基于能耗特性分析的双抽燃煤机组供汽优化

彭 烁，蔡国忠，黄旭鹏，蔡 纯，张泽雄，陈明光

（1.中国华能集团清洁能源技术研究院，北京 102209；2.华能汕头海门发电有限责任公司，广东 汕头 515132）

0 引言

当前，工业企业正向“集约化、大型化、规模化、一体化”的方向发展，针对化工、纺织等工业企业集中建设工业园区已成为城市发展的必然趋势[1-2]。传统的用热企业以自建的小型锅炉为主要供热设备，其运行参数不稳定，供热效率低下，所生产的蒸汽价格偏高，生产过程中对环境造成严重的污染。集中式供热系统的使用，不仅可以降低企业用户使用蒸汽的成本[3-4]，提高供热可靠性，更有利于保护园区内的环境。利用集中式供热系统供热，已成为现代工业园区中企业用热的主要方式[5]。

工业园区的快速发展以及热负荷需求的增长，对供热机组运行经济性的影响日益显著[6]。供热机组选择合理的供汽方式有利于机组的节能降耗。

随着工业的现代化，发电厂进行工业供热改造是必然趋势[7-8]。关于工业供热优化改造已有很多研究。文献[9]研究了高参数蒸汽驱动小汽机供热方式。该方式优于原有的高参数蒸汽直接减温减压运行方式，考虑过热度回收后，供热㶲损可降低14.47 GJ/h。文献[10]对比了中排抽汽和高排抽汽2 种方式的经济性，发现两者之间存在经济效益最佳的临界抽汽量点。在该点运行时的经济性高于临界值选择中排抽汽工况。文献[11]分析了减温减压器、压力匹配器和背压机排汽3 种供热方案的经济性，发现背压机排汽为最佳供汽方案。文献[12]介绍了高压和中压工业供汽典型的供热方式。文献[13]针对采用3 段供热抽汽的机组提出了节能改造方案：用冷再蒸汽与热再蒸汽另加外置蒸汽冷却器后，利用掺混汽去供热，以减少高品位能的损失。该方案节能效果良好。

传统供热机组的研究优化目标多是针对单抽机组[14]，关于双抽机组的优化研究则比较少，且对汽源点的优化考虑不全面。

考虑供热机组占火电机组装机容量比重的增加，供热热网中的热用户负荷种类随热用户工艺生产进步而多样化的实际情况，为满足园区工业用汽需求，本文对某1 GW 燃煤工业供汽机组变工况运行特性进行了分析，提出了9 种供汽技术方案；研究了不同技术方案下机组的运行域和能耗特性，以寻找最优的运行方式。

1 工业蒸汽供热系统

供汽系统结构如图1 所示。

图1 供热系统结构Fig.1 Heating system structure

厂外热用户所需蒸汽分为低压蒸汽和中压蒸汽2 类。从抽汽口位置看：中压供汽汽源包括冷再抽汽、热再抽汽和主蒸汽减温减压后供汽；低压供汽汽源包括冷再抽汽、热再抽汽和中排抽汽。机组实现2 个等级的工业供汽，包括9 个技术路线，如表1 所示。

表1 机组的供汽技术路线Tab.1 Steam supply technical route of the unit

2 数学模型

2.1 供热机组计算模型

供热系统主要的热力设备包括汽轮机、凝汽器和各级回热加热器。供热系统的变工况是指系统的工况发生变动，偏离设计工况或某个基准工况。变工况的计算通常以某一个基准工况为基础。若考虑采用从定功率（定流量）角度进行变工况计算，则首先要假定新蒸汽量（发电功率）、各级抽汽份额以及供热份额，然后计算变工况后各级组通流量，再利用弗留格尔公式计算各级抽汽压力、各级抽汽焓值、各级回热加热器的进出口参数，并以此计算出新的各级抽汽量以及新蒸汽量（发电功率）。如此反复迭代，直到前后2 次迭代计算的蒸汽量的偏差小于控制误差为止。

