大容量純凝式機組改供熱后的調峰能力計算

劉中祥

(江蘇淮陰發電有限責任公司，江蘇淮安223002)

隨著社會經濟發展，熱負荷需求不斷增長。越來越多的大型純凝汽式汽輪發電機組升級改造為抽汽凝汽式熱電聯產機組，并逐步取代周邊分散的供熱小鍋爐。純凝機組改造成供熱機組后，不僅可以提高機組自身的熱效率、降低供電煤耗，還可發揮大容量機組環保設施完備的優勢，減少二氧化硫、氮氧化物和煙塵等污染物的排放，節能環保效益顯著[1]。但與此同時，大型純凝汽式發電機組進行供熱改造后，其可調度的有功電負荷區間勢必受到影響。以往為保證機組供熱，供熱機組通常都在額定出力70%以上的區間運行。在電網峰谷差日益加大、供熱裝機容量所占比重日益提高的情況下，整個電網的調峰能力受到越來越大的制約。分析供熱機組在滿足供熱參數條件下的參與電網深度調峰能力，對保證電網安全運行，增強電網對風電等可再生能源的消納能力，促進節能減排有著重要意義。

1 純凝機組供熱改造的主要類型

1.1 按改造后供熱抽汽口的位置劃分

（1）高排抽汽供熱。高排抽汽供熱是從汽輪機高壓缸排汽即再熱冷段抽汽，供熱量受鍋爐再熱器超溫和高壓缸末級葉片強度的限制，不能過大。

（2）熱再抽汽供熱。再熱熱段抽汽供熱克服對鍋爐超溫的影響和抽汽量的限制，此方式不影響鍋爐安全運行，抽汽量大小只受汽輪機末級葉片強度的限制。

（3）中排抽汽供熱。中排抽汽供熱是在汽輪機中低壓缸連通管上，接三通抽出低壓蒸汽，中排的壓力隨著機組負荷的變化而變化，為了滿足供汽壓力穩定，需在三通后低壓缸進汽前增加一個控制蝶閥，在低負荷時進行節流，以保證閥前的壓力。為了保證低壓缸必要的冷卻流量，調節蝶閥的最小開度有一定限制。同時在抽汽量增大、蝶閥關小的情況下，中排溫度將上升，為了保證中壓排汽缸及中壓轉子末級葉片的安全，中排溫度不得過高。這些限制條件使得熱負荷與電負荷的匹配提出了更高的要求[2]。

1.2 按改造后抽汽口的數量劃分

（1）單抽汽式供熱機組。單抽汽式機組，其汽輪機以抽汽口為界分為高壓部分和低壓部分，相當于一臺背壓式汽輪機與一臺凝汽式汽輪機的組合。鍋爐來的新蒸汽進入汽輪機高壓部分作功，膨脹至一定壓力后分為二股，一股抽出供給熱用戶，一股進入低壓部分繼續膨脹作功，最后排入凝汽器。

（2）雙抽汽式供熱機組。雙抽汽式汽輪機組生產電能的同時，有2個不同壓力的抽汽供給熱用戶。

2 供熱改造機組運行特性變工況計算

分析供熱機組的調峰能力，需要了解供熱改造機組的運行特性。目前供熱汽輪機運行特性的獲取方法有2種，一種是由汽輪機制造廠提供，一種是通過現場熱力試驗得出。除少數供熱改造時同時進行了汽輪機通流改造的機組外，大多數純凝改供熱機組并沒有制造廠提供的特性曲線。現場熱力試驗方法得到的結果固然準確，但需要不斷調整熱、電負荷對外界熱用戶和電網調度會產生影響。還有部分機組正處于熱用戶拓展階段，目前供熱量較小、但熱負荷增長預期較大，尚不具備試驗條件。針對以上問題，探索了一種建立熱力系統模型，進行變工況計算，再結合邊界限制條件獲取機組運行特性的方法。

