多模式供热机组仿真建模与灵活性分析

邓海涛，魏瑞东，高 阳，徐漠北

(1.国家电投朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁 朝阳 122000;2.中电投东北能源科技有限公司，辽宁 沈阳 110179)

随着风电、光电等新能源装机总量的大幅增加，其较强的波动性带来了电力系统消纳困难的问题。根据统计资料，我国弃风总量在2019年达到215亿kWh[1]，东北地区矛盾尤为严重，为加快推进电源侧调节能力提升，各电厂纷纷实施火电机组灵活性提升工程。根据国内外众多学者的研究，机组灵活性改造技术主要可以分为以储热、电锅炉、高低压旁路等为代表的热电解耦技术[2-4]；以及以切缸，光轴等为代表的对锅炉、汽轮机本体的改造[5-7]，不同的灵活性改造方式一定程度上缓解了东北地区冬季弃风、弃光的问题。卢浩鹏[8]提出了计及碳交易含储热热电联产机组和电锅炉联合运行的弃风消纳策略，结果表明所提策略能够有效消纳风电容量；张抖等[9]建立了通用热电联产机组加装吸收式热泵前后的运行安全区模型，结果表明，改造后机组的调峰能力大幅提高；金奇等[10]建立了一个包含电锅炉和储热装置的热电联合系统优化调度模型，发现电锅炉与储热装置的协调运行可使系统的风消纳能力和运行成本达到最优；刘双白等[11]采用Ebsilon软件计算分析了低压缸零出力方式供热性，结果表明低压缸零出力方式可提升供热经济性。

综上所述，目前对于灵活性改造方式的性能研究主要集中于单一改造方式或工况的模型构建，但目前电厂往往同时采用多种灵活性改造方式，运行涉及多种供热模式，对模型准确性及变工况仿真能力提出更高要求。因此，为准确评估多模式供热机组的运行性能，本文基于Ebsilon对东北某电厂2×600 MW供热机组进行精准建模，计算机组多模式供热方式下的煤耗特性、深度调峰能力、顶尖峰负荷能力，给出了不同供热负荷下的最优灵活性运行方案，并为电厂进一步的灵活性改造提供了理论指导。

1 仿真建模

评估不同供热模式下调峰能力、顶尖峰负荷能力及经济性可通过热力试验的方法进行。然而试验法需消耗巨大成本，且工况有限，无法获得不同工况条件下的最优深度调峰方案；并且试验法不能为电厂后续灵活性改造提供理论指导。因此，通过仿真建模的方法可经济有效地模拟电厂不同运行工况下的运行参数，找出优化运行方案；并且建模法具有良好的扩展性。

本文研究对象为东北某2×600 MW直接空冷机组，采用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司设计制造的 CLNZK600-24.2/566/566 型超临界一次中间再热、单轴、三缸四排汽直接空冷凝汽式汽轮机，通过中低压导管打孔抽汽方式改造升级为供热机组。为提升电厂灵活性，1号机组可通过抽汽、小背压机两种方式供热；2号机组可通过抽汽、高背压、小背压机三种方式对外供热；此外电厂配置240 MW高压电极锅炉，用于供热调峰。

建模过程中，考虑到该热力系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、给水加热器等设备以及连接管道组成，除了设备间的连接关系复杂，组成热力系统的设备本身的结构也较为复杂。对于灵活性改造方案研究问题，涉及到机组间负荷调度分配，需对热力系统中各个设备之间的连接关系与蒸汽工质的流程进行建模分析，对于单个设备则根据其特征将其简化为类似“黑箱”的单个模块。

此外，模型的构建过程需要与实际机组运行和优化调度的方式一致。因此，在构建全厂模型时，以温度和质量流量来确定各个热网的热负荷，然后在热负荷确定的基础上，选择运行方式，通过Ebsilon中的控制器组件，输入电负荷的大小，来控制主蒸汽的流量；各机组的排汽流量又会控制机组供热抽汽量。基于Ebsilon建立的电厂仿真模型图1所示。

2 变工况仿真模型修正

在构建机组机理模型的过程中，为提高机组变工况仿真计算的精确性，提出利用机组各工况的热平衡图进行辅助计算。辅助计算包括汽轮机各级段效率曲线和各级轴封漏汽量的计算。此外，还需要考虑机组的运行约束条件，使模型在合理工况下运行。将上述辅助计算完成，可将拟合的曲线或公式与运行约束条件嵌入软件，实现精确的变工况仿真。

2.1 变工况级段效率计算

汽轮机在机组变负荷运行时，级效率比(变工况下的级效率与额定工况下的级效率的比值)会随着流量比(变工况下该级的进汽流量与额定工况下的进汽流量的比值)而变化，用公式可表述为

(1)

式中ηst,i——汽轮机第i级效率；

mst,i——汽轮机第i级进汽流量/kg·s-1；

N——指设计工况。

研究对象的两台机组汽轮机结构相同，在建模的过程中都可以分为9个级段，分别计算在额定设计工况和纯凝变工况下模型的级效率比与流量比。以调节级为例，级效率比与流量比如表1所示。

表1 调节级级效率比与质量流量比

除此外，汽轮机各级的压力参数，可根据弗留格尔公式确定，保证变工况仿真的准确性。将1号机组各级效率比与质量流量比用曲线连接，即可得到。

图1 Ebsilon模型图(部分)

汽轮机各级段效率曲线，如图2所示。

图2 汽轮机级段效率曲线

2.2 轴封漏汽量

轴封漏汽量相对于抽汽与主蒸汽流量较小，因此仅考虑主蒸汽流量的影响，建立各级轴封漏汽质量流量与主蒸汽质量流量的函数关系，即

mshaft,i=f(m)

