山西國(guó)錦煤電有限公司 趙 明 太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院 劉嘉樂(lè)
近年來(lái),我國(guó)新能源快速發(fā)展,局部裝機(jī)占比過(guò)大,火電廠需要降低負(fù)荷為其騰出消納空間[1-2]。但火電廠“以熱定電”的傳統(tǒng)運(yùn)行方式,使供熱和新能源消納的矛盾日益凸顯,因此越來(lái)越多的機(jī)組進(jìn)行了供熱增容改造。目前供熱增容改造技術(shù)主要包括高背壓供熱、低壓缸零出力供熱、高中壓缸旁路供熱等[3-5]。高背壓供熱利用低壓缸排汽加熱循環(huán)水,冷源損失降低,供熱經(jīng)濟(jì)性最高;但熱電耦合特性加重,運(yùn)行靈活性差,無(wú)法參與新能源消納。低壓缸零出力供熱僅向低壓缸通入少量冷卻蒸汽,以實(shí)現(xiàn)采暖抽汽最大化;供熱經(jīng)濟(jì)性較好,且一定程度上弱化了機(jī)組熱電耦合特性。高中壓缸旁路供熱利用供熱蒸汽不進(jìn)入汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)最大程度的熱電解耦,供熱能力強(qiáng);但經(jīng)濟(jì)性差,且對(duì)設(shè)備運(yùn)行可靠性要求高。
山西國(guó)錦煤電有限公司位于山西省交城縣境內(nèi),一期工程為2×300MW亞臨界空冷的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,配置2×1070t/h循環(huán)流化床鍋爐。汽輪機(jī)為雙缸雙排汽、一次中間再熱、抽凝式直接空冷型式。給水回?zé)嵯到y(tǒng)共7級(jí),為3高加+1除氧+3低加型式,低加疏水逐級(jí)回流,除氧器滑壓運(yùn)行。
國(guó)錦電廠同步向太原市和交城縣供熱,其設(shè)計(jì)供熱方式為五段采暖抽汽供熱。隨著兩地經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,為提升機(jī)組的調(diào)峰靈活性和供熱能力,電廠已先后對(duì)1、2號(hào)機(jī)組完成高背壓供熱、低壓缸空載供熱改造。針對(duì)遠(yuǎn)期供熱規(guī)劃,計(jì)劃對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行高低壓旁路聯(lián)合供熱改造。該電廠一次熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)如圖1所示,兩地?zé)峋W(wǎng)回水混合后依次流經(jīng)1、2號(hào)熱網(wǎng)凝汽器,再分別流向?qū)?yīng)的熱網(wǎng)加熱器后對(duì)外供熱。其中1、2號(hào)熱網(wǎng)凝汽器汽源分別為1、2號(hào)機(jī)組低壓缸排汽,交城、太原熱網(wǎng)加熱器的高溫蒸汽來(lái)自于兩機(jī)組的五段抽汽;加熱器均設(shè)置有旁路管道,均可被安全切除。
圖1 一次熱網(wǎng)循環(huán)水流程圖
在初寒期→嚴(yán)寒期→末寒期的全供熱工況下,供熱需求隨環(huán)境溫度不斷變化。僅使用單一供熱模式時(shí),熱電機(jī)組會(huì)存在以下問(wèn)題:初末寒期供熱需求較低,只進(jìn)行了低壓缸空載或高低壓旁路聯(lián)合供熱改造的機(jī)組抽汽參數(shù)高,能量損耗較大,供熱經(jīng)濟(jì)性低;嚴(yán)寒期只進(jìn)行了高背壓供熱改造的機(jī)組供熱能力不足。因此熱電廠應(yīng)根據(jù)供熱需求和鍋爐負(fù)荷合理選擇供熱模式。燃煤熱電機(jī)組智能化適應(yīng)性供熱系統(tǒng)包括A~F6種供熱模式,1#機(jī)組分別為:A乏汽供熱、B抽乏汽供熱、C空載供熱、D抽汽高背壓供熱、E空載供熱、F空載供熱;2#機(jī)組分別為:A高背壓供熱、B抽汽高背壓供熱、C抽汽高背壓供熱、D空載供熱、E空載供熱、F高低旁供熱。
模式A:雙機(jī)高背壓供熱。1號(hào)機(jī)組背壓較低(約14kPa),2號(hào)機(jī)組背壓較高(約32kPa),梯級(jí)利用兩臺(tái)汽機(jī)乏汽熱量。該模式僅適用于初末寒期,熱負(fù)荷需求很低,兩地供水溫度均低于70℃的情況下;模式B:雙機(jī)抽汽高背壓供熱。在模式A基礎(chǔ)上關(guān)小低壓缸進(jìn)汽蝶閥,開(kāi)大采暖抽汽蝶閥,利用兩臺(tái)機(jī)組的五段抽汽繼續(xù)加熱循環(huán)水;模式C、D:?jiǎn)螜C(jī)抽汽高背壓+單機(jī)空載供熱。這兩種模式下,單臺(tái)機(jī)組保持抽汽高背壓供熱運(yùn)行。另一臺(tái)機(jī)組投入羅茨真空泵,并調(diào)節(jié)空冷風(fēng)機(jī)列數(shù)和頻率以降低機(jī)組背壓,并僅向低壓缸通入約80t/h的冷卻流量,實(shí)現(xiàn)采暖抽汽量提升;模式E:雙機(jī)空載供熱。該模式下兩臺(tái)機(jī)組均僅在空載工況下運(yùn)行,兩臺(tái)熱網(wǎng)凝汽器均被切除;模式F:?jiǎn)螜C(jī)空載+單機(jī)高低旁供熱。在模式E的基礎(chǔ)上增加2號(hào)鍋爐出力,通過(guò)高低壓旁路增加供熱蒸汽量,不改變高壓缸進(jìn)汽量,在不影響電負(fù)荷的前提下實(shí)現(xiàn)供熱能力的提升。
