600 MW火電機組供電煤耗拐點分布規律探析

李一飛，聶陳翰

(1.福建華電電力工程公司，福州　350512；2.福建華電可門發電公司，福州　350512)

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600 MW火電機組供電煤耗拐點分布規律探析

李一飛1，聶陳翰2

(1.福建華電電力工程公司，福州350512；2.福建華電可門發電公司，福州350512)

供電煤耗是火力發電廠發電設備、系統運行經濟性能的總指標，反映發電廠各方面工作水平。對某電廠海量歷史數據進行回歸分析，發現機組負荷率與供電煤耗間存在非線性關系，且存在明顯的煤耗拐點。通過試驗確定了單機煤耗拐點特性，分析了汽輪機熱耗率、鍋爐效率、輔機廠用電率及外部因素對供電煤耗的影響，為火電廠檢修安排、負荷分配、發電量計劃制定等工作提供技術支持。

火電廠；供電煤耗；拐點；汽輪機熱耗率；鍋爐效率；廠用電率

0　引言

某火電廠目前裝機容量為4×600 MW，汽輪機組采用上海汽輪機廠有限公司引進美國西屋公司技術生產的N600-24.2/566/566型600 MW超臨界、單軸、三缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機，鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，采用單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式，設計煤種為神府煤，校核煤種為晉北煤。

2014年9月，國家發改委、國家能源局和國家環保部等三部委聯合印發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》中要求，到2020年，現役600 MW及以上機組(除空冷機組)改造后平均供電煤耗低于300 g/(kW·h)，其中600 MW超臨界濕冷機組供電煤耗先進值應達297 g/(kW·h)，與該指標相比，該廠還存在一定差距。通過有效的技術改造及管理提升來深挖電廠節能潛力，迫在眉睫。

針對當前火電機組利用小時數持續下降的現狀，分析機組的負荷率、環境溫度及燃用煤種等因素對供電煤耗的影響，從更精細的角度挖掘設備的節能潛力，力保機組更長時間處于經濟運行區域，提高機組運行的經濟性。在實際運行中，機組負荷與供電煤耗間存在非線性關系，且單機具備特有的煤耗特性。摸清機組煤耗分布規律，有利于電廠進行經濟調度。

1　歷史數據的回歸分析

單元機組的煤耗水平主要由設計參數和設計水平決定，包括汽輪機設計熱耗率、鍋爐設計效率、設計廠用電率、制造工藝與質量等[1]。設計煤耗一般是機組設計條件及額定負荷時的保證值，運行供電煤耗常高于設計供電煤耗，其主要影響因素為：環境溫度、機組負荷率、燃用煤種等外部因素；設備健康狀態、運行的合理性等內部因素。將負荷率、環境溫度及燃用煤種等因素對供電煤耗的影響修正后，供電煤耗和設計供電煤耗仍存在一定差距，該差距就是設備健康程度和機組運行合理性的影響結果，是機組經濟運行的潛力所在[2]。通過數據分析，查找差距，探明癥結所在。

供電煤耗是指發電廠向廠外每供出1 kW·h電能所消耗的標準煤量。由公式(1)與(2)，根據入爐煤、油計量裝置實測的發電所耗原煤量和燃油量，按平均熱值計算出耗用的標準煤量，然后再計算得到的供電煤耗稱為正平衡供電煤耗[3]；由公式(1)與(3)根據鍋爐效率和鍋爐所產生的蒸汽含熱量反算出的供電煤耗，稱為反平衡供電煤耗。

(1)

(2)

(3)

式中：bg為供電煤耗，g/(kW·h)；bf為發電煤耗，g/(kW·h)；e為發電廠用電率，%；Be為統計期內耗用標準煤量，t；W為統計期內發電量，kW·h；q為汽輪機熱耗率，kJ/(kW·h)；Qnet,ar為收到基低位發熱量，kJ/kg；ηb為鍋爐效率，%；ηg為管道效率，%。

根據該電廠近3年的機組運行參數，正平衡計算得到海量的供電煤耗數據，采用反平衡計算校核，剔除偏差較大的數值。這些長期運行積累的海量歷史數據包含豐富的機組性能、運行邊界和工況信息[4]，通過回歸分析，采用最小二乘法擬合，得到機組的煤耗特性二次曲線，如圖1所示。由圖1可知，供電煤耗與負荷存在非線性關系，且存在一個煤耗過渡區。在實際運行中發現，該區極狹窄，難以定義，可近似認為是在某負荷點附近，稱為煤耗拐點。負荷低于拐點時，煤耗較高且變化趨勢明顯，為高煤耗區；負荷高于拐點時，煤耗較低且變化趨勢緩慢，為平穩區；接近滿負荷時，煤耗略有上升。將拐點附近稱為煤耗經濟區，通過合理調度，盡量讓機組負荷較長時間穩定在這一區域，實現經濟煤耗。

圖1　某電廠機組負荷-煤耗分布曲線(回歸擬合)

