高寒地區(qū)300MW機組熱電解耦技術(shù)研究

曹善輝

摘 要：在冬季，東北高寒地區(qū)出現(xiàn)了嚴重的新能源供熱期消納矛盾，其主要原因是冬季受到供熱的限制降低了調(diào)峰的能力，且300MW機組有很大的裝機容量，導(dǎo)致其棄光棄風(fēng)。基于此，本文將從高寒地區(qū)300MW機組發(fā)展的狀況出發(fā)，對高寒地區(qū)300MW機組熱電解耦技術(shù)進行分析與探究，匯總了多種300MW機組熱電解耦技術(shù)的工作原理、主要特征與具體運用，希望為相關(guān)人員的工作提供一些幫助。

關(guān)鍵詞：高寒地區(qū)；300MW機組；熱電解耦

中圖分類號：TM621.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0180-02

到去年年底為止，國內(nèi)發(fā)電裝機的容量約為18億kW，十三五期間，國家將發(fā)展可再生能源列為重點的任務(wù)。而太陽能與風(fēng)能等快速、集中發(fā)展的東北高寒地區(qū)，冬季在采暖時出現(xiàn)了逐漸嚴重的棄光棄風(fēng)情況，對太陽能與風(fēng)能的發(fā)電并網(wǎng)空間產(chǎn)生了很大的擠壓，增強300MW機組調(diào)峰的能力已經(jīng)迫在眉睫。

1 高寒地區(qū)300MW機組發(fā)展的狀況

1.1 300MW機組迅速發(fā)展，出現(xiàn)過剩供熱能力

在最近的十幾年里，國家推出了環(huán)境加強保護、系統(tǒng)能效提升、供熱集中等一系列政策，使得東北地區(qū)增加了大量的熱電聯(lián)產(chǎn)機組等火電機組，并供熱改造了當前很多的純凝火電機組，使得300MW機組得到了迅速的發(fā)展，在火電機組里，300MW機組所占比例不斷增加，降低了供熱階段火電的調(diào)峰能力。東北地區(qū)火電的裝機里300MW機組的裝機占比與容量在近年來發(fā)生了很大的變化，近十幾年東北組裝的火電機容量每年平均增加百分之七，而300MW機組的裝機容量每年平均增百分之十四。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，東北對300MW機組的供熱能力在理論上增速比具體供熱需要的增速高出許多，出現(xiàn)明顯的供熱能力過?，F(xiàn)象。將東北不小于十萬kW的供熱機組進行分析，初步測算下一年的供熱水平，只需要三千多萬kW的300MW機組就能達到供熱要求，但當前裝機容量為四千多萬kW，容量過剩一千多萬kW，相當于百分之五十，其中，建設(shè)的熱電聯(lián)差機組容量過剩的比較少，改造的供熱機組容量過剩的比較大。

1.2 300MW機組占據(jù)新能源空間，兩者矛盾加劇

伴隨300MW機組逐漸增加，出現(xiàn)了愈發(fā)激烈的調(diào)峰矛盾。為了對最小300MW機運行的方法進行規(guī)范，相關(guān)電力部門在十二五期間，定時帶領(lǐng)專家現(xiàn)場勘查熱電機組，根據(jù)供熱中期、供熱初末期與非供熱期這三個階段對運行的最小方式進行核定。東北地區(qū)在十二五期間300MW機組的最小核定總出力呈現(xiàn)每年上升的趨勢，各省的增加量均達到幾百萬kW，至去年年末，東北300MW機組供熱中期技術(shù)的最小總處理約為三千萬kW。同時東北地區(qū)在供熱期間最小電負荷緩慢的增長，在300MW機組最小出力不斷上升的條件下，新能源上網(wǎng)發(fā)電的空間每年都收到壓縮，對系統(tǒng)安全產(chǎn)生了一定影響。一些省份采取了300MW機組停輪等方法進行應(yīng)急調(diào)峰，使電網(wǎng)的運行安全得到保證，但單機的供熱也關(guān)系到供熱的安全，使得保護新能源的消納、保護電網(wǎng)的安全、保護供熱之間的矛盾不斷加劇。

2 高寒地區(qū)300MW機組熱電解耦技術(shù)

