石油化工企業(yè)供熱電廠熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化研究

趙勇，，馬玉峰，萬志鵬

（1.中國石化化工事業(yè)部，北京100728；2.中國石化長城能源化工(寧夏)有限公司，寧夏銀川 750411；3.中國石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司勝利發(fā)電廠，山東東營 257087）

1 概述

熱電聯(lián)產(chǎn)是國內(nèi)外公認(rèn)的節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量的有效措施。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，我國6 000 千瓦及以上供熱電廠規(guī)模約占火電廠裝機(jī)總?cè)萘康?0%。目前國內(nèi)火電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究主要針對單元制純凝火電機(jī)組。大部分承擔(dān)工業(yè)供熱、民用供暖任務(wù)的供熱電廠主要采用母管制系統(tǒng)配置，機(jī)組容量小（100 MW以下）、母管制水汽系統(tǒng)復(fù)雜，運(yùn)行優(yōu)化難度大，電力行業(yè)科研機(jī)構(gòu)關(guān)注較少，相關(guān)研究不夠深入。國內(nèi)對中小型熱電機(jī)組（100 MW以下）的優(yōu)化研究大多集中在單體設(shè)備、單一系統(tǒng)及機(jī)組負(fù)荷分配等領(lǐng)域，熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化研究欠缺。中小型供熱電廠具有較大的節(jié)能增效潛力。

2 供熱電廠熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化機(jī)理

2.1 研究范圍

供熱電廠為滿足用戶持續(xù)穩(wěn)定供熱的需求，大多采用安全系數(shù)較高的母管制供熱系統(tǒng)[1]。母管制供熱系統(tǒng)可以保證較高的安全供熱能力，但也會使母管連接的各個主要設(shè)備在變參數(shù)后產(chǎn)生相互影響，增加系統(tǒng)分析和運(yùn)行優(yōu)化的復(fù)雜性。

在供熱電廠實(shí)施熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化時，宜將鍋爐作為一個獨(dú)立設(shè)備看待，將優(yōu)化研究范圍設(shè)定為鍋爐、發(fā)電機(jī)、變壓器、電網(wǎng)之外的熱力系統(tǒng)及主要用能設(shè)備，主要包括汽水管網(wǎng)、機(jī)組控制、給水系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)、母管制機(jī)組電、熱負(fù)荷優(yōu)化分配以及以供熱為基礎(chǔ)的鍋爐總負(fù)荷運(yùn)行調(diào)度。

2.2 優(yōu)化研究工況選擇

供熱電廠存在供熱負(fù)荷波動現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷大多處在偏離設(shè)計工況較大的運(yùn)行狀態(tài)，因此單純以機(jī)組設(shè)計工況為標(biāo)準(zhǔn)，難以評價機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率，也與現(xiàn)場實(shí)際偏差較大。

針對供熱電廠各機(jī)組、系統(tǒng)的運(yùn)行效率優(yōu)化分析，需要緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，宜選取一個或幾個實(shí)際典型運(yùn)行工況作為優(yōu)化分析對象，保障優(yōu)化后的對標(biāo)值為機(jī)組實(shí)際參數(shù)，力求在實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷下運(yùn)行效率接近或優(yōu)于額定設(shè)計效率。

2.3 分析理論依據(jù)——?損分析法

國內(nèi)電力行業(yè)在分析火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性時主要采用熱量法[2]，即主要通過熱量的利用程度（如熱效率）或損失大?。ㄈ鐭崃繐p失、熱量損失率），評價火電廠及熱力設(shè)備的熱經(jīng)濟(jì)性，大型單元制火電機(jī)組主要從能量平衡角度進(jìn)行分析和評價，該方法應(yīng)用比較普遍。凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過程中熱能損失情況見圖1。

圖1 凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過程中熱能損失情況[3]

供熱電廠母管制供熱機(jī)組的能效分析，在利用熱量法分析評價的同時，應(yīng)更側(cè)重于采用做功能力方法引入?效率和?損等指標(biāo)，分析評價電廠能量流動的質(zhì)量變化。?損分析在供熱電廠母管制機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化分析中，經(jīng)濟(jì)性診斷更加精準(zhǔn)、效果更好，尤其是對母管制上不同設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)分析時，能夠減少系統(tǒng)上各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)影響，相對獨(dú)立地評判出單體設(shè)備運(yùn)行效率高低。凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過程中?損失見圖2。

