靈活性改造機組電鍋爐配置及優(yōu)化

莊建華

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司, 哈爾濱 150040)

為解決北方地區(qū)日益嚴重的棄風問題，國家能源局于2016年6月、8月先后下發(fā)了2批共計22家火電靈活性改造試點項目的通知[1-2]，國家能源局東北監(jiān)管局也于2016年11月印發(fā)了《東北電力輔助服務市場運營規(guī)則(試行)》的通知。相關政策的出臺促進了試點企業(yè)積極開展提升火電機組靈活性的技術改造，輔助服務市場經(jīng)過2年多的運營，風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項目的地域分布和機型分布來看，當前的工作重點是解決北方地區(qū)熱電聯(lián)產(chǎn)機組深度調峰問題。針對熱電機組深度調峰問題，國內專家學者與試點企業(yè)密切配合開展研究，提出了4種主流技術方案[3-6]，其中，電鍋爐技術方案因其運行靈活、調峰能力強，給改造企業(yè)帶來了調峰補償，受到一些企業(yè)的青睞。然而，現(xiàn)有試點企業(yè)采用電鍋爐方案進行改造，其容量選擇是否合理、運行是否經(jīng)濟，需要進一步開展研究。

在電鍋爐容量選擇方面，韓雪[7]結合供熱實例，對同一供熱地點，在相同采暖熱負荷的條件下，給出了合理的蓄熱電鍋爐容量。在電鍋爐運行方面，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，分析了消納棄風電力后電廠的節(jié)煤效果；林軍等[9]結合當前風電供暖的現(xiàn)狀和消納困局，對熱電機組靈活性改造進行了探討，并分析了某一試點項目采用直熱式電鍋爐的實際投運效果和收益；李國慶等[10]針對供需矛盾及電網(wǎng)靈活性差的問題，提出了一種基于儲能融合蓄熱式電鍋爐的風電消納多目標優(yōu)化控制方法，有效地解決了蓄熱式電鍋爐功率調節(jié)能力與風功率變化不匹配的問題，提高了風電就地消納能力；李虹等[11]為解決北方地區(qū)嚴重的棄風問題，以系統(tǒng)總經(jīng)濟成本最小和棄風量最少為目標，分析了儲熱裝置以及電鍋爐對于風電消納的促進作用，實現(xiàn)電熱綜合調度；袁雪峰等[12]開展了采用電極式鍋爐協(xié)調供熱機組，提高供熱機組負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行經(jīng)濟性、控制方法以及容量配置，卻缺乏熱電企業(yè)運行及投資方面的研究。運行經(jīng)濟性對企業(yè)而言至關重要，因此，筆者從熱電企業(yè)角度，對電鍋爐開展容量配置和運行優(yōu)化研究，分析現(xiàn)有改造機組存在的問題，達到減少項目投資和提高機組運行經(jīng)濟性的目的。

1 電鍋爐供熱調峰的工作原理

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

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換成熱能，在這一轉換過程中幾乎沒有能量損失，將熱量通過循環(huán)泵傳遞給用熱設備。

固體儲熱式電鍋爐的工作原理是在電網(wǎng)低谷調峰時段或風力發(fā)電的棄風電時段，通過電阻將電能轉換為熱能加熱高溫蓄熱體(氧化鎂儲能磚)，而后使用風機通過空氣將高溫蓄熱體熱量釋放到熱網(wǎng)循環(huán)水中，實現(xiàn)對外供熱。該裝置通常蓄熱時間為7 h，放熱時間為14 h或10 h，以適應供熱需求。

熱電機組在深度調峰期間，其調峰功率與發(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為機組調峰功率，MW；Pqj為機組發(fā)電功率，MW；Peb為電鍋爐消耗功率，MW；Pnet為機組上網(wǎng)功率，MW；Pzh為機組消耗的綜合廠用電功率，MW。

