基于能耗特性分析的雙抽燃煤機組供汽優化

彭 爍，蔡國忠，黃旭鵬，蔡 純，張澤雄，陳明光

（1.中國華能集團清潔能源技術研究院，北京 102209；2.華能汕頭海門發電有限責任公司，廣東 汕頭 515132）

0 引言

當前，工業企業正向“集約化、大型化、規模化、一體化”的方向發展，針對化工、紡織等工業企業集中建設工業園區已成為城市發展的必然趨勢[1-2]。傳統的用熱企業以自建的小型鍋爐為主要供熱設備，其運行參數不穩定，供熱效率低下，所生產的蒸汽價格偏高，生產過程中對環境造成嚴重的污染。集中式供熱系統的使用，不僅可以降低企業用戶使用蒸汽的成本[3-4]，提高供熱可靠性，更有利于保護園區內的環境。利用集中式供熱系統供熱，已成為現代工業園區中企業用熱的主要方式[5]。

工業園區的快速發展以及熱負荷需求的增長，對供熱機組運行經濟性的影響日益顯著[6]。供熱機組選擇合理的供汽方式有利于機組的節能降耗。

隨著工業的現代化，發電廠進行工業供熱改造是必然趨勢[7-8]。關于工業供熱優化改造已有很多研究。文獻[9]研究了高參數蒸汽驅動小汽機供熱方式。該方式優于原有的高參數蒸汽直接減溫減壓運行方式，考慮過熱度回收后，供熱?損可降低14.47 GJ/h。文獻[10]對比了中排抽汽和高排抽汽2 種方式的經濟性，發現兩者之間存在經濟效益最佳的臨界抽汽量點。在該點運行時的經濟性高于臨界值選擇中排抽汽工況。文獻[11]分析了減溫減壓器、壓力匹配器和背壓機排汽3 種供熱方案的經濟性，發現背壓機排汽為最佳供汽方案。文獻[12]介紹了高壓和中壓工業供汽典型的供熱方式。文獻[13]針對采用3 段供熱抽汽的機組提出了節能改造方案：用冷再蒸汽與熱再蒸汽另加外置蒸汽冷卻器后，利用摻混汽去供熱，以減少高品位能的損失。該方案節能效果良好。

傳統供熱機組的研究優化目標多是針對單抽機組[14]，關于雙抽機組的優化研究則比較少，且對汽源點的優化考慮不全面。

考慮供熱機組占火電機組裝機容量比重的增加，供熱熱網中的熱用戶負荷種類隨熱用戶工藝生產進步而多樣化的實際情況，為滿足園區工業用汽需求，本文對某1 GW 燃煤工業供汽機組變工況運行特性進行了分析，提出了9 種供汽技術方案；研究了不同技術方案下機組的運行域和能耗特性，以尋找最優的運行方式。

1 工業蒸汽供熱系統

供汽系統結構如圖1 所示。

圖1 供熱系統結構Fig.1 Heating system structure

廠外熱用戶所需蒸汽分為低壓蒸汽和中壓蒸汽2 類。從抽汽口位置看：中壓供汽汽源包括冷再抽汽、熱再抽汽和主蒸汽減溫減壓后供汽；低壓供汽汽源包括冷再抽汽、熱再抽汽和中排抽汽。機組實現2 個等級的工業供汽，包括9 個技術路線，如表1 所示。

表1 機組的供汽技術路線Tab.1 Steam supply technical route of the unit

2 數學模型

2.1 供熱機組計算模型

供熱系統主要的熱力設備包括汽輪機、凝汽器和各級回熱加熱器。供熱系統的變工況是指系統的工況發生變動，偏離設計工況或某個基準工況。變工況的計算通常以某一個基準工況為基礎。若考慮采用從定功率（定流量）角度進行變工況計算，則首先要假定新蒸汽量（發電功率）、各級抽汽份額以及供熱份額，然后計算變工況后各級組通流量，再利用弗留格爾公式計算各級抽汽壓力、各級抽汽焓值、各級回熱加熱器的進出口參數，并以此計算出新的各級抽汽量以及新蒸汽量（發電功率）。如此反復迭代，直到前后2 次迭代計算的蒸汽量的偏差小于控制誤差為止。

