劉俊杰，馮偉忠

(1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2.上海外高橋第三發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137)

在電網(wǎng)的調(diào)度順序中，核電不易調(diào)峰的特性決定了其在電網(wǎng)中是帶基荷的運(yùn)行方式[1]。隨著可再生能源發(fā)電的快速增長，除水電以外，風(fēng)電、太陽能發(fā)電等均不可控，屬隨機(jī)性電源。電網(wǎng)若需消納它，必須有其他的可快速調(diào)峰的發(fā)電形式予以配合。在電網(wǎng)中，最好的調(diào)峰電源是水電，包括抽水蓄能電站，其次是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。為了減排二氧化碳以及季節(jié)性的原因，電網(wǎng)往往會(huì)讓水電多發(fā)甚至滿發(fā)。我國由于燃?xì)赓Y源的相對(duì)匱乏和許多地區(qū)地勢的限制，難以大規(guī)模發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電和抽水蓄能發(fā)電[2]。尤其是中國的燃煤發(fā)電比例太高，在電網(wǎng)中的容量占比達(dá)60%以上，因此電網(wǎng)調(diào)峰必須更多地依靠煤電[3]。此外，為大力發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”[4]，大型煤電機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)成為了一個(gè)重要的發(fā)展方向，當(dāng)然這類熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組也不得不參加電網(wǎng)調(diào)峰。

調(diào)峰的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組要時(shí)刻滿足電網(wǎng)和熱網(wǎng)的負(fù)荷需求，同時(shí)也要滿足熱用戶的參數(shù)需求。電、熱負(fù)荷變化使供熱蒸汽參數(shù)相應(yīng)變化，為滿足熱用戶的壓力需求，以往的抽汽供熱機(jī)組較多地采用旋轉(zhuǎn)隔板或閥門調(diào)節(jié)的方法來調(diào)節(jié)供熱抽汽壓力。旋轉(zhuǎn)隔板是沖動(dòng)式供熱機(jī)組特有的可選技術(shù)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在壓差大時(shí)容易卡澀，會(huì)降低機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性[5-6]。因此，這種調(diào)節(jié)方式一般在中、小機(jī)組中采用?，F(xiàn)有大型煤電機(jī)組的熱電聯(lián)產(chǎn)普遍采用閥門調(diào)節(jié)來滿足熱用戶需求。

1 大型煤電機(jī)組的供熱方式

大型煤電機(jī)組(以一次再熱機(jī)組為例)較典型的供熱方式包括中壓缸排汽供熱、熱再熱蒸汽供熱(當(dāng)供熱溫度低于冷再溫度時(shí)，可采用冷再熱蒸汽供熱)，如圖1所示。其中，中壓缸排汽熱源提供給中低壓熱用戶，當(dāng)中壓缸排汽參數(shù)大于熱用戶所需參數(shù)時(shí)，抽取的中壓缸排汽經(jīng)調(diào)壓站減壓、減溫后對(duì)熱用戶供熱；當(dāng)中壓缸排汽壓力小于熱用戶參數(shù)時(shí)，通過調(diào)節(jié)低壓缸前節(jié)流閥的開度大小使中排壓力增大至熱用戶所需值。而熱再熱蒸汽或冷再熱蒸汽熱源提供給高壓熱用戶，該蒸汽經(jīng)調(diào)壓站減壓、減溫后對(duì)熱用戶供熱。

圖1 一次再熱機(jī)組的供熱方式

2 供熱壓力隨電負(fù)荷、熱負(fù)荷變化特性

供熱抽汽壓力的全微分表達(dá)式如下：

(1)

式中Re——電負(fù)荷；Rh——熱負(fù)荷；p——供熱抽汽壓力；Δpv——節(jié)流閥壓降。

熱用戶所需的壓力、溫度為定值，因此要確保供熱壓力，必有dp=0。即式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

由式(2)可知，通過改變節(jié)流閥的壓降，可補(bǔ)償電負(fù)荷和熱負(fù)荷變化所導(dǎo)致的供熱壓力的變化。

當(dāng)電負(fù)荷單獨(dú)變化時(shí)，若忽略汽輪機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率和循環(huán)效率的變化，此時(shí)有：

(3)

