山東電網不同類型熱電機組供熱與調峰性能研究

勞金旭，鄭 威，鞏志強，祝令凱，商攀峰

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

熱電聯產機組主要包括調節抽汽凝汽式供熱機組（簡稱抽凝機組）、背壓供熱機組（包括高背壓循環水供熱機組、光軸改造［1］機組、純背壓供熱機組等）、低壓缸零出力供熱機組（主要為切缸機組）等。截至2021 年6 月，山東電網直調公用火電機組162 臺，額定容量61 045 MW，其中熱電機組144 臺，額定容量52 055 MW，占比85.27%。熱電機組中，按類型劃分，抽凝機組、背壓機組、切缸機組數量分別為83 臺、34 臺、27 臺，容量占比為71.27%、11.56%、17.16%；按容量等級劃分，300 MW 等級以下、300 MW 等級、600 MW 等級、1 000 MW 等級機組數量分別為47臺、68 臺、21 臺、8 臺，容 量占比為13.90%、43.45%、26.93%、15.71%。

“碳達峰、碳中和”［2］雙碳目標提出后，電力系統作為能源轉型的重要環節，發電側清潔化趨勢加快，可再生能源裝機容量不斷增長；同時山東省能源局下發了《關于做好全省直調公用煤電機組靈活性改造的通知》［3］，通過靈活性改造，提高電力系統調節能力。在可再生能源消納、城市發展、關停小火電帶來的供暖壓力下，煤電機組面臨供暖與調峰［4-5］的雙重考驗。

1 供暖趨勢與熱電機組改造情況

2018—2019年供熱季，山東省直調公用燃煤熱電機組裝機總容量45 150 MW，總供熱量158 580 701 GJ，折合供熱抽汽流量20 491 t/h，折合供熱面積37 922 萬m2；2019—2020年供熱季，裝機總容量47520MW，總供熱量167 966 636 GJ，折合供熱抽汽流量21 526 t/h，折合供熱面積39 837 萬m2；2020—2021 年供熱季，裝機總容量49 910 MW，總供熱量190 548 310 GJ，折合供熱抽汽流量24 621 t/h，折合供熱面積45 567萬m2，變化趨勢如圖1所示。

圖1 2018—2021年供熱季直調公用火電機組供暖趨勢

2018—2019年供熱季直調公用燃煤熱電機組為133 臺，包括102 臺抽凝機組、29 臺背壓機組、1 臺切缸機組。2019—2020 年供熱季為137 臺（8 臺背壓和切缸機組為抽凝機組改造而來），較上個供熱季新增背壓機組4臺：2臺300 MW 等級和2臺300 MW 以下等級，新增切缸改造機組4臺：3臺300 MW 等級和1 臺160 MW，新增抽凝機組4臺：3臺600 MW等級和1臺300 MW。2020—2021 年供熱季為137 臺（12 臺背壓和切缸機組為抽凝機組改造而來），較上個供暖季新增1 臺145 MW 背壓機組，停備1 臺135 MW 背壓機組；新增8 臺300 MW 等級和3 臺300 MW 等級以下切缸改造機組；新增2 臺680 MW、2 臺1 000 MW抽凝機組，停備2臺350 MW、1臺135 MW 抽凝機組。2021—2022年供熱季為144臺（9臺切缸機組為抽凝機組改造而來，剩余機組為純凝改造），較上個供暖季新增1 臺145 MW 背壓機組；新增7 臺300 MW等級和2 臺600 MW 等級切缸改造機組；新投產2 臺350 MW 抽凝機組，新增1臺315 MW、1臺335 MW 抽凝機組。從改造情況來看，背壓機組改造趨緩，切缸改造成倍增長。2018—2022 年供熱季直調公用機組變化情況如表1所示。

表1 2018—2022年供熱季直調公用機組變化情況統計

2 不同類型熱電機組性能分析

2.1 抽凝供熱機組

抽凝供熱機組可以向外界供應一種或多種參數的蒸汽，其壓力由調壓系統控制，這種機組能在較大范圍內同時滿足外界熱負荷和電負荷的不同要求，運行靈活，因此應用較為廣泛。

抽凝機組的供熱性能可通過試驗法、工況圖分析法以及熱力計算法三種方法確定。試驗法能夠準確地反映熱電機組的實際供熱能力，機組需進行供熱季帶負荷能力試驗［6-8］，但試驗工況較多，且受現場條件限制，難以歸納整理。熱力計算法是在特定約束條件下對熱電機組進行變工況計算，該方法計算過程復雜。工況圖法是依據機組設計熱電特性曲線而查詢得到機組供熱能力的方法，該方法較為直觀，且容易得到相應結果。

工況圖是汽輪機發電有功功率、主汽流量和調節抽汽量在不同組合情況下的關系曲線，以某300 MW 級抽凝機組為例，該抽凝機組的抽汽工況如圖2 所示，對工況圖進行數字化和維度轉換，可得到機組不同抽汽量下的調峰上、下限趨勢，如圖3 所示，進而可得出抽凝機組調峰上、下限公式計算模型和抽汽量上限公式計算模型，如表2、表3 所示。

表2 某300 MW級抽凝機組機組出力上、下限擬合公式

表3 某300 MW級抽凝機組抽汽量上限擬合公式

圖2 典型300 MW級抽凝機組的抽汽工況

圖3 不同抽汽量下的調峰上、下限趨勢

由表2、表3 可知，選定合適的區間根據公式可得到機組在當前抽汽量下的出力上、下限和當前出力下機組的抽汽量上限。根據機組在不同供熱時期內的平均抽汽量和出力情況，代入到計算模型中可得到不同容量抽凝供熱機組在供熱初、中、末三個時期內平均抽汽量下電負荷調整區間和在50%、75%、100%額定容量下抽汽量上限，如表4、表5所示。

