空冷供熱機組滑壓優(yōu)化計算研究

田嘉

（中國大唐集團科學技術(shù)研究院有限公司西北分公司，西安710065）

0 引言

近年來，隨著新能源發(fā)電的沖擊和電力結(jié)構(gòu)的變化，傳統(tǒng)火電機組利用小時數(shù)逐年降低，大容量機組調(diào)峰的時間越來越多，供熱機組也要參與調(diào)峰[1-2]。火電機組在部分電負荷運行時，通常采用汽輪機滑壓運行方式[3]。熱電聯(lián)產(chǎn)是實現(xiàn)溫度對口、能量梯級利用的有效途徑，是提高能源利用效率的重要措施之一[4]。隨著城市采暖及工業(yè)供熱需求日益增長，很多300 MW以上純凝機組進行了供熱改造。北方干旱地區(qū)空冷機組裝機容量較大，汽輪機背壓變化量及頻率遠大于濕冷機組。相比于純凝機組，空冷供熱機組在相同發(fā)電負荷時，背壓與供熱抽汽量的變化，都會使機組主蒸汽流量發(fā)生變化。若機組仍按純凝工況設(shè)計滑壓曲線運行，則會使汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥偏離經(jīng)濟閥位，影響機組的經(jīng)濟性[5-7]。因此為實現(xiàn)空冷供熱機組節(jié)能降耗，研究空冷供熱機組在供熱工況下的滑壓運行方式意義重大。

國內(nèi)學者針對火電機組滑壓運行進行了大量研究[8-11]。李俊等[12]提出“寬度滑壓優(yōu)化”的概念，通過不同負荷、不同運行方式下的滑壓比對試驗，發(fā)現(xiàn)高壓缸效率、高排汽溫等指標參數(shù)的變化規(guī)律，確定調(diào)峰范圍內(nèi)最優(yōu)的機組運行方式。文樂等[13]分析了汽輪機的配汽方式與定滑壓曲線的優(yōu)化條件，闡述了機組深度調(diào)峰下的定滑壓曲線優(yōu)化試驗原則。趙家毅等[14]針對電廠機組滑壓曲線隨著外界條件變化產(chǎn)生偏移的問題，結(jié)合汽輪機的變工況理論，提出了一種以調(diào)節(jié)級壓力為自變量的滑壓曲線。陳紹龍等[15]通過作圖法推理獲得了滑壓設(shè)定值與凝汽器背壓及機組負荷之間的二元函數(shù)表達式，提出了基于背壓和最佳閥位控制的滑壓曲線實時優(yōu)化。

由于傳統(tǒng)優(yōu)化運行技術(shù)無法兼顧供熱條件下的機組節(jié)能，因此，與純凝工況相比，供熱工況下火電機組的節(jié)能潛力巨大。本文以某300 MW空冷供熱機組為例，充分考慮其供熱工況和純凝工況，提出一種同時適用于供熱工況和純凝工況的滑壓優(yōu)化曲線，以指導(dǎo)空冷供熱機組供熱工況和純凝工況下部分負荷的滑壓運行。

1 分析方法

本文利用Ebsilon軟件對某NCK300-16.7/0.40/537/537空冷供熱汽輪機變工況進行模擬分析。系統(tǒng)模擬流程圖如圖1所示，機組額定背壓為16 kPa，共有6個高調(diào)閥，隨著負荷的提高，1號、2號和3號閥一同開啟，然后依次開啟4號、5號和6號閥門。該模型的搭建依據(jù)為機組熱VWO、THA、75%THA、50%THA、40%THA、30%THA 工況平衡圖，以及閥門面積比例、排汽損失曲線等相關(guān)參數(shù)。通過與熱平衡圖中的不同工況下的熱耗進行對比，誤差小于0.06%，滿足工程需求。

2 滑壓優(yōu)化原理及分析

2.1 滑壓優(yōu)化原理

由圖2可知，主蒸汽壓力與機組熱耗密切相關(guān)：1）相同負荷下，由于節(jié)流損失的存在，機組熱耗將會隨著主汽壓力的升高呈“波浪”變化。2）相同負荷下，熱耗的最低點一般出現(xiàn)在某一閥點附近，如圖2（a）所示，這主要是由于閥點處節(jié)流損失最小。3）相同負荷下，熱耗的最低點偶爾也出現(xiàn)在兩閥點之間，如圖2（b）所示，這是該點處節(jié)流損失造成的影響被機組吸熱量減少和汽輪機級效率增加抵消所致。

