山东电网不同类型热电机组供热与调峰性能研究

劳金旭，郑 威，巩志强，祝令凯，商攀峰

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

热电联产机组主要包括调节抽汽凝汽式供热机组（简称抽凝机组）、背压供热机组（包括高背压循环水供热机组、光轴改造［1］机组、纯背压供热机组等）、低压缸零出力供热机组（主要为切缸机组）等。截至2021 年6 月，山东电网直调公用火电机组162 台，额定容量61 045 MW，其中热电机组144 台，额定容量52 055 MW，占比85.27%。热电机组中，按类型划分，抽凝机组、背压机组、切缸机组数量分别为83 台、34 台、27 台，容量占比为71.27%、11.56%、17.16%；按容量等级划分，300 MW 等级以下、300 MW 等级、600 MW 等级、1 000 MW 等级机组数量分别为47台、68 台、21 台、8 台，容 量占比为13.90%、43.45%、26.93%、15.71%。

“碳达峰、碳中和”［2］双碳目标提出后，电力系统作为能源转型的重要环节，发电侧清洁化趋势加快，可再生能源装机容量不断增长；同时山东省能源局下发了《关于做好全省直调公用煤电机组灵活性改造的通知》［3］，通过灵活性改造，提高电力系统调节能力。在可再生能源消纳、城市发展、关停小火电带来的供暖压力下，煤电机组面临供暖与调峰［4-5］的双重考验。

1 供暖趋势与热电机组改造情况

2018—2019年供热季，山东省直调公用燃煤热电机组装机总容量45 150 MW，总供热量158 580 701 GJ，折合供热抽汽流量20 491 t/h，折合供热面积37 922 万m2；2019—2020年供热季，装机总容量47520MW，总供热量167 966 636 GJ，折合供热抽汽流量21 526 t/h，折合供热面积39 837 万m2；2020—2021 年供热季，装机总容量49 910 MW，总供热量190 548 310 GJ，折合供热抽汽流量24 621 t/h，折合供热面积45 567万m2，变化趋势如图1所示。

图1 2018—2021年供热季直调公用火电机组供暖趋势

2018—2019年供热季直调公用燃煤热电机组为133 台，包括102 台抽凝机组、29 台背压机组、1 台切缸机组。2019—2020 年供热季为137 台（8 台背压和切缸机组为抽凝机组改造而来），较上个供热季新增背压机组4台：2台300 MW 等级和2台300 MW 以下等级，新增切缸改造机组4台：3台300 MW 等级和1 台160 MW，新增抽凝机组4台：3台600 MW等级和1台300 MW。2020—2021 年供热季为137 台（12 台背压和切缸机组为抽凝机组改造而来），较上个供暖季新增1 台145 MW 背压机组，停备1 台135 MW 背压机组；新增8 台300 MW 等级和3 台300 MW 等级以下切缸改造机组；新增2 台680 MW、2 台1 000 MW抽凝机组，停备2台350 MW、1台135 MW 抽凝机组。2021—2022年供热季为144台（9台切缸机组为抽凝机组改造而来，剩余机组为纯凝改造），较上个供暖季新增1 台145 MW 背压机组；新增7 台300 MW等级和2 台600 MW 等级切缸改造机组；新投产2 台350 MW 抽凝机组，新增1台315 MW、1台335 MW 抽凝机组。从改造情况来看，背压机组改造趋缓，切缸改造成倍增长。2018—2022 年供热季直调公用机组变化情况如表1所示。

表1 2018—2022年供热季直调公用机组变化情况统计

2 不同类型热电机组性能分析

2.1 抽凝供热机组

抽凝供热机组可以向外界供应一种或多种参数的蒸汽，其压力由调压系统控制，这种机组能在较大范围内同时满足外界热负荷和电负荷的不同要求，运行灵活，因此应用较为广泛。

抽凝机组的供热性能可通过试验法、工况图分析法以及热力计算法三种方法确定。试验法能够准确地反映热电机组的实际供热能力，机组需进行供热季带负荷能力试验［6-8］，但试验工况较多，且受现场条件限制，难以归纳整理。热力计算法是在特定约束条件下对热电机组进行变工况计算，该方法计算过程复杂。工况图法是依据机组设计热电特性曲线而查询得到机组供热能力的方法，该方法较为直观，且容易得到相应结果。

工况图是汽轮机发电有功功率、主汽流量和调节抽汽量在不同组合情况下的关系曲线，以某300 MW 级抽凝机组为例，该抽凝机组的抽汽工况如图2 所示，对工况图进行数字化和维度转换，可得到机组不同抽汽量下的调峰上、下限趋势，如图3 所示，进而可得出抽凝机组调峰上、下限公式计算模型和抽汽量上限公式计算模型，如表2、表3 所示。

表2 某300 MW级抽凝机组机组出力上、下限拟合公式

表3 某300 MW级抽凝机组抽汽量上限拟合公式

图2 典型300 MW级抽凝机组的抽汽工况

图3 不同抽汽量下的调峰上、下限趋势

由表2、表3 可知，选定合适的区间根据公式可得到机组在当前抽汽量下的出力上、下限和当前出力下机组的抽汽量上限。根据机组在不同供热时期内的平均抽汽量和出力情况，代入到计算模型中可得到不同容量抽凝供热机组在供热初、中、末三个时期内平均抽汽量下电负荷调整区间和在50%、75%、100%额定容量下抽汽量上限，如表4、表5所示。

