热电联产机组在平峰转供模式下的经济性分析
2018-06-05徐进
徐 进
(大唐保定热电厂,河北 保定 071051)
0 前言
目前大部分城市的供热系统采用热电联产热源集中供热,在供热高峰期时启动城市中的集中热源厂作为备用热源,替代分散供热的燃煤锅炉,实现城区供热的“无煤化、清洁化”。但随着城市规模的逐渐扩大,居民采暖热负荷也在逐年增加,城市集中供热全覆盖程度已不能满足城市发展的需求。根据某市的供热现状,以燃煤高效的热电联产机组及区域锅炉为热源的集中供热面积仅为供热总面积的43.43%,以分散燃煤锅炉为热源的分散供热面积占38.15%,2017—2018年采暖季该市新增实际供热面积873万m2,按严寒期月均值计算,需增加供热能力354 MW,按日均峰值计算需增加供热能力386 MW。另外整个供暖期热负荷分布不均,供热初、末期与高峰期热负荷需求相差较大,使得热电联产热源在供热初期运行效率较低,供热高峰期供热能力达到最大,导致发电量减少,经济性变差,且集中热源厂的能源综合利用效率远低于热电联产机组,整个供暖期中城市集中热源厂高负荷运行,造成一次能源的极大浪费。所以结合供热期间环境温度与采暖热指标整合供热资源,如何在将供热能力发挥到最大的同时做到效益与环保双赢成为了当前供热工作的重点研究方向。
1 热电联产机组供热能力及区域供热现状
1.1 机组供热能力
多数热电联产机组以发电为主、供热为辅,但近年来随着煤价不断攀升,供热缺口逐年增大,热电联产机组在供暖期多采取“以热定电”的模式运行,以提高电厂冬季的盈利能力[1],即在发电的同时从汽轮机中抽出部分蒸汽,在牺牲一部分发电量的情况下对外输送热量,这种运行方式也就决定了热电联产机组在抽汽供热的条件下供电量势必与铭牌发电量有所差距,根据热化发电量公式:
Wc=Qc(i0-ic)/[(ic-tc)×3 600]
(1)
式中:Wc是抽汽供热汽流的发电量,单位kW·h;Qc是总供热量,单位kJ;i0是新蒸汽焓,单位kJ/kg;ic是抽汽焓,单位kJ/kg;tc是供热回水焓,单位kJ/kg。
供热初期,热电联产机组提供工业抽汽与采暖抽汽对外供热,以某350 MW超临界机组为例,额定工业抽汽120 t/h,额定采暖抽汽370 t/h,Qc按照2.5×106kJ/(t/h),新蒸汽焓3 398 kJ/kg,工业抽汽焓3 384 kJ/kg,采暖抽汽焓2 970 kJ/kg,50 ℃水的焓tc取209 kJ/kg,计算由于机组提供工业抽汽与采暖抽汽而损失的发电量Wc为39 243 kW·h,则供热初期机组最大负荷为311 MW,该负荷即为冬季“以热定电”模式下机组能发出的最大负荷。
1.2 区域供热现状
按照某市现有情况,进入供暖期后供热区域内6台热电联产机组与集中热源厂全部投入运行,热电联产机组按照额定抽汽量可提供热量 2 156 MW,按照居民采暖热负荷38 W/m2计算,供热期热电联产机组可负责供热面积 5 673万m2,另外集中热源厂提供热量523 MW,可负责供热面积1 376万m2。根据图1所示的该市采暖热负荷曲线,供暖期开始阶段环境温度较高,居民采暖负荷最小,此阶段采暖热指标也处于最低水平,随着供热期的推进,环境温度达到最低时供暖需求也达到最大值,整个供热期内采暖热指标随室外温度降低而升高,最终反映出供热初期与高峰期居民采暖需求有较大的差异。
图1 某市采暖热负荷曲线图
机组以现有供热方式运行,供热初期热电联产机组提供热量较多,运行经济性较差,且供热范围内所有热源点供热量总和与最大热负荷相比仍有一定缺口,这就需要热电联产机组在供热期内在最大抽汽工况下运行。机组抽汽量加大后,发电量更低,按照某350 MW超临界机组最大工业抽汽160 t/h、最大采暖抽汽385 t/h计算,最大抽汽工况下机组的电负荷为300 MW,机组经济性更差。另外根据图1中显示的2020年的预计热负荷及采暖面积,该市区域内现有热源的供热能力及集中供热管网的发展规模已难以满足2020年的供热需求。
