熱電聯產機組調峰能力的研究與應用

張宇，鄂志君，劉衛平，王偉臣，甘智勇，劉偉

（1.天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.天津市電力公司調度控制中心，天津 300010）

熱電聯產機組調峰能力的研究與應用

張宇1，鄂志君2，劉衛平1，王偉臣2，甘智勇1，劉偉2

（1.天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384；2.天津市電力公司調度控制中心，天津 300010）

針對我國三北地區冬季采暖期電網調峰能力嚴重不足的現狀，以研究熱電聯產機組采暖期調峰能力為目的，利用等效熱降理論建立熱電聯產機組熱力曲線數學模型，以實驗的方法改變新蒸汽參數，在相應的供熱負荷下確定機組的供電負荷可調整范圍。以實驗結果為基礎對模型進行修正，從而確定機組有功出力的可調區間，為熱電聯產機組調度提供理論依據和技術支持。在實際電網的應用證明了模型的正確性和有效性。關鍵詞：熱電聯產；調峰能力；數學模型；調峰實驗；等效熱降

近年來，在我國北方地區，集中投產了一批以國產300 MW等級為主的熱電聯產機組，原有的純凝機組通過技術改造也成為熱電聯產機組，使得熱電聯產機組的比重越來越大，在冬季供熱期間“以熱定電”政策約束下，電網調峰能力嚴重不足[1～5]。同時，隨著機組的檢修及改造，機組原設計給出的采暖抽汽工況圖已不能反映機組的真實運行工況。另外，隨著風電技術的不斷進步，以東北、華北為代表的電網，風電接入容量增長快速，在冬季風電大發期間，電網風電消納壓力較大，為確保供熱而出現“調峰棄風”情況。因此，研究和挖掘熱電聯產機組采暖期的調峰能力，有利于切實落實熱電聯產機組“以熱定電”政策，節能減排；緩解電網消納風電壓力，促進能源和電力結構調整，充分發揮電網調度在能源結構調整中的調度平臺作用，確保電力系統安全穩定高效運行，實現電力工業的可持續發展。

1 運行特性

近年來投產的熱電聯產機組以300 MW等級的凝汽采暖兩用機組為主，可同時滿足熱、電負荷即時調整的需要。該類型機組在運行中，在中低壓缸過橋管上安裝蝶閥，根據熱用戶的要求提供壓力范圍為0.3～0.5 MPa的采暖用汽。運行控制過程中，主要通過控制采暖抽汽壓力來保證機組的安全以及供熱與發電兩種生產的匹配，采暖抽汽壓力為分缸壓力，雖有中低壓缸連通流量控制閥（CV閥）和采暖抽氣控制閥（EV閥）可以進行聯合調整，但受中壓缸末級葉片及低壓缸特性的限制，熱、電負荷可變范圍有限。因此運行過程中，為了保證機組的安全，對主要運行點都進行了安全性限制。以C300-16.7/0.43/538/538型熱電聯產機組為例，在供熱運行時，要求汽輪機主蒸汽流量G0≤1 025 t/h、中壓缸排汽壓力pI≥0.379 MPa、低壓缸進汽壓力pL≥0.176 MPa、低壓缸進汽流量GL≥78 t/h以及CV閥開度n≥3%。該類型機組熱力系統如圖1所示。

圖1 抽汽凝汽式機組熱力系統Fig.1Thermodynamic system for extraction turbine

2 數學模型

各種實際熱力系統，在系統和參數確定后，其參量也隨之確定，并通過計算以參數的形式給出。熱電聯產機組在相應的供熱負荷下，利用等效熱降法建立熱力曲線數學模型[6]，通過改變新蒸汽參數，確定機組的供電負荷。即在相應的供熱負荷、不同的新蒸汽參數下，可通過等效熱降法計算出機組可調出力區間。

2.1 新蒸汽等效熱降的計算方法

新蒸汽的等效熱降H0，表示1 kg新蒸汽的實際作功。已知汽輪機裝置的熱耗率HRt，可以通過汽輪機的裝置效率（即實際循環效率η）、裝置加入的循環熱量Q（kJ/kg）以及等效熱降計算出新蒸汽的等效熱降為

2.2 采暖抽汽等效熱降的計算方法

抽汽等效熱降Hj，表示在抽汽減少情況下1 kg排擠抽汽作功的增加值，反之，抽汽量增加時，則表示作功的減少值。對于回熱抽汽的汽輪機，若從5段抽汽抽出1 kg采暖蒸汽，按1 kg抽汽損失計算功率損失，其等效熱降公式可表示為

式中：j為加熱器腳碼編號；τj為加熱器給水溫升，℃；ηj為抽汽效率，%；h4為采暖抽汽段的蒸汽焓，kJ/kg；hn為汽輪機末級排汽焓，kJ/kg。

2.3 新蒸汽等效熱降的計算方法

已知汽輪機裝置的新蒸汽的等效熱降和抽汽的等效熱降，計算熱電聯產機組的發電負荷N為

由式（3）可以看出，熱電聯產機組在確保供熱負荷的條件下，保證采暖抽汽流量GCN一定，通過改變主蒸汽流量，結合CV閥和EV閥的聯合調整，即可獲得不同的機組發電機功率。

