莊建華

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司, 哈爾濱 150040)

為解決北方地區(qū)日益嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，國家能源局于2016年6月、8月先后下發(fā)了2批共計(jì)22家火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知[1-2]，國家能源局東北監(jiān)管局也于2016年11月印發(fā)了《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營規(guī)則(試行)》的通知。相關(guān)政策的出臺(tái)促進(jìn)了試點(diǎn)企業(yè)積極開展提升火電機(jī)組靈活性的技術(shù)改造，輔助服務(wù)市場(chǎng)經(jīng)過2年多的運(yùn)營，風(fēng)電消納的困境得到了極大的緩解。

從提升火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的地域分布和機(jī)型分布來看，當(dāng)前的工作重點(diǎn)是解決北方地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰問題。針對(duì)熱電機(jī)組深度調(diào)峰問題，國內(nèi)專家學(xué)者與試點(diǎn)企業(yè)密切配合開展研究，提出了4種主流技術(shù)方案[3-6]，其中，電鍋爐技術(shù)方案因其運(yùn)行靈活、調(diào)峰能力強(qiáng)，給改造企業(yè)帶來了調(diào)峰補(bǔ)償，受到一些企業(yè)的青睞。然而，現(xiàn)有試點(diǎn)企業(yè)采用電鍋爐方案進(jìn)行改造，其容量選擇是否合理、運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)，需要進(jìn)一步開展研究。

在電鍋爐容量選擇方面，韓雪[7]結(jié)合供熱實(shí)例，對(duì)同一供熱地點(diǎn)，在相同采暖熱負(fù)荷的條件下，給出了合理的蓄熱電鍋爐容量。在電鍋爐運(yùn)行方面，呂泉等[8]提出熱電廠通過配置電鍋爐來解耦其“以熱定電”約束，分析了消納棄風(fēng)電力后電廠的節(jié)煤效果；林軍等[9]結(jié)合當(dāng)前風(fēng)電供暖的現(xiàn)狀和消納困局，對(duì)熱電機(jī)組靈活性改造進(jìn)行了探討，并分析了某一試點(diǎn)項(xiàng)目采用直熱式電鍋爐的實(shí)際投運(yùn)效果和收益；李國慶等[10]針對(duì)供需矛盾及電網(wǎng)靈活性差的問題，提出了一種基于儲(chǔ)能融合蓄熱式電鍋爐的風(fēng)電消納多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，有效地解決了蓄熱式電鍋爐功率調(diào)節(jié)能力與風(fēng)功率變化不匹配的問題，提高了風(fēng)電就地消納能力；李虹等[11]為解決北方地區(qū)嚴(yán)重的棄風(fēng)問題，以系統(tǒng)總經(jīng)濟(jì)成本最小和棄風(fēng)量最少為目標(biāo)，分析了儲(chǔ)熱裝置以及電鍋爐對(duì)于風(fēng)電消納的促進(jìn)作用，實(shí)現(xiàn)電熱綜合調(diào)度；袁雪峰等[12]開展了采用電極式鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組，提高供熱機(jī)組負(fù)荷變化率和變化范圍的研究。

目前的研究主要從電網(wǎng)角度分析了電鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、控制方法以及容量配置，卻缺乏熱電企業(yè)運(yùn)行及投資方面的研究。運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)企業(yè)而言至關(guān)重要，因此，筆者從熱電企業(yè)角度，對(duì)電鍋爐開展容量配置和運(yùn)行優(yōu)化研究，分析現(xiàn)有改造機(jī)組存在的問題，達(dá)到減少項(xiàng)目投資和提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的目的。

1 電鍋爐供熱調(diào)峰的工作原理

電鍋爐供熱方案的本質(zhì)是以消耗部分汽輪機(jī)發(fā)電功率的電鍋爐補(bǔ)充機(jī)組供熱能力不足部分，并實(shí)現(xiàn)熱電解耦，降低機(jī)組上網(wǎng)功率[13]。目前，熱電企業(yè)采用的電鍋爐供熱設(shè)備主要有2種：高壓直熱式電鍋爐(電極鍋爐)和固體儲(chǔ)熱式電鍋爐。

電極鍋爐的工作原理是通過電極直接加熱水，產(chǎn)生熱水或蒸汽。該裝置直接將電能轉(zhuǎn)換成熱能，在這一轉(zhuǎn)換過程中幾乎沒有能量損失，將熱量通過循環(huán)泵傳遞給用熱設(shè)備。