表4 2020—2021年供热季部分机组平均抽汽量下电负荷区间

表5 2020—2021年供热季部分机组抽汽量上限

根据2020—2021 年供暖季数据进行分析，大部分抽凝机组在供热初、中、末三个阶段的平均抽汽量下，60%左右额定负荷运行即可满足供热。在50%额定负荷或最低供热负荷下，300 MW 以下等级机组抽汽量上限在60～175 t/h，300 MW 等级机组在200～350 t/h，600 MW 等级机组在500～600 t/h，1 000 MW等级机组由于经济运行的原因，在供热季供热量很小，抽汽量上限设定也较小。

2.2 背压供热机组

背压供热机组通过去除汽轮机低压缸末几级叶片使得汽轮机排汽压力升高，将全部冷源损失用于供热。一般包括高背压循环水供热机组、光轴改造机组、纯背压供热机组。山东直调公用机组中高背压循环水供热机组一般为300 MW 以下等级或300 MW等级机组改造而来，光轴改造机组只有2 台，纯背压供热机组占比很小，自备电厂配备较多。

高背压供热机组的电负荷由其承担的热负荷决定。热负荷越大，机组所需排汽量越大，对应的主蒸汽量和电负荷也越高。由于山东高背压供热机组在整个供暖季稳定运行，负荷趋势近乎为一条直线，选定不同等级的高背压机组，直接调取某个时段机组负荷、循环水流量、进出口温度等相关数据，可得出这些机组的供热量和折算的抽汽量，如表6所示。

表6 2020—2021年供热季高背压机组运行数据

高背压机组供热季运行负荷一般在50%～75%额定负荷，由于高背压供热机组利用了机组的全部冷源损失，供热能力高于同等级抽凝机组。一般300 MW 等级以下高背压供热机组折算成抽汽量时约在200～300 t/h，与300 MW 等级抽凝机组的供热能力相当。300 MW 等级高背压供热机组折算成抽汽量时约在350～600 t/h，与600 MW 等级抽凝机组的供热能力相当。基于高背压机组高效的供热能力和较好的经济效益，应使其优先承担最大的热负荷。

光轴机组与高背压机组一样，在整个供暖季稳定运行，几乎不做调整。2台光轴机组中，一台机组额定容量110 MW，供热季运行负荷62 MW，平均抽汽量280 t/h；另一台机组额定容量225 MW，供热季运行负荷113 MW，平均抽汽量345 t/h。光轴改造后的机组供热季日常运行负荷处于较低的水平，但拥有较强的供热能力。

2.3 低压缸零出力供热机组

低压缸零出力供热机组主要是进行切缸改造［9-11］而来，对末两级叶片进行强度校核后，切除低压缸原进汽管道，在中低压连通管增设旁路管道，用通过校核计算后的少量蒸汽带走“切缸”后低压转子转动产生的鼓风热量。通过切除低压缸进行实现低压缸“零出力”运行，大幅减少机组电负荷满足电网深度调峰需求，从而实现“热电解耦”。部分切缸机组在切缸和不切缸状态时运行数据如表7所示。

表7 切缸机组在切缸和不切缸状态时运行数据

300 MW 等级中，切缸改造机组占据主流地位，改造后机组的最大抽汽量约为650 t/h 左右，较改造前约增加140～340 t/h，结合表6、表7 来看，同一负荷下，切缸后机组供热量大于高背压机组。改造后的供热机组运行时分为不切缸和切缸两种状态，在对外供热负荷不变的条件下，切缸相对于不切缸，可使发电功率降低约降低30%左右。

300 MW 以下等级中，包含供热类型最全面。以表6、表7中160 MW 机组为例，两台机组分别为高背压、切缸改造供热机组，改造前为同一厂家生产的同类型机组，型号为N150/CC135－13.24/535/535/0.981/0.23。切缸改造后最大抽汽量状态下与高背压机组、110 MW 光轴机组日常运行状态下的抽汽量相近，均能比同等级下抽凝机组拓展抽汽量70 t/h 左右；同时，在同一供热水平下，光轴机组运行负荷最低，但保证供热量不变的情况下无调峰能力。

3 结语

“十四五”期间，山东省直调煤电机组要求按照每年20%容量进行灵活性改造，现有抽凝机组供热季以热电比50%为界限，最小出力要达到额定容量的30%、40%。伴随着近几年热负荷增长和煤炭价格的波动，山东省供热季机组供热与调峰的矛盾逐渐加深，机组供热灵活性改造较多。介绍了山东电网近几年直调供热机组总供热量、装机总容量、供暖面积变化趋势和机组改造情况，根据往年供热季抽凝机组、背压供热机组和切缸机组运行数据，分析了采暖季同类型不同等级、同等级不同类型热电联产机组的供热和调峰性能，便于电网调度部门根据新能源和外电的上网情况，更加合理有序的安排全省热电厂的机组调停计划。同时，为发电企业“十四五”期间根据机组实际情况进行灵活性改造作为参考，增加供热能力的同时兼顾机组或全厂低负荷调峰性能。