基于330MW 供熱機組儲熱罐選型方案研究

王金楹，曹 偉，楊一盈,2，董 錚

（1.河北建投能源科學技術研究院有限公司，河北 石家莊 050051；2.河北省火力發電清潔高效熱電聯產技術創新中心，河北 石家莊 050051）

火電行業是煤炭消耗的主要行業之一，是國家節能減排降耗主要管控行業，“十一五”“十二五”“十三五”期間，火電行業依照國家要求和部署，加快實施煤電節能降耗改造升級，火電機組發電煤耗，供電煤耗持續減少，促進火電行業節能環保轉型，助力實現全國碳中和、碳達峰目標。《全國煤電機組改造升級實施方案》中提出加快布置火電機組靈活性改造、靈活性制造，采暖熱電機組在供熱運行要力爭實現單日6 h 最小發電出力，達到40%額定負荷的調峰能力。儲熱罐技術是火電機組“三改聯動”工作中熱電解耦方面重要研究方向之一。在采暖熱電機組實現應有的調峰能力，且滿足外網供熱需求的前提下，結合運行策略，合理配置儲熱罐容量，以有效降低熱電解耦改造投資，對于儲熱罐技術推廣應用具有重要意義[1,2]。

金國強[3]等人根據某330 MW 供熱機組運行參數對比，計算了加入儲熱罐前后機組供熱安全區，并根據供熱機組分析了儲熱罐改造對機組熱電解耦能力和調峰能力的影響特性。劉依暢[4]等人為緩解東北地區某300 MW 供熱機組在冬季供暖期間的調峰壓力，提出為機組配置儲熱罐輔助供熱的方案，并分析了改造后機組熱電解耦能力和污染物排放情況，發現改造后機組經濟性有所提高，每個采暖期減少標煤燃燒量2.341 萬t，減排CO26.087 萬t。李咸善[5]將電鍋爐和儲熱罐等設備與傳統熱力電站耦合，提出基于機組熱源和儲熱罐協同調節的運行策略，通過配置調整儲熱罐容積及其結構參數，得出儲熱罐最佳進出口管徑，使儲熱罐具有較為理想的溫度分層，并通過仿真進一步證明了該方法的實用性和有效性。曹麗華[6]針對“風熱沖突”下儲熱罐的容量選擇問題，基于儲熱罐耦合供熱電站系統建立逐時運行模型，以機組調峰空間，年收益和10 年凈現值最大為目標，尋找儲熱罐最佳容量值。結果顯示不考慮初投資時，以全年總收益為目標的儲熱罐最優容量約為820 MW；考慮初投資后，儲熱罐最優容量約為430 MW。王耀函[7]引入“抽汽-負荷增益系數”，對儲熱罐流量和供熱機組的調峰深度進行定值約束，通過研究供熱機組抽汽流量與機組負荷之間的關系，得出增益系數能夠精確計算機組變工況運行參數變化，為機組和儲熱罐的安全與靈活運行提供了有力的指引。王智等人[8]依據某330 MW 供熱機組實際數據建立了配置儲熱罐后的供熱機組的幾何模型和數學模型，通過熱負荷迭代計算抽氣流量，得出儲熱裝置最大儲熱量和最大放熱量的影響因素，為機組低負荷改造提供數據支撐。

本文針對某330 MW 供熱機組深調期供熱能力不足的問題，探討了該機組在非深調期配置儲熱罐儲熱，深調期儲熱罐輔助供熱的可行性，并提出了一種儲熱罐容積配置的計算方法。基于機組的供暖深寒期熱負荷數據，分析了用戶熱負荷、儲熱罐的容量、儲熱時間及儲熱抽汽量之間的關系。