當前高寒地區(qū)常用300MW機組熱電解耦技術(shù)包括零出力的低壓缸供熱、電極鍋爐、儲熱供熱與旁路的高中壓鋼供熱等。

2.1 零出力的低壓缸供熱

2.1.1 技術(shù)工作原理

這一技術(shù)突破了汽輪機的低壓缸傳統(tǒng)冷卻流量最小限制的說法，將低壓缸的進汽切除于供熱的階段，只留下較少的冷卻蒸汽，在高真空的環(huán)境下，低壓缸的運行能夠零出力，從而使汽輪機調(diào)峰能力與供熱能力都得到提高。在高真空的環(huán)境下，低壓缸使用密封液壓的蝶閥對低壓缸進汽的原有管道進行切除，在旁路添加新的管道，使一些冷卻蒸汽能夠進入，將切除后出現(xiàn)的鼓風(fēng)熱量帶走，在相關(guān)計算與改造以外，還要對輔機部分進行配套的改造。在主蒸汽的流量相同時，供熱抽汽的能力經(jīng)過改造可以得到很大的提高，在供熱的熱負荷相同時，發(fā)電的功率經(jīng)過改造可以得到有效降低，提高了300MW機組調(diào)峰的能力與供熱的能力，有效降低了供熱期所需的發(fā)電煤耗。

2.1.2 技術(shù)主要特征

零出力的低壓缸供熱技術(shù)在供熱運行的傳統(tǒng)模式上進行了較大突破，和光軸供熱與高背壓供熱改造相比較，可以使供熱機組靈活地對高背壓和抽汽凝汽這兩種運作的方法進行切換。和其他300MW機組的熱電解耦技術(shù)作比較，只需要少量改造費用與維護運行費用，具有較高的經(jīng)濟程度。

2.1.3 技術(shù)運用成績

這一技術(shù)的應(yīng)用與研究國外已經(jīng)開展多年，有很多成功長期運行的實例。我國的高寒地區(qū)，該供熱技術(shù)仍屬于熱電解耦的一個新興技術(shù)，末級的低壓缸葉片能夠在蒸汽流量很低的條件下長時間的可靠、安全運行，受到了人們的重點關(guān)注。通過一系列的研究，證明零出力的低壓缸在運行過程中，流量容積較小時候，末級的長葉片會受到氣流力作用，使最大的動應(yīng)力比設(shè)計的工況值要小，動強度在符合制造廠的要求規(guī)范設(shè)計的情況下能夠平穩(wěn)運行[1]。此安全性的核算將300MW機的葉型數(shù)據(jù)當做基礎(chǔ)來進行計算，其他同型機組安全性的核算胡伴隨邊界條件不同而出現(xiàn)一定變化，應(yīng)在采用該技術(shù)前進行現(xiàn)場的測試并分析先期的數(shù)值。從國內(nèi)運用零出力的低壓缸供熱技術(shù)至今，國內(nèi)已經(jīng)有多個汽輪機的制造廠應(yīng)用成功，不過運行的總體時間較短，其可靠性與安全性還需要更加深入、更長時間的現(xiàn)場研究。

2.2 電極鍋爐

2.2.1 技術(shù)工作原理

電極鍋爐主要是對水所具有的高熱阻特征進行利用，把電能直接轉(zhuǎn)變成熱能，并把熱能對介質(zhì)進行傳遞的一種熱能裝置。從根本上講，該方案通過汽輪機一部分發(fā)電功率電極鍋爐對300MW機組缺乏供熱能力的部分進行補充，做到熱點結(jié)構(gòu)，使300MW機組的上網(wǎng)功率得以降低。300MW機組使用此方案進行調(diào)峰的具體運行方法是：在風(fēng)電過剩的階段，300MW機組使發(fā)電負荷降低，對風(fēng)電上網(wǎng)進行接納，電極鍋爐對另外一些風(fēng)電進行消耗，從而對供熱的缺陷進行補償。或是供熱機組在發(fā)電負荷下降較少的情況下，電極鍋爐對廠內(nèi)全部或部分發(fā)電負荷進行消耗來補充供熱，做到300MW機組零上網(wǎng)或少上網(wǎng)，工況較為特殊時能夠消耗電網(wǎng)的電量做到負上網(wǎng)。[2]

2.2.2 技術(shù)主要特征

該方案的優(yōu)勢為自動化的程度高，控制方便，系統(tǒng)也十分簡單，機組和系統(tǒng)處于并聯(lián)運行，沒有汽水物質(zhì)進行交換，一旦出現(xiàn)故障能夠輕松解列，具有很高的安全性。以轉(zhuǎn)換能源環(huán)節(jié)的角度來看，300MW機組熱力循環(huán)的效率低于百分之五十以下時對熱網(wǎng)水進行加熱，有一定的大材小用小巷存在，不符合當前的節(jié)能減排戰(zhàn)略，況且此方案有較大的初期投資。

2.2.3 技術(shù)運用成績

在國內(nèi)高寒地區(qū)有電力調(diào)峰輔助獎勵的市場機制，受其影響使得一些電廠運用能源管理的合同模式改造電極鍋爐的供熱，做到熱電解耦，高寒地區(qū)外的其他地區(qū)暫無相關(guān)運用。

