热电联产机组调峰能力的研究与应用

张宇，鄂志君，刘卫平，王伟臣，甘智勇，刘伟

（1.天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.天津市电力公司调度控制中心，天津 300010）

热电联产机组调峰能力的研究与应用

张宇1，鄂志君2，刘卫平1，王伟臣2，甘智勇1，刘伟2

（1.天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.天津市电力公司调度控制中心，天津 300010）

针对我国三北地区冬季采暖期电网调峰能力严重不足的现状，以研究热电联产机组采暖期调峰能力为目的，利用等效热降理论建立热电联产机组热力曲线数学模型，以实验的方法改变新蒸汽参数，在相应的供热负荷下确定机组的供电负荷可调整范围。以实验结果为基础对模型进行修正，从而确定机组有功出力的可调区间，为热电联产机组调度提供理论依据和技术支持。在实际电网的应用证明了模型的正确性和有效性。关键词：热电联产；调峰能力；数学模型；调峰实验；等效热降

近年来，在我国北方地区，集中投产了一批以国产300 MW等级为主的热电联产机组，原有的纯凝机组通过技术改造也成为热电联产机组，使得热电联产机组的比重越来越大，在冬季供热期间“以热定电”政策约束下，电网调峰能力严重不足[1～5]。同时，随着机组的检修及改造，机组原设计给出的采暖抽汽工况图已不能反映机组的真实运行工况。另外，随着风电技术的不断进步，以东北、华北为代表的电网，风电接入容量增长快速，在冬季风电大发期间，电网风电消纳压力较大，为确保供热而出现“调峰弃风”情况。因此，研究和挖掘热电联产机组采暖期的调峰能力，有利于切实落实热电联产机组“以热定电”政策，节能减排；缓解电网消纳风电压力，促进能源和电力结构调整，充分发挥电网调度在能源结构调整中的调度平台作用，确保电力系统安全稳定高效运行，实现电力工业的可持续发展。

1 运行特性

近年来投产的热电联产机组以300 MW等级的凝汽采暖两用机组为主，可同时满足热、电负荷即时调整的需要。该类型机组在运行中，在中低压缸过桥管上安装蝶阀，根据热用户的要求提供压力范围为0.3～0.5 MPa的采暖用汽。运行控制过程中，主要通过控制采暖抽汽压力来保证机组的安全以及供热与发电两种生产的匹配，采暖抽汽压力为分缸压力，虽有中低压缸连通流量控制阀（CV阀）和采暖抽气控制阀（EV阀）可以进行联合调整，但受中压缸末级叶片及低压缸特性的限制，热、电负荷可变范围有限。因此运行过程中，为了保证机组的安全，对主要运行点都进行了安全性限制。以C300-16.7/0.43/538/538型热电联产机组为例，在供热运行时，要求汽轮机主蒸汽流量G0≤1 025 t/h、中压缸排汽压力pI≥0.379 MPa、低压缸进汽压力pL≥0.176 MPa、低压缸进汽流量GL≥78 t/h以及CV阀开度n≥3%。该类型机组热力系统如图1所示。

图1 抽汽凝汽式机组热力系统Fig.1Thermodynamic system for extraction turbine

2 数学模型

各种实际热力系统，在系统和参数确定后，其参量也随之确定，并通过计算以参数的形式给出。热电联产机组在相应的供热负荷下，利用等效热降法建立热力曲线数学模型[6]，通过改变新蒸汽参数，确定机组的供电负荷。即在相应的供热负荷、不同的新蒸汽参数下，可通过等效热降法计算出机组可调出力区间。

2.1 新蒸汽等效热降的计算方法

新蒸汽的等效热降H0，表示1 kg新蒸汽的实际作功。已知汽轮机装置的热耗率HRt，可以通过汽轮机的装置效率（即实际循环效率η）、装置加入的循环热量Q（kJ/kg）以及等效热降计算出新蒸汽的等效热降为