表4 2020—2021年供熱季部分機組平均抽汽量下電負荷區間

表5 2020—2021年供熱季部分機組抽汽量上限

根據2020—2021 年供暖季數據進行分析，大部分抽凝機組在供熱初、中、末三個階段的平均抽汽量下，60%左右額定負荷運行即可滿足供熱。在50%額定負荷或最低供熱負荷下，300 MW 以下等級機組抽汽量上限在60～175 t/h，300 MW 等級機組在200～350 t/h，600 MW 等級機組在500～600 t/h，1 000 MW等級機組由于經濟運行的原因，在供熱季供熱量很小，抽汽量上限設定也較小。

2.2 背壓供熱機組

背壓供熱機組通過去除汽輪機低壓缸末幾級葉片使得汽輪機排汽壓力升高，將全部冷源損失用于供熱。一般包括高背壓循環水供熱機組、光軸改造機組、純背壓供熱機組。山東直調公用機組中高背壓循環水供熱機組一般為300 MW 以下等級或300 MW等級機組改造而來，光軸改造機組只有2 臺，純背壓供熱機組占比很小，自備電廠配備較多。

高背壓供熱機組的電負荷由其承擔的熱負荷決定。熱負荷越大，機組所需排汽量越大，對應的主蒸汽量和電負荷也越高。由于山東高背壓供熱機組在整個供暖季穩定運行，負荷趨勢近乎為一條直線，選定不同等級的高背壓機組，直接調取某個時段機組負荷、循環水流量、進出口溫度等相關數據，可得出這些機組的供熱量和折算的抽汽量，如表6所示。

表6 2020—2021年供熱季高背壓機組運行數據

高背壓機組供熱季運行負荷一般在50%～75%額定負荷，由于高背壓供熱機組利用了機組的全部冷源損失，供熱能力高于同等級抽凝機組。一般300 MW 等級以下高背壓供熱機組折算成抽汽量時約在200～300 t/h，與300 MW 等級抽凝機組的供熱能力相當。300 MW 等級高背壓供熱機組折算成抽汽量時約在350～600 t/h，與600 MW 等級抽凝機組的供熱能力相當。基于高背壓機組高效的供熱能力和較好的經濟效益，應使其優先承擔最大的熱負荷。

光軸機組與高背壓機組一樣，在整個供暖季穩定運行，幾乎不做調整。2臺光軸機組中，一臺機組額定容量110 MW，供熱季運行負荷62 MW，平均抽汽量280 t/h；另一臺機組額定容量225 MW，供熱季運行負荷113 MW，平均抽汽量345 t/h。光軸改造后的機組供熱季日常運行負荷處于較低的水平，但擁有較強的供熱能力。

2.3 低壓缸零出力供熱機組

低壓缸零出力供熱機組主要是進行切缸改造［9-11］而來，對末兩級葉片進行強度校核后，切除低壓缸原進汽管道，在中低壓連通管增設旁路管道，用通過校核計算后的少量蒸汽帶走“切缸”后低壓轉子轉動產生的鼓風熱量。通過切除低壓缸進行實現低壓缸“零出力”運行，大幅減少機組電負荷滿足電網深度調峰需求，從而實現“熱電解耦”。部分切缸機組在切缸和不切缸狀態時運行數據如表7所示。

表7 切缸機組在切缸和不切缸狀態時運行數據

300 MW 等級中，切缸改造機組占據主流地位，改造后機組的最大抽汽量約為650 t/h 左右，較改造前約增加140～340 t/h，結合表6、表7 來看，同一負荷下，切缸后機組供熱量大于高背壓機組。改造后的供熱機組運行時分為不切缸和切缸兩種狀態，在對外供熱負荷不變的條件下，切缸相對于不切缸，可使發電功率降低約降低30%左右。

300 MW 以下等級中，包含供熱類型最全面。以表6、表7中160 MW 機組為例，兩臺機組分別為高背壓、切缸改造供熱機組，改造前為同一廠家生產的同類型機組，型號為N150/CC135－13.24/535/535/0.981/0.23。切缸改造后最大抽汽量狀態下與高背壓機組、110 MW 光軸機組日常運行狀態下的抽汽量相近，均能比同等級下抽凝機組拓展抽汽量70 t/h 左右；同時，在同一供熱水平下，光軸機組運行負荷最低，但保證供熱量不變的情況下無調峰能力。

3 結語

“十四五”期間，山東省直調煤電機組要求按照每年20%容量進行靈活性改造，現有抽凝機組供熱季以熱電比50%為界限，最小出力要達到額定容量的30%、40%。伴隨著近幾年熱負荷增長和煤炭價格的波動，山東省供熱季機組供熱與調峰的矛盾逐漸加深，機組供熱靈活性改造較多。介紹了山東電網近幾年直調供熱機組總供熱量、裝機總容量、供暖面積變化趨勢和機組改造情況，根據往年供熱季抽凝機組、背壓供熱機組和切缸機組運行數據，分析了采暖季同類型不同等級、同等級不同類型熱電聯產機組的供熱和調峰性能，便于電網調度部門根據新能源和外電的上網情況，更加合理有序的安排全省熱電廠的機組調停計劃。同時，為發電企業“十四五”期間根據機組實際情況進行靈活性改造作為參考，增加供熱能力的同時兼顧機組或全廠低負荷調峰性能。