2 最大抽汽工况下对机组的影响
2.1 低压缸鼓风损失
汽轮机鼓风摩擦产生于存在部分进汽度的级中,当叶轮转至无喷嘴处,不但不能做功,而且蒸汽还要随叶轮一起转动,汽轮机像鼓风机一样的把蒸汽排出。这种情况下大量的机械能很快转化成热能而加热了汽缸内部的空气及金属,使得汽缸内金属温度急剧升高,造成鼓风摩擦损失。
鼓风摩擦损失主要与角速度的3次方、动叶长度成正比,所以低压缸的鼓风摩擦损失相对高、中压缸更高。汽轮机在最大抽汽工况下运行时,有很大部分的蒸汽在进入低压缸做功之前就被抽出对外供热,同时导致机组电负荷降低,在汽轮机发电负荷较低、进汽量较小的同时作用下,低压缸的鼓风效应变得更加明显。鼓风摩擦损失热量加热了汽轮机通流部分,使胀差增大,对汽缸金属内部组织及动、静部分摩擦带来一定危害。
2.2 热网加热器换热效率
当机组采取最大抽汽工况运行时,热网加热器侧流量升高,增大了加热器水位控制的难度。加热器水位升高后会淹没一部分受热面,挤占加热器的对流换热区域面积,使得被加热的热网循环水难以达到设计温度,传热端差加大。另外加热器水位太高时水会倒灌回汽轮机,造成汽轮机水冲击,加热器水位达到三号高温加热器水位值时会引起单侧加热器跳闸,影响供热。
2.3 滑压运行的适应性
随着新能源发电大规模并网运行,电力系统面临着重大的电能消纳问题,这就对燃煤机组提出了实现快速深度调峰运行的要求[2]。热电联产机组在深度调峰运行下会出现汽轮机偏离设计工况的情况,进而导致机组出现瓦温高、轴振大的故障,所以汽轮机多采用滑压运行方式来提高在部分负荷工况下的运行经济性。
由于机组的滑压运行曲线为出厂时的原始设计曲线,或在非采暖期经过试验而获得[3],所以滑压运行方式势必不满足机组在抽汽工况下的运行经济性要求,供热期抽汽量达到最大时发电量最低,可能出现在低负荷时为了满足抽汽供热需求而将自动滑压运行切换为手动定压方式运行的情况,从而导致节流损失增大,机组效率降低。
3 平峰转供模式具体方法
根据供热初期与高峰期居民采暖热指标的变化情况,合理分配热电联产机组与集中热源厂的运行时间,在供热初期与末期环境温度较高的情况下,热电联产机组可按照较低的采暖热指标满足基本热负荷,在供热高峰期开始后启动集中热源厂对外供热,实现整个供热期内热电联产机组平峰运行、集中热源厂调峰运行的方式,这样可以在提高供热资源的利用效率的同时兼顾机组经济性与环保的要求。
以某市区域内6台热电联产机组为例,若整个供热期内按照采暖热指标28 W/m2计算,6台热电联产机组提供热量可覆盖7 700万m2供热面积,供热初末期可满足全市热负荷需要。高峰期启动集中热源厂调峰运行,按照38 W/m2计算,集中热源厂可提供1 376万m2,高峰期剩余热负荷由热电联产热源提供,供热量需求为2 403 MW。平峰转供模式依据环境温度的差异合理分配了采暖热负荷的需求,在减少集中热源厂运行时间的同时提高了热电联产机组额定抽汽工况运行时间,实现了能源高效利用,提高了机组经济性。
4 热电联产机组经济性分析与环境效益
4.1 供电收益
根据平峰转供模式下供热高峰期热电联产机组供热需求量为2 403 MW,与6台机组额定抽汽供热总量基本持平,则供热高峰期热电联产机组可基本维持额定抽汽工况运行。以某350 MW超临界机组为例,整个供热期中采用额定抽汽工况运行,该工况下机组负荷为“以热定电”模式下的最大供电负荷,供电收益达到最大。额定抽汽工况相比最大抽汽工况供电负荷多11 MW,按照电价0.5元/kW·h计算整个供热期机组供电收益为1 584万元。
4.2 转供热量收益