若調整抽汽并對外供汽，則機組蒸汽通流量及通流面積發生相應改變。為適應弗留格爾公式的計算要求，供熱機組熱系統變工況的計算將以供熱抽汽口劃界：將汽輪機分為2 個或3 個區段，在各區段分別使用弗留格爾公式。

弗留格爾公式是供熱機組變工況特性分析的理論基礎。該公式反映了流量與級組前后參數的關系：

式中：G表示通過級組的蒸汽流量；P表示級組前后的蒸汽壓力；T表示級組前蒸汽的溫度；下標數字“1”和“2”代表的含義分別為“級組前”和“級組后”，下標數字“0”表示基準工況，無下標數字“0”則表示變化后的工況。

溫度項T1,0/T在參考工況和變工況條件下差異較小，因此假設為1。此時公式可以重寫為：

為簡化計算，假設各級回熱加熱器的上下端差與凝汽器真空值均不變。

2.2 電熱特性

電熱特性描述了汽輪機進汽量、中壓供汽量、低壓供汽量以及發電功率之間的關系。雙抽機組的工況圖，劃定了機組的可運行范圍，是分析機組靈活性的重要指標，可以給電廠運行提供參考。本文雙抽供熱機組的能耗分析建立在電熱特性分析基礎之上。

2.3 能耗分析指標

為了表征熱電聯產系統的熱經濟性，可用傳統的方法確定供熱機組全廠指標及各分項指標。全廠指標，包括燃料利用系數和?效率。將燃料消耗量按照一定的方法劃分給發電及供熱，即可分別計算出各分項指標。

本文采用的分項指標為發電標準煤耗率，分別采用熱量法和?分攤法計算。

（1）燃料利用系數

燃料利用系數為輸出電、熱2 種產品的總能量與輸入能量之比。

機組熱耗：

熱電廠總熱耗量：

熱電廠供熱量：

熱電廠的燃料利用系數為：

式中：Q0、Qtp、Qh分別為機組熱耗、熱電廠總熱耗量、熱電廠供熱量，MJ/h；G0、Grh、Gh1、Gh2分別為主蒸汽、再熱蒸汽、中壓供汽和低壓供汽的流量，t/h；Δhrh為再熱蒸汽在鍋爐中的吸熱量，J/g；h0、hfw、hh1、hh2、hbs分別為主蒸汽焓、給水焓、中壓供汽焓、低壓供汽焓、補水焓，J/g；ηb和ηp分別為鍋爐效率和管道效率；ηh,tp為熱電廠的燃料利用系數；Pe為機組發電功率，MW。

（2）?效率

熱電廠的?效率：

式中：ηe,tp為熱電廠的?效率；eh1和eh2分別為中、低壓熱負荷的?，J/g。

（3）熱量法發電標準煤耗率（以下簡稱熱法煤耗率）

熱量法即“好處歸電法”，其思想是將熱電聯產機組的總熱耗量按機組供熱量和發電量的比例來分配。該方法是我國目前常用的一種熱、電成本分攤法。

分配到供熱的熱耗量占熱電廠總熱耗量的比值為熱電分攤比，即：

分配給供熱方面的熱耗量：

分配給發電方面的熱耗量：

發電熱效率：

熱量法發電標準煤耗率：

式中：αk1代表熱量法的熱電分攤比；Qtp(e),h和Qtp(h),h分別代表總熱耗量中通過熱量法分配給發電、供熱方面的熱耗量，MJ/h；ηtp(e),h為通過熱量法計算的發電熱效率；btp(e),h為通過熱量法計算的發電標準煤耗率，g/(kW·h)。

