商攀峰，郭俊山，鞏志強(qiáng)，韓 悅，鄭 威

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

我國電網(wǎng)夏季負(fù)荷通常處于高位運(yùn)行，特別是空調(diào)負(fù)荷增長迅速。2019 年的山東電網(wǎng)全網(wǎng)最高用電負(fù)荷8 410.8 萬kW，出現(xiàn)在7 月26 日；2020 年的8月17 日至18 日，全省普遍高溫，山東電網(wǎng)全網(wǎng)用電負(fù)荷連續(xù)兩天突破歷史最高紀(jì)錄，其中制冷負(fù)荷超過3 000 萬kW。山東電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電受天氣影響有時(shí)無法保證有效供給，為響應(yīng)電網(wǎng)電力調(diào)度，進(jìn)一步提升火電機(jī)組在夏季負(fù)荷高峰時(shí)的頂峰出力能力十分必要。

構(gòu)建并網(wǎng)機(jī)組負(fù)荷模型，監(jiān)測機(jī)組的最大出力能力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出力受阻因素，可以有效地提升火電機(jī)組在夏季負(fù)荷高峰時(shí)的頂峰出力能力。火電廠的冷端終參數(shù)，不僅與凝汽設(shè)備有關(guān)，還與汽輪機(jī)的低壓部分以及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)有關(guān)，需要通過電廠的冷端系統(tǒng)測試來確定［1-2］，建立負(fù)荷與上述參數(shù)的多因素分析模型尤為復(fù)雜。而通過凝汽器的排汽壓力pc表征蒸汽終參數(shù)可以簡化機(jī)組負(fù)荷模型，則不需要考慮不同機(jī)組的終端參數(shù)［3-5］。背壓—負(fù)荷模型是基于火電廠冷端優(yōu)化設(shè)計(jì)方法而提出的：維持汽輪機(jī)進(jìn)汽量恒定，通過優(yōu)化冷端參數(shù)，改變汽輪機(jī)背壓，達(dá)到調(diào)整功率的目的，建立背壓與功率的關(guān)系。

1 背壓—負(fù)荷模型構(gòu)建

山東省內(nèi)統(tǒng)調(diào)機(jī)組夏季工況背壓多數(shù)采用11.8 kPa，因此本文以11.8 kPa 作為背壓-負(fù)荷模型的基準(zhǔn)背壓，研究夏季高溫時(shí)段真空偏離基準(zhǔn)背壓時(shí)的負(fù)荷分布情況?；痣姀S驗(yàn)收試驗(yàn)工況通常分為額定工況、T-MCR 工況、VWO 工況、能力工況（夏季工況）、高加切除工況等，基本覆蓋機(jī)組熱耗率、供電煤耗率、發(fā)電煤耗率、汽輪機(jī)出力、各缸效率和通流效率，其中的夏季工況是指汽輪機(jī)在夏季高背壓、補(bǔ)水率3%、額定電功率下的出力工況［6-7］，對于夏季極端天氣負(fù)荷高峰時(shí)的頂峰出力研究十分重要。針對以上驗(yàn)收工況，根據(jù)靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)分別建立相關(guān)模型公式。

1.1 靜態(tài)參數(shù)模型

第一步，根據(jù)選取的基準(zhǔn)背壓（11.8 kPa）測試機(jī)組在純凝、額定功率因數(shù)下連續(xù)、穩(wěn)定的最大出力Pmax，以及最大主蒸汽流量Gmax。

第二步，根據(jù)機(jī)組TMCR 工況和TRL 工況熱平衡圖，選取靜態(tài)參數(shù)為：TMCR 工況設(shè)計(jì)出力；TMCR工況設(shè)計(jì)背壓；TRL工況試驗(yàn)背壓；TRL工況試驗(yàn)調(diào)節(jié)級壓力；TRL工況設(shè)計(jì)出力；TRL工況試驗(yàn)一抽壓力；TRL工況設(shè)計(jì)背壓；調(diào)節(jié)級壓力報(bào)警值；TRL工況試驗(yàn)主蒸汽流量；一抽壓力報(bào)警值；TRL工況試驗(yàn)出力。

采用靜態(tài)參數(shù)計(jì)算背壓對出力的影響系數(shù)K。

式中：PTMCRd、PTRLd分別為TMCR 工況設(shè)計(jì)出力、TRL工況設(shè)計(jì)出力，MW；pbpTRLd、pbpTMCRd分別為TRL 工況設(shè)計(jì)背壓、TMCR工況設(shè)計(jì)背壓，kPa；K有量綱1/kPa。

1.2 動態(tài)參數(shù)模型

動態(tài)參數(shù)模型分析背壓與負(fù)荷的關(guān)系，動態(tài)參數(shù)為：有功功率；主汽流量；給水流量；調(diào)節(jié)級壓力；工業(yè)抽汽流量1；工業(yè)抽汽溫度1；工業(yè)抽汽壓力1；工業(yè)抽汽流量2；工業(yè)抽汽壓力2；再熱蒸汽壓力；工業(yè)抽汽溫度2；再熱蒸汽溫度；冷再熱蒸汽壓力；無功功率；冷再熱蒸汽溫度；功率因數(shù)；真空；大氣壓力；低壓缸排汽溫度（汽機(jī)側(cè)）；低壓缸排汽溫度（電機(jī)側(cè)）。

