謝 天，何 寧，李庚達，張秋生，王文彬，崔青汝

(國家能源集團新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤機組將長期用于承擔用戶基本用電負荷[1]。隨著全球氣候變暖加劇，世界各國都在為提高可再生能源發(fā)電裝機比例，降低二氧化碳排放量的目標不懈努力?！笆濉睍r期，中國可再生能源發(fā)電裝機容量呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，利用率也顯著提高[2]。截止到2022年9月，中國可再生能源發(fā)電裝機容量達到11.61億千瓦，占總裝機容量的46.8%，可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量比重約為25%[3]。大規(guī)模可再生能源發(fā)電并網(wǎng)給電網(wǎng)的規(guī)劃和運行提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，為減少可再生能源高度滲透帶來的電源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)雙隨機擾動，越來越多的大型燃煤機組開始參與深度電網(wǎng)調(diào)峰[4-5]。

頻繁的負荷波動使燃煤機組長期偏離設(shè)計工況運行，導致其能耗水平升高、控制品質(zhì)下降、壽命損耗增加，燃煤發(fā)電企業(yè)面臨靈活運行與節(jié)能的雙重壓力，亟需挖掘燃煤機組瞬態(tài)過程節(jié)能潛力，開展燃煤機組瞬態(tài)過程能耗特性研究[6]，建立精確的機組瞬態(tài)能耗計算模型是研究的基礎(chǔ)，但與穩(wěn)態(tài)運行工況不同，機組在瞬態(tài)過程中受工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制的影響，機組發(fā)電煤耗率隨變負荷幅度、變負荷方向和變負荷速率而變化[7]，眾多專家學者對此開展了研究。楊志平等[8]基于燃煤機組瞬態(tài)過程的工質(zhì)蓄熱模型和金屬蓄熱模型，推導出了瞬態(tài)工況下機組煤耗計算模型，對1 000 MW機組變負荷試驗過程的能耗變化規(guī)律進行了分析。Wang等[9]建立了燃煤機組瞬態(tài)過程能耗分析模型，利用GSE軟件平臺搭建了660 MW超臨界機組動態(tài)仿真模型，研究了變負荷方向和變負荷速率對機組能耗特性的影響。郭喜燕等[10]提出了機組非穩(wěn)態(tài)工況下的煤耗計算方法，通過實例計算定量分析了瞬態(tài)過程中鍋爐蓄熱對機組煤耗量的影響。

目前，針對燃煤機組瞬態(tài)能耗計算模型的研究已比較成熟，可以實現(xiàn)瞬態(tài)工況下機組煤耗的準確計算，在此基礎(chǔ)上，準確掌握機組熱力系統(tǒng)的能量分布規(guī)律至關(guān)重要。Cheng等[11]建立了熱儲率和熱利用率計算模型，通過鍋爐水冷壁分段計算獲得了水冷壁廣義全工況下熱量組成和分布結(jié)果。Li[12]分別基于熱力學第一定律和第二定律，對機組汽輪機系統(tǒng)的能量損失和能量分布特性進行了研究。Guo等[13]對機組大幅度變負荷、啟停等瞬態(tài)工況下的鍋爐熱量分布進行了研究。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，當前對機組熱力系統(tǒng)瞬態(tài)過程的能量分布特性研究大多數(shù)需要基于質(zhì)量、能量守恒方程建立復雜的機組蓄熱計算模型，建模及求解困難，機組熱工控制系統(tǒng)時延作為影響機組瞬態(tài)過程能量分布特性的因素之一，罕見由熱力學角度出發(fā)針對過程控制對機組能量分布影響的定量研究。

本文以660 MW超超臨界燃煤機組為研究對象，采用EBSILON軟件對機組熱力系統(tǒng)進行仿真計算，獲得了50%～100%THA工況范圍內(nèi)包括金屬蓄熱與工質(zhì)蓄熱在內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱，通過機組變負荷運行試驗數(shù)據(jù)得到受過程控制遲延影響的附加蓄熱，進而定量研究了機組在變負荷瞬態(tài)過程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備的能量分布特性。

1 研究對象和仿真模型

1.1 研究對象

本文以660 MW超超臨界燃煤機組為研究對象，鍋爐為前后墻對沖燃燒方式，尾部采用雙煙道布置，汽輪機為三缸二排汽、一次中間再熱超超臨界汽輪機。在額定負荷工況下，鍋爐主蒸汽壓力為27.78 MPa，主蒸汽溫度為605℃，再熱蒸汽壓力為5.7 MPa，再熱蒸汽溫度為603℃，鍋爐效率為94.58%。汽輪機主汽壓力為27 MPa，再熱蒸汽壓力為5.244 MPa，主汽溫度和再熱蒸汽溫度為600/600℃。鍋爐燃用煙煤，煤種的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤種工業(yè)分析結(jié)果和低位發(fā)熱量