（4）?分攤法發電標準煤耗率（以下簡稱?法煤耗率）

?分攤法的核心思想是：考慮到熱電聯產系統工質能量的品位具有差異性，根據熱力學第二定律，按熱負荷和新蒸汽的?比例來分配總熱量。熱電分攤比通過下式計算：

分配給供熱方面的熱耗量：

分配給發電方面的熱耗量：

發電熱效率：

?分攤法發電標準煤耗率：

式中：αk2代表?分攤法的熱電分攤比；Qtp(e),e和Qtp(h),e分別代表總熱耗量中通過?分攤法分配給發電、供熱方面的熱耗量，MJ/h；ηtp(e),e為通過?分攤法計算的發電熱效率；btp(e),e為通過?分攤法計算的發電標準煤耗率，g/(kW·h)。

3 案例分析

本文以某燃煤熱電聯產機組為例，研究：當機組負荷及供熱抽汽量等因素變化時，機組能耗特性的變化規律，進而獲得最優的供汽方式。

3.1 機組參數

參考機組為某1 GW 超超臨界燃煤汽輪發電機組。汽輪機：單軸、4 缸、4 排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機。鍋爐：π 型結構、變壓直流鍋爐，回熱加熱器為“三高、四低、一除氧”。

表2 示出了該機組的主要技術參數。該機組的變工況計算以THA 工況為基準工況。

表2 機組的主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of the unit

為了滿足用戶對中、低壓蒸汽參數的要求，且考慮供汽距離和一定的過熱度，設定：熱電廠中壓供汽參數值要達到壓力 2.9 MPa、溫度320 ℃；低壓蒸汽參數要達到壓力0.8 MPa、溫度230 ℃。

3.2 雙抽機組電熱特性

雙抽供熱機組的工況圖如圖2（a）所示。上象限中繪出了汽輪機低壓工業蒸汽量為0 時的工況圖，下象限中繪出了汽輪機低壓工業蒸汽量不為0 時的工況圖。圖2（b）顯示了9 種供汽方式的中壓工業蒸汽量、低壓工業蒸汽量以及與發電功率之間的耦合關系對比。從圖中可以看出，“主汽+熱再”方式的中壓供汽量和低壓供汽量的調節范圍最大，而“冷再+冷再” 方式的調節范圍相對最小。

圖2 機組電熱特性對比Fig.2 Comparison of power-heat characteristics of the unit

3.3 雙抽機組能耗特性對比

當中、低壓供汽熱負荷較小時，不同技術方案的電熱特性差別不大。本節將在綜合能耗分析計算的基礎上，選出最優的供汽方案。

3.3.1 燃 料利用系數與 ?效率

本節對比了這9 種供汽方式在3 個典型工況點。工況一：Pe=500 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=150 t/h。工況二：Pe=600 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=200 t/h。工況三：Pe=800 MW、Gh1=200 t/h、Gh2=200 t/h。各工況的燃料利用系數與?效率如圖3 所示。當發電功率較小時，“冷再+冷再”方式的燃料利用系數和?效率最大，其次是“冷再+熱再”方式；當發電功率較大時，“冷再+中排”方式的燃料利用系數和?效率最大，其次是“熱再+中排”方式。在工況一時，“冷再+冷再”方式的燃料利用系數和?效率相較于“冷再+熱再”方式分別提高0.36%和0.37%；在工況三時，“冷再+中排”方式的燃料利用系數和?效率相對于“熱再+中排”方式分別提高0.32%和0.33%。表3 總結了不同供汽方式的燃料利用系數與?效率特性。

表3 不同供汽方式的燃料利用系數與?效率特性Tab.3 Summary of fuel utilization coefficient and exergy efficiency characteristics in different steam supply modes

圖3 各工況燃料利用系數與?效率對比Fig.3 Comparison of fuel utilization coefficient and exergy efficiency in different working conditions

3.3.2 發電標準煤耗率

對比9 種供汽方式在3 個典型工況點的熱法煤耗率與?法煤耗率，結果如圖4 所示。

圖4 不同供汽方式發電標準煤耗率對比Fig.4 Comparison of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