式中G——主蒸汽流量；下標(biāo)1——工況變動(dòng)后的參數(shù)(以下均同)。

對(duì)一個(gè)供熱的凝汽式汽輪機(jī)，在應(yīng)用弗留格爾公式時(shí)，可將供熱抽汽點(diǎn)至低壓缸排汽取成一個(gè)級(jí)組，故供熱蒸汽的壓力為

(4)

式中Gr——抽取供熱蒸汽后的蒸汽流量；T——供熱蒸汽溫度；pc——背壓。

由于最末級(jí)為真空排汽，即pc和pc1很小，其平方數(shù)可忽略。若同時(shí)忽略溫度變化，則式(4)可簡化為

(5)

在只有電負(fù)荷變化的情況下，此時(shí)供熱流量為定值，因此有下式：

(6)

圖2 低壓缸前蒸汽壓力隨負(fù)荷變化曲線

現(xiàn)以中壓缸排汽供熱方式為例來進(jìn)行討論?；痣娬{(diào)峰機(jī)組的負(fù)荷變化范圍一般為40%～100%，低壓缸前蒸汽壓力與電負(fù)荷呈線性變化，如圖2(a)所示；圖2(b)為機(jī)組在某工況下(如THA工況)對(duì)熱用戶供熱，低壓缸前蒸汽壓力與熱負(fù)荷也呈線性變化。

如圖2所示，熱用戶所需壓力為phc=p2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷大小為80%，對(duì)應(yīng)的熱負(fù)荷為R2。當(dāng)80%≤Re≤100%或0≤Rh≤R2時(shí)，此時(shí)低壓缸前壓力p≥p2，抽取中排經(jīng)調(diào)壓站減溫、減壓后對(duì)熱用戶供熱；當(dāng)40%≤Re<80%或Rh>R2時(shí)，此時(shí)低壓缸前壓力p

3 閥門調(diào)節(jié)的節(jié)流損失

當(dāng)電負(fù)荷較高、熱負(fù)荷較小時(shí)，低壓缸前壓力p1≥p2=phc，低壓缸前的節(jié)流閥全開，供熱蒸汽經(jīng)調(diào)壓站減溫、減壓后直接對(duì)熱用戶供熱。當(dāng)電負(fù)荷較低、熱負(fù)荷較高時(shí)，低壓缸進(jìn)口壓力p3

圖3 閥門調(diào)節(jié)時(shí)低壓缸熱力曲線圖

3.1 節(jié)流損失

閥門的節(jié)流過程是一個(gè)等焓熵增的過程。低壓缸在背壓一定的情況下，當(dāng)排汽點(diǎn)在濕蒸汽區(qū)，公式為

(7)

式中 Δhi——節(jié)流引起的低壓缸排汽焓增；Δsi——節(jié)流過程的熵增。

根據(jù)式(7)可得，Δsi越大，Δhi也越大。在背壓一定的情況下，當(dāng)電、熱負(fù)荷變化時(shí)，為滿足熱用戶需求，機(jī)組通過調(diào)節(jié)低壓缸前的閥門2開度來使供熱蒸汽壓力達(dá)到phc，此時(shí)閥門的壓損為Δpi；電負(fù)荷越低、熱負(fù)荷越高，閥門的壓損Δpi越大(見圖4)，因節(jié)流過程引起的熵增Δsi越大，Δhi也越大，低壓缸排汽比焓越大，造成低壓缸焓降越小，從而使整機(jī)效率大幅降低，降低了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

圖4 閥門的節(jié)流損失熱力曲線圖

3.2 案例分析

某電廠為N600-24.2/566/566型超臨界機(jī)組，需要對(duì)中壓熱用戶提供500 t/h的蒸汽(參數(shù)為1 MPa、300℃)。該電廠THA 工況的熱力參數(shù)見表1。