2.1 模型的建立

對由純凝汽式汽輪發電機組改造而成的供熱機組來說，依據制造廠提供的凝汽式機組設計資料結合機組供熱改造的相關資料，建立供熱機組熱力系統模型，以純凝工況為基礎，進行熱力系統的變工況的計算，獲取供熱機組的電功率、主蒸汽流量及供熱抽汽量之間的相互關系。

2.2 變工況計算的方法和步驟

機組熱力系統的變工況，無論產生的原因如何，其表現出的特點均是汽輪機進汽流量或機組通過的蒸汽流量發生變動。其產生的結果是機組的各抽汽參數和熱力系統有關參數發生變化，并表現為汽輪機膨脹過程線的變化，本文是按抽汽口劃分級組的近似熱力計算方法來進行熱力系統變工況計算。

（1）基準工況的熱系統計算。熱力系統變工況計算所需的基本數據包括蒸汽的流量數據、狀態數據以及汽輪機葉片及通流部分的結構數據，這些數據可從汽輪機制造廠家的汽輪機幾何參數、額定工況下的蒸汽參數以及機組原則性熱力系統圖等上獲得。對供熱改造機組，選取機組的純凝額定工況作為基準工況。

（2）分區段計算各抽汽壓力（Pr）。為適應弗留格爾公式要求，供熱機組變工況計算以供熱抽汽口劃界，將汽輪機分為2個區段 （單抽機）或3個區段 （雙抽機），各區段分別使用弗留格爾公式。與常規的熱力系統變工況計算不同的是，供熱汽輪機熱—電負荷特性的變工況計算是指在設定新蒸汽量和供熱抽汽量下，計算機組的發電功率。雙抽機組進行計算時需要分別設定高壓抽汽量、低壓抽汽量。因此，當上述各量變化后，必然引起熱力系統參數發生變動，可先假定各抽汽壓力的初值，再分區段計算得到一個各抽汽壓力的計算值，然后循環迭代從而確定工況變動后各級抽汽壓力的精確值，從而完成變工況計算[3]。

（3）迭代過程及可行性檢驗。迭代過程即重復上述各級抽汽壓力和流量的計算過程，最終只有滿足下式迭代才終止，熱系統變工況計算才算最終完成。即：

式（1）中：Pr為第r級抽汽壓力；n為上角碼表示迭代的次數；ε為迭代允許誤差。

計算完成即可得出給定主蒸汽流量和供熱抽汽流量下汽輪發電機組的輸出功率。保持供熱抽汽流量不變，改變主蒸汽流量，重復上述計算過程。可得出該供熱抽汽量下，不同汽輪機進汽量所對應的發電功率。重新設定不同的抽汽量，重復上述過程。可得出各抽汽量下不同汽輪機進汽量所對應的發電功率。

2.3 某330W供熱改造機組變工況計算結果

以330W純凝改供熱機組為例，其鍋爐最大連續蒸發量為1026 t/h，利用熱力系統參數進行變工況計算，機組供熱抽汽量每增加50 t/h，機組最大發電出力降低約11～14MW，具體的發電出力降低的幅度與機組供熱抽汽的位置有關，抽汽口位于高壓段時降幅取高值，抽汽口位于低壓段時降幅取低值。該機組中排抽氣供熱量分別為50 t/h，100 t/h時的變工況計算結果如表1、表2所示。

2.4 核定調峰能力的邊界條件

僅從變工況計算結果來看，似乎只要降低主汽流量，就可以降低機組的最低發電負荷。但在機組實際運行過程中主汽流量的變化范圍會受到諸多安全邊界條件的限制。供熱機組調峰能力核定的邊界條件包括：滿足鍋爐最大連續蒸發量和汽輪機最大進汽量；滿足鍋爐不投油最低穩燃蒸發量；滿足汽輪機低壓缸冷卻蒸汽最小流量；保證抽汽供熱蒸汽參數達到供熱要求；對直接在中、低壓聯通管開三通抽汽供熱的機組，還應保證供熱抽汽口前與供熱抽汽口之間級段壓差不超過允許極限，滿足中壓缸排汽溫度不超過規定限值[2]。

