空冷供熱機組滑壓優化計算研究

田嘉

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，西安710065）

0 引言

近年來，隨著新能源發電的沖擊和電力結構的變化，傳統火電機組利用小時數逐年降低，大容量機組調峰的時間越來越多，供熱機組也要參與調峰[1-2]。火電機組在部分電負荷運行時，通常采用汽輪機滑壓運行方式[3]。熱電聯產是實現溫度對口、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供熱需求日益增長，很多300 MW以上純凝機組進行了供熱改造。北方干旱地區空冷機組裝機容量較大，汽輪機背壓變化量及頻率遠大于濕冷機組。相比于純凝機組，空冷供熱機組在相同發電負荷時，背壓與供熱抽汽量的變化，都會使機組主蒸汽流量發生變化。若機組仍按純凝工況設計滑壓曲線運行，則會使汽輪機高壓調節閥偏離經濟閥位，影響機組的經濟性[5-7]。因此為實現空冷供熱機組節能降耗，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。

國內學者針對火電機組滑壓運行進行了大量研究[8-11]。李俊等[12]提出“寬度滑壓優化”的概念，通過不同負荷、不同運行方式下的滑壓比對試驗，發現高壓缸效率、高排汽溫等指標參數的變化規律，確定調峰范圍內最優的機組運行方式。文樂等[13]分析了汽輪機的配汽方式與定滑壓曲線的優化條件，闡述了機組深度調峰下的定滑壓曲線優化試驗原則。趙家毅等[14]針對電廠機組滑壓曲線隨著外界條件變化產生偏移的問題，結合汽輪機的變工況理論，提出了一種以調節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定值與凝汽器背壓及機組負荷之間的二元函數表達式，提出了基于背壓和最佳閥位控制的滑壓曲線實時優化。

由于傳統優化運行技術無法兼顧供熱條件下的機組節能，因此，與純凝工況相比，供熱工況下火電機組的節能潛力巨大。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化曲線，以指導空冷供熱機組供熱工況和純凝工況下部分負荷的滑壓運行。

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行模擬分析。系統模擬流程圖如圖1所示，機組額定背壓為16 kPa，共有6個高調閥，隨著負荷的提高，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參數。通過與熱平衡圖中的不同工況下的熱耗進行對比，誤差小于0.06%，滿足工程需求。

2 滑壓優化原理及分析

2.1 滑壓優化原理

由圖2可知，主蒸汽壓力與機組熱耗密切相關：1）相同負荷下，由于節流損失的存在，機組熱耗將會隨著主汽壓力的升高呈“波浪”變化。2）相同負荷下，熱耗的最低點一般出現在某一閥點附近，如圖2（a）所示，這主要是由于閥點處節流損失最小。3）相同負荷下，熱耗的最低點偶爾也出現在兩閥點之間，如圖2（b）所示，這是該點處節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。

圖1 Ebsilon搭建模型

圖2 相同功率下熱耗與主汽壓力關系

滑壓曲線優化的原理是：為找到一條適合機組運行的主蒸汽壓力曲線，在保證機組安全穩定運行的基礎上，可使其始終處于經濟運行狀態。目前常規的滑壓曲線優化做法是：在純凝工況下進行熱耗對比試驗后，將最優主蒸汽壓力與負荷直接聯系起來，形成一條主蒸汽壓力-負荷曲線，并輸入DCS中實現自動控制。該方法由于忽略了背壓和供熱對優化結果的影響，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系曲線發生“橫向偏移”。若背壓變化10 kPa，最經濟的主汽壓值將會變化約0.5 MPa。若按照傳統的主蒸汽壓力-負荷曲線來進行控制，無論背壓如何變化，只要負荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時會導致機組經濟性下降。

2.2.2 供熱量

圖3 負荷225 MW下背壓、主汽壓力與熱耗與關系

由圖4可知，保持機組電負荷不變，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系曲線發生“橫向偏移”。若供熱量增加100 t/h，最經濟的主汽壓值將會變化約1 MPa。若按照傳統的主蒸汽壓力-負荷曲線來進行控制，無論供熱量如何變化，只要負荷相同，則實際主汽壓力始終維持不變，此時亦會造成機組經濟性下降。

圖4 負荷225 MW下供熱量、主汽壓力與熱耗與關系

2.3 以流量為基準進行滑壓曲線優化的意義

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系曲線發生較大變化，但主汽壓與主蒸汽流量曲線始終處于重合狀態，即主蒸汽流量與主汽壓始終是一一對應的關系。因此，若已知某負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生變化也能保證機組的最佳經濟運行。

圖5 三閥全開工況下主汽壓與各參數關系

3 結果及討論

3.1 優化結果

圖6 滑壓曲線優化結果

在額定背壓、純凝工況下進行滑壓曲線優化，各閥點下機組經濟性能如表1所示，優化結果如圖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）對應的都是在額定背壓、純凝工況下同一個優化結果，但圖6（a）采用本文提出的主蒸汽壓力-負荷曲線來實施，圖6（b）采用傳統的主蒸汽壓力-負荷曲線來實施。

表1 各閥點機組經濟性能

3.2 優化結果對比

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

圖7 150 MW 工況下不同實施方法的熱耗對比

4 結論

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