燃煤熱電機組適應性供熱技術應用

山西國錦煤電有限公司 趙 明 太原理工大學電氣與動力工程學院 劉嘉樂

近年來，我國新能源快速發展，局部裝機占比過大，火電廠需要降低負荷為其騰出消納空間[1-2]。但火電廠“以熱定電”的傳統運行方式，使供熱和新能源消納的矛盾日益凸顯，因此越來越多的機組進行了供熱增容改造。目前供熱增容改造技術主要包括高背壓供熱、低壓缸零出力供熱、高中壓缸旁路供熱等[3-5]。高背壓供熱利用低壓缸排汽加熱循環水，冷源損失降低，供熱經濟性最高；但熱電耦合特性加重，運行靈活性差，無法參與新能源消納。低壓缸零出力供熱僅向低壓缸通入少量冷卻蒸汽，以實現采暖抽汽最大化；供熱經濟性較好，且一定程度上弱化了機組熱電耦合特性。高中壓缸旁路供熱利用供熱蒸汽不進入汽輪機實現最大程度的熱電解耦，供熱能力強；但經濟性差，且對設備運行可靠性要求高。

1 機組概況

山西國錦煤電有限公司位于山西省交城縣境內，一期工程為2×300MW亞臨界空冷的熱電聯產機組，配置2×1070t/h循環流化床鍋爐。汽輪機為雙缸雙排汽、一次中間再熱、抽凝式直接空冷型式。給水回熱系統共7級，為3高加+1除氧+3低加型式，低加疏水逐級回流，除氧器滑壓運行。

國錦電廠同步向太原市和交城縣供熱，其設計供熱方式為五段采暖抽汽供熱。隨著兩地經濟建設的迅速發展，為提升機組的調峰靈活性和供熱能力，電廠已先后對1、2號機組完成高背壓供熱、低壓缸空載供熱改造。針對遠期供熱規劃，計劃對2號機組進行高低壓旁路聯合供熱改造。該電廠一次熱網循環水系統如圖1所示，兩地熱網回水混合后依次流經1、2號熱網凝汽器，再分別流向對應的熱網加熱器后對外供熱。其中1、2號熱網凝汽器汽源分別為1、2號機組低壓缸排汽，交城、太原熱網加熱器的高溫蒸汽來自于兩機組的五段抽汽；加熱器均設置有旁路管道，均可被安全切除。

圖1 一次熱網循環水流程圖

2 智能化適應性供熱模式

2.1 適應性供熱模式

在初寒期→嚴寒期→末寒期的全供熱工況下，供熱需求隨環境溫度不斷變化。僅使用單一供熱模式時，熱電機組會存在以下問題：初末寒期供熱需求較低，只進行了低壓缸空載或高低壓旁路聯合供熱改造的機組抽汽參數高，能量損耗較大，供熱經濟性低；嚴寒期只進行了高背壓供熱改造的機組供熱能力不足。因此熱電廠應根據供熱需求和鍋爐負荷合理選擇供熱模式。燃煤熱電機組智能化適應性供熱系統包括A～F6種供熱模式，1#機組分別為：A乏汽供熱、B抽乏汽供熱、C空載供熱、D抽汽高背壓供熱、E空載供熱、F空載供熱；2#機組分別為：A高背壓供熱、B抽汽高背壓供熱、C抽汽高背壓供熱、D空載供熱、E空載供熱、F高低旁供熱。

模式A：雙機高背壓供熱。1號機組背壓較低(約14kPa)，2號機組背壓較高(約32kPa)，梯級利用兩臺汽機乏汽熱量。該模式僅適用于初末寒期，熱負荷需求很低，兩地供水溫度均低于70℃的情況下；模式B：雙機抽汽高背壓供熱。在模式A基礎上關小低壓缸進汽蝶閥，開大采暖抽汽蝶閥，利用兩臺機組的五段抽汽繼續加熱循環水；模式C、D：單機抽汽高背壓+單機空載供熱。這兩種模式下，單臺機組保持抽汽高背壓供熱運行。另一臺機組投入羅茨真空泵，并調節空冷風機列數和頻率以降低機組背壓，并僅向低壓缸通入約80t/h的冷卻流量，實現采暖抽汽量提升；模式E：雙機空載供熱。該模式下兩臺機組均僅在空載工況下運行，兩臺熱網凝汽器均被切除；模式F：單機空載+單機高低旁供熱。在模式E的基礎上增加2號鍋爐出力，通過高低壓旁路增加供熱蒸汽量，不改變高壓缸進汽量，在不影響電負荷的前提下實現供熱能力的提升。