2　煤耗試驗

機組運行中存在較多干擾因素，且實際工況下負荷點隨機分布在各負荷段，降低了曲線擬合精確度，因此圖1所示煤耗拐點并不明顯。為確定單機煤耗拐點特性，該電廠通過分機組煤耗試驗進行驗證。

試驗周期為1周，保持試驗期間煤種穩定，在特定負荷段下穩定運行進行數據采集。

(1)消除輔助用汽、吹灰、煤種變化等擾動因素，試驗前標定了給煤機并剔除了煤量累計誤差。機組試驗工況期間的煤耗，不代表機組正常運行狀態下的煤耗[5]。

(2)根據運行經驗，#1與#2機組，#3與#4機組煤耗特性分別相近，為避免負荷調度困難，只選取#1，#4機組作為試驗對象。

(3)選取不同的負荷段，燃燒同一煤質，采取相同的磨煤機組合方式，進行穩定工況試驗。燃用與設計煤種相近的煤種，熱值偏差小于0.1 MJ/kg。試驗工況負荷為210，270，330，390，450，510，570，600 MW，各工況持續2 h。

(4)計算期煤量采用給煤機累計基數差值，計算期電量采自關口電量表計。

利用試驗數據進行正平衡計算，并通過反平衡計算校核，篩選試驗數據[6]，得到電廠的負荷-煤耗基準曲線，如圖2所示。由圖2可知，#1，#4機組存在煤耗拐點，該拐點對應負荷為450 MW。拐點附近負荷為經濟區(結合統計數據及電廠實際情況，定義拐點附近煤耗±3 g/(kW·h)區域為煤耗經濟區)：負荷低于拐點時，煤耗較高且變化趨勢明顯，為高煤耗區；負荷高于拐點時，煤耗較低且變化趨緩，為平穩區。另外，本次試驗時間為7月份，不同試驗月份，拐點應有所偏移。

圖2　某電廠600 MW超臨界機組負荷-煤耗基準曲線

3　影響因素的理論分析

在實際運行中，煤種變化與機組發電負荷率是影響供電煤耗的最主要因素。鍋爐、汽輪機以及輔機等設備隨負荷、煤質的變化表現出不同的運行特性，它們共同決定了整臺機組供電煤耗的變化趨勢。

3.1汽輪機熱耗率的影響

負荷降低時，汽輪機熱耗率呈明顯升高的趨勢[2]。圖3給出了幾種典型的汽輪發電機組設計熱耗率與負荷的關系曲線，從圖中可以看出，對于不同類型的機組，設計熱耗率隨負荷的變化趨勢一致，有明顯的規律性。

圖3　不同機組設計熱耗率與負荷的關系曲線

汽輪機熱耗特性方程可以通過熱力試驗求得，根據各試點的修正計算結果畫出熱耗率與發電機功率的關系曲線，即熱耗特性曲線。圖4為該電廠600 MW超臨界機組設計熱耗率、實際熱耗率與負荷的關系曲線，兩條曲線均存在明顯的拐點。在實際應用中，該曲線可近似表示為一直線，如果額定負荷不等于經濟負荷，此特性曲線就是一條折線，拐點就是經濟負荷點。

3.2鍋爐效率的影響

鍋爐效率主要受燃燒煤質特性的影響。該電廠2011年前燃用煤種與設計煤種的低位熱值差小于0.1 MJ/kg，對制粉系統運行及鍋爐燃燒影響不大。2011年后該廠摻燒劣質煤常態化，平均低位熱值下降2.0 MJ/kg。煤質變差，鍋爐飛灰、底渣、排煙溫度明顯上升，同負荷下燃煤量增加，鍋爐輔機耗電率增加，導致機組供電煤耗增加。對于不同類型的鍋爐，鍋爐設計效率與負荷之間沒有一致的規律性，圖5給出了幾種典型容量鍋爐效率隨負荷的變化曲線，其中600 MW超臨界機組鍋爐效率最高。

圖7　不同負荷下廠用電率分布

圖4　某電廠設計熱耗率、實際熱耗率與負荷的關系曲線

圖5　不同鍋爐設計效率與負荷的關系

圖6為反平衡推算的該電廠#3鍋爐效率與負荷的關系曲線。由圖6可知，600 MW超臨界鍋爐最佳效率區基本穩定在70%～80%負荷的范圍內。從實際運行情況看，隨著負荷的降低，氣體與固體不完全燃燒熱損失將會增加，在維持原有過量空氣系數的情況下，排煙熱損失隨排煙溫度的降低而有所減少，鍋爐效率大都呈下降趨勢。低于經濟負荷運行時，鍋爐效率急劇下降，而高于經濟負荷時，鍋爐效率也逐漸下降，但下降趨勢平緩。但從歷史性能試驗數據可以看出，鍋爐效率的影響遠小于汽輪機熱耗率的影響。

