空冷供熱機組滑壓優(yōu)化計算研究

　　要：利用Ebsilon軟件，對某300 MW供熱空冷機組進(jìn)行滑壓優(yōu)化模擬計算，提出基于主蒸汽流量的滑壓優(yōu)化曲線，在空冷供熱機組背壓或供熱量發(fā)生較大變化時依然可以保證機組的經(jīng)濟運行。研究表明，與主汽壓-功率曲線的滑壓曲線優(yōu)化方法相比，以主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，熱耗降低值可達(dá)13 kJ/(kW·h)。

　　本文源自田嘉， 機械工程師 發(fā)表時間：2021-05-10 《機械工程師》雜志，于1969年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:23-1196/TH，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：機械設(shè)計與計算、機械制造與應(yīng)用、機械維修與診斷等。

　　關(guān)鍵詞：空冷機組;供熱機組;滑壓優(yōu)化

　　0 引言

　　近年來，隨著新能源發(fā)電的沖擊和電力結(jié)構(gòu)的變化，傳統(tǒng)火電機組利用小時數(shù)逐年降低，大容量機組調(diào)峰的時間越來越多，供熱機組也要參與調(diào)峰[1-2]。火電機組在部分電負(fù)荷運行時，通常采用汽輪機滑壓運行方式[3] 。熱電聯(lián)產(chǎn)是實現(xiàn)溫度對口、能量梯級利用的有效途徑，是提高能源利用效率的重要措施之一[4] 。隨著城市采暖及工業(yè)供熱需求日益增長，很多300 MW以上純凝機組進(jìn)行了供熱改造。北方干旱地區(qū)空冷機組裝機容量較大，汽輪機背壓變化量及頻率遠(yuǎn)大于濕冷機組。相比于純凝機組，空冷供熱機組在相同發(fā)電負(fù)荷時，背壓與供熱抽汽量的變化，都會使機組主蒸汽流量發(fā)生變化。若機組仍按純凝工況設(shè)計滑壓曲線運行，則會使汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥偏離經(jīng)濟閥位，影響機組的經(jīng)濟性[5-7]。因此為實現(xiàn)空冷供熱機組節(jié)能降耗，研究空冷供熱機組在供熱工況下的滑壓運行方式意義重大。

　　國內(nèi)學(xué)者針對火電機組滑壓運行進(jìn)行了大量研究[8-11]。李俊等[12]提出“寬度滑壓優(yōu)化”的概念，通過不同負(fù)荷、不同運行方式下的滑壓比對試驗，發(fā)現(xiàn)高壓缸效率、高排汽溫等指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律，確定調(diào)峰范圍內(nèi)最優(yōu)的機組運行方式。文樂等[13]分析了汽輪機的配汽方式與定滑壓曲線的優(yōu)化條件，闡述了機組深度調(diào)峰下的定滑壓曲線優(yōu)化試驗原則。趙家毅等[14]針對電廠機組滑壓曲線隨著外界條件變化產(chǎn)生偏移的問題，結(jié)合汽輪機的變工況理論，提出了一種以調(diào)節(jié)級壓力為自變量的滑壓曲線。陳紹龍等[15]通過作圖法推理獲得了滑壓設(shè)定值與凝汽器背壓及機組負(fù)荷之間的二元函數(shù)表達(dá)式，提出了基于背壓和最佳閥位控制的滑壓曲線實時優(yōu)化。

　　由于傳統(tǒng)優(yōu)化運行技術(shù)無法兼顧供熱條件下的機組節(jié)能，因此，與純凝工況相比，供熱工況下火電機組的節(jié)能潛力巨大。本文以某300 MW空冷供熱機組為例，充分考慮其供熱工況和純凝工況，提出一種同時適用于供熱工況和純凝工況的滑壓優(yōu)化曲線，以指導(dǎo)空冷供熱機組供熱工況和純凝工況下部分負(fù)荷的滑壓運行。

　　1 分析方法

　　本文利用Ebsilon軟件對某NCK300 -16.7/0.40/537/ 537空冷供熱汽輪機變工況進(jìn)行模擬分析。系統(tǒng)模擬流程圖如圖1所示，機組額定背壓為16 kPa，共有6個高調(diào)閥，隨著負(fù)荷的提高，1號、2號和3號閥一同開啟，然后依次開啟4號、5號和6號閥門。該模型的搭建依據(jù)為機組熱VWO、 THA、75% THA、50% THA、40% THA、30% THA工況平衡圖，以及閥門面積比例、排汽損失曲線等相關(guān)參數(shù)。通過與熱平衡圖中的不同工況下的熱耗進(jìn)行對比，誤差小于 0.06%，滿足工程需求。

　　2 滑壓優(yōu)化原理及分析

　　2.1 滑壓優(yōu)化原理

　　由圖2可知，主蒸汽壓力與機組熱耗密切相關(guān)：1)相同負(fù)荷下，由于節(jié)流損失的存在，機組熱耗將會隨著主汽壓力的升高呈“波浪”變化。2)相同負(fù)荷下，熱耗的最低點一般出現(xiàn)在某一閥點附近，如圖2(a)所示，這主要是由于閥點處節(jié)流損失最小。3)相同負(fù)荷下，熱耗的最低點偶爾也出現(xiàn)在兩閥點之間，如圖2(b)所示，這是該點處節(jié)流損失造成的影響被機組吸熱量減少和汽輪機級效率增加抵消所致。