表1 THA工況下的熱力參數(shù)表

若直接抽取THA工況下的部分低壓缸進(jìn)汽用來供熱，根據(jù)變工況迭代計(jì)算可知，此時(shí)供熱抽汽壓力僅為0.586 MPa?，F(xiàn)有的解決方法是在低壓缸進(jìn)口設(shè)置閥門，通過調(diào)節(jié)閥門開度使供熱壓力增至1 MPa，然后再對(duì)熱用戶供熱。圖5為THA工況或采用閥門調(diào)壓供熱方式的低壓缸熱力過程線。在圖5中，0表示THA工況時(shí)低壓缸進(jìn)汽點(diǎn)；1表示閥門進(jìn)汽點(diǎn)；2表示閥門出汽點(diǎn)；3表示閥門調(diào)壓供熱時(shí)低壓缸排汽點(diǎn)；4表示THA工況時(shí)低壓缸排汽點(diǎn)；5表示忽略閥門節(jié)流損失時(shí)低壓缸排汽點(diǎn)。

圖5 THA工況或采用閥門調(diào)壓供熱方式的低壓缸熱力過程線

若忽略閥門的節(jié)流損失，此時(shí)蒸汽在低壓缸的焓降等于THA工況時(shí)低壓缸焓降，即Δh0-4=Δh1-5，如圖5所示。通過計(jì)算可知，節(jié)流損失使低壓缸排汽比焓升高Δh3=78.345 kJ/kg，發(fā)電機(jī)輸出功率減少ΔG3=12.025 MW，煤耗增加Δb3=6.149 g/kWh。若機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)為5 000 h，則由于閥門的節(jié)流損失，此超臨界機(jī)組每年將多消耗煤1.8萬t。

綜上所述，大型火電機(jī)組供熱采用閥門調(diào)節(jié)既能滿足電網(wǎng)和熱網(wǎng)的需求，又能維持供熱蒸汽壓力使其滿足熱用戶需求。但當(dāng)電、熱負(fù)荷寬范圍變化時(shí)，閥門產(chǎn)生巨大的節(jié)流損失，大幅降低了機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。因此，需要尋找一種既能維持供熱蒸汽壓力使其滿足熱用戶需求，還能最大限度地降低甚至消除節(jié)流損失的供熱方式，進(jìn)而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

4 調(diào)節(jié)級(jí)

4.1 調(diào)節(jié)級(jí)的特點(diǎn)

圖6 帶有四個(gè)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)級(jí)示意圖

4.2 調(diào)節(jié)級(jí)的傳統(tǒng)應(yīng)用

現(xiàn)有的調(diào)節(jié)級(jí)都設(shè)置在機(jī)組高壓缸的進(jìn)汽側(cè)，并且在中、低參數(shù)機(jī)組中應(yīng)用較為普遍，其功能為通過調(diào)節(jié)主蒸汽流量來調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)荷。高壓缸的調(diào)節(jié)級(jí)效率在調(diào)門全開狀態(tài)下時(shí)為60%～80%，造成其效率低的主要原因包括：承受壓降和焓降大(尤其在低負(fù)荷下)，要求很大的葉片強(qiáng)度，葉型難以優(yōu)化，尤其難以兼顧其寬范圍的壓降和焓降變化；容積流量小，葉片較短，相對(duì)漏汽量較大。在部分負(fù)荷下還存在調(diào)門節(jié)流損失及部分進(jìn)汽損失等[6]。

4.3 調(diào)節(jié)級(jí)的創(chuàng)新應(yīng)用

5 低壓缸設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)

為降低閥門的節(jié)流損失，若超臨界機(jī)組將采用低壓缸安裝調(diào)節(jié)級(jí)來對(duì)低壓熱用戶供熱，其調(diào)節(jié)級(jí)效率至少為80%。圖7為采用閥門或效率為80%的調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式的低壓缸熱力過程線。圖7中，1表示閥門進(jìn)汽點(diǎn)或調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)汽點(diǎn)；2表示閥門出汽點(diǎn)；3表示閥門調(diào)壓供熱時(shí)低壓缸排汽點(diǎn)；4表示調(diào)節(jié)級(jí)出汽點(diǎn)；5表示調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱時(shí)低壓缸排汽點(diǎn)。

圖7 采用閥門或效率為80%的調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式的低壓缸熱力過程線

通過計(jì)算可得，與閥門調(diào)壓供熱方式相比，低壓缸采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式使排汽比焓降低Δh4=57.770 kJ/kg，發(fā)電機(jī)輸出功率增加ΔG4=10.631 MW，煤耗降低Δb4=5.437 g/kWh。因此，若此超臨界機(jī)組低壓缸設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)，較閥門調(diào)節(jié)相比每年將節(jié)約煤1.6萬t。