圖1 Ebsilon搭建模型

圖2 相同功率下熱耗與主汽壓力關(guān)系

滑壓曲線優(yōu)化的原理是：為找到一條適合機組運行的主蒸汽壓力曲線，在保證機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可使其始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。目前常規(guī)的滑壓曲線優(yōu)化做法是：在純凝工況下進行熱耗對比試驗后，將最優(yōu)主蒸汽壓力與負荷直接聯(lián)系起來，形成一條主蒸汽壓力-負荷曲線，并輸入DCS中實現(xiàn)自動控制。該方法由于忽略了背壓和供熱對優(yōu)化結(jié)果的影響，在實際運用中存在一定的誤差。

2.2 空冷供熱機組滑壓曲線影響因素

2.2.1 背壓

由圖3可知，保持機組電負荷不變，背壓的增加不但會增加熱耗，還會使得主汽壓力與熱耗的關(guān)系曲線發(fā)生“橫向偏移”。若背壓變化10 kPa，最經(jīng)濟的主汽壓值將會變化約0.5 MPa。若按照傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負荷曲線來進行控制，無論背壓如何變化，只要負荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時會導(dǎo)致機組經(jīng)濟性下降。

2.2.2 供熱量

圖3 負荷225 MW下背壓、主汽壓力與熱耗與關(guān)系

由圖4可知，保持機組電負荷不變，按照“好處歸熱法”[16]，供熱量的增加不但會增加熱耗，也會使得主汽壓力與熱耗的關(guān)系曲線發(fā)生“橫向偏移”。若供熱量增加100 t/h，最經(jīng)濟的主汽壓值將會變化約1 MPa。若按照傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負荷曲線來進行控制，無論供熱量如何變化，只要負荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時亦會造成機組經(jīng)濟性下降。

圖4 負荷225 MW下供熱量、主汽壓力與熱耗與關(guān)系

2.3 以流量為基準進行滑壓曲線優(yōu)化的意義

由圖5可知，在某一相同閥點下，背壓和供熱量的變化會使得主汽壓與功率的關(guān)系曲線發(fā)生較大變化，但主汽壓與主蒸汽流量曲線始終處于重合狀態(tài)，即主蒸汽流量與主汽壓始終是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，若已知某負荷下機組的最佳閥點，可以將該最佳閥點處的主蒸汽流量和主蒸汽壓力聯(lián)系在一起，形成主蒸汽壓力-主蒸汽流量曲線，即使背壓和供熱量發(fā)生變化也能保證機組的最佳經(jīng)濟運行。

圖5 三閥全開工況下主汽壓與各參數(shù)關(guān)系

3 結(jié)果及討論

3.1 優(yōu)化結(jié)果

圖6 滑壓曲線優(yōu)化結(jié)果

在額定背壓、純凝工況下進行滑壓曲線優(yōu)化，各閥點下機組經(jīng)濟性能如表1所示，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。機組在120～180 MW之間，機組保持3閥點運行；在180～240 MW之間，逐步由3閥點轉(zhuǎn)向4閥點；在240.0～278.5 MW之間，機組保持4 閥點運行；在278.5～330.0 MW之間,由4閥點向5閥點過渡，保持主蒸汽壓力為額定的16.7 MPa。圖6（a）、圖6（b）對應(yīng)的都是在額定背壓、純凝工況下同一個優(yōu)化結(jié)果，但圖6（a）采用本文提出的主蒸汽壓力-負荷曲線來實施，圖6（b）采用傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負荷曲線來實施。

表1 各閥點機組經(jīng)濟性能

3.2 優(yōu)化結(jié)果對比

按照優(yōu)化結(jié)果，在背壓和供熱量變化時，分別以主汽壓-功率曲線和主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，所對應(yīng)的熱耗差值為節(jié)能量。在150 MW電負荷下背壓和供熱量變化時的節(jié)能量如圖7所示。由圖7可知，與主汽壓-功率曲線的滑壓曲線優(yōu)化方法相比，以主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，熱耗降低值可達13 kJ/（kW·h）。

圖7 150 MW 工況下不同實施方法的熱耗對比

4 結(jié)論

本文通過對某300 MW空冷供熱機組的滑壓優(yōu)化模擬計算分析，得出以下結(jié)論：1）本文驗證了運用Ebsilon軟件并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進行滑壓曲線優(yōu)化的可行性；2）傳統(tǒng)的以主蒸汽壓力-負荷曲線進行滑壓曲線優(yōu)化的方法，在背壓或供熱量發(fā)生較大變化時存在一定的節(jié)能潛力；3）本文提出的以主蒸汽壓力-主蒸汽流量曲線進行滑壓曲線優(yōu)化的方法，在背壓或供熱量發(fā)生較大變化時依然可以保證機組的經(jīng)濟運行；4）與傳統(tǒng)的主汽壓-功率曲線的滑壓曲線優(yōu)化方法相比，以主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，熱耗降低量可達13 kJ/（kW·h）。