若调整抽汽并对外供汽，则机组蒸汽通流量及通流面积发生相应改变。为适应弗留格尔公式的计算要求，供热机组热系统变工况的计算将以供热抽汽口划界：将汽轮机分为2 个或3 个区段，在各区段分别使用弗留格尔公式。

弗留格尔公式是供热机组变工况特性分析的理论基础。该公式反映了流量与级组前后参数的关系：

式中：G表示通过级组的蒸汽流量；P表示级组前后的蒸汽压力；T表示级组前蒸汽的温度；下标数字“1”和“2”代表的含义分别为“级组前”和“级组后”，下标数字“0”表示基准工况，无下标数字“0”则表示变化后的工况。

温度项T1,0/T在参考工况和变工况条件下差异较小，因此假设为1。此时公式可以重写为：

为简化计算，假设各级回热加热器的上下端差与凝汽器真空值均不变。

2.2 电热特性

电热特性描述了汽轮机进汽量、中压供汽量、低压供汽量以及发电功率之间的关系。双抽机组的工况图，划定了机组的可运行范围，是分析机组灵活性的重要指标，可以给电厂运行提供参考。本文双抽供热机组的能耗分析建立在电热特性分析基础之上。

2.3 能耗分析指标

为了表征热电联产系统的热经济性，可用传统的方法确定供热机组全厂指标及各分项指标。全厂指标，包括燃料利用系数和㶲效率。将燃料消耗量按照一定的方法划分给发电及供热，即可分别计算出各分项指标。

本文采用的分项指标为发电标准煤耗率，分别采用热量法和㶲分摊法计算。

（1）燃料利用系数

燃料利用系数为输出电、热2 种产品的总能量与输入能量之比。

机组热耗：

热电厂总热耗量：

热电厂供热量：

热电厂的燃料利用系数为：

式中：Q0、Qtp、Qh分别为机组热耗、热电厂总热耗量、热电厂供热量，MJ/h；G0、Grh、Gh1、Gh2分别为主蒸汽、再热蒸汽、中压供汽和低压供汽的流量，t/h；Δhrh为再热蒸汽在锅炉中的吸热量，J/g；h0、hfw、hh1、hh2、hbs分别为主蒸汽焓、给水焓、中压供汽焓、低压供汽焓、补水焓，J/g；ηb和ηp分别为锅炉效率和管道效率；ηh,tp为热电厂的燃料利用系数；Pe为机组发电功率，MW。

（2）㶲效率

热电厂的㶲效率：

式中：ηe,tp为热电厂的㶲效率；eh1和eh2分别为中、低压热负荷的㶲，J/g。

（3）热量法发电标准煤耗率（以下简称热法煤耗率）

热量法即“好处归电法”，其思想是将热电联产机组的总热耗量按机组供热量和发电量的比例来分配。该方法是我国目前常用的一种热、电成本分摊法。

分配到供热的热耗量占热电厂总热耗量的比值为热电分摊比，即：

分配给供热方面的热耗量：

分配给发电方面的热耗量：

发电热效率：

热量法发电标准煤耗率：

式中：αk1代表热量法的热电分摊比；Qtp(e),h和Qtp(h),h分别代表总热耗量中通过热量法分配给发电、供热方面的热耗量，MJ/h；ηtp(e),h为通过热量法计算的发电热效率；btp(e),h为通过热量法计算的发电标准煤耗率，g/(kW·h)。

（4）㶲分摊法发电标准煤耗率（以下简称㶲法煤耗率）

㶲分摊法的核心思想是：考虑到热电联产系统工质能量的品位具有差异性，根据热力学第二定律，按热负荷和新蒸汽的㶲比例来分配总热量。热电分摊比通过下式计算：

分配给供热方面的热耗量：

分配给发电方面的热耗量：

发电热效率：

㶲分摊法发电标准煤耗率：

式中：αk2代表㶲分摊法的热电分摊比；Qtp(e),e和Qtp(h),e分别代表总热耗量中通过㶲分摊法分配给发电、供热方面的热耗量，MJ/h；ηtp(e),e为通过㶲分摊法计算的发电热效率；btp(e),e为通过㶲分摊法计算的发电标准煤耗率，g/(kW·h)。