2.2 采暖抽汽等效热降的计算方法

抽汽等效热降Hj，表示在抽汽减少情况下1 kg排挤抽汽作功的增加值，反之，抽汽量增加时，则表示作功的减少值。对于回热抽汽的汽轮机，若从5段抽汽抽出1 kg采暖蒸汽，按1 kg抽汽损失计算功率损失，其等效热降公式可表示为

式中：j为加热器脚码编号；τj为加热器给水温升，℃；ηj为抽汽效率，%；h4为采暖抽汽段的蒸汽焓，kJ/kg；hn为汽轮机末级排汽焓，kJ/kg。

2.3 新蒸汽等效热降的计算方法

已知汽轮机装置的新蒸汽的等效热降和抽汽的等效热降，计算热电联产机组的发电负荷N为

由式（3）可以看出，热电联产机组在确保供热负荷的条件下，保证采暖抽汽流量GCN一定，通过改变主蒸汽流量，结合CV阀和EV阀的联合调整，即可获得不同的机组发电机功率。

2.4 计算实例

以某厂国产C300-16.7/0.43/538/538型热电联产机组为例，依据等效热降原理，以机组设计值为依据，进行实例计算。机组主要设计参数、计算过程及主要结果详见表1。

表1 C300-16.7/0.43/538/538汽轮机采暖供热工况计算实例Tab.1Calculation example of heating extraction for C300-16.7/0.43/538/538 turbine

通过上述计算，该机组在设计采暖供热工况下，发电机功率数学模型可以表示为

按照该机组设计热力特性计算书STC2004中汽轮机平衡图——抽汽工况，新蒸汽流量按977.206t/ h，抽汽流量550 t/h，根据式（4）计算出发电机功率为219 MW，与厂家给出的平衡图中发电机功率数值一致。

3 数学模型修正

在机组调峰能力理论计算中，本文选取的数据是该机组的出厂设计值，反映机组设计工况，随着机组运行时间增加，机组实际运行情况已偏离设计工况，因此为了更准确地反映机组的实际做功能力，需要通过热电联产机组调峰能力实验[7]，对设计工况下的基准点，即等效热降值进行相关系数修正，并且得出采暖抽汽量与主蒸汽流量的对应关系。

3.1 热电联产机组调峰能力实验

调峰能力实验以实验采暖供热流量为基准，维持采暖抽汽量分别在200、300、400 t/h时，在每个抽汽流量工况点通过改变锅炉蒸发量，分别确定机组负荷工况点（高低限负荷）。

以某国产的C300-16.7/0.43/538/538型热电联产机组的实验为例，主要实验数据详见表2，各实验采暖抽汽流量工况下机组主蒸汽流量与发电功率的对应关系曲线如图2所示。

表2 供热调峰能力实验主要数据Tab.2Main data of peaking capacity experiment

图2 修正后机组采暖抽汽工况图Fig.2Amended conditions map of heating extraction

3.2 模型修正

通过实验数据，对已经形成的热电联产机组发电功率计算系数，即汽轮机的等效热降值和采暖抽汽等效热降值进行修正。修正后等效热降理论方程式为

通过实验数据，得出在保证采暖供热的条件下，汽轮机主蒸汽流量与采暖抽汽流量对应关系为

在已知热电联产机组采暖抽汽流量，即机组热负荷确定的情况下，由式（5）和式（6）可以得出该热电联产机组科学的有功出力可调整区间。

4 实际应用

基于本文热力曲线模型为计算核心开发的“天津电网热电联产机组在线监测及辅助决策系统”，于2010年10月开始正式投入运行。该系统面向天津电网主力调峰热电联产机组，提供供热数据监测、调峰能力在线监控及次日负荷预测等功能。系统投运后，科学地确定了2010—2011年供暖期内天津电网调峰总量，平均上调总量增加279 MW，下调总量增加443 MW。通过该系统的应用一方面实现了天津电网调峰能力数字化，提高了电网稳定运行，确保网间能源资源优化配置；另一方面，充分发挥高效机组和清洁能源的能源利用率，降低整体电网能耗水平，减少天津地区污染物排放，达到了节能减排的目的。