固體儲(chǔ)熱式電鍋爐的工作原理是在電網(wǎng)低谷調(diào)峰時(shí)段或風(fēng)力發(fā)電的棄風(fēng)電時(shí)段，通過電阻將電能轉(zhuǎn)換為熱能加熱高溫蓄熱體(氧化鎂儲(chǔ)能磚)，而后使用風(fēng)機(jī)通過空氣將高溫蓄熱體熱量釋放到熱網(wǎng)循環(huán)水中，實(shí)現(xiàn)對(duì)外供熱。該裝置通常蓄熱時(shí)間為7 h，放熱時(shí)間為14 h或10 h，以適應(yīng)供熱需求。

熱電機(jī)組在深度調(diào)峰期間，其調(diào)峰功率與發(fā)電功率、電鍋爐消耗功率以及綜合廠用功率等的關(guān)系見式(1)、圖1，零功率為電網(wǎng)中無電流情況。

Ptf=Pqj-Peb=Pnet+Pzh

(1)

式中：Ptf為機(jī)組調(diào)峰功率，MW；Pqj為機(jī)組發(fā)電功率，MW；Peb為電鍋爐消耗功率，MW；Pnet為機(jī)組上網(wǎng)功率，MW；Pzh為機(jī)組消耗的綜合廠用電功率，MW。

圖1 調(diào)峰功率與機(jī)組出力、電鍋爐出力關(guān)系

2 電鍋爐容量選擇及運(yùn)行優(yōu)化

2.1 電鍋爐參與熱電機(jī)組調(diào)峰的能量分析

熱電機(jī)組生產(chǎn)電能和熱能的過程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程，其轉(zhuǎn)換關(guān)系遵循熱力學(xué)第一定律。筆者以某熱電機(jī)組為例，闡述采用電鍋爐供熱的熱電機(jī)組深度調(diào)峰期間的能量關(guān)系(見圖2)。

圖2 電鍋爐參與調(diào)峰、供熱的能量示意圖

以汽輪發(fā)電機(jī)和電鍋爐作為整體研究對(duì)象，電鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)峰時(shí)的能量平衡關(guān)系為：

Qin=Qrw+Ptf+Ql+(1-ηeb)Peb

(2)

式中：Qin為輸入熱量，MW；Qrw為供熱功率，MW；Ql為冷源損失，MW；ηeb為電鍋爐電熱轉(zhuǎn)換效率，%，取99%。

從式(2)可以看出：在調(diào)峰功率和供熱功率一定的情況下，熱電機(jī)組的冷源損失最小、電鍋爐消耗功率最低時(shí)，其輸入熱量最低。

2.2 熱電機(jī)組的電熱特性

熱電機(jī)組發(fā)電功率和抽汽供熱功率Qcq之間的關(guān)聯(lián)耦合關(guān)系一般稱為電熱特性，可以體現(xiàn)熱電機(jī)組的運(yùn)行特性，可用于分析熱電機(jī)組靈活運(yùn)行能力。圖3為某超臨界350 MW抽凝式機(jī)組的電熱特性圖。

圖3 某350 MW熱電機(jī)組電熱特性圖

圖3中AB為機(jī)組最大進(jìn)汽量下的電熱功率線，其中A點(diǎn)為機(jī)組純凝工況最大發(fā)電功率點(diǎn)，B點(diǎn)為供熱工況最大發(fā)電功率和抽汽供熱功率點(diǎn)；CD為機(jī)組最低穩(wěn)燃進(jìn)汽量下的電熱功率線，其中D點(diǎn)為機(jī)組純凝工況最小發(fā)電功率點(diǎn)，C點(diǎn)為機(jī)組供熱工況最小發(fā)電功率點(diǎn)；BC為最小凝汽工況線。

對(duì)熱電機(jī)組而言，對(duì)于某個(gè)給定進(jìn)汽量，隨著抽汽量的增大，即抽汽供熱功率增大，汽輪機(jī)的發(fā)電功率會(huì)逐步降低，如圖3中斜虛線所示。同時(shí)，對(duì)于某個(gè)給定進(jìn)汽量，存在一個(gè)最大抽汽工況(也稱最小凝汽工況)，此時(shí)大部分蒸汽被抽出供熱，只有少部分蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓段以滿足冷卻的需要，如圖3中BC所示。顯然，在熱電機(jī)組發(fā)電功率一定時(shí)，在最小凝汽工況線上其抽汽供熱功率最大，對(duì)應(yīng)的機(jī)組冷源損失最小。熱電機(jī)組最大抽汽供熱功率Qcq,max與發(fā)電功率是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系：

Qcq,max=f(Pqj)

(3)

2.3 機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷的限制

按照《東北電力輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營規(guī)則(試行)》要求，電鍋爐作為深度調(diào)峰設(shè)施，在交易中抵減發(fā)電出力后的上網(wǎng)功率Pnet≥0 MW；熱電機(jī)組參與有償調(diào)峰的功率基準(zhǔn)為50%，即機(jī)組調(diào)峰功率Ptf≤50%Pqj。因此，根據(jù)式(1)可推導(dǎo)出電鍋爐功率選擇和調(diào)整應(yīng)滿足以下要求：