2.2 不同模式的最大供熱能力

上述供熱模式的本質區別在于運行背壓和抽汽位置不同。根據不同背壓下低壓缸的最小排汽流量，計算不同位置的最大抽汽流量，即可得到機組的最大供熱能力。其中低壓缸最小排汽量與背壓關系如圖2所示。供熱期國錦電廠還承擔了共計249.1t/h的工業抽汽，將其平攤至兩臺機組后，計算最大連續蒸發量（TMCR）下不同模式的最大供熱能力，結果詳見圖3。

圖2 不同背壓下的低壓缸最小排汽量

圖3 不同供熱模式的最大供熱量和發電量

可以看出，相同鍋爐負荷下模式A→F的最大供熱能力逐漸增加而發電量逐漸減小。因此，采暖抽汽位置越靠前供熱蒸汽參數越高、機組的供熱能力越強，但發電量會減小、即經濟性降低。其中模式C、D只是1、2號機組運行模式互換，最大供熱能力和發電量基本一致。當模式B供熱能力不足需切換至供熱能力更高的模式時，一般選擇模式C。此時1號機背壓由較低的14kPa降至4kPa，相較于D模式下2號機由32kPa降至4kPa，運行工況變動較小，更為安全。F模式下兩臺機組供熱能力達到最大，約1105MW，在保證最大工業抽汽的前提下，供熱面積可達2450萬平方米，可滿足遠期供熱規劃。

3 智能化適應性供熱系統

3.1 適應性供熱策略

適應性供熱思路為：首先根據燃煤鍋爐的實時蒸發量求出各模式的當前最大供熱量，在模式最大供熱能力滿足熱力公司所下發供熱負荷需求的基礎上，選擇發電量最大的模式，稱其為最優模式；然后根據當前系統所處模式判斷需進行模式間切換或模式內優化，并給出相關建議；最后運行人員根據提示執行相關操作。若六種供熱模式均無法滿足供熱需求，則在適應性供熱界面中顯示“機組供熱極限不滿足需求”。

3.2 當前供熱模式判別

圖4 適應性供熱技術思路

表1 測試結果

表2 優化供熱參數

適應性供熱系統需自動識別當前供熱模式。若當前模式不是最優模式時則建議進行模式間切換。比較當前供熱出力和熱負荷需求，若當前出力大于需求則選擇較低供熱出力模式；若當前出力小于需求，則選擇較高供熱出力模式；并在燃煤熱電廠智能化適應性供熱界面中顯示具體應切換至何供熱模式，以及切換的順控步驟。同時在模式切換完成兩小時內不再給出切換建議，避免頻繁操作。

若當前模式是最優模式，則比較至太原、交城一次熱網的出水溫度和熱力公司要求的供熱溫度。若出水溫度與供熱溫度間的差值小于供熱溫度偏差限值2℃時，則不進入進行模式優化；若出水溫度與供熱溫度間差值大于該限值，則進行模式內優化計算，給出調整建議。不同供熱模式采暖抽汽位置及運行背壓不同，因此優化的運行參數也不同。如將背壓調整至某值、將抽汽量調整至某值、將蒸發量調整至某值等，并在適應性供熱界面中顯示。

3.3 適應性供熱技術應用效果

本技術應用在國電智深DCS系統上完成系統搭建。

在當前運行模式為C，太原、交城熱網調度循環水量分別為8000t/h和4000t/h，1、2號機組蒸發量分別為720t/h和765t/h的工況下，通過改變太原、交城熱網調度供水溫度，測試適應性供熱系統的有效性（表1）。通過測試結果可看出，隨著太原、交城熱網調度水溫的升高，最優模式依次從模式A升至模式F。若當前模式不是最優模式時，適應性供熱系統提示模式切換、順控方向和步驟。若當前模式是最優模式時（如測試4、5組），適應性供熱系統提示模式優化及優化供熱參數，包括1、2號機向太原和交城熱網供汽量、優化背壓及優化發電量，如表2所示。實驗結果表明，該適應性供熱系統能夠實時準確地根據系統狀態自動選擇模式切換或運行參數優化，使供熱負荷與供熱需求間誤差不超過1%。