提升大型火電機(jī)組出力應(yīng)對(duì)電網(wǎng)峰值負(fù)荷的分析

閻維平，路 長(zhǎng)，周義剛，劉衛(wèi)平

(1．華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定071003;2．天津市電力公司 電力科學(xué)研究院，天津300384)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展及人民生活水平的提高，工業(yè)用電的比例下降，電網(wǎng)峰谷差日益增大［1，2］。近期，國(guó)家電網(wǎng)公司為應(yīng)對(duì)城市霧霾提出“以電代煤”、“以電代油”的規(guī)劃，加上新能源發(fā)電的隨機(jī)性、不可調(diào)度性的并網(wǎng)［3］，電網(wǎng)和電廠都面臨著不斷加重的調(diào)峰任務(wù)。目前應(yīng)對(duì)短時(shí)電網(wǎng)用電高峰的方法主要有緊急啟動(dòng)燃?xì)狻⑷加偷葍?chǔ)備發(fā)電容量，或拉閘限電。由于峰谷差的增大，且用電高峰持續(xù)時(shí)間短，導(dǎo)致按照電網(wǎng)高峰負(fù)荷規(guī)劃和建設(shè)的電力設(shè)備利用率低，增加了設(shè)備的投資、運(yùn)行與維護(hù)成本［4］。

國(guó)家火電占75%以上，大型高效先進(jìn)機(jī)組份額逐年增加，如果能使在役的高效發(fā)電設(shè)備在燃煤煤質(zhì)與主輔設(shè)備允許的條件下短時(shí)增加出力，適度降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，則可減少不可用的儲(chǔ)備容量，大幅度節(jié)約建設(shè)新電廠的成本。因此，挖掘在役大型火電機(jī)組的潛力，研究技術(shù)經(jīng)濟(jì)與安全均可行的短時(shí)調(diào)峰方式是很有必要的。

以往的技術(shù)文獻(xiàn)［5～8］均集中于火電機(jī)組應(yīng)對(duì)低谷的調(diào)峰研究與實(shí)踐，鮮見有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)應(yīng)對(duì)高峰負(fù)荷的調(diào)峰方式的研究。本文作者從解列高壓加熱器、增加汽輪機(jī)內(nèi)做功蒸汽量、且滿足電站主設(shè)備容量合理匹配原則的思路出發(fā)，對(duì)基于熱力學(xué)的基本原理進(jìn)行了深入全面地計(jì)算分析，所得結(jié)論具有參考價(jià)值。

1 基本原理

為了提高水蒸氣動(dòng)力循環(huán)的效率，火電機(jī)組均采用汽輪機(jī)多級(jí)抽汽加熱鍋爐給水的回?zé)嵫h(huán)，典型600 MW 機(jī)組為三級(jí)高加(圖1 所示1～3)、除氧器與四級(jí)低加(圖1 所示5～8)。解列高壓回?zé)峒訜崞骺墒垢呒映槠谄啓C(jī)內(nèi)做功，從而直接使機(jī)組發(fā)電負(fù)荷快速上升。但同時(shí)由于減少了部分抽汽而增加了汽輪機(jī)排汽，加大了排汽損失，因此，汽輪機(jī)熱耗率會(huì)相應(yīng)降低，供電煤耗增加，鍋爐燃煤量增加，但鍋爐的蒸汽出力維持不變。

由于汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中均配置了解列高加所需要的管道閥門控制系統(tǒng)，解列高加屬機(jī)組的常規(guī)操作。已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，由于高加故障等原因而解列600 MW 機(jī)組的一臺(tái)高加后，機(jī)組負(fù)荷迅速增加30 MW 以上［9］。

根據(jù)水蒸汽動(dòng)力循環(huán)電站主設(shè)備容量匹配原則，能量轉(zhuǎn)化流程的下游設(shè)備容量大于上游設(shè)備容量;即鍋爐容量裕度＜汽輪機(jī)容量裕度＜發(fā)電機(jī)功率裕度。鍋爐容量裕度最小，汽輪機(jī)最大功率比鍋爐大5%，發(fā)電機(jī)功率裕度比汽輪機(jī)最大功率大5%。因此，解列一臺(tái)高壓加熱器后鍋爐出力不變，而汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)出力短時(shí)增加，并不與主設(shè)備容量配置原則發(fā)生沖突。

圖1 600 MW 等級(jí)水蒸氣動(dòng)力循環(huán)電站熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性計(jì)算

以典型600 MW 等級(jí)發(fā)電機(jī)組為例。由于鍋爐蒸汽參數(shù)與汽輪機(jī)進(jìn)汽量不變，按定流量方法［10］計(jì)算解列1 號(hào)高加時(shí)功率增加的值以及各參數(shù)的變化量。

2.1 計(jì)算的初始條件

(1)1 號(hào)高加解列后，其余各加熱器出口水溫不變，即各回?zé)峒訜崞鞫瞬羁刂撇蛔?