5 结论

1）本文得出的热力曲线数学模型基于热力学的热功转换原理，即等效热降法，适用于分析热电联产机组供热系统变化和供热方案等方面的技术问题。

2）依据理论数学模型对某国产300 MW机组的设计参数进行计算，计算结果与厂家的设计数值一致，证明了理论模型的正确性。

3）本文将理论模型和调峰能力实验相结合，建立热电联产机组热力曲线模型，在热负荷确定的情况下，即可得出机组有功出力的实际可调整范围，为机组调度提供技术支撑。

4）基于本文数学模型开发了“天津电网热电联产机组在线监测及辅助决策系统”，在实际应用中验证了模型的正确性和有效性。

[1]李俊涛，冯霄（Li Juntao，Feng Xiao）.供热机组的热电负荷分配（Distribution of thermal and electric load in heatsupply turbine sets）[J].西安交通大学学报（Journal of Xi′an Jiaotong University），2006，40（3）：311-314，323.

[2]王培红，李琳，董益华，等（Wang Peihong，Li Lin，Dong Yihua，et al）.供热机组热电负荷优化算法研究（Arithmetic research of load optimizing dispatching for extractionturbine）[J].汽轮机技术（Turbine Technology），2004，46（1）：37-39.

[3]王学栋，魏东，孙书耀，等（Wang Xuedong，Wei Dong，Sun Shuyao，et al）.不同类型供热机组的电热负荷优化分配和调峰性能（Optimizing distribution of heat-power load and peak regulation ability of heat supply units with different types）[J].汽轮机技术（Turbine Technology），2010，52（5）：387-390，328.

[4]王兴国，何燕玲，张海良（Wang Xingguo，He Yanling，Zhang Hailiang）.供热机组调峰运行中的最小出力分析（Analysis on minimaI load of thermal power unit during peaking adjustment operation）[J].河北电力技术（Heibei Electric Power），2006，25（6）：46-48.

[5]谢国辉，张粒子，舒隽，等（Wie Guohui，Zhang Lizi，Shu Jun，et al）.火电机组日前节能发电调度机组组合（Research on coal-fired unit commitment of day-ahead energy-saving generation dispatching）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2011，23（2）：122-126.

[6]西安热工研究院.发电企业节能降耗技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[7]西安热工研究所等.汽轮机热力实验[M].北京：电力工业出版社，1982.

Study and Application of Heating Units′Peak-load Regulating Capacity

ZHANG Yu1，E Zhi-jun2，LIU Wei-ping1，WANG Wei-chen2，GAN Zhi-yong1，LIU Wei2
（1.Tianjin Electric Power Research Institute，Tianjin 300384，China；
2.Tianjin Electric Power Corporation Dispatching and Control Center，Tianjin 300010，China）

In allusion to the serious capability inadequacy of peak-load regulation during the heating seasons in north China，the peak-load regulation capacity from cogeneration units during the heating period is studied in this paper. The thermal curve mathematical model of cogeneration unit is developed by using the equivalent heat drop theory，and the steam parameters are adjusted by experiments.The adjusted range of power supply is then determined with the corresponding heating load.Based on the experimental results，on the model is amended to obtain the adjustable interval of unit active power，which supplies theoretical basis and technical support for the cogeneration unit.The accuracy and validity of the method are confirmed by the application in Tianjin power grid.

heating units；peak-load regulation capacity；mathematical model；peak-load regulation experiment；equivalent heat drop

TK269.2

A

1003-8930（2013）03-0115-04

张宇（1979—），男，工程师，研究方向为汽轮机节能技术。Email：zhangyu791228@126.com

2012-06-13；

2012-11-29

鄂志君（1977—），男，高级工程师，研究方向为电力系统运行方式计算与无功电压管理。Email：ezj1977@yahoo.com.cn

刘卫平（1972—），男，高级工程师，研究方向为汽轮机节能技术。Email：lwp2001@sina.com