圖1 調峰功率與機組出力、電鍋爐出力關系

2 電鍋爐容量選擇及運行優(yōu)化

2.1 電鍋爐參與熱電機組調峰的能量分析

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

圖2 電鍋爐參與調峰、供熱的能量示意圖

以汽輪發(fā)電機和電鍋爐作為整體研究對象，電鍋爐參與電網(wǎng)調峰時的能量平衡關系為：

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為電鍋爐電熱轉換效率，%，取99%。

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

2.2 熱電機組的電熱特性

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

圖3 某350 MW熱電機組電熱特性圖

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

對熱電機組而言，對于某個給定進汽量，隨著抽汽量的增大，即抽汽供熱功率增大，汽輪機的發(fā)電功率會逐步降低，如圖3中斜虛線所示。同時，對于某個給定進汽量，存在一個最大抽汽工況(也稱最小凝汽工況)，此時大部分蒸汽被抽出供熱，只有少部分蒸汽進入汽輪機低壓段以滿足冷卻的需要，如圖3中BC所示。顯然，在熱電機組發(fā)電功率一定時，在最小凝汽工況線上其抽汽供熱功率最大，對應的機組冷源損失最小。熱電機組最大抽汽供熱功率Qcq,max與發(fā)電功率是一一對應關系：

Qcq,max=f(Pqj)

(3)

2.3 機組上網(wǎng)負荷的限制

按照《東北電力輔助服務市場運營規(guī)則(試行)》要求，電鍋爐作為深度調峰設施，在交易中抵減發(fā)電出力后的上網(wǎng)功率Pnet≥0 MW；熱電機組參與有償調峰的功率基準為50%，即機組調峰功率Ptf≤50%Pqj。因此，根據(jù)式(1)可推導出電鍋爐功率選擇和調整應滿足以下要求：

50%Pqj≤Peb≤Pqj-Pzh

(4)

2.4 經(jīng)濟運行工況點的求解步驟

考慮到供熱初、末期(供熱期前后1個月)熱負荷低，電網(wǎng)中熱電機組自身的調峰能力可以滿足電網(wǎng)調峰需求，因此筆者僅對供熱中期的經(jīng)濟工況點進行求解，流程見圖4。

圖4 機組經(jīng)濟運行工況點求解流程

(1) 確定機組熱電負荷的約束條件：

(5)

式中：Lzh為綜合廠用電率，%，取5%。

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

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

3 實例分析

某熱電廠有2臺350 MW超臨界供熱機組，汽輪機為超臨界、雙缸雙排汽、一次中間再熱、濕冷、抽凝式汽輪機，機組的額定抽汽質量流量為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行深度調峰改造，電蓄熱裝置蓄熱能力為320 MW(90 MW+70 MW+90 MW+70 MW)，項目總投資3.3億元。通過對改造后機組實際運行數(shù)據(jù)進行分析，該項目存在投資大、運行成本高的問題。

3.1 電鍋爐容量配置優(yōu)化

電鍋爐容量的選擇與機組深度調峰期間經(jīng)濟運行工況點確定方法相同，在機組調峰目標一定的情況下，以極寒天氣時的機組運行工況為基準，按照機組深度調峰期間經(jīng)濟運行工況點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給出了機組在上個供熱期極寒天氣時的實際運行參數(shù)，通過對機組經(jīng)濟運行工況點的求解可知：在機組發(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，與機組實際運行效果相同。因此，單臺機組電鍋爐容量選擇100 MW即可，而2臺機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)化計算結果 MW

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

3.2 運行方式優(yōu)化

表2給出了在供熱中期平均熱負荷工況下機組運行參數(shù)，通過優(yōu)化運行，機組每小時可節(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臺機組可節(jié)約燃料成本1 578萬元，節(jié)能效果十分可觀。

表2 運行方式優(yōu)化計算結果表

3.3 存在的問題

上述優(yōu)化運行是建立在電鍋爐消耗功率可連續(xù)調整基礎上的，實際運行中該項目采用的固體電蓄熱裝置不同于電極鍋爐，消耗功率不能實現(xiàn)連續(xù)調整，且裝置達不到即時產(chǎn)熱和放熱平衡，不能實現(xiàn)經(jīng)濟運行。但只要對電鍋爐進行一些改動，就可以實現(xiàn)功率連續(xù)可調。

4 結語

筆者針對當前熱電機組改造存在投資大、運行成本高等問題，結合提升熱電機組調峰能力試點項目的實例進行了研究。通過建立運行工況計算模型，提高熱電機組供熱功率，在相同采暖熱負荷和相同的調峰負荷條件下得到機組經(jīng)濟運行工況點，以確定電鍋爐的最佳容量配置和消耗功率，達到節(jié)能及降低成本的目標，為類似項目提供參考。