圖2 凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過程中 損失[3]

2.4 焓熵圖分析法

通過焓熵圖，能夠清晰地對比機(jī)組實(shí)際做功曲線與設(shè)計做功曲線的差異，分析焓熵圖上實(shí)際做功曲線的異常區(qū)域，快速對機(jī)組?損區(qū)域做出基本判斷，為精細(xì)分析和整體優(yōu)化工作指明了方向。通過研究系統(tǒng)?損，可發(fā)現(xiàn)易被忽略的能效損耗區(qū)域，找出節(jié)能潛力及優(yōu)化空間。在實(shí)際分析過程中，由于供熱電廠現(xiàn)場系統(tǒng)較為復(fù)雜，部分現(xiàn)場儀表存在不準(zhǔn)確、安裝位置不合理、甚至缺失等問題，因此在繪制焓熵圖時需要進(jìn)行必要的修正。

3 供熱電廠機(jī)組熱力系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化分析

3.1 供熱電廠機(jī)組熱力系統(tǒng)特點(diǎn)

供熱電廠設(shè)計方案多數(shù)以穩(wěn)定供熱為首要運(yùn)行目標(biāo)，采用母管制熱力系統(tǒng)對于保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行、機(jī)組故障冗余等方面具有明顯優(yōu)勢。絕大多數(shù)供熱電廠均采用了母管制設(shè)計和運(yùn)行模式。但是，母管制機(jī)組熱力系統(tǒng)復(fù)雜，多機(jī)組和設(shè)備同時在線運(yùn)行，對單個機(jī)組或單個設(shè)備定制性優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)困難，同時系統(tǒng)內(nèi)漏點(diǎn)數(shù)量增大，能耗損失環(huán)節(jié)多，供熱品質(zhì)與多用戶需求差異之間協(xié)調(diào)難度大。供熱電廠優(yōu)化措施遠(yuǎn)比常規(guī)火電復(fù)雜，常規(guī)火電廠節(jié)能降耗措施對供熱電廠都有效，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。針對供熱電廠母管制熱力系統(tǒng)優(yōu)化措施相對復(fù)雜，技術(shù)分析與措施難度大，同時潛力也大。

3.2 供熱電廠母管制熱力系統(tǒng)優(yōu)化難點(diǎn)

1）供熱電廠裝備水平相對較低，型號和容量差異較大。國內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的供熱電廠集中在石油化工、鋼鐵等企業(yè)，設(shè)計配置多采用抽凝機(jī)組和抽背機(jī)組，機(jī)組容量小。同時，由于后續(xù)擴(kuò)建或改造，機(jī)組和設(shè)備規(guī)格型號多，在母管制下采用統(tǒng)一的運(yùn)行參數(shù)，其運(yùn)行效率差異也較大。

2）母管制系統(tǒng)連接的主要設(shè)備運(yùn)行相互關(guān)聯(lián)度高，動態(tài)變化大。基于母管制熱力系統(tǒng)本身的特性，對某一個設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化時，需同時考慮與其他設(shè)備及系統(tǒng)的相互影響。如提高某一臺機(jī)組進(jìn)汽負(fù)荷，必須相應(yīng)降低其他機(jī)組進(jìn)汽負(fù)荷，設(shè)備間相互耦合關(guān)聯(lián)，優(yōu)化分析難度大。

3）外部熱用戶需求波動大。外部熱用戶多且需求波動頻繁，供熱電廠為保證對外供熱運(yùn)行穩(wěn)定，在變負(fù)荷工況下，母管制機(jī)組及熱力系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化分配困難（設(shè)計工況點(diǎn)數(shù)量有限，負(fù)荷分配效果不佳），在實(shí)際生產(chǎn)組織時，負(fù)荷分配方案主要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，犧牲了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

4 供熱電廠熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化分析實(shí)例

基于上述理論和研究分析方法，對國內(nèi)某大型石油化工企業(yè)供熱電廠進(jìn)行熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化研究并指導(dǎo)實(shí)施優(yōu)化改造。該供熱電廠為三爐三機(jī)配置，主要設(shè)備包括2 臺310 t/h 和1 臺410 t/h 燃煤鍋爐、2臺50 MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺40 MW抽汽背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組給水、凝結(jié)水、循環(huán)水、主蒸汽、中壓和低壓抽汽等系統(tǒng)均為母管制。