第一步，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行工況下的背壓pbpc和主蒸汽流量Gc，計(jì)算出機(jī)組在主蒸汽流量Gmax下的背壓pbpcc。

式中：a為主蒸汽流量變化1%時(shí)背壓的增加量，取0.036 kPa。

第二步，結(jié)合靜態(tài)參數(shù)模型第一步測試結(jié)果，計(jì)算出機(jī)組在背壓pbpcc下的最大出力Pmaxc。同時(shí)需要考慮工業(yè)抽汽對負(fù)荷的影響。

當(dāng)機(jī)組沒有對外供汽時(shí)

抽汽口在冷再熱器或冷再熱器之前時(shí)：

抽汽口在冷再熱器之后時(shí)：

式中：Gg為對外供汽流量，t/h；hg、hhrh、hcrh、hex分別為對外供汽焓、再熱蒸汽焓、冷再熱蒸汽焓、低壓缸排汽焓，kJ/kg；po為基準(zhǔn)背壓，取11.8 kPa。hg、hhrh、hcrh根據(jù)機(jī)組當(dāng)前工況下的相應(yīng)壓力、溫度參數(shù)，查水和水蒸汽表求得；hex根據(jù)壓力pbpcc、干度取0.92，查水和水蒸汽表求得。

第三步，比較Pmaxc和機(jī)組當(dāng)前工況下出力Pc。

當(dāng)Pmaxc≥Pc時(shí)，機(jī)組剩余出力為P=Pmaxc-Pc。

當(dāng)Pmaxc＜Pc時(shí)，機(jī)組剩余出力為P=0。

2 模型實(shí)施結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對分析

選取山東省統(tǒng)調(diào)公用機(jī)組進(jìn)行模型實(shí)施，在山東省熱電在線監(jiān)測平臺上實(shí)時(shí)展示機(jī)組最大負(fù)荷預(yù)測值。通過山東省調(diào)度控制中心進(jìn)行機(jī)組最大出力遠(yuǎn)程在線測試試驗(yàn)，測試機(jī)組在額定功率因數(shù)下連續(xù)、穩(wěn)定的最大出力Pm以及最大主蒸汽流量Gm，共111臺次。比對模型最大負(fù)荷預(yù)測值與最大出力遠(yuǎn)程試驗(yàn)實(shí)測值，若Pmaxc=Pc=PTRL，模型成功預(yù)測機(jī)組負(fù)荷且達(dá)到額定負(fù)荷出力；若Pmaxc=Pc＜PTRL，模型成功預(yù)測機(jī)組負(fù)荷且低于機(jī)組額定工況負(fù)荷，及模型能夠成功預(yù)測機(jī)組降出力；若Pmaxc＞Pc，模型預(yù)測結(jié)果大于實(shí)際出力，表明該機(jī)組存在受限因素未納入模型中。111臺次試驗(yàn)比對中，成功預(yù)測機(jī)組負(fù)荷93臺次，其中包括成功預(yù)測降出力19臺次，存在受限因素18臺次。

2.1 機(jī)組降出力情況分析

通過背壓-負(fù)荷分析模型成功預(yù)測到機(jī)組降出力19臺次，降出力及預(yù)測結(jié)果如表1所示。

表1 模型實(shí)施-降出力機(jī)組 單位：MW

最大出力遠(yuǎn)程在線測試試驗(yàn)結(jié)果表明，存在機(jī)組無法達(dá)到銘牌工況負(fù)荷的情況，嚴(yán)重影響夏季高溫負(fù)荷高峰時(shí)電網(wǎng)升負(fù)荷。存在降出力是因?yàn)闄C(jī)組主蒸汽流量并未達(dá)到設(shè)計(jì)的主蒸汽流量，而造成這種問題的原因是復(fù)雜的，涉及到煤質(zhì)、磨煤機(jī)、風(fēng)機(jī)、空預(yù)器的運(yùn)行情況［8-9］，本文中統(tǒng)一用主蒸汽流量來表征對負(fù)荷的影響。

2.2 機(jī)組出力受阻分析

模型最大負(fù)荷預(yù)測值與最大出力遠(yuǎn)程試驗(yàn)實(shí)測值比對見表2。

結(jié)果表明，存在18 臺次模型計(jì)算值高于實(shí)際最大負(fù)荷，偏差值在5%以上，根據(jù)模型數(shù)據(jù)分析，機(jī)組具備滿負(fù)荷出力能力。影響機(jī)組繼續(xù)帶負(fù)荷的主要因素為背壓、工業(yè)抽汽和主蒸汽流量限制。

2.2.1 背壓對負(fù)荷的影響

TZ#3、SH#3、LQ#1、TZ#4 和LW#4 的最大出力遠(yuǎn)程試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