一、儲熱罐容量理論設計

1.儲熱罐容量選取方法

在熱網及附屬系統中吸熱、放熱量：

其中：Q—儲熱量，kJ；

CP—比熱，J/(kg·K)；

m—介質質量流量，kg/h；

T1—供水溫度，℃；

T2—回水溫度，℃。

儲熱罐儲水量：

其中：VS—儲熱罐設計容量，m3；

QS—儲熱罐設計儲熱量，kJ；

ρ-儲熱水密度，kg/m3。

2.判斷儲熱罐方案是否適用

熱網每日所需熱量包含非深調時間18 h 和深調時間6 h，根據往年熱網供熱統計數據可知日均熱網供熱總量為：

其中：Qd—日均供熱總量，kJ；

Q1—非深調期供熱量，kJ；

Q2—深調期供熱量，kJ。

當Qd＞Qn可選取儲熱罐技術，其中，Qn—用戶所需供熱量，kJ。

3.獲取儲熱罐初步設計容量

根據用戶所需供熱量在每日深調期的熱量總值作為儲熱罐所需熱量：

獲得儲熱罐初步設計容量：

（1）根據初步設計的儲熱罐供、回水溫度作為特征變量，提升儲熱罐儲熱單位體積儲能上限，即采取提高儲熱罐供水溫度，回水溫度保持不變的策略；

ΔT—提高的儲熱罐供水溫度，℃；

（2）選取熱網儲熱策略，即提升熱網儲能上限：熱網供水溫度采用與提升后的儲熱罐供水溫度相同，回水溫度保持不變的策略增加熱網儲熱量。

其中：ΔQ'—熱網提升后的增加的供熱量，kJ。

4.核減儲熱罐容量

采用2.3 的策略后，將增量部分在設計儲熱罐中核減，即得到最終儲熱罐容量

其中：Q儲—儲熱罐設計儲熱量，kJ。

其中：V儲—儲熱罐設計容量，kJ。

采用核減熱網儲熱量后，得到儲熱罐的設計容量V儲，得到儲熱罐減小部分的容量。

其中：ΔV—儲熱罐核減容量，m3。

二、機組供熱能力情況分析

某330 MW 機組采用五段抽汽供熱，額定采暖抽汽壓力0.55 MPa，抽汽溫度277.3℃，額定抽汽量400 t/h，最大采暖抽汽量625 t/h。抽汽工況下低壓缸最小進汽壓力0.091 MPa，最小冷卻流量132.3 t/h。

表1 某330 MW 機組汽輪機主要技術參數

機組不同負荷情況下最大供熱抽汽量如圖1 所示。

圖1 某330 MW 機組供熱最大出力情況

如圖1 所知，機組在深調40%電負荷（132 MW）工況下，機組最大供熱抽汽量為336.11 t，60%電負荷機組最大供熱抽氣量為534.38 t/h，85%電負荷機組最大供熱抽汽量為366.38 t/h，單機最大抽汽量達600.15 t/h。整個采暖期，機組熱負荷趨勢先增加再減少。采暖期初期，機組熱負荷較小，夜間機組深調時供熱能力能夠滿足熱用戶需求，無需啟動儲熱罐就能保證深度調峰和供暖需求。在深寒期，用戶熱負荷需求逐漸增加，夜間深調時機組供熱能力逐漸不足，需啟動儲熱罐輔助供熱。

以深寒期某一天電廠實際供熱數據為例，用戶熱負荷情況如圖2 所示。

圖2 機組深寒期供熱圖

如圖2 所示，儲熱罐設置在乏汽加熱器和熱網加熱器之間，機組深寒期全天6 h 深調負荷（40%額定電負荷）+18 h 非深調負荷（60%額定電負荷）運行情況下，非深調時間內，機組供熱能力足以滿足熱用戶需求，此時進行儲熱罐儲熱，在深調時間內，機組供熱能力不足以滿足熱用戶需求，儲熱罐釋熱，以滿足熱用戶需求。

在進行儲熱罐熱量計算過程，保持乏汽加熱器出口溫度不變為85℃，熱網水流量8 000 t，逐漸提高熱網供水溫度，熱網熱負荷量、儲熱罐容量、儲熱時間、儲熱所需抽汽量變化如圖3、4 所示：

圖3 熱負荷和儲熱抽汽量隨供水溫度變化圖

如圖3 所示，隨著熱網供水溫度的升高，非深調期機組儲熱抽汽量隨之降低，用戶熱負荷需求量逐漸增高，因為當機組在深調期時，隨著熱負荷的增加，供熱溫度不變，機組供熱流量逐漸減少。機組需要分流更多的抽氣優先滿足熱負荷需求，導致儲熱抽汽量減少。

如圖4 所示，隨著熱網供水溫度的升高，用戶熱負荷需求增加，深調期供熱抽氣流量不變，導致供熱流量減少，儲熱罐容量逐漸增加，且非深調期儲熱抽汽量減少，最終導致儲熱罐儲熱時間增加，且從圖中可以看到，當供水溫度升高至114℃時，儲熱時間為24.28 h，已經超過非深調時間18 h，機組供熱能力受到限制。

圖4 儲熱罐容量和儲熱時間隨供水溫度變化圖

三、結論

本文基于某330 MW 供熱機組深調期供熱能力不足的問題，提出在非深調期配置儲熱罐儲熱，深調期儲熱罐放熱輔助供暖的解決方案，從而提高機組供熱效率和可靠性，滿足用戶熱需求，進一步提出儲熱罐容積配置的計算方法。依據某330 MW 供熱機組實際供熱情況進行理論計算，得到如下結論：

（1）基于某330 MW 供熱機組在供暖深寒期的熱負荷數據，通過協調抽氣儲熱策略計算了儲熱罐的容量、儲熱時間和儲熱抽汽量。結果顯示，隨著熱用戶熱負荷需求的增加，機組的儲熱罐容量逐漸增加，而儲熱抽氣量則逐漸減少。這意味著為了滿足更高的熱負荷需求，需要更大的儲熱罐容量。此外，儲熱時間也逐漸增加，當供熱溫度提高至114℃時，儲熱時間超出了非深調時間（16 h），機組供熱能力受到限制。

（2）某330 MW 供熱機組深度調峰低負荷運行時，通過在非深調時間進行儲熱罐儲熱，以滿足熱負荷增加的需求，在技術上是可行的，本文提出的儲熱罐容量計算方法對供熱機組儲熱罐容量選擇具有指導意義。