當發電功率較小時，“冷再+冷再”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率最小，其次是“冷再+熱再”方式；當發電功率較大時，“冷再+中排”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率最小，其次是“熱再+中排”方式。熱法煤耗率和?法煤耗率的變化趨勢與燃料利用系數和?效率一致。在工況一時，“冷再+冷再”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率相對于“冷再+熱再”方式分別降低1.18 g/(kW·h)和1.20 g/(kW·h)；在工況三時，“冷再+中排”方式的熱法煤耗率和?法煤耗率相對于“熱再+中排”方式分別降低1.01 g/(kW·h)和1.01 g/(kW·h)。

表4 總結了不同供汽方式的發電標準煤耗率特性。

表4 不同供汽方式的發電標準煤耗率特性總結Tab.4 Summary of characteristics of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

3.4 冷再供中壓、中排供低壓分析

在發電功率、中壓供汽量、低壓供汽量這3 個變量中，選取固定參數研究冷再供中壓和中排供低壓方式的能耗特性變化規律。如圖5（a）所示，固定發電功率和中壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨低壓供汽量的增加而增大；如圖5（b）所示，固定發電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨中壓供汽量的增加而增加：隨著供熱量增加，熱電比增加，故機組的燃料利用系數會增加。圖5（a）中，低壓供汽量很小時，?效率的變化曲線有一個拐點，這是因為：低壓供汽量從零到有，中排處突然憋壓導致了一定的節流損失；隨著供汽量增大，冷源損失減小，?效率增大。如圖5（c）所示，固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發電功率的增加而增加，燃料利用系數呈降低趨勢。

圖5 冷再供中壓、中排供低壓的能耗特性Fig.5 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and immediate pressure turbine exhaust steam for LPIS

3.5 冷再供中壓、冷再供低壓分析

在發電功率、中壓供汽量、低壓供汽量這3 個變量中，選取固定參數以研究冷再供中壓、冷再供低壓方式的能耗特性變化規律。如圖6（a）所示，固定發電功率和中壓供汽量條件下，?效率隨低壓供汽量的增加而增加，燃料利用系數隨低壓供汽量的增加整體呈上升趨勢：這是因為在此時的電負荷下，冷再供中壓有一定的節流損失，而用憋壓后的蒸汽減溫減壓去供低壓會造成比較大的能量損失。隨著低壓供汽量的增大，節流損失減小，供熱量增加帶來的熱經濟性可以抵消節流損失，?效率會增加。如圖6（b）所示，固定發電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨中壓供汽量的增加而增加。如圖6（c）所示，固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發電功率的增加而增加，燃料利用系數隨發電功率的增加而降低。

圖6 冷再供中壓、冷再供低壓的能耗特性Fig.6 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and cold reheat steam for LPIS

4 結論

本文對燃煤工業供汽機組運行進行了變工況分析，針對9 種供汽技術方案，研究了不同方案下機組的運行域和能耗特性，得出如下結論。

（1）對于所提出的9 種供汽方式，在發電功率、中壓供汽量、低壓供汽量相同時，燃料利用系數、?效率、?法煤耗率、熱法煤耗率的對比趨勢是一致的。電負荷較低時，最優的供汽方式為冷再供中壓、冷再供低壓方式；電負荷較高時，最優的供汽方式為冷再供中壓、中排供低壓方式。

（2）對于冷再供中壓、中排供低壓方式，在固定發電功率和中壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨低壓供汽量的增加而增加；在固定發電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨中壓供汽量的增加而增加；在固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發電功率的增加而增加，燃料利用系數呈降低趨勢。

（3）對于冷再供中壓、冷再供低壓方式，在固定發電功率和中壓供汽量條件下，?效率隨低壓供汽量的增加而增加，燃料利用系數隨低壓供汽量的增加整體呈上升趨勢；在固定發電功率和低壓供汽量條件下，燃料利用系數與?效率隨中壓供汽量的增加而增加；在固定中壓供汽量和低壓供汽量條件下，?效率隨發電功率的增加而增加，燃料利用系數隨發電功率的增加而降低。