2.4 計算實例

以某廠國產C300-16.7/0.43/538/538型熱電聯產機組為例，依據等效熱降原理，以機組設計值為依據，進行實例計算。機組主要設計參數、計算過程及主要結果詳見表1。

表1 C300-16.7/0.43/538/538汽輪機采暖供熱工況計算實例Tab.1Calculation example of heating extraction for C300-16.7/0.43/538/538 turbine

通過上述計算，該機組在設計采暖供熱工況下，發電機功率數學模型可以表示為

按照該機組設計熱力特性計算書STC2004中汽輪機平衡圖——抽汽工況，新蒸汽流量按977.206t/ h，抽汽流量550 t/h，根據式（4）計算出發電機功率為219 MW，與廠家給出的平衡圖中發電機功率數值一致。

3 數學模型修正

在機組調峰能力理論計算中，本文選取的數據是該機組的出廠設計值，反映機組設計工況，隨著機組運行時間增加，機組實際運行情況已偏離設計工況，因此為了更準確地反映機組的實際做功能力，需要通過熱電聯產機組調峰能力實驗[7]，對設計工況下的基準點，即等效熱降值進行相關系數修正，并且得出采暖抽汽量與主蒸汽流量的對應關系。

3.1 熱電聯產機組調峰能力實驗

調峰能力實驗以實驗采暖供熱流量為基準，維持采暖抽汽量分別在200、300、400 t/h時，在每個抽汽流量工況點通過改變鍋爐蒸發量，分別確定機組負荷工況點（高低限負荷）。

以某國產的C300-16.7/0.43/538/538型熱電聯產機組的實驗為例，主要實驗數據詳見表2，各實驗采暖抽汽流量工況下機組主蒸汽流量與發電功率的對應關系曲線如圖2所示。

表2 供熱調峰能力實驗主要數據Tab.2Main data of peaking capacity experiment

圖2 修正后機組采暖抽汽工況圖Fig.2Amended conditions map of heating extraction

3.2 模型修正

通過實驗數據，對已經形成的熱電聯產機組發電功率計算系數，即汽輪機的等效熱降值和采暖抽汽等效熱降值進行修正。修正后等效熱降理論方程式為

通過實驗數據，得出在保證采暖供熱的條件下，汽輪機主蒸汽流量與采暖抽汽流量對應關系為

在已知熱電聯產機組采暖抽汽流量，即機組熱負荷確定的情況下，由式（5）和式（6）可以得出該熱電聯產機組科學的有功出力可調整區間。

4 實際應用

基于本文熱力曲線模型為計算核心開發的“天津電網熱電聯產機組在線監測及輔助決策系統”，于2010年10月開始正式投入運行。該系統面向天津電網主力調峰熱電聯產機組，提供供熱數據監測、調峰能力在線監控及次日負荷預測等功能。系統投運后，科學地確定了2010—2011年供暖期內天津電網調峰總量，平均上調總量增加279 MW，下調總量增加443 MW。通過該系統的應用一方面實現了天津電網調峰能力數字化，提高了電網穩定運行，確保網間能源資源優化配置；另一方面，充分發揮高效機組和清潔能源的能源利用率，降低整體電網能耗水平，減少天津地區污染物排放，達到了節能減排的目的。

5 結論

1）本文得出的熱力曲線數學模型基于熱力學的熱功轉換原理，即等效熱降法，適用于分析熱電聯產機組供熱系統變化和供熱方案等方面的技術問題。

2）依據理論數學模型對某國產300 MW機組的設計參數進行計算，計算結果與廠家的設計數值一致，證明了理論模型的正確性。

3）本文將理論模型和調峰能力實驗相結合，建立熱電聯產機組熱力曲線模型，在熱負荷確定的情況下，即可得出機組有功出力的實際可調整范圍，為機組調度提供技術支撐。

4）基于本文數學模型開發了“天津電網熱電聯產機組在線監測及輔助決策系統”，在實際應用中驗證了模型的正確性和有效性。

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Study and Application of Heating Units′Peak-load Regulating Capacity

ZHANG Yu1，E Zhi-jun2，LIU Wei-ping1，WANG Wei-chen2，GAN Zhi-yong1，LIU Wei2
（1.Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China；
2.Tianjin Electric Power Corporation Dispatching and Control Center，Tianjin 300010，China）

In allusion to the serious capability inadequacy of peak-load regulation during the heating seasons in north China，the peak-load regulation capacity from cogeneration units during the heating period is studied in this paper. The thermal curve mathematical model of cogeneration unit is developed by using the equivalent heat drop theory，and the steam parameters are adjusted by experiments.The adjusted range of power supply is then determined with the corresponding heating load.Based on the experimental results，on the model is amended to obtain the adjustable interval of unit active power，which supplies theoretical basis and technical support for the cogeneration unit.The accuracy and validity of the method are confirmed by the application in Tianjin power grid.

heating units；peak-load regulation capacity；mathematical model；peak-load regulation experiment；equivalent heat drop

TK269.2

A

1003-8930（2013）03-0115-04

張宇（1979—），男，工程師，研究方向為汽輪機節能技術。Email：zhangyu791228@126.com

2012-06-13；

2012-11-29

鄂志君（1977—），男，高級工程師，研究方向為電力系統運行方式計算與無功電壓管理。Email：ezj1977@yahoo.com.cn

劉衛平（1972—），男，高級工程師，研究方向為汽輪機節能技術。Email：lwp2001@sina.com