燃氣-蒸汽聯合循環機組靈活性研究

摘 要：針對某聯合循環機組熱電解耦、深度調峰能力差的問題進行分析，基于EBSILON軟件建立聯合循環機組模型，對比不同運行方式下的供熱能力和機組負荷率。結果表明，采用高低壓旁路聯合供熱，可提高機組在供熱工況下的調峰能力和低負荷運行的供熱能力，實現機組熱電解耦。根據機組特性制定了供熱運行策略，為機組的熱電解耦運行提供了建議。

關鍵詞：聯合循環;熱電解耦;靈活性;旁路供熱

中圖分類號：TM621" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）04-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.04.018

0" " 引言

火電機組供熱改造是電力新常態下火電能源結構調整的重要方向，具有節能減排、改善企業生存環境等優勢[1]。隨著供熱負荷的需求不斷增加，電網對機組中低負荷率下的供熱能力提出了更高要求，必須提高供熱機組的熱電解耦運行能力，要求機組保障供熱能力的同時，最大程度提高機組的寬幅調峰能力[2-3]。

汽機系統改造主要圍繞如何在熱電解耦階段（機組低負荷運行）滿足采暖熱負荷需求進行。在熱電解耦階段，機組參與調峰，此時采暖抽汽量減少，尤其是在外界熱負荷需求大時，將難以滿足熱負荷需求[4]。高低壓旁路供熱使部分蒸汽減溫減壓后從旁路為熱網加熱器提供熱源，降低蒸汽做功份額，從而提高機組在低負荷下的供熱能力和深度調峰能力，實現熱電解耦[5-6]，其具有熱電解耦能力強、改造投資小、運行調整靈活等優勢。本文以某聯合循環機組為對象，通過對比不同運行方式下的供熱量和機組負荷率，研究高低壓旁路聯合供熱改造前后聯合循環機組的熱電解耦特性及調峰和供熱能力，并制定了供熱運行策略，為調峰運行提供指導。

1" " 機組熱電解耦特性

某廠“二拖一”機組包括兩臺9FB型燃機組成的燃氣輪機發電機組、兩臺余熱鍋爐和一臺蒸汽輪機發電供熱機組，“二拖一”整機功率921 MW，汽機功率320 MW。該機型為三壓、再熱、雙缸、向下排汽、燃氣-蒸汽聯合循環用凝汽式汽輪機。蒸汽輪機高中壓缸和低壓缸之間通過SSS離合器連接，冬季供熱工況熱負荷需求較大時，汽機低壓缸解列，高中壓缸按照背壓方式運行，其排汽及余熱鍋爐低壓主汽全部用于熱網加熱器供熱。非供熱工況或熱負荷需求較低時，高中壓缸和低壓缸通過SSS離合器連成一個軸，實現純凝、抽凝運行。

圖1為“二拖一”聯合循環機組供熱負荷與發電出力關系曲線，其中藍色為“二拖一”機組抽凝運行方式的實際運行數據，紫色為“二拖一”機組背壓運行方式的實際數據。

從圖1可以看出，機組實際運行的調峰曲線與設計值存在一定的偏差，主要體現在幾個方面：一是“二拖一”抽凝運行工況機組最大發電出力較設計值偏小;二是“二拖一”抽凝運行時，機組冬季上報了最小運行方式（不低于500 MW），與設計工況存在一定偏差。

根據測算，該廠全年供熱負荷峰值達881.9 MW，達全廠最大供熱能力的93.8%，對應的發電負荷為968 MW，達全廠最大發電負荷的82%。可見，當前機組在供熱尖峰期背壓運行，機組無深度調峰能力。

2" " 旁路供熱方案

本文采用高低旁聯合供熱，熱力系統圖如圖2所示。主蒸汽經原有高壓旁路系統進入冷再熱蒸汽管道，再經過再熱器進入再熱蒸汽管道。再熱蒸汽一小部分進入汽輪機中壓缸，滿足汽輪機最小進汽量的要求，其余再熱蒸汽經低壓旁路閥減溫減壓后為熱網加熱器提供熱源。以此實現燃機及余熱鍋爐相對機側高負荷運行，機組低負荷階段熱電解耦，并提高機組供熱能力。