該機組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)由螺旋管圈和垂直管屏水冷壁構(gòu)成，沿煙氣流程各受熱面分別為屏式過熱器、后屏過熱器、末級過熱器和高溫再熱器，低溫再熱器和低溫過熱器分別布置在前后尾部煙道，省煤器由前墻省煤器和后墻省煤器組成。汽輪機本體包括高、中、低壓缸，凝汽系統(tǒng)由凝汽器、熱井和循環(huán)水泵等設(shè)備構(gòu)成，回熱系統(tǒng)包括3個高壓加熱器、3個低壓加熱器、除氧器及給水泵等。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注:1-屏式過熱器;2-后屏過熱器;3-末級過熱器;4-高溫再熱器;5-低溫再熱器;6-低溫過熱器;7-省煤器;8-高壓缸;9-中壓缸;10-低壓缸;11-高壓加熱器;12-除氧器;13-低壓加熱器;14-發(fā)電機

1.2 仿真模型及驗證

根據(jù)該660 MW超超臨界燃煤機組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在EBSILON軟件中搭建了包含鍋爐、汽輪機和發(fā)電機在內(nèi)的完整系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真模型，如圖2所示。為驗證本文基于EBSILON軟件的仿真模型精度，在機組BMCR工況下進行了主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計值的對比，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，BMCR工況下機組主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計值最大偏差在2%范圍內(nèi)，表明本文模型具有較高準確度。

圖2 仿真模型

表2 主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)驗證結(jié)果

1.3 計算指標

工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制是導致燃煤機組在變負荷瞬態(tài)過程中運行參數(shù)變化發(fā)生滯后的主要原因，為簡化研究過程，本文將工質(zhì)蓄熱和金屬蓄熱整體考慮，對于兩個穩(wěn)態(tài)工況而言，包括金屬蓄熱和工質(zhì)蓄熱的基礎(chǔ)蓄熱為一固定值，由過程控制產(chǎn)生的附加蓄熱與機組實際變負荷速率有關(guān)。燃煤機組在穩(wěn)態(tài)工況下基礎(chǔ)蓄熱為一近似固定值，因此可以將機組在EBSILON軟件中的穩(wěn)態(tài)仿真工況作為基礎(chǔ)蓄熱的計算基準。

工質(zhì)蓄熱計算式為

式中Qw,ts——工質(zhì)蓄熱/kW；

Mw,1、Mw,2——變負荷開始、變負荷結(jié)束時穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲存工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Mv——變負荷過程中換熱器內(nèi)發(fā)生相變的工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Hw,1、Hw,2——變負荷開始、變負荷結(jié)束時穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲存工質(zhì)平均焓值/kJ·kg-1；

γv——汽化潛熱/kJ·kg-1；

Δt——變負荷過程時間/s。

金屬蓄熱計算式為

式中Qm,ts——金屬蓄熱/kW；

Am——金屬傳熱面積/m2；

ρm——金屬管壁材料密度/kg·m-3；

δm——金屬管壁厚度/m；

ca,m——變負荷過程中金屬平均比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

Tm,1、Tm,2——變負荷開始、變負荷結(jié)束時金屬管壁平均溫度/℃；

Δt——變負荷過程時間/s。

機組在實際運行過程中受控制系統(tǒng)時延作用影響，機組的熱工信號中摻雜了過程控制的動態(tài)響應(yīng)信息，因此可以通過機組實際運行試驗數(shù)據(jù)計算求得的基礎(chǔ)蓄熱與EBSILON軟件穩(wěn)態(tài)仿真求得的基礎(chǔ)蓄熱比較，獲得因過程控制造成的附加蓄熱。

附加蓄熱計算式為

Qc,ts=|(Qw,ts+Qm,ts)試驗值-(Qw,ts+Qm,ts)仿真值|

式中Qc,ts——附加蓄熱/kW。

為獲得機組50%～100%THA工況范圍的運行數(shù)據(jù)，進行了50%～100%THA工況范圍內(nèi)的機組連續(xù)升降負荷試驗，如圖3所示。試驗時間共計24 h，試驗過程中機組負荷值變化情況如表3所示。

表3 試驗過程中機組的負荷變化

圖3 機組50%～100%THA連續(xù)升降負荷試驗

2 結(jié)果與分析

2.1 升負荷過程中各換熱設(shè)備能量分布

50%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表4所示。由表4可見，受金屬換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，在機組各主要換熱設(shè)備中，低溫過熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器的基礎(chǔ)蓄熱較大，且金屬蓄熱要高于工質(zhì)蓄熱，說明金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素。在機組50%～75%THA工況變負荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為3.86～2 628.45 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為2.56～2 602.03 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為7.61～4 552.81kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為4.95～4 498.57kW。基礎(chǔ)蓄熱的試驗值要整體高于基礎(chǔ)蓄熱的仿真值，分析其原因為在機組實際升負荷過程中，因熱工控制系統(tǒng)時延作用，導致機組升負荷速率低于設(shè)備本身的動態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值增加。