3 案例分析

本文以某燃煤热电联产机组为例，研究：当机组负荷及供热抽汽量等因素变化时，机组能耗特性的变化规律，进而获得最优的供汽方式。

3.1 机组参数

参考机组为某1 GW 超超临界燃煤汽轮发电机组。汽轮机：单轴、4 缸、4 排汽、一次中间再热、凝汽式汽轮机。锅炉：π 型结构、变压直流锅炉，回热加热器为“三高、四低、一除氧”。

表2 示出了该机组的主要技术参数。该机组的变工况计算以THA 工况为基准工况。

表2 机组的主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of the unit

为了满足用户对中、低压蒸汽参数的要求，且考虑供汽距离和一定的过热度，设定：热电厂中压供汽参数值要达到压力 2.9 MPa、温度320 ℃；低压蒸汽参数要达到压力0.8 MPa、温度230 ℃。

3.2 双抽机组电热特性

双抽供热机组的工况图如图2（a）所示。上象限中绘出了汽轮机低压工业蒸汽量为0 时的工况图，下象限中绘出了汽轮机低压工业蒸汽量不为0 时的工况图。图2（b）显示了9 种供汽方式的中压工业蒸汽量、低压工业蒸汽量以及与发电功率之间的耦合关系对比。从图中可以看出，“主汽+热再”方式的中压供汽量和低压供汽量的调节范围最大，而“冷再+冷再” 方式的调节范围相对最小。

图2 机组电热特性对比Fig.2 Comparison of power-heat characteristics of the unit

3.3 双抽机组能耗特性对比

当中、低压供汽热负荷较小时，不同技术方案的电热特性差别不大。本节将在综合能耗分析计算的基础上，选出最优的供汽方案。

3.3.1 燃 料利用系数与 㶲效率

本节对比了这9 种供汽方式在3 个典型工况点。工况一：Pe=500 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=150 t/h。工况二：Pe=600 MW，Gh1=150 t/h，Gh2=200 t/h。工况三：Pe=800 MW、Gh1=200 t/h、Gh2=200 t/h。各工况的燃料利用系数与㶲效率如图3 所示。当发电功率较小时，“冷再+冷再”方式的燃料利用系数和㶲效率最大，其次是“冷再+热再”方式；当发电功率较大时，“冷再+中排”方式的燃料利用系数和㶲效率最大，其次是“热再+中排”方式。在工况一时，“冷再+冷再”方式的燃料利用系数和㶲效率相较于“冷再+热再”方式分别提高0.36%和0.37%；在工况三时，“冷再+中排”方式的燃料利用系数和㶲效率相对于“热再+中排”方式分别提高0.32%和0.33%。表3 总结了不同供汽方式的燃料利用系数与㶲效率特性。

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

图3 各工况燃料利用系数与㶲效率对比Fig.3 Comparison of fuel utilization coefficient and exergy efficiency in different working conditions

3.3.2 发电标准煤耗率

对比9 种供汽方式在3 个典型工况点的热法煤耗率与㶲法煤耗率，结果如图4 所示。

图4 不同供汽方式发电标准煤耗率对比Fig.4 Comparison of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

当发电功率较小时，“冷再+冷再”方式的热法煤耗率和㶲法煤耗率最小，其次是“冷再+热再”方式；当发电功率较大时，“冷再+中排”方式的热法煤耗率和㶲法煤耗率最小，其次是“热再+中排”方式。热法煤耗率和㶲法煤耗率的变化趋势与燃料利用系数和㶲效率一致。在工况一时，“冷再+冷再”方式的热法煤耗率和㶲法煤耗率相对于“冷再+热再”方式分别降低1.18 g/(kW·h)和1.20 g/(kW·h)；在工况三时，“冷再+中排”方式的热法煤耗率和㶲法煤耗率相对于“热再+中排”方式分别降低1.01 g/(kW·h)和1.01 g/(kW·h)。