圖3 #1機(jī)組設(shè)計及優(yōu)化前后熱力過程

表1 #1 汽輪機(jī)各段焓降數(shù)據(jù)對比 kJ/kg

4.1 焓熵圖做功分析

研究發(fā)現(xiàn)，定量分析汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)（回?zé)?、抽汽等）能損變化比較困難，單純運(yùn)行數(shù)據(jù)無法直觀判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)劣。通過應(yīng)用焓熵圖，繪制機(jī)組設(shè)計與實(shí)際運(yùn)行工況下的做功曲線，見圖3，并進(jìn)行對比評價。在假設(shè)汽輪發(fā)電機(jī)組“級間相對效率不變”的條件下，可以在焓熵圖上直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)?損區(qū)域及?損相對數(shù)量，方便深入分析機(jī)組?效率，有針對性地制訂機(jī)組優(yōu)化方案。在采用現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)繪制機(jī)組做功曲線時，應(yīng)對于儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和修正，保證?損數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性。

由圖3 可知，通過焓熵圖分析#1 機(jī)組做功曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)組?損點(diǎn)主要集中在進(jìn)汽調(diào)整閥及中壓抽汽調(diào)整閥，低壓抽汽閥區(qū)域?損與設(shè)計值相當(dāng)。結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)組四組主汽調(diào)整閥存在卡澀問題，為保證供汽安全，采用了單閥控制模式，導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)汽?損較大；中壓抽汽調(diào)整閥因進(jìn)汽節(jié)流損失大和實(shí)際抽汽負(fù)荷偏低，也采用了機(jī)組中壓抽汽小流量熱備用的不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式，導(dǎo)致中壓抽汽段?損增大。#1汽輪機(jī)各段焓降數(shù)據(jù)對比見表1。如表1所示，機(jī)組各段實(shí)際運(yùn)行焓降與設(shè)計工況對比，整體焓降值降低了11.5%，一級抽汽前焓降值降低了45.4%，一級抽汽至排汽段焓降值降低了4.8%。一級抽汽前蒸汽流量為汽輪機(jī)通流部分的最大流量，在設(shè)計工況下一級抽汽前蒸汽做功占汽輪機(jī)整體做功的32%，表明該汽輪機(jī)效率降低的主要原因是一級抽汽之前汽輪機(jī)通流部分做功能力大幅降低。

4.2 母管制系統(tǒng)?損分析

對供熱電廠給水、供汽、循環(huán)水等母管制子系統(tǒng)的?損分析，主要研究母管制系統(tǒng)中工質(zhì)供給端與用戶端的品質(zhì)差異，分析母管制系統(tǒng)的?損點(diǎn)及降損可行性。

1）鍋爐給水系統(tǒng)

在母管制給水系統(tǒng)中，三臺鍋爐型號和投產(chǎn)時間不同，配置給水泵參數(shù)有所差異。母管上給水泵共4臺，2用2備，運(yùn)行狀態(tài)如表2所示。

表2 #1～3 鍋爐給水調(diào)門運(yùn)行情況

分析認(rèn)為：3 臺鍋爐主給水調(diào)整門的調(diào)節(jié)特性在滿足鍋爐最大給水流量的情況下，最大節(jié)流壓降為1.17 MPa，而實(shí)際運(yùn)行壓降3 MPa，存在較大節(jié)能空間。給水母管運(yùn)行（86.7%負(fù)荷）壓力見表3。

2）循環(huán)水系統(tǒng)

表3 給水母管運(yùn)行（86.7%負(fù)荷）壓力 MPa

在母管制循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計中，為簡化系統(tǒng)配置并兼顧凝汽器用水、工業(yè)用水等需求，以指標(biāo)較高的工業(yè)水壓力為母管設(shè)計壓力（0.45 MPa）。在實(shí)際運(yùn)行時，凝汽器側(cè)系統(tǒng)阻力較?。?.2 MPa），主要采用閥門節(jié)流方式來控制凝汽器用水量。實(shí)際運(yùn)行工業(yè)水用量遠(yuǎn)小于凝汽器循環(huán)水用量（約占20%），凝汽器采用閥門節(jié)流（開度為20%～30%）方式控制進(jìn)水流量，產(chǎn)生較大節(jié)流損失。