(2)由于燃煤量變化不大，近似取鍋爐熱效率不變;

(3)忽略汽輪機(jī)排汽量增加使凝結(jié)水泵功率增加，燃煤量增加使磨煤、送引風(fēng)電耗增加等。

2.2 計(jì)算方法與步驟

為了按定流量方法計(jì)算1 號(hào)高壓加熱器解列后各段抽汽份額、各經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和機(jī)組功率，需要先按定功率方法計(jì)算600 MW 負(fù)荷時(shí)的蒸汽流量、各段抽汽份額和各熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

2.3 定功率計(jì)算方法

1 號(hào)高加的能量平衡方程:

式中:h1為抽汽焓值，kJ/kg;為疏水焓值，kJ/kg;?fw為給水份額，1;hw1為出口水的焓值，kJ/kg;hw2為2 號(hào)高加出口水的焓值，kJ/kg。

按相同方法列出其他各級(jí)加熱器的能量平衡方程，求出抽汽份額和疏水份額。再根據(jù)各抽汽份額求出每股汽流所做的比內(nèi)功，加和求出1 kg 蒸汽做的比內(nèi)功wi。由式(4)計(jì)算汽輪機(jī)進(jìn)汽流量D0

式中:Pe為機(jī)組實(shí)際功率，MW;ηm為機(jī)械效率，%;ηg為發(fā)電機(jī)效率，%。根據(jù)汽輪機(jī)進(jìn)汽流量和各汽水流量份額求出各汽水流量的絕對(duì)量。

2.4 定流量計(jì)算方法

1 號(hào)高加的能量平衡方程:

式中:Dfw為給水流量，t/h。

由于需要對(duì)高壓加熱器解列前后各抽汽份額進(jìn)行對(duì)比，因此將上述式(5)與式(6)兩端同除以D0，變換為

按相同方法列出其他各級(jí)加熱器的能量平衡方程，求出抽汽份額和疏水份額。再根據(jù)各抽汽份額求出每股汽流所做的比內(nèi)功，加和求出1 kg 蒸汽做的比內(nèi)功wi。最后由式(9)求出機(jī)組輸出功率。

式中:D0為定功率方法下求出的額定流量，t/h。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

表1 與表2 為解列1 號(hào)高加前后的參數(shù)與各主要指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。

表1 1 號(hào)高加解列前與解列后的抽汽份額

表2 1 號(hào)高加解列前與解列后各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

計(jì)算結(jié)果表明，1 號(hào)高加解列后，鍋爐給水溫度下降25 ℃，燃煤量增加5．42%，凈增10 t/h。發(fā)電量增加了4．47%，26．8 MW。燃煤量增長(zhǎng)率比發(fā)電量增長(zhǎng)率高，歸因于機(jī)組效率降低0．36%。發(fā)電標(biāo)煤耗率增加了2．8 g/kW·h。由于機(jī)組發(fā)電功率增加，在假定廠用電總量不變條件下廠用電率下降，供電煤耗增加2．3 g/kW·h。

4 對(duì)機(jī)組安全性的影響分析

關(guān)于高加解列對(duì)主輔機(jī)的影響，均需要針對(duì)具體的實(shí)施機(jī)組進(jìn)行技術(shù)與安全性評(píng)估。

4.1 鍋爐

由于鍋爐蒸發(fā)量不變，對(duì)鍋爐工質(zhì)側(cè)的承壓部件的安全性沒有負(fù)面影響。因鍋爐給水溫度降低使鍋爐增加了10 t/h(5．42%)的燃煤量，鍋爐單位時(shí)間放出的熱量增加，增加了爐膛結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)［11］。對(duì)流受熱面煙氣流量增加，可能會(huì)帶來(lái)過熱器減溫水增加或超溫。所以，參與調(diào)峰的鍋爐的燃用煤種應(yīng)具有較高的灰熔點(diǎn)，過熱器減溫水具有一定的裕度。

4.2 汽機(jī)側(cè)

由于汽輪機(jī)蒸汽流通量增加，輸出功率增加，汽輪機(jī)葉片所受應(yīng)力增加，但增加幅度仍滿足主設(shè)備容量合理匹配的原則。由于蒸汽流速提高，蒸汽與汽缸內(nèi)壁換熱系數(shù)增大，導(dǎo)致汽輪機(jī)汽缸內(nèi)外壁溫差增大，引起汽缸熱變形增大，漏汽損失增大。排入凝汽器的蒸汽量增多而增加了凝汽器的負(fù)擔(dān)，凝結(jié)水泵的出力也要相應(yīng)增加。目前大型機(jī)組的汽輪機(jī)中低壓缸多采用對(duì)稱布置，可以有效地抵消軸向推力，因此，蒸汽量增加對(duì)汽輪機(jī)軸承的受力影響不大。

4.3 輔機(jī)

由于燃煤量增加5%，所以制粉系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)出力增加，即磨煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)的出力均有所增加。按輔機(jī)設(shè)計(jì)原則，均在容量允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

以600 MW 燃煤汽輪發(fā)電機(jī)組為例的計(jì)算與分析表明，通過解列高壓加熱器、增加機(jī)組發(fā)電功率以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)短時(shí)峰值負(fù)荷的調(diào)峰方式具有技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的可行性，滿足現(xiàn)役電站的主輔機(jī)蒸汽循環(huán)電站主設(shè)備的容量匹配，不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性構(gòu)成危險(xiǎn)。最高級(jí)高壓加熱器解列后，鍋爐輸出的蒸汽流量與參數(shù)不變，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組輸出功率增加4．47%，機(jī)組凈效率下降0．36%，供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗增加2．3 g/kW·h。燃煤量增加5．42%，增加了結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)，煙氣量增加，且要求減溫水調(diào)節(jié)有一定的裕度。與采用備用機(jī)組等其他傳統(tǒng)調(diào)峰比較，具有無(wú)需設(shè)備改造、負(fù)荷提升迅速、減少電網(wǎng)儲(chǔ)備容量，節(jié)約電站建設(shè)投資等優(yōu)點(diǎn)。如果在電網(wǎng)短時(shí)缺電時(shí)段，有10 臺(tái)600 MW 機(jī)組按此模式應(yīng)對(duì)高峰負(fù)荷，可迅速增加近300 MW 的發(fā)電功率。

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