(jìn)行變工況計(jì)算，再結(jié)合邊界限制條件獲取機(jī)組運(yùn)行特性的方法。

2.1 模型的建立

對(duì)由純凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組改造而成的供熱機(jī)組來(lái)說，依據(jù)制造廠提供的凝汽式機(jī)組設(shè)計(jì)資料結(jié)合機(jī)組供熱改造的相關(guān)資料，建立供熱機(jī)組熱力系統(tǒng)模型，以純凝工況為基礎(chǔ)，進(jìn)行熱力系統(tǒng)的變工況的計(jì)算，獲取供熱機(jī)組的電功率、主蒸汽流量及供熱抽汽量之間的相互關(guān)系。

2.2 變工況計(jì)算的方法和步驟

機(jī)組熱力系統(tǒng)的變工況，無(wú)論產(chǎn)生的原因如何，其表現(xiàn)出的特點(diǎn)均是汽輪機(jī)進(jìn)汽流量或機(jī)組通過的蒸汽流量發(fā)生變動(dòng)。其產(chǎn)生的結(jié)果是機(jī)組的各抽汽參數(shù)和熱力系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，并表現(xiàn)為汽輪機(jī)膨脹過程線的變化，本文是按抽汽口劃分級(jí)組的近似熱力計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算。

（1）基準(zhǔn)工況的熱系統(tǒng)計(jì)算。熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算所需的基本數(shù)據(jù)包括蒸汽的流量數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及汽輪機(jī)葉片及通流部分的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可從汽輪機(jī)制造廠家的汽輪機(jī)幾何參數(shù)、額定工況下的蒸汽參數(shù)以及機(jī)組原則性熱力系統(tǒng)圖等上獲得。對(duì)供熱改造機(jī)組，選取機(jī)組的純凝額定工況作為基準(zhǔn)工況。

（2）分區(qū)段計(jì)算各抽汽壓力（Pr）。為適應(yīng)弗留格爾公式要求，供熱機(jī)組變工況計(jì)算以供熱抽汽口劃界，將汽輪機(jī)分為2個(gè)區(qū)段 （單抽機(jī)）或3個(gè)區(qū)段 （雙抽機(jī)），各區(qū)段分別使用弗留格爾公式。與常規(guī)的熱力系統(tǒng)變工況計(jì)算不同的是，供熱汽輪機(jī)熱—電負(fù)荷特性的變工況計(jì)算是指在設(shè)定新蒸汽量和供熱抽汽量下，計(jì)算機(jī)組的發(fā)電功率。雙抽機(jī)組進(jìn)行計(jì)算時(shí)需要分別設(shè)定高壓抽汽量、低壓抽汽量。因此，當(dāng)上述各量變化后，必然引起熱力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變動(dòng)，可先假定各抽汽壓力的初值，再分區(qū)段計(jì)算得到一個(gè)各抽汽壓力的計(jì)算值，然后循環(huán)迭代從而確定工況變動(dòng)后各級(jí)抽汽壓力的精確值，從而完成變工況計(jì)算[3]。

（3）迭代過程及可行性檢驗(yàn)。迭代過程即重復(fù)上述各級(jí)抽汽壓力和流量的計(jì)算過程，最終只有滿足下式迭代才終止，熱系統(tǒng)變工況計(jì)算才算最終完成。即：

式（1）中：Pr為第r級(jí)抽汽壓力；n為上角碼表示迭代的次數(shù)；ε為迭代允許誤差。

計(jì)算完成即可得出給定主蒸汽流量和供熱抽汽流量下汽輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率。保持供熱抽汽流量不變，改變主蒸汽流量，重復(fù)上述計(jì)算過程。可得出該供熱抽汽量下，不同汽輪機(jī)進(jìn)汽量所對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率。重新設(shè)定不同的抽汽量，重復(fù)上述過程?？傻贸龈鞒槠肯虏煌啓C(jī)進(jìn)汽量所對(duì)應(yīng)的發(fā)電功率。

2.3 某330W供熱改造機(jī)組變工況計(jì)算結(jié)果

以330W純凝改供熱機(jī)組為例，其鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量為1026 t/h，利用熱力系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行變工況計(jì)算，機(jī)組供熱抽汽量每增加50 t/h，機(jī)組最大發(fā)電出力降低約11～14MW，具體的發(fā)電出力降低的幅度與機(jī)組供熱抽汽的位置有關(guān)，抽汽口位于高壓段時(shí)降幅取高值，抽汽口位于低壓段時(shí)降幅取低值。該機(jī)組中排抽氣供熱量分別為50 t/h，100 t/h時(shí)的變工況計(jì)算結(jié)果如表1、表2所示。

2.4 核定調(diào)峰能力的邊界條件

僅從變工況計(jì)算結(jié)果來(lái)看，似乎只要降低主汽流量，就可以降低機(jī)組的最低發(fā)電負(fù)荷。但在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中主汽流量的變化范圍會(huì)受到諸多安全邊界條件的限制。供熱機(jī)組調(diào)峰能力核定的邊界條件包括：滿足鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量和汽輪機(jī)最大進(jìn)汽量；滿足鍋爐不投油最低穩(wěn)燃蒸發(fā)量；滿足汽輪機(jī)低壓缸冷卻蒸汽最小流量；保證抽汽供熱蒸汽參數(shù)達(dá)到供熱要求；對(duì)直接在中、低壓聯(lián)通管開三通抽汽供熱的機(jī)組，還應(yīng)保證供熱抽汽口前與供熱抽汽口之間級(jí)段壓差不超過允許極限，滿足中壓缸排汽溫度不超過規(guī)定限值[2]。