(2)

式中mshaft,i——第i级轴封漏汽流量/kg·s-1；

m——主蒸汽流量/kg·s-1。

以高压门杆一段漏汽为例，漏汽流量与主蒸汽流量关系如图3所示。

图3 轴封漏汽流量与主蒸汽流量关系图

可发现，轴封漏汽流量与主蒸汽之间的曲线大多呈线性关系，通过对各部分轴封漏汽流量的拟合并嵌入模型，实现变工况运行条件下，轴封漏汽流量的自适应变化。

2.3 机组运行约束条件

变工况级段效率、轴封漏汽量的计算提升了模型变工况运行的准确性，但仍需结合电厂实际情况，添加运行约束条件保证模型仿真运行范围的合理性。研究对象的低压缸最小排汽流量为140 t/h，通过对模型的控制器组件的编程，实现模型的约束嵌入。低压缸排汽流量大于140 t/h的伪代码如表2所示。

表2 排汽流量控制器伪代码

机组运行约束嵌入还考虑了冬季供暖工况空冷岛防冻要求，小背压机最大进汽压力等约束。

经过辅助计算与运行约束条件嵌入，分别对100%THA至30%THA工况及各种供热工况进行计算，计算结果如表3所示。

表3 多工况误差对比

由表可知，在各变工况条件下，模型计算功率与热力平衡图功率误差均在0.005%以内，证明了模型的精准性、有效性。

3 仿真模型计算结果分析

在模型修正后，对电厂不同供热模式进行供热能力、顶尖峰负荷能力、深度调峰能力、煤耗特性计算和分析。

3.1 多模式供热组合的发电能力分析

不同的供热模式对机组、全厂的运行性能有较大的影响。由于电厂是基于“以热定电”的运行模式，因此，基于固定的典型供热负荷(供热温度为100℃)，对不同组合供热模式下的发电量等随着主汽量的变化趋势进行研究，以分析在高背压、电锅炉等不同的调峰运行模式下对机组的影响，此外模型对2号机组进行低旁灵活性改造建模，用于分析低旁改造后对机组性能的影响。不同工况下，全厂发电负荷随主蒸汽流量变化如图4所示。

图4 不同工况下发电负荷随主蒸汽量变化图

如图4所示，除凝汽工况，在相同主蒸汽量的条件下，“高背压+背压机”模式的发电负荷比其他的模式更高，相同供热负荷下具有更好的顶尖峰负荷能力。此外，进行低旁改造后的“高背压+背压机+抽汽+低旁”模式下，全厂所能达到的最低电负荷比其他模式更低，说明此供热模式的深度调峰能力更强。

3.2 多模式供热组合的煤耗特性分析

煤耗特性是衡量电厂能效的重要指标。相比于机组效率，煤耗量指标更加全面和直观。以固定的热负荷为基础，研究不同供热模式组合在变主蒸汽流量的条件下，煤耗量的变化情况，绘制全厂供电煤耗随主蒸汽流量变化如图5所示。

图5 发电煤耗特性

如图5所示，以主蒸汽流量3 000 t/h为例，除凝汽工况，“背压机+抽汽”工况全厂供电煤耗为326.40 g/(kW·h)；相同主蒸汽量的条件下，增加电锅炉协同供热，供电煤耗上升14.38 g/(kW·h)，至340.78 g/(kW·h)；增加高背压协同供热，供电煤下降43.1 g/(kW·h)，至283.83 g/(kW·h)，可知带有电锅炉供热改造的组合模式供电煤耗较高；而高背压模式可显著降低发电煤耗率。

3.3 高背压改造分析

在不同供热负荷下，对于一二号机组进行对比研究，绘制两机组可行域如图6。

图6 一二号机组可行域对比图

由图6可知，相比二号机组，1号机组未进行双背压改造，最大供热能力仅为255 MW，而2号机组经过双背压改造后最大供热能力可达到336 MW，双背压改造后大大提升了2号机组的运行可行域，在同等供热量下，机组灵活性更高，调峰能力大大增强。

3.4 电锅炉改造分析

取“高背压+背压机+抽汽”运行方式、“高背压+背压机+抽汽+电锅炉”两种供热组合进行对比，计算不同供热温度下的顶尖峰负荷、深度调峰负荷，如图7所示。

图7 一二号机组可行域对比图

由图7可知，以对外供热温度为100℃为例，由于电锅炉运行消耗部分电能，机组深度调峰能力相比于不使用电锅炉提升250 MW；然而由于电能消耗，启用电锅炉时机组顶尖峰负荷能力降低120 MW；机组整体灵活性提升130 MW。

综上所述，高背压、电锅炉灵活性改造技术均可提升机组深度调峰能力，但高背压改造在顶尖峰负荷能力、煤耗成本上展现出了更好的优越性；电锅炉由于直接进行高品位能源至低品位能源的转化，导致供电煤耗量较高，但会显著增加机组深度调峰能力，提升机组灵活性。同时，对2号机组进行低旁改造进行可研，研究表明低旁改造可继续强化机组深度调峰能力。

4 结论

(1)建模时将级段效率拟合与轴封漏汽量拟合引入机理模型，通过弗留格尔公式与拟合公式实现了模型变工况运行的参数自适应调整。

(2)将约束条件与机理模型结合，保证了机理模型运行范围与研究对象实际情况的对应，并进行多工况误差比对，验证了模型的准确性。

(3)以某2×600 MW多种灵活性改造空冷机组为例研究了高背压、电锅炉、低旁3种灵活性改造方式对机组调峰能力、顶尖峰负荷能力、供热能力、经济性等方面影响，发现高背压改造方式在提升机组灵活性、经济性上的优越性。