汽輪機高、低壓旁路閥抽汽供熱改造方案的供熱能力不僅受高、中壓旁路容量影響，還受到汽輪機組再熱蒸汽管道通流能力、軸向推力和高壓缸末級葉片強度等因素的限制。該廠“二拖一”汽輪機組高、中、低壓旁路為100%容量，故旁路容量對供熱抽汽量無限制。此外，由于汽輪機無回熱抽汽且具有中壓、低壓補汽，故汽輪機再熱蒸汽管道通流能力可滿足高低壓旁路聯合運行需求。在保障高壓旁路蒸汽流量+高旁減溫水流量=低壓旁路蒸汽流量的前提下，汽輪機軸向推力平衡也可得到保證。

3" " 供熱能力核算

通過熱力系統仿真軟件EBSILON建立了“二拖一”聯合循環仿真模型，包括1、2號燃氣輪機及余熱鍋爐，3號汽輪機，如圖3所示。下面主要計算100%性能保證工況、75%性能保證工況、50%性能保證工況及30%性能保證工況下機組的熱力性能。

在原有“二拖一”機組100%、75%、50%、30%負荷純凝工況的基礎上，進行高旁抽汽供熱熱力計算，抽汽量確定的基本原則是主蒸汽減壓減溫至再熱冷段后的二次蒸汽量（主蒸汽量加上減溫水量）等于由再熱熱段抽出的至低壓減壓減溫裝置的蒸汽量，同時中排蒸汽全部進入熱網加熱器進行供熱。

通過計算可知，旁路供熱改造前，1、2號燃機有功功率300.89 MW，3號機有功功率324 MW，此時汽機負荷率100%，“二拖一”總負荷率100%。當高旁抽走蒸汽量為200 t/h時，汽機負荷降為116 MW，負荷率降為36%，“二拖一”總負荷降為716 MW，負荷率降為78%，此時可供出熱量694 MW。當采用原有背壓機供熱工況時，汽機負荷降為155.5 MW，汽機負荷率降為48.6%，“二拖一”總負荷率降為82%，此時可供出熱量614 MW。

其他典型工況模擬結果如表1所示，可以看出，在進行旁路供熱改造前，機組背壓運行方式可在機組發電出力一定的情況下，最大地釋放供熱能力。在進行旁路供熱改造后，機組的供熱能力得到進一步提升，同時機組熱電解耦能力得到充分體現。

圖4為在100%、75%、50%、30%性能保證工況下，采用旁路供熱與背壓供熱相比，汽輪機負荷率的變化情況，從圖中可以看出，在背壓供熱的基礎上，旁路供熱時汽機負荷率可進一步降低，降幅可達8%～16%。

圖5為在100%、75%、50%、30%性能保證工況下，采用旁路供熱與背壓供熱相比，聯合循環負荷率的變化情況，從圖中可以看出，在背壓供熱的基礎上，旁路供熱時整個聯合循環負荷率可進一步降低，降幅最大為5%。

圖6為旁路供熱與背壓供熱的供熱能力比較。如圖所示，采用旁路供熱后，機組的供熱能力有了大幅提升，可增加供熱量30～80 MW。若折算成電負荷變化，旁路供熱可得到更多的電負荷下降，聯合循環機組熱電解耦能力進一步提升。

綜上所述，汽輪機高低壓旁路改造能顯著提高低負荷的供熱能力，實現聯合循環機組熱電解耦，提升供熱工況靈活性。根據機組特點和運行方式，制定以下冬季供熱工況運行策略：供熱初期，在汽輪機抽汽量可滿足熱負荷需要且有余量的情況下，汽輪機采用抽凝方式運行;供熱中期，熱負荷增大，采用低壓缸解列，高中壓缸背壓運行，其排汽及低壓主汽全部用于加熱熱網加熱器;供熱尖峰期，采用高低壓旁路聯合供熱，在保證尖峰供熱的同時，提高調峰能力。

4" " 結束語

本文基于歷史運行數據，分析了聯合循環機組熱電解耦提升靈活性的必要性。基于EBSILON軟件對聯合循環機組進行仿真建模，對比背壓供熱與高低壓旁路聯合供熱兩種運行方式，結果表明，高低壓旁路聯合供熱在背壓供熱的基礎上，可提高供熱能力30～80 MW，降低5%機組出力，大幅提高機組在供熱工況下的調峰能力，實現機組低負荷階段熱電解耦，提高機組供熱能力。最后，根據機組解耦特性制定了供熱工況的運行策略，可為機組調峰運行提供建議。

[參考文獻]

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收稿日期：2023-10-12

作者簡介：劉寶民（1976—），男，北京人，工程師，研究方向：電力生產運營與設備狀態監測。