4.3 外部余熱利用分析

圖4 為#1 機(jī)余熱利用熱力系統(tǒng)工藝流程，該供熱電廠回用煉化企業(yè)柴油余熱資源（最高溫度180℃），全部用于加熱汽輪機(jī)組凝結(jié)水，取代了機(jī)組低加的加熱功能，在滿足凝結(jié)水進(jìn)入除氧器溫度（115℃）前提下，減少低加抽汽，增加發(fā)電量。

在外部熱源滿負(fù)荷供應(yīng)時，機(jī)組發(fā)電能力提高了1.27 MW，降低供電煤耗2.5%。但由于煉油化工工藝調(diào)整變化，余熱無法保證長時間滿負(fù)荷供應(yīng)。當(dāng)外部熱源供熱量低于設(shè)計供熱量的57%時，凝結(jié)水進(jìn)入除氧器的溫度與設(shè)計值偏離加大，需消耗大量的除氧器加熱蒸汽，此時采用外部熱源替代回?zé)嵯到y(tǒng)的運(yùn)行方式將減少機(jī)組發(fā)電量，大量?損的產(chǎn)生區(qū)域處在除氧器部位。在實(shí)際運(yùn)行中，如果單純采用熱量法評價，忽視外部余熱溫度指標(biāo)控制，在余熱供應(yīng)不足工況下會導(dǎo)致機(jī)組供電煤耗升高。

圖4 #1機(jī)余熱利用熱力系統(tǒng)工藝流程

5 熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化方案實(shí)施

5.1 汽輪機(jī)優(yōu)化降耗

根據(jù)機(jī)組做功曲線分析結(jié)果，降低汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥處?損，優(yōu)化4 個主汽調(diào)閥控制方式，采用類似順序閥（某一調(diào)節(jié)閥手動開大）運(yùn)行模式，減少進(jìn)汽節(jié)流?損，同時擇機(jī)消除進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥卡澀缺陷，恢復(fù)順序控制模式。

機(jī)組中壓抽汽調(diào)節(jié)閥處?損受到主汽進(jìn)汽閥節(jié)流影響較大，優(yōu)化降低主汽節(jié)流損失后，中壓抽汽出口壓力明顯上升，中壓抽汽閥開度相應(yīng)增大，?損明顯緩解。在實(shí)施優(yōu)化方案時，觀察主汽調(diào)門開大后對中壓抽汽調(diào)節(jié)閥的影響，同時通過調(diào)整中壓負(fù)荷，開大抽汽調(diào)節(jié)閥，降低?損。

優(yōu)化運(yùn)行后，機(jī)組各處?損存在緊密關(guān)聯(lián)度，不宜單一分析某處?損，需要整體考慮優(yōu)化方案。

5.2 母管制系統(tǒng)降損優(yōu)化

1）鍋爐給水系統(tǒng)

給水泵組在設(shè)計選型之初，存在設(shè)計富裕壓力的層層加碼，包括鍋爐額定壓力富裕量、管道阻力富裕量、調(diào)整門阻力富裕量、泵制造廠家的保障性能富裕量等，造成大馬拉小車的現(xiàn)象；在實(shí)際運(yùn)行中，熱電廠配置給水泵無負(fù)荷調(diào)節(jié)能力（如汽動泵、液耦、變頻等），全部為工頻運(yùn)行，給水泵出口母管長期維持較高的運(yùn)行壓力。

給水母管系統(tǒng)優(yōu)化方案為給水母管降壓運(yùn)行，采用減少一級給水泵葉輪（多級泵8 級減為7 級）或增加變頻控制系統(tǒng)。實(shí)施4 臺給水泵拆除一級葉輪改造并投用，給水系統(tǒng)降壓運(yùn)行，給水母管壓力由14.25 MPa降低到12.5 MPa，3臺鍋爐主給水調(diào)整門開度增加9%以上，給水泵耗電量降低約700 kW，每年節(jié)電560萬kW·h。