表1 量50 t/h的熱力計算結果

表2 抽汽量100 t/h的熱力計算結果

以中壓排汽溫度為例，制造廠要求中壓排汽溫度不超過385℃，實際運行控制不超過380℃。結合變工況計算結果，中排抽汽量為50 t/h時，主蒸汽流量不能低于710 t/h；中排抽汽量為100 t/h時，主蒸汽流量不能低于883 t/h；若低于此數值則中壓缸排汽溫度超過安全限制值。

根據供熱機組變工況計算結果，結合保證機組安全運行的邊界限制條件，便可以繪制出機組的熱負荷與電負荷之間的關系特性曲線，即供熱汽輪機的工況圖[2]。它表示供熱機組的電功率、主蒸汽流量及供熱抽汽流量之間的相互關系及全部可能發生的工況范圍。單抽汽式供熱汽輪機工況圖如圖1所示。

圖1 單抽汽式供熱汽輪機工況圖

3 供熱改造機組的調峰能力分析

獲得供熱機組汽輪機工況圖后，便可按照“以熱定電”的原則對供熱機組調峰能力進行分析。根據機組的實際供熱量，對照工況圖，改變主蒸汽流量即可得出機組的電負荷調峰范圍。如圖2所示，當供熱抽汽量由x1增大到x2時，機組的調峰范圍由減小為調峰范圍的大小直接反映了機組調峰能力的強弱。

圖2 不同抽汽供熱量下機組發電調峰范圍的示意圖

以供熱抽汽量為橫坐標，機組負荷為縱坐標，可繪制出機組調峰能力與抽汽量之間的關系曲線，即供熱機組熱電關系曲線，如圖3所示。

圖3 某330 MW機組低壓供熱量與調峰能力關系曲線

從圖3可以看出，機組對外供熱量為0時，機組運行于純凝汽工況，電負荷可調整范圍最大。隨著機組對外供熱蒸汽量的增加，機組的調峰能力逐步變小。根據熱負荷與電負荷關系曲線圖，只需知道供熱抽汽量，就可以得出相應的調峰能力范圍。

4 理論計算與現場試驗結果比較

為了驗證通過模型計算所建立的供熱機組熱負荷與電負荷關系特性曲線的準確性，將計算結果與南通天生港電廠2號機組的調峰能力試驗結果做比較，該機組由額定容量330MW純凝機組改造而成，雙抽供熱，高壓供熱抽汽取自再熱冷段，低壓供熱抽汽取至中壓缸排汽，中低壓缸聯通管上裝有調整蝶閥，用以控制和調整低壓供熱抽汽壓力,理論計算結果和試驗結果如表3所示。

從表3中結果可以看出，模型計算結果與現場熱力試驗結果很接近。按該方法取得的汽輪機工況圖精度可以滿足機組調峰能力分析的需要。

表3 理論計算結果與現場試驗結果比對

5 結束語

純凝機組完成供熱改造后，由于受對外抽汽供熱的影響，機組的發電調峰能力與純凝機組相比有一定降低，其降低幅度與供熱抽汽量有關。因此供熱機組的調峰范圍不宜一刀切，而應結合機組的實際供熱情況做相應調整。

通過供熱改造機組變工況計算結合邊界限制條件的得出的機組運行特性和調峰能力與現場試驗結果一致，其結果可為電網調度科學、合理地安排供熱機組的運行方式，充分挖掘供熱機組的調峰潛力提供依據。

[1]曾廣斌.某超臨界600MW可調整式雙抽供熱機組供熱經濟性分析[J].江蘇電機工程，2013，32(4)：77-80．

[2]陳國年，劉 今，周 強，等.凝汽式機組改供熱后對運行經濟性的影響分析[J].江蘇電機工程，2011，30(1)：9-12.

[3]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994：93-94.

[4]沈士一，莊賀慶，康 松，等.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，1992：204-205.