供热高峰期集中热源厂提供的热量可以代替热电联产机组需提供的部分热量,平峰转供模式下单台机组可转供热量87 MW,按照热电联产机组对外提供热量28元/GJ计算,供热高峰期机组转供热量收益1 249万元。
4.3 节约供热标煤耗
平峰转供后,热电联产机组可在整个供热期维持额定抽汽工况运行,相比最大抽汽工况可节省供热标煤耗量,根据:
Δbg=ΔQ/(Qb×ηb×ηg)
(2)
式中:Δbg是减少供热标煤耗量,单位kg/h;ΔQ是供热量差值,单位GJ/h;Qb是标煤发热量,kJ/kg;ηb是锅炉效率;ηg是管道效率。
以某350 MW超临界机组为例,供热量ΔQ为工业抽汽与采暖抽汽供热变化量的总和,分别按照额定工业抽汽量120 t/h,最大工业抽汽量160 t/h,抽汽焓值3 384 kJ/kg,工业抽汽疏水焓84 kJ/kg,额定采暖抽汽量370 t/h,最大采暖抽汽量370 t/h,采暖抽汽焓值2 970 kJ/kg,采暖抽汽疏水焓377 kJ/kg计算供热量差值ΔQ为170.8 GJ/h。
标煤发热量Qb取29 308 kJ/kg,锅炉效率ηb取0.93,管道效率ηg取0.99,计算出减少供热标煤耗量Δbg为6.3 t/h。若以标煤单价463元/t计算,一个供热期内热电联产机组因平峰转供而节约的供热标煤成本为840万元。
4.4 环境效益
平峰转供的环境效益主要体现在缩短了整个供热期内集中热源厂的运行时间。由于集中区域锅炉相比热电联产机组热效率较低、能耗高,且脱硫、脱硝、除尘设备不完善,所以平峰转供模式大大的缩短了区域热源锅炉的运行时间,在减少一次能源消耗的同时降低了污染物的排放量,根据:
B=Q/(Qb×ηb×ηgw)
(3)
式中:B是区域锅炉标煤耗量,单位t/h;Q是区域锅炉供热量,单位kJ/kg;Qb是标煤发热量,单位kJ/kg;ηb是供热锅炉效率;ηgw是管网效率。
标煤发热量Qb取29 308 kJ/kg,供热锅炉效率ηb取0.85,管网效率ηgw取0.99,分别计算集中热源厂整个供热期运行与高峰期运行的煤耗,平峰转供模式下区域内所有集中热源厂整个供热期可节约供热标煤耗总量为10.9万t,按照每天减少燃煤37 847 kg计算,供暖期集中热源厂每天可减排CO299.1 t、SOX0.32 t、NOX0.28 t。
综上所述,供热初、末期热电联产机组可以维持额定抽汽工况运行,扩大供热面积,高峰期将调峰供热量转供给集中热源厂,节省机组供热成本,整个供热期内热电联产机组总收益如表1所示。
表1 平峰转供模式下热电联产机组经济性指标 万元
5 结论与建议
(1)采用平峰转供模式可以减少高能耗、低效率的供热锅炉运行时间,降低一次能源消耗量。
(2)依据环境温度采用相适应的采暖热指标是实行平峰转供的基础,供热初、末期热电联产机组以较低的采暖热指标对外供热,有利于扩大区域供热面积,缓解供热压力。
(3)热电联产机组可在保证供热的条件下维持“以热定电”模式下的最大电负荷运行,在提高经济性的同时保证机组安全稳定运行。机组在高峰期转供的部分热量不仅可以降低运行成本,还可增加供热收益。
(4)平峰转供可以为热电联产机组带来可观的收益,但在城市规模逐年扩大的情况下,集中供热的发展无法满足热用户增多的需求,如何提高未来城市集中供热覆盖率是能否实现平峰转供的关键。
参考文献:
[1] 庞乐,王宝玉,黄立彬.热、电负荷分配的经济效益分析[J].中国电力,2016,49(4);131-133.
[2] 俞金树.大流量抽汽工况下汽轮机运行方式综合优化策略[J].热能动力工程,2017,32(6);123-128.
[3] 万杰,许天宁,李泽等.热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化办法[J].节能技术,2015,33(1);33-37.