2）循環(huán)水系統(tǒng)

鑒于循環(huán)水母管系統(tǒng)設(shè)計能耗較高，優(yōu)化方案為循環(huán)水母管降壓運(yùn)行和新增工業(yè)水系統(tǒng)。

經(jīng)測算，在保持現(xiàn)有循環(huán)水流量并滿足凝汽器進(jìn)水壓力要求的基礎(chǔ)上，循環(huán)水壓力由0.45 MPa降至0.25 MPa，循環(huán)水系統(tǒng)可節(jié)電39.2%，每年節(jié)電約800萬kW·h。

5.3 余熱回用系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化

余熱回用系統(tǒng)改變運(yùn)行方式，投運(yùn)機(jī)組3#低加。由于機(jī)組#3低加的投入改善了因外部熱源不足引起除氧器進(jìn)水溫度不達(dá)標(biāo)的問題，減少除氧加熱蒸汽量，節(jié)省的蒸汽經(jīng)過做功發(fā)電后再進(jìn)入#3低加，實(shí)現(xiàn)了蒸汽按品質(zhì)梯級利用，提高了整體熱效率。余熱回收系統(tǒng)在改變運(yùn)行方式后，除氧器給水溫度實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)運(yùn)行，綜合測算，在余熱不足工況下，優(yōu)化后可降低供電標(biāo)煤耗約2 g/kW·h。

5.4 母管制熱力系統(tǒng)負(fù)荷分配優(yōu)化

母管制熱力系統(tǒng)負(fù)荷分配優(yōu)化方案是在分析熱力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)?損后制訂的優(yōu)化分配策略，對比兼顧多種因素，制訂分段（基于供汽量、發(fā)電量）負(fù)荷分配方案并計算機(jī)組發(fā)電損益，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。主要包括：

1）實(shí)施中/低壓抽汽負(fù)荷分配優(yōu)化，原則為全廠機(jī)組總發(fā)電最大，抽汽?損最小機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行。

2）主汽壓力控制優(yōu)化，優(yōu)化原則為全廠機(jī)組總發(fā)電最大，進(jìn)汽?損低，中壓抽汽溫度最低。

3）余熱利用負(fù)荷分配優(yōu)化，優(yōu)化原則為低負(fù)荷時，避免雙機(jī)同時回收。

母管制熱力系統(tǒng)負(fù)荷分配優(yōu)化是基于機(jī)組優(yōu)化及主要設(shè)備、系統(tǒng)?損分析，制訂優(yōu)化分配方案。每個單項優(yōu)化方案間相互影響，有些是正向貢獻(xiàn)，例如主汽降損后利于中壓抽汽口壓力提高；有些是負(fù)面影響，例如回收余熱后機(jī)組凝汽器排汽增大，影響到真空和循環(huán)水泵電耗。

5.5 熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化實(shí)施效果

主要改造設(shè)備及熱力系統(tǒng)的投入約50萬元。按照供熱電廠鍋爐總產(chǎn)汽量、外供汽量不變的工況進(jìn)行綜合測算，考慮各分項優(yōu)化間的疊加效果，優(yōu)化后3臺機(jī)組合計增加發(fā)電負(fù)荷7 MW，給水泵組節(jié)電0.7 MW，發(fā)電煤耗降低18～21 g/kW·h。對比該供熱電廠優(yōu)化前年度運(yùn)行數(shù)據(jù)及優(yōu)化后3個月運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)施整體優(yōu)化后，每年增加發(fā)電量5 618 萬kW·h，節(jié)約用電560萬kW·h。綜合測算，每年該供熱電廠整體節(jié)能1.7～2.0萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

6 結(jié)論

該項目案例填補(bǔ)了國內(nèi)供熱電廠母管制機(jī)組熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化技術(shù)的空白，創(chuàng)新提出了運(yùn)行優(yōu)化路徑，具備推廣應(yīng)用價值。根據(jù)國家發(fā)改委、能源局關(guān)于2020年前現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 g/kW·h的政策要求，在石油化工企業(yè)供熱電廠母管制機(jī)組中推廣利用該技術(shù)，可增加發(fā)電量，并明顯改善在役熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的能耗指標(biāo)，提高合規(guī)性和經(jīng)濟(jì)性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。