　　滑壓曲線優(yōu) 化 的 原 理是：為找到一條適合機組運行的主蒸汽壓力曲線，在保證機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上，可使其始終處于經(jīng)濟運行狀態(tài)。目前常規(guī)的滑壓曲線 優(yōu) 化 做 法是：在純凝工況下進(jìn)行熱耗對比試驗后，將最優(yōu)主蒸汽壓力與負(fù)荷直接聯(lián)系起來，形成一條主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線，并輸入DCS中實現(xiàn)自動控制。該方法由于忽略了背壓和供熱對優(yōu)化結(jié)果的影響，在實際運用中存在一定的誤差。

　　2.2 空冷供熱機組滑壓曲線影響因素

　　2.2.1 背壓

　　由圖3可知，保持機組電負(fù)荷不變，背壓的增加不但會增加熱耗，還會使得主汽壓力與熱耗的關(guān)系曲線發(fā)生 “橫向偏移”。若背壓變化10 kPa，最經(jīng)濟的主汽壓值將會變化約0.5 MPa。若按照傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線來進(jìn)行控制，無論背壓如何變化，只要負(fù)荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時會導(dǎo)致機組經(jīng)濟性下降。

　　2.2.2 供熱量

　　由圖4可知，保持機組電負(fù)荷不變，按照“好處歸熱法”[16]，供熱量的增加不但會增加熱耗，也會使得主汽壓力與熱耗的關(guān)系曲線發(fā)生“橫向偏移”。若供熱量增加 100 t/h，最經(jīng)濟的主汽壓值將會變化約1 MPa。若按照傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線來進(jìn)行控制，無論供熱量如何變化，只要負(fù)荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時亦會造成機組經(jīng)濟性下降。

　　2.3 以流量為基準(zhǔn)進(jìn)行滑壓曲線優(yōu)化的意義

　　由圖5可知，在某一相同閥點下，背壓和供熱量的變化會使得主汽壓與功率的關(guān)系曲線發(fā)生較大變化，但主汽壓與主蒸汽流量曲線始終處于重合狀態(tài)，即主蒸汽流量與主汽壓始終是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此，若已知某負(fù)荷下機組的最佳閥點，可以將該最佳閥點處的主蒸汽流量和主蒸汽壓力聯(lián)系在一起，形成主蒸汽壓力-主蒸汽流量曲線，即使背壓和供熱量發(fā)生變化也能保證機組的最佳經(jīng)濟運行。

　　3 結(jié)果及討論

　　3.1 優(yōu)化結(jié)果

　　在額 定 背壓、純凝工況下進(jìn)行滑壓曲線優(yōu)化，各閥點下機組經(jīng)濟性能如表1所示，優(yōu)化 結(jié) 果 如 圖 6 所 示。機組在 120~180 MW之間，機組保持3 閥 點 運 行 ;在 180~240 MW之間，逐步由3閥點轉(zhuǎn)向4閥點;在 240.0 ~278.5 MW之間，機組保 持 4 閥 點 運行;在278.5~330.0 MW之間,由4閥點向5閥點過渡，保持主蒸汽壓力為額定的16.7 MPa。圖6(a)、圖6(b)對應(yīng)的都是在額定背壓、純凝工況下同一個優(yōu)化結(jié)果，但圖6(a)采用本文提出的主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線來實施，圖6(b)采用傳統(tǒng)的主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線來實施。

　　3.2 優(yōu)化結(jié)果對比

　　按照優(yōu)化結(jié)果，在背壓和供熱量變化時，分別以主汽壓-功率曲線和主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，所對應(yīng)的熱耗差值為節(jié)能量。在150 MW 電負(fù)荷下背壓和供熱量變化時的節(jié)能量如圖7所示。由圖 7可知，與主汽壓-功率曲線的滑壓曲線優(yōu)化方法相比，以主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，熱耗降低值可達(dá)13 kJ/(kW·h)。

　　4 結(jié)論

　　本文通過對某300 MW空冷供熱機組的滑壓優(yōu)化模擬計算分析，得出以下結(jié)論：1)本文驗證了運用Ebsilon軟件并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑壓曲線優(yōu)化的可行性;2) 傳統(tǒng)的以主蒸汽壓力-負(fù)荷曲線進(jìn)行滑壓曲線優(yōu)化的方法，在背壓或供熱量發(fā)生較大變化時存在一定的節(jié)能潛力;3)本文提出的以主蒸汽壓力-主蒸汽流量曲線進(jìn)行滑壓曲線優(yōu)化的方法，在背壓或供熱量發(fā)生較大變化時依然可以保證機組的經(jīng)濟運行;4)與傳統(tǒng)的主汽壓-功率曲線的滑壓曲線優(yōu)化方法相比，以主汽壓-主蒸汽流量曲線來指導(dǎo)主汽壓力值，熱耗降低量可達(dá)13 kJ/(kW·h)。