表4 50%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表5所示。由表5可見，在機組75%～100%THA工況變負荷過程中，工質(zhì)蓄熱最小的換熱設(shè)備是低壓加熱器，其試驗值與仿真值分別為5.67 kW和4.86 kW，工質(zhì)蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過熱器，其試驗值與仿真值分別為3 243.24 kW和3 221.31 kW；金屬蓄熱最小的換熱設(shè)備同樣為低壓加熱器，其試驗值與仿真值分別為9.01 kW和7.41 kW，金屬蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過熱器，其試驗值與仿真值分別為4 861.45 kW和4 817.45 kW。機組75%～100%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于50%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說明在升負荷過程中，機組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機組負荷值增大而增加。

表5 75%～100%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

機組50%～75%THA工況和75%～100%THA工況升負荷過程中因控制系統(tǒng)時延引起的附加蓄熱值如圖4所示。由圖4可見，受過程控制附加蓄熱影響較為顯著的換熱設(shè)備是蒸發(fā)系統(tǒng)、低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器，這說明機組換熱設(shè)備本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣是影響附加蓄熱的主要影響因素。升負荷過程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在75%～100%THA工況下的低壓加熱器，為2.41 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在50%～75%THA工況下的低溫過熱器，為61.54 kW。由此可見，因控制時延影響造成的機組附加蓄熱值相比于機組設(shè)備本體的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值較小。機組50%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體高于75%～100%THA工況下的附加蓄熱值，這說明機組負荷值越高的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越小。

圖4 升負荷附加蓄熱值

2.2 降負荷過程中各換熱設(shè)備能量分布

在機組降負荷過程中，機組各換熱設(shè)備呈放熱特性，為便于對比分析機組升、降負荷過程對機組能量分布特性的影響，本文對升、降負荷過程中的各蓄熱值均取絕對值。100%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表6所示。由表6可見，在機組100%～75%THA工況變負荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為3.39 kW與1 730.93 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為5.18 kW與1 774.76 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為7.14 kW與3 285.06 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為10.72 kW與3 345.36 kW。與升負荷過程不同，在機組降負荷過程中，基礎(chǔ)蓄熱的仿真值要整體高于試驗值，這說明在機組實際降負荷過程中，因熱工控制系統(tǒng)時延作用，導致機組降負荷速率低于設(shè)備本身的動態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值減小。

表6 100%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～50%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表7所示。由表7可見，在機組75%～50%THA工況變負荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為3.42～1 508.86 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為6.84～1 574.64 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為4.59～2 217.67 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為11.25～2 297.53 kW。機組100%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于75%～50%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說明在降負荷過程中，機組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機組負荷值降低而減小。

表7 75%～50%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，機組升負荷過程中的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于機組降負荷過程中的基礎(chǔ)蓄熱值，這說明在機組升、降負荷過程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同，因金屬蓄放熱現(xiàn)象造成的機組瞬態(tài)工況下的能量附加值也不相同。

機組100%～75%THA工況和75%～50%THA工況降負荷過程中因控制系統(tǒng)時延引起的附加蓄熱值如圖5所示。由圖5可見，降負荷過程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在100%～75%THA工況下的低壓加熱器，為5.37 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在75%～50%THA工況下的低溫過熱器，為145.64 kW。機組100%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體低于75%～50%THA工況下的附加蓄熱值，這說明機組負荷值越低的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越大。

圖5 降負荷附加蓄熱值

以75%～100%THA工況為例，機組相同變負荷區(qū)間范圍內(nèi)的升、降負荷過程中的附加蓄熱值如圖6所示。由圖6可以看到，相同變負荷區(qū)間內(nèi)，機組降負荷過程中的附加蓄熱值要整體高于機組升負荷過程中的附加蓄熱值，這說明在機組降負荷過程中對控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。

圖6 升、降負荷附加蓄熱值

3 結(jié)論

本文以660 MW超超臨界燃煤機組為研究對象，基于EBSILON軟件建立了機組全系統(tǒng)模型，通過該模型仿真得到了機組50%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱值，利用機組變負荷運行試驗數(shù)據(jù)得到了附加蓄熱值，從而對機組在變負荷瞬態(tài)過程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制的能量分布特性進行了研究。得到以下結(jié)論。

(1)基礎(chǔ)蓄熱值較大的換熱設(shè)備為低溫過熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器，基礎(chǔ)蓄熱值較小的換熱設(shè)備為低壓加熱器，金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素，說明機組瞬態(tài)過程節(jié)能應(yīng)重點以換熱面積較大的金屬換熱設(shè)備為研究目標。

(2)變負荷過程中，基礎(chǔ)蓄熱值隨機組負荷值增大而增加，隨機組負荷值減少而減小，機組升、降負荷過程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同。

(3)變負荷過程中，機組負荷值越高的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越小，反之則附加蓄熱值越大，說明機組在偏離設(shè)計工況運行時的瞬態(tài)過程節(jié)能潛力更大。

(4)整個試驗工況范圍內(nèi)附加蓄熱值最大為145.64 kW，相比于基礎(chǔ)蓄熱值，因過程控制造成的附加蓄熱值較小，機組瞬態(tài)過程節(jié)能應(yīng)著重挖掘基礎(chǔ)蓄熱的潛力。

(5)相同變負荷區(qū)間內(nèi)，機組降負荷過程中的附加蓄熱值高于機組升負荷過程中的附加蓄熱值，說明機組降負荷過程中對控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。