2.3 儲熱供熱

2.3.1 技術(shù)工作原理

300MW機組和固定容量儲熱的裝置進行并聯(lián)，汽輪機組在承受發(fā)電負荷相對較高的時候，汽輪機進行抽汽能夠大量提供所需熱量，并能對熱網(wǎng)進行供熱，對熱水儲熱罐里的水進行加熱，熱水儲熱罐在這時處于儲能的過程。如果需要調(diào)峰，汽輪機降低了發(fā)電的負荷，便會減少抽汽量，能夠抽取汽輪機的熱量無法滿足熱網(wǎng)供熱需要的時候，把熱水儲熱罐里的熱水抽出對熱網(wǎng)進行供熱，從而使汽輪機的供熱缺陷得到彌補，達到供熱需要的同時降低汽輪機的負荷，做到300MW機組的熱電解耦。在該方案中，熱水儲熱罐是最重要的設(shè)備，按照水在各種溫度下密度存在差異出現(xiàn)熱冷分層這一原理來運行，溫度較高的供水在上部區(qū)域，溫度較低的回水在下部區(qū)域，冷水與熱水之間有一個過渡層存在[3]。

2.3.2 技術(shù)主要特征

該技術(shù)改造300MW機組原有的熱力系統(tǒng)相對較少，有很好的供熱經(jīng)濟性。其缺陷與不足是儲熱裝置需要投資較大的改造成本，并占據(jù)較大的面積，不能很好地適應(yīng)連續(xù)、長時間的調(diào)峰。因此，應(yīng)添加鍋爐新蒸汽等高壓的汽源，但是這樣做又會使供熱的經(jīng)濟性降低。

2.3.3 技術(shù)運用成績

該技術(shù)在我國北方有廣泛的應(yīng)用，高寒地區(qū)建成了相應(yīng)儲熱裝置用于區(qū)域的供熱，該蓄熱裝置有較大的體積與儲熱容量，能夠承受很高的運行溫度，供熱持續(xù)時間也較長。另外，某發(fā)電廠300MW機組新建兩臺熱水儲熱罐，容量高達一萬平方米，當前已經(jīng)建成并投入使用。

2.4 旁路的高中壓缸供熱

2.4.1 技術(shù)工作原理

在主蒸汽中進行抽汽，當減壓和減溫以后連接到高壓缸進行排汽，隨后在再熱的正管道進行抽汽并當作補充供熱抽汽的主要汽源。一部分主蒸汽在高壓的旁路避開高壓缸，使得高壓缸的做功得到降低，一部分再熱蒸汽在低壓的旁路避開中壓缸，使得中壓缸的做功得到降低，以300MW機組供熱抽汽水平的提高為前提使發(fā)電機組的出力得到降低，實現(xiàn)300MW機組的熱電解耦。

2.4.2 技術(shù)主要特征

300MW機組和超過300MW這個級別的供熱機組都配備相應(yīng)的聯(lián)合高低旁系統(tǒng)。此方案將此作為基礎(chǔ)對局部進行相應(yīng)改造，在初期僅需要很少的投資，能夠使300MW機組熱電解耦得到較好實現(xiàn)，停機而不停爐是其基本上限[4]。旁路的高中壓缸中具有高壓高溫蒸汽，并配備相應(yīng)的減壓與減溫系統(tǒng)，在較大程度上變換參數(shù)，啟停得十分頻繁，處于惡劣的工作環(huán)境，要想使此系統(tǒng)可靠、安全、長期運行就應(yīng)推廣和應(yīng)用本方案。

2.4.3 技術(shù)運用成績

從理論上來說，旁路的高中壓缸供熱技術(shù)可以對全部300MW機組適用。到現(xiàn)在為止，高寒地區(qū)已經(jīng)有一些電廠實現(xiàn)了旁路的高中壓缸供熱。該供熱不是工況的正常運行，而是頻繁對不同供熱的模式進行切換，其管路系統(tǒng)、調(diào)節(jié)閥、減溫減壓器的可靠性與安全性還需要更加深入、更長時間的現(xiàn)場研究。

3 結(jié)語

總而言之，研究高寒地區(qū)300MW機組熱電解耦技術(shù)具有十分重要的意義。相關(guān)人員應(yīng)對高寒地區(qū)300MW機組發(fā)展的狀況有一個全面、深入的了解，掌握零出力的低壓缸供熱、電極鍋爐、儲熱供熱與旁路的高中壓鋼供熱等熱電解耦技術(shù)的工作原理、主要特征、運用成績，從而采取科學(xué)的熱電解耦舉措。

參考文獻

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[4]李建鋒，周宏.中國300MW等級循環(huán)流化床鍋爐機組與煤粉鍋爐機組可靠性對比與分析[J].中國電力，2016，49（01）：14-18+22.