熱電聯產機組常見靈活性改造技術調峰能力探究

浙江浙能港口運營管理有限公司 盧建中

1 引言

近年來，隨著電力行業的要求不斷提高，發電機組的深度調峰技術也需滿足要求。然而，現有的調峰技術對機組調峰后，會在一定程度上限制機組的供熱能力。為了滿足國家要求以及行業發展，解決該問題的相關技術應運而生。目前諸多的調峰技術已經可以在實現提升機組調峰能力的同時滿足熱負荷的需求，即在低負荷下正常運行。綜上所述，本文概述了相關調峰改造技術，并針對不同調峰技術所能表現出的調峰能力模擬計算分析，同時結合實際生產運行工況，針對性地提出合理的調峰改造建議。

2 常規改造

調峰技術最為常規的改造方式主要有電鍋爐法、旁路蒸汽供熱法、蓄熱罐法以及電驅動熱泵等，這些方法也是目前企業最為成熟的技術。

2.1 電鍋爐法

電鍋爐改造技術主要有三種，一是通過在電鍋爐相應的部位安裝閥門；二是在電鍋爐內安裝相應的管道，在熱網系統中接入該管道；三是降低低谷時的電負荷。這些方法不僅可以使熱網水通過電鍋爐時被加熱，還可以實現上網電量減少，同時還能夠滿足熱負荷需求[1]。電鍋爐直接加熱的介質主要是水，對水中無機鹽的含量要求甚高。通常使用除鹽水，并將電解質加入其中，電導率調整到100μs/cm[2]。

2.2 旁路蒸汽法

旁路蒸汽法，其原理就是通過加裝一些管件及小設備，如管道、閥門和減壓減溫等裝在旁路系統中，從而使在降低低谷時整體電負荷滿足需求。在供熱能力達不到要求時，則通過對補充汽輪機抽汽供熱不足部分滿足對外熱負荷需求[3]。

2.3 蓄熱罐法

蓄熱罐法是通過回水和熱網供水連接到配備的蓄熱罐體，實現回收的熱量加熱熱網供水，并加以儲存。但其缺陷在于當運行負荷降低到低谷時則不能滿足供熱的要求，必須對蓄熱罐輸送熱網水才能使工況運行正常。

2.4 電驅動熱泵耦合法

該技術是對電驅動熱泵機組進行有效耦合，同時也需要改造循環水系統。其原理在于使用熱泵機組將汽輪機循環水中的預熱回收，并將回收熱量注入熱網循環水中，再加熱到120℃對外進行供熱[4]。

3 不同改造技術調峰能力的綜合評價與分析

在國內，哈汽73D 型汽輪機具有一定的代表性。因此，本文選用其作為研究和分析對象。同時，選取了多種目前較為常見且優勢明顯的改造技術為支撐，模擬計算并分析了機組調峰能力所能達到的峰值。

3.1 哈汽汽輪機的調峰能力

本文選用研究對象為C250/N300-16.67/537/537/0.4型號汽輪機，其主要最大工作指標值有供熱流量、額定供熱流量和額定抽汽壓力，氣值分別為550t/h，480t/h，和0.4MPa，壓力調整在0.256～0.698MPa，末級葉片長度為90cm，低缸最小排氣流量為140t/h。通過該汽輪機供熱圖可查得最小電負荷和供熱流量之間的關系，最小電負荷為161MW、164MW、202MW 和221MW。 最小主汽量為531t/h、586t/h、766t/h 和856t/h。供熱抽汽量為211t/h、311t/h、411t/h 和511t/h。 熱負荷為483GJ/h、719GJ/h、955GJ/h 和1191GJ/h。負荷率為61%、62%、64.8%和81%。

3.2 電鍋爐改造對調峰能力的影響

經過改造，相同的熱負荷與電負荷下，有較多的運行方式，每種電鍋爐供熱量和抽汽供熱量的配比就是一種運行方式[5]。在眾多改造方法中，經濟性較高的一種運行方式方法則是將電鍋爐作為汽輪機供熱的備用熱源使用，此方法可將損失冷源的量降到最低。

3.3 旁路蒸汽法對調峰能力的影響

首先，假定變量因素，如將30%的額定電負荷假設為機組低谷時發電功率及整機功率。與此同時，將熱網的最小冷流量同汽輪機的低缸進汽量設定一致。據此，通過對低缸進汽流量的模擬而計算出汽輪機供熱抽汽流量。除此之外，在不同熱負荷情況下，供熱量的缺口也不盡相同。因此，也計算了供熱量缺口隨熱負荷的變化而產生的變化值，從而確定需旁路補充的蒸汽量，具體計算的數據結果見表1。

表1 電負荷90MW 下需旁路補充的蒸汽量及所需過熱蒸汽量

3.4 蓄熱罐改造對調峰能力的影響

與調峰能力在旁路蒸汽法改造后的效果計算步驟相同，其假設條件也相一致。據此計算，得到了高缸進汽流量，汽輪機供熱抽汽流量以及不同熱負荷缺口下的供熱量，結果見表2。

表2 電負荷90MW 下的供熱量缺口

結合表2進行相關計算，如果配備的蓄熱罐2萬m2，冷水60℃，熱水120℃，低谷時作為補充，在111t/h、211t/h、311t/h、411t/h 和511t/h，對外熱負荷時，汽供熱時間可以維持在185.5h、18.0h、9.0h、6.7和5.1h。通常，該機組可以在負荷的低谷情況下運行約8h。若發電功率達到額定電負荷的30%，以及供熱流量提高到361 t/h 時，蓄熱罐的體積要達到2萬m3才能夠恰好滿足正常工作要求。在熱負荷不斷提升的條件下，也就意味著對蓄熱罐的容積要求也更高。若對蓄熱罐進行改造，必須考量汽輪機富余的供熱能力。若富余供熱能力小，則出現蓄熱量不充足的狀況，會導致低谷時所需要的熱量將無法滿足。

3.5 電驅動熱泵改造對調峰能力的影響

假設汽輪機低缸最小冷卻流量未超出額定限制，機組的能效比設定為4.1，將水溫的影響考慮在內；計算了熱泵機組從循環水中提取的熱量與循環水中的熱值之間的最小差值，具體計算結果見表3。

表3 改造后的電驅動熱泵最小負荷和供熱流量之間的關系

通過表3中的數據分析可知，改造電驅動熱泵耦合受機組出水溫度的影響，即出水溫度越高，則最小電負荷的降幅則越低。盡管在額定電負荷下，最小電負荷的降幅也僅為額定負荷的約15%。該調峰后所得到的電負荷率相較于其他技術較高，滿足不了深度調峰所要求的硬性指標。當機組供熱達到飽和后，改造電驅動熱泵耦合技術更有利于供熱能力的提升。此外，熱泵機組所能回收熱量的多少和熱網回水溫度、循環水溫度具有較強聯系，在運行以及選擇型號時需要注意。

4 結語

在供熱滿足的前提條件下，電鍋爐、旁路蒸汽與蓄熱罐法改造技術均可實現深度調峰。對于電鍋爐改造技術，其改造投入較大，但較為靈活、操作簡單。同時也要求汽輪機抽汽過程中需要充分利用供熱，才能使電鍋爐的供熱經濟性強。相較于前者，旁路蒸汽改造投入少，但是其工藝調整、運行都十分復雜，并且要求閥門質量高。對蓄熱罐進行改造，需要機組供熱能力富余以及有充足的廠區空間，蓄熱罐在非低谷時蓄熱量必須充足，否則無法滿足低谷時的供熱需求。