上述供熱模式的本質(zhì)區(qū)別在于運(yùn)行背壓和抽汽位置不同。根據(jù)不同背壓下低壓缸的最小排汽流量,計(jì)算不同位置的最大抽汽流量,即可得到機(jī)組的最大供熱能力。其中低壓缸最小排汽量與背壓關(guān)系如圖2所示。供熱期國(guó)錦電廠還承擔(dān)了共計(jì)249.1t/h的工業(yè)抽汽,將其平攤至兩臺(tái)機(jī)組后,計(jì)算最大連續(xù)蒸發(fā)量(TMCR)下不同模式的最大供熱能力,結(jié)果詳見(jiàn)圖3。
圖2 不同背壓下的低壓缸最小排汽量
圖3 不同供熱模式的最大供熱量和發(fā)電量
可以看出,相同鍋爐負(fù)荷下模式A→F的最大供熱能力逐漸增加而發(fā)電量逐漸減小。因此,采暖抽汽位置越靠前供熱蒸汽參數(shù)越高、機(jī)組的供熱能力越強(qiáng),但發(fā)電量會(huì)減小、即經(jīng)濟(jì)性降低。其中模式C、D只是1、2號(hào)機(jī)組運(yùn)行模式互換,最大供熱能力和發(fā)電量基本一致。當(dāng)模式B供熱能力不足需切換至供熱能力更高的模式時(shí),一般選擇模式C。此時(shí)1號(hào)機(jī)背壓由較低的14kPa降至4kPa,相較于D模式下2號(hào)機(jī)由32kPa降至4kPa,運(yùn)行工況變動(dòng)較小,更為安全。F模式下兩臺(tái)機(jī)組供熱能力達(dá)到最大,約1105MW,在保證最大工業(yè)抽汽的前提下,供熱面積可達(dá)2450萬(wàn)平方米,可滿足遠(yuǎn)期供熱規(guī)劃。
適應(yīng)性供熱思路為:首先根據(jù)燃煤鍋爐的實(shí)時(shí)蒸發(fā)量求出各模式的當(dāng)前最大供熱量,在模式最大供熱能力滿足熱力公司所下發(fā)供熱負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上,選擇發(fā)電量最大的模式,稱其為最優(yōu)模式;然后根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)所處模式判斷需進(jìn)行模式間切換或模式內(nèi)優(yōu)化,并給出相關(guān)建議;最后運(yùn)行人員根據(jù)提示執(zhí)行相關(guān)操作。若六種供熱模式均無(wú)法滿足供熱需求,則在適應(yīng)性供熱界面中顯示“機(jī)組供熱極限不滿足需求”。
圖4 適應(yīng)性供熱技術(shù)思路
表1 測(cè)試結(jié)果
表2 優(yōu)化供熱參數(shù)
適應(yīng)性供熱系統(tǒng)需自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前供熱模式。若當(dāng)前模式不是最優(yōu)模式時(shí)則建議進(jìn)行模式間切換。比較當(dāng)前供熱出力和熱負(fù)荷需求,若當(dāng)前出力大于需求則選擇較低供熱出力模式;若當(dāng)前出力小于需求,則選擇較高供熱出力模式;并在燃煤熱電廠智能化適應(yīng)性供熱界面中顯示具體應(yīng)切換至何供熱模式,以及切換的順控步驟。同時(shí)在模式切換完成兩小時(shí)內(nèi)不再給出切換建議,避免頻繁操作。
若當(dāng)前模式是最優(yōu)模式,則比較至太原、交城一次熱網(wǎng)的出水溫度和熱力公司要求的供熱溫度。若出水溫度與供熱溫度間的差值小于供熱溫度偏差限值2℃時(shí),則不進(jìn)入進(jìn)行模式優(yōu)化;若出水溫度與供熱溫度間差值大于該限值,則進(jìn)行模式內(nèi)優(yōu)化計(jì)算,給出調(diào)整建議。不同供熱模式采暖抽汽位置及運(yùn)行背壓不同,因此優(yōu)化的運(yùn)行參數(shù)也不同。如將背壓調(diào)整至某值、將抽汽量調(diào)整至某值、將蒸發(fā)量調(diào)整至某值等,并在適應(yīng)性供熱界面中顯示。
本技術(shù)應(yīng)用在國(guó)電智深DCS系統(tǒng)上完成系統(tǒng)搭建。
在當(dāng)前運(yùn)行模式為C,太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度循環(huán)水量分別為8000t/h和4000t/h,1、2號(hào)機(jī)組蒸發(fā)量分別為720t/h和765t/h的工況下,通過(guò)改變太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度供水溫度,測(cè)試適應(yīng)性供熱系統(tǒng)的有效性(表1)。通過(guò)測(cè)試結(jié)果可看出,隨著太原、交城熱網(wǎng)調(diào)度水溫的升高,最優(yōu)模式依次從模式A升至模式F。若當(dāng)前模式不是最優(yōu)模式時(shí),適應(yīng)性供熱系統(tǒng)提示模式切換、順控方向和步驟。若當(dāng)前模式是最優(yōu)模式時(shí)(如測(cè)試4、5組),適應(yīng)性供熱系統(tǒng)提示模式優(yōu)化及優(yōu)化供熱參數(shù),包括1、2號(hào)機(jī)向太原和交城熱網(wǎng)供汽量、優(yōu)化背壓及優(yōu)化發(fā)電量,如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該適應(yīng)性供熱系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動(dòng)選擇模式切換或運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化,使供熱負(fù)荷與供熱需求間誤差不超過(guò)1%。