圖6　某電廠 #3鍋爐效率與負荷的關系曲線

3.3輔機廠用電率的影響

整臺發電機組中包含了許多輔機，各輔機耗電受負荷影響程度不同。根據該電廠廠級監控信息系統(SIS)采集的數據對各輔機的耗電率進行分析，得出了機組廠用電率的分布情況以及隨負荷的變化情況，從而了解廠用電率的內在變化規律。從圖7可見，隨著負荷率的下降，在廠用電率中占比較大且上升明顯的主要輔機包括循環水泵、脫硫系統、一次風機和磨煤機。

分析該電廠2015年的實際運行數據，廠用電率與機組負荷并不是嚴格的線性關系，還受煤質等因素的影響[7]。以滿負荷時的廠用電率為基準，計算不同負荷率下廠用電率與基準廠用電率的比值，編制比廠用電率圖，可更加直觀地分析廠用電率與負荷的關系。如圖8所示，負荷率35%時對廠用電率的影響是滿負荷時的1.64倍左右；負荷率高于75%，影響逐漸平緩。因此，廠用電率變化對供電煤耗的影響也存在一個從急劇變化到平緩過渡的過程。受環境及負荷因素的制約，影響比重較大的循環水泵耗電率等呈現較為明顯的變化規律，這在調整輔機經濟運行方式時可作為重要的考量因素。

圖8　負荷率與比廠用電率的關系曲線

3.4外部因素的影響

實際運行中，受內外部因素影響，機組煤耗拐點曲線并非固定不變。從該電廠負荷-煤耗曲線的變化趨勢看，與該區域海水(含環境)溫度趨勢基本相同。隨著海水溫度的上升，煤耗拐點也同步上移,這是機組固有特性。實際的負荷-煤耗曲線受外部因素影響較大，海水溫度是導致煤耗拐點出現上述規律的重要因素。

由圖9可知，春、冬季在機組負荷率75%附近出現煤耗拐點，而在夏、秋季，隨著環境溫度和海水溫度的上升，煤耗拐點明顯上移，7，8，9這3個月的煤耗拐點均在負荷率80%以上。

在實際運行中，各電廠都希望機組盡量在高負荷運行，以保證機組經濟環保、安全穩定運行。但在當前持續低負荷常態化的形勢下，結合電廠各機組的煤耗特性，盡量將機組負荷安排在經濟負荷區域，不失為一種有效的節能手段，在電廠近年的實踐中也充分體現了這一策略的可行性。

圖9　某電廠2013，2014年煤耗拐點分布情況

4　結論

(1)從歷史數據以及煤耗試驗可知，供電煤耗與負荷存在非線性關系，且存在一個煤耗經濟過渡區，定義為煤耗拐點。負荷低于拐點時，煤耗較高且變化明顯，負荷高于拐點時，煤耗較低且變化趨緩。

(2)實際運行中，機組負荷不可控，是影響供電煤耗的最大外部因素。鍋爐、汽輪機以及輔機等設備隨負荷變化表現出不同的運行特征，共同影響機組的供電煤耗。

(3)理論上，機組運行負荷越高，鍋爐效率越高，汽輪機熱耗率越小，煤耗越低，發電煤耗和供電煤耗均有此規律。

(4)根據該電廠的歷史數據繪制熱耗率隨負荷的變化曲線以及鍋爐效率、廠用電率變化曲線。供電煤耗隨機組負荷的變化趨勢與熱耗率、廠用電率隨負荷的變化趨勢一致。研究負荷與鍋爐效率、熱耗率、廠用電率的變化規律，就可以明確負荷與煤耗的變化規律。

(5)從歷史數據看，不處在最優運行狀態的機組，盲目提高負荷，影響煤耗的程度有可能被放大。機組負荷率相同的情況下，峰谷差越大的機組日平均供電煤耗越大。

綜上所述，由于客觀存在負荷率結構性差異，全年負荷-煤耗拐點具有規律性，摸清分機組特定時段的煤耗特性，對全年的檢修安排、負荷經濟分配、發電量計劃等有一定的指導意義。

[1]全國發電機組技術協作會.影響600 MW等級機組供電煤耗的因素[J].電力技術,2010，19(2):1-3.

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[3]火力發電廠技術經濟指標計算方法：DL/T 904—2004[S].

[4]王寧玲,付鵬,陳德剛,等.大數據分析方法在廠級負荷分配中的應用[J].中國電機工程學報,2015(1):68-73.

[5]張軍科.600 MW機組深度調峰供電煤耗研究[J].中國高新技術企業,2015(4):129-130.

[6]張磊,秦嶺,陸超,等.600 MW機組正反平衡煤耗試驗研究[J].電力與能源,2015，36(3):401-403.

[7]張方,吳京龍,林柏林.煤質變化對機組發電煤耗的影響分析[J].機電信息,2013(27):115-116.

(本文責編：劉芳)

2016-04-25；

2015-05-19

TM 621

A

1674-1951(2016)06-0013-04

李一飛(1974—)，男，福建莆田人，工程師，從事電廠熱能動力等方面的研究。

聶陳翰(1984—)，男，福建閩清人，工程師，工學碩士，從事電廠節能減排等方面的研究(E-mail:niechenh@163.com)。