表4 总结了不同供汽方式的发电标准煤耗率特性。

表4 不同供汽方式的发电标准煤耗率特性总结Tab.4 Summary of characteristics of standard coal consumption rate for power generation in different steam supply modes

3.4 冷再供中压、中排供低压分析

在发电功率、中压供汽量、低压供汽量这3 个变量中，选取固定参数研究冷再供中压和中排供低压方式的能耗特性变化规律。如图5（a）所示，固定发电功率和中压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随低压供汽量的增加而增大；如图5（b）所示，固定发电功率和低压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随中压供汽量的增加而增加：随着供热量增加，热电比增加，故机组的燃料利用系数会增加。图5（a）中，低压供汽量很小时，㶲效率的变化曲线有一个拐点，这是因为：低压供汽量从零到有，中排处突然憋压导致了一定的节流损失；随着供汽量增大，冷源损失减小，㶲效率增大。如图5（c）所示，固定中压供汽量和低压供汽量条件下，㶲效率随发电功率的增加而增加，燃料利用系数呈降低趋势。

图5 冷再供中压、中排供低压的能耗特性Fig.5 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and immediate pressure turbine exhaust steam for LPIS

3.5 冷再供中压、冷再供低压分析

在发电功率、中压供汽量、低压供汽量这3 个变量中，选取固定参数以研究冷再供中压、冷再供低压方式的能耗特性变化规律。如图6（a）所示，固定发电功率和中压供汽量条件下，㶲效率随低压供汽量的增加而增加，燃料利用系数随低压供汽量的增加整体呈上升趋势：这是因为在此时的电负荷下，冷再供中压有一定的节流损失，而用憋压后的蒸汽减温减压去供低压会造成比较大的能量损失。随着低压供汽量的增大，节流损失减小，供热量增加带来的热经济性可以抵消节流损失，㶲效率会增加。如图6（b）所示，固定发电功率和低压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随中压供汽量的增加而增加。如图6（c）所示，固定中压供汽量和低压供汽量条件下，㶲效率随发电功率的增加而增加，燃料利用系数随发电功率的增加而降低。

图6 冷再供中压、冷再供低压的能耗特性Fig.6 Energy consumption characteristics of cold reheat steam for IPIS and cold reheat steam for LPIS

4 结论

本文对燃煤工业供汽机组运行进行了变工况分析，针对9 种供汽技术方案，研究了不同方案下机组的运行域和能耗特性，得出如下结论。

（1）对于所提出的9 种供汽方式，在发电功率、中压供汽量、低压供汽量相同时，燃料利用系数、㶲效率、㶲法煤耗率、热法煤耗率的对比趋势是一致的。电负荷较低时，最优的供汽方式为冷再供中压、冷再供低压方式；电负荷较高时，最优的供汽方式为冷再供中压、中排供低压方式。

（2）对于冷再供中压、中排供低压方式，在固定发电功率和中压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随低压供汽量的增加而增加；在固定发电功率和低压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随中压供汽量的增加而增加；在固定中压供汽量和低压供汽量条件下，㶲效率随发电功率的增加而增加，燃料利用系数呈降低趋势。

（3）对于冷再供中压、冷再供低压方式，在固定发电功率和中压供汽量条件下，㶲效率随低压供汽量的增加而增加，燃料利用系数随低压供汽量的增加整体呈上升趋势；在固定发电功率和低压供汽量条件下，燃料利用系数与㶲效率随中压供汽量的增加而增加；在固定中压供汽量和低压供汽量条件下，㶲效率随发电功率的增加而增加，燃料利用系数随发电功率的增加而降低。