50%Pqj≤Peb≤Pqj-Pzh

(4)

2.4 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)的求解步驟

考慮到供熱初、末期(供熱期前后1個(gè)月)熱負(fù)荷低，電網(wǎng)中熱電機(jī)組自身的調(diào)峰能力可以滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，因此筆者僅對(duì)供熱中期的經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)進(jìn)行求解，流程見圖4。

圖4 機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)求解流程

(1) 確定機(jī)組熱電負(fù)荷的約束條件：

(5)

式中：Lzh為綜合廠用電率，%，取5%。

(2) 利用機(jī)組電熱特性圖，確定機(jī)組最大供熱功率與發(fā)電功率的函數(shù)關(guān)系(見式(3))。

(3) 以機(jī)組初始的發(fā)電功率為給定值，通過迭代求解出機(jī)組最終發(fā)電功率和電鍋爐消耗功率，確定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)。

3 實(shí)例分析

某熱電廠有2臺(tái)350 MW超臨界供熱機(jī)組，汽輪機(jī)為超臨界、雙缸雙排汽、一次中間再熱、濕冷、抽凝式汽輪機(jī)，機(jī)組的額定抽汽質(zhì)量流量為400 t/h，現(xiàn)有供熱面積為1 250×104m2。該廠采用固體電蓄熱裝置進(jìn)行深度調(diào)峰改造，電蓄熱裝置蓄熱能力為320 MW(90 MW+70 MW+90 MW+70 MW)，項(xiàng)目總投資3.3億元。通過對(duì)改造后機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該項(xiàng)目存在投資大、運(yùn)行成本高的問題。

3.1 電鍋爐容量配置優(yōu)化

電鍋爐容量的選擇與機(jī)組深度調(diào)峰期間經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)確定方法相同，在機(jī)組調(diào)峰目標(biāo)一定的情況下，以極寒天氣時(shí)的機(jī)組運(yùn)行工況為基準(zhǔn)，按照機(jī)組深度調(diào)峰期間經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)確定方法所得到的電鍋爐消耗功率，即為電鍋爐的容量。

表1給出了機(jī)組在上個(gè)供熱期極寒天氣時(shí)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，通過對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)的求解可知：在機(jī)組發(fā)電功率為148 MW、供熱功率為145 MW、電鍋爐消耗功率為97 MW時(shí)，與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效果相同。因此，單臺(tái)機(jī)組電鍋爐容量選擇100 MW即可，而2臺(tái)機(jī)組電鍋爐容量可減少120 MW，可減少投資約1.2億元。

表1 電鍋爐容量配置優(yōu)化計(jì)算結(jié)果 MW

考慮到機(jī)組深度調(diào)峰負(fù)荷較高，按上網(wǎng)功率近0 MW的情況下，2臺(tái)機(jī)組電鍋爐容量仍可減少40 MW，減少投資約4 000萬元。

3.2 運(yùn)行方式優(yōu)化

表2給出了在供熱中期平均熱負(fù)荷工況下機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，通過優(yōu)化運(yùn)行，機(jī)組每小時(shí)可節(jié)煤約13 t，采暖中期可節(jié)煤約12 140 t，折合節(jié)約燃料成本約789萬元，2臺(tái)機(jī)組可節(jié)約燃料成本1 578萬元，節(jié)能效果十分可觀。

表2 運(yùn)行方式優(yōu)化計(jì)算結(jié)果表

3.3 存在的問題

上述優(yōu)化運(yùn)行是建立在電鍋爐消耗功率可連續(xù)調(diào)整基礎(chǔ)上的，實(shí)際運(yùn)行中該項(xiàng)目采用的固體電蓄熱裝置不同于電極鍋爐，消耗功率不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)整，且裝置達(dá)不到即時(shí)產(chǎn)熱和放熱平衡，不能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但只要對(duì)電鍋爐進(jìn)行一些改動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)功率連續(xù)可調(diào)。

4 結(jié)語

筆者針對(duì)當(dāng)前熱電機(jī)組改造存在投資大、運(yùn)行成本高等問題，結(jié)合提升熱電機(jī)組調(diào)峰能力試點(diǎn)項(xiàng)目的實(shí)例進(jìn)行了研究。通過建立運(yùn)行工況計(jì)算模型，提高熱電機(jī)組供熱功率，在相同采暖熱負(fù)荷和相同的調(diào)峰負(fù)荷條件下得到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況點(diǎn)，以確定電鍋爐的最佳容量配置和消耗功率，達(dá)到節(jié)能及降低成本的目標(biāo)，為類似項(xiàng)目提供參考。