表1 量50 t/h的熱力計(jì)算結(jié)果

表2 抽汽量100 t/h的熱力計(jì)算結(jié)果

以中壓排汽溫度為例，制造廠要求中壓排汽溫度不超過385℃，實(shí)際運(yùn)行控制不超過380℃。結(jié)合變工況計(jì)算結(jié)果，中排抽汽量為50 t/h時(shí)，主蒸汽流量不能低于710 t/h；中排抽汽量為100 t/h時(shí)，主蒸汽流量不能低于883 t/h；若低于此數(shù)值則中壓缸排汽溫度超過安全限制值。

根據(jù)供熱機(jī)組變工況計(jì)算結(jié)果，結(jié)合保證機(jī)組安全運(yùn)行的邊界限制條件，便可以繪制出機(jī)組的熱負(fù)荷與電負(fù)荷之間的關(guān)系特性曲線，即供熱汽輪機(jī)的工況圖[2]。它表示供熱機(jī)組的電功率、主蒸汽流量及供熱抽汽流量之間的相互關(guān)系及全部可能發(fā)生的工況范圍。單抽汽式供熱汽輪機(jī)工況圖如圖1所示。

圖1 單抽汽式供熱汽輪機(jī)工況圖

3 供熱改造機(jī)組的調(diào)峰能力分析

獲得供熱機(jī)組汽輪機(jī)工況圖后，便可按照“以熱定電”的原則對(duì)供熱機(jī)組調(diào)峰能力進(jìn)行分析。根據(jù)機(jī)組的實(shí)際供熱量，對(duì)照工況圖，改變主蒸汽流量即可得出機(jī)組的電負(fù)荷調(diào)峰范圍。如圖2所示，當(dāng)供熱抽汽量由x1增大到x2時(shí)，機(jī)組的調(diào)峰范圍由減小為調(diào)峰范圍的大小直接反映了機(jī)組調(diào)峰能力的強(qiáng)弱。

圖2 不同抽汽供熱量下機(jī)組發(fā)電調(diào)峰范圍的示意圖

以供熱抽汽量為橫坐標(biāo)，機(jī)組負(fù)荷為縱坐標(biāo)，可繪制出機(jī)組調(diào)峰能力與抽汽量之間的關(guān)系曲線，即供熱機(jī)組熱電關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 某330 MW機(jī)組低壓供熱量與調(diào)峰能力關(guān)系曲線

從圖3可以看出，機(jī)組對(duì)外供熱量為0時(shí)，機(jī)組運(yùn)行于純凝汽工況，電負(fù)荷可調(diào)整范圍最大。隨著機(jī)組對(duì)外供熱蒸汽量的增加，機(jī)組的調(diào)峰能力逐步變小。根據(jù)熱負(fù)荷與電負(fù)荷關(guān)系曲線圖，只需知道供熱抽汽量，就可以得出相應(yīng)的調(diào)峰能力范圍。

4 理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比較

為了驗(yàn)證通過模型計(jì)算所建立的供熱機(jī)組熱負(fù)荷與電負(fù)荷關(guān)系特性曲線的準(zhǔn)確性，將計(jì)算結(jié)果與南通天生港電廠2號(hào)機(jī)組的調(diào)峰能力試驗(yàn)結(jié)果做比較，該機(jī)組由額定容量330MW純凝機(jī)組改造而成，雙抽供熱，高壓供熱抽汽取自再熱冷段，低壓供熱抽汽取至中壓缸排汽，中低壓缸聯(lián)通管上裝有調(diào)整蝶閥，用以控制和調(diào)整低壓供熱抽汽壓力,理論計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3中結(jié)果可以看出，模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)熱力試驗(yàn)結(jié)果很接近。按該方法取得的汽輪機(jī)工況圖精度可以滿足機(jī)組調(diào)峰能力分析的需要。

表3 理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

5 結(jié)束語(yǔ)

純凝機(jī)組完成供熱改造后，由于受對(duì)外抽汽供熱的影響，機(jī)組的發(fā)電調(diào)峰能力與純凝機(jī)組相比有一定降低，其降低幅度與供熱抽汽量有關(guān)。因此供熱機(jī)組的調(diào)峰范圍不宜一刀切，而應(yīng)結(jié)合機(jī)組的實(shí)際供熱情況做相應(yīng)調(diào)整。

通過供熱改造機(jī)組變工況計(jì)算結(jié)合邊界限制條件的得出的機(jī)組運(yùn)行特性和調(diào)峰能力與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致，其結(jié)果可為電網(wǎng)調(diào)度科學(xué)、合理地安排供熱機(jī)組的運(yùn)行方式，充分挖掘供熱機(jī)組的調(diào)峰潛力提供依據(jù)。

[1]曾廣斌.某超臨界600MW可調(diào)整式雙抽供熱機(jī)組供熱經(jīng)濟(jì)性分析[J].江蘇電機(jī)工程，2013，32(4)：77-80．

[2]陳國(guó)年，劉 今，周 強(qiáng)，等.凝汽式機(jī)組改供熱后對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響分析[J].江蘇電機(jī)工程，2011，30(1)：9-12.

[3]林萬(wàn)超.火電廠熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994：93-94.

[4]沈士一，莊賀慶，康 松，等.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，1992：204-205.