通過對相同容量的5 臺機(jī)組研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主蒸汽流量達(dá)到機(jī)組設(shè)計(jì)工況下主蒸汽流量時(shí)，背壓的變化造成了負(fù)荷的變化，而夏季高溫條件下，循環(huán)水溫度較高，限制了真空，無法實(shí)現(xiàn)背壓的進(jìn)一步下降，因此負(fù)荷的調(diào)整空間是有限的，表3 中數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)期間負(fù)荷的調(diào)整范圍在1.6%～5.4%之間。

表3 靜態(tài)參數(shù)與最大試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照

2.2.2 工業(yè)抽汽對負(fù)荷的影響

分析表2 數(shù)據(jù)，結(jié)果表明工業(yè)抽汽對負(fù)荷預(yù)測存在影響，是機(jī)組升負(fù)荷時(shí)的受限因素。LB#1 機(jī)組模型計(jì)算值347.00 MW，實(shí)際負(fù)荷278.40 MW，預(yù)測結(jié)果高于實(shí)際值。分析發(fā)現(xiàn)LB#1 機(jī)組實(shí)際有兩路工業(yè)抽汽，總流量約200 t/h，實(shí)際出力受限。電網(wǎng)正備用緊張時(shí)可以采用錯峰供應(yīng)工業(yè)抽汽實(shí)現(xiàn)機(jī)組的頂峰出力。

表2 模型計(jì)算值高于實(shí)際出力機(jī)組

2.2.3 主蒸汽流量限制對負(fù)荷的影響

分析表3 主蒸汽流量數(shù)據(jù)，結(jié)果表明主蒸汽流量的受限是影響機(jī)組繼續(xù)帶負(fù)荷的重要因素。

HZ#2 機(jī)組模型計(jì)算值127.60 MW，實(shí)際負(fù)荷110.00 MW，模型計(jì)算值高于實(shí)際值。試驗(yàn)期間機(jī)組主蒸汽流量為316.23 t/h，低于額定工況時(shí)的397.56 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)期間HZ#2 機(jī)組的煤質(zhì)差，爐內(nèi)有結(jié)焦，影響機(jī)組帶負(fù)荷。

HD#1 機(jī)組模型計(jì)算值331.8 MW，實(shí)際負(fù)荷297.7 MW，模型計(jì)算值高于實(shí)際值。試驗(yàn)期間機(jī)組主蒸汽流量為978.3 t/h，低于額定工況時(shí)的1 059.4 t/h，試驗(yàn)期間引風(fēng)機(jī)振動大，運(yùn)行中升負(fù)荷受限。

LC#3 機(jī)組模型計(jì)算值334.3 MW，實(shí)際負(fù)荷308.9 MW，模型計(jì)算值高于實(shí)際值。試驗(yàn)期間主蒸汽流量945.7 t/h，未達(dá)到考核試驗(yàn)主蒸汽流量1 045.4 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)期間磨煤機(jī)電流超限，給煤量下降，影響升負(fù)荷。

LY#5 機(jī)組模型計(jì)算值141.2 MW，實(shí)際負(fù)荷117.1 MW，模型計(jì)算值高于實(shí)際值。試驗(yàn)期間主蒸汽流量362.32 t/h，未達(dá)到考核試驗(yàn)主蒸汽流量455.64 t/h，分析發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)期間空預(yù)器存在堵塞情況，無法繼續(xù)升負(fù)荷。

通過模型計(jì)算最大負(fù)荷預(yù)測值與最大出力遠(yuǎn)程試驗(yàn)實(shí)測值比對分析，背壓-負(fù)荷分析模型能夠成功預(yù)測機(jī)組負(fù)荷，對存在降出力的機(jī)組同樣有效。對存在處理受限的機(jī)組，模型預(yù)測結(jié)果會高于實(shí)際出力，主要受限因素為背壓，工業(yè)抽汽和主蒸汽流量，其中主蒸汽流量受限可能是煤質(zhì)、引風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)、空預(yù)器等因素造成的。

3 結(jié)語

通過構(gòu)建背壓-負(fù)荷分析模型，分析夏季機(jī)組偏離汽輪機(jī)銘牌保證工況運(yùn)行時(shí)的出力能力，能夠掌握機(jī)組夏季真空下的負(fù)荷可調(diào)度空間。

背壓-負(fù)荷模型結(jié)合最大出力試驗(yàn)?zāi)軌蛴行ьA(yù)測機(jī)組降出力情況。

工業(yè)抽汽是影響機(jī)組帶負(fù)荷能力的重要因素，導(dǎo)致帶工業(yè)抽汽運(yùn)行時(shí)機(jī)組負(fù)荷無法達(dá)到模型分析的最大負(fù)荷，可以通過錯峰供應(yīng)工業(yè)抽汽的方法提供可調(diào)度負(fù)荷，緩解電網(wǎng)壓力。

背壓-負(fù)荷分析模型研究得出機(jī)組負(fù)荷的受阻因素包括主蒸汽流量、工業(yè)抽汽和機(jī)組背壓。

通過優(yōu)化真空，背壓的降低是有限的，最大出力遠(yuǎn)程在線測試試驗(yàn)中負(fù)荷的調(diào)整范圍在1.6%～5.4%之間。