6 中壓缸設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)

對(duì)于一些潛在熱用戶，像大型化工廠、大型煉油廠，它們所需的供熱參數(shù)較高，此時(shí)可用再熱蒸汽來對(duì)熱用戶供熱。

例如，超臨界機(jī)組對(duì)所需較高參數(shù)蒸汽(100 t/h、4 MPa、430℃)的大型熱用戶供熱。機(jī)組在THA工況下抽取部分熱再熱蒸汽對(duì)熱用戶供熱，此時(shí)供熱參數(shù)均滿足熱用戶需求。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至50%THA時(shí)，再熱蒸汽壓力只有1.899 MPa，無法滿足供熱要求。與低壓缸的解決方法類同，亦可采用進(jìn)汽節(jié)流調(diào)節(jié)的方式維持供熱壓力，但會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的節(jié)流損失。與閥門調(diào)壓相比，中壓缸采用效率為80%的調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓，可使排汽比焓降低Δh5=94.648 kJ/kg，發(fā)電機(jī)輸出功率增加ΔG5=20.543 MW，煤耗降低Δb5=21.817 g/kWh。若該超臨界機(jī)組中壓缸設(shè)置調(diào)節(jié)級(jí)，較閥門純節(jié)流調(diào)節(jié)方式相比每年將節(jié)約煤6.5萬t。

7 不同負(fù)荷下調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式的經(jīng)濟(jì)性分析

仍以機(jī)組供熱為例，分別以抽出100 t/h和500 t/h的供熱蒸汽量為基準(zhǔn)，比較低壓缸采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式與常規(guī)閥門調(diào)壓供熱方式間的功率收益(或損失)?，F(xiàn)以閥門調(diào)壓供熱方式為基準(zhǔn)，采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱后獲得的相對(duì)機(jī)組發(fā)電功率收益，其隨機(jī)組電負(fù)荷的變化見圖8。功率收益指采用調(diào)節(jié)級(jí)替代閥門節(jié)流調(diào)壓供熱后機(jī)組獲得的相對(duì)發(fā)電功率增量。

圖8 不同熱負(fù)荷下的機(jī)組功率收益隨電負(fù)荷變化曲線圖

在圖8中，功率收益=低壓缸進(jìn)汽流量×調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱與閥門調(diào)壓供熱間的低壓缸排汽焓差。當(dāng)中排全部用于供熱時(shí)，即低壓缸進(jìn)汽流量為零，此時(shí)功率收益為零(忽略鼓風(fēng)損失)；當(dāng)供熱流量為零時(shí)，此時(shí)功率收益也趨于零。機(jī)組在低負(fù)荷下，供熱抽汽量越小，功率收益越大；在高負(fù)荷下，供熱抽汽量越大，功率收益越大。但由于我國電網(wǎng)負(fù)荷具有包括熱電聯(lián)供在內(nèi)的煤電大機(jī)組必須參與大幅調(diào)峰的事實(shí)，不管供熱負(fù)荷的高低，在機(jī)組全電負(fù)荷的特點(diǎn)下，其采用調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行供熱調(diào)壓的平均收益都非?？捎^。

中壓缸采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式的功率收益與之類同。

8 結(jié)語

(1)當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷或熱負(fù)荷寬范圍變化時(shí)，用來維持供熱蒸汽壓力的調(diào)節(jié)閥會(huì)產(chǎn)生巨大的節(jié)流損失，降低機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性。熱電聯(lián)供的大型煤電機(jī)組中，非高壓缸若采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱方式，既能維持供熱蒸汽壓力使其滿足熱用戶需求，又能顯著降低節(jié)流損失，進(jìn)而提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

(2)根據(jù)中、低壓缸采用調(diào)節(jié)級(jí)調(diào)壓供熱的計(jì)算可知，機(jī)組在低負(fù)荷下，供熱抽汽量越小，功率收益越大；在高負(fù)荷下，供熱抽汽量越大，功率收益越大。但不管供熱負(fù)荷的高低，在機(jī)組全電負(fù)荷的范圍內(nèi)，其采用調(diào)節(jié)級(jí)進(jìn)行供熱調(diào)壓的平均收益都非?？捎^。

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