基于多种供热方式的热电机组运行优化研究

2020-11-04张彦斌

山西电力 2020年5期

张彦斌

（山西大唐国际云冈热电有限责任公司，山西大同 037000）

0 引言

随着电力行业环保要求的日益严格，对于国内电厂尤其是北方电厂，依靠冬季供热勉强可以存活的300 MW 机组，在寻求供热经济性方法上，绝大部分电厂已经进行了改造，包括热泵机组、高背压式供热。供热设备的增加让其运行方式的匹配无法确定，如何利用各种供热设备的优势实现供热的最大经济性，是本文将要重点讨论的问题。本文以某电厂300 MW 机组供热情况，详细阐述了热网加热器、热泵机组、高背压凝汽器三者在不同供热时段和机组负荷下如何匹配运行。

1 某电厂设备简介

1.1 供热机组（3、 4 号机组）

某电厂300 MW 国产燃煤直接空冷供热机组共2 台。汽轮机为东方汽轮机厂生产的300 MW亚临界、一次中间再热、单独、双缸双排汽、直接空冷抽凝式汽轮机，机组型号为CZK300/232/-16.7/0.4/537/537。汽轮机的额定背压值为15 kPa。设计特性数据如下：汽轮机热耗保证工况THA（turbine heat-acceptance）时，出力300 MW，热耗值 8 358 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 962 t/h，排气流量600 t/h，排气压力15 kPa；75%THA 时，出力225 MW，热耗值8 623 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 703 t/h，排气流量 464 t/h，排气压力 15 kPa；50%THA 时，出力150 MW，热耗值9 107 kJ/（kW·h），主蒸汽流量 483 t/h，排气流量339 t/h，排气压力15 kPa；额定供热工况时，出力 233 MW，热耗值 5 754 kJ/（kW·h），主蒸汽流量962 t/h，排气流量165 t/h，排气压力5.39 kPa，供热抽汽量500 t/h，抽汽压力0.4 MPa[1]。

1.2 热网加热器（31、 32、 41、 42 加热器）

某电厂二期热网加热器共4 台，由东方汽轮机厂生产，机组型号JR-1925-1。技术数据：循环水流量3 000 t/h，进口温度70 ℃，出口温度120 ℃，加热蒸汽流量275 t/h，压力0.4 MPa，温度253.1 ℃，热焓2 970.84 kJ/kg，疏水流量 275 t/h，温度80 ℃，热焓 335.45 kJ/kg。

1.3 热泵机组（3、 4 号机热泵）

某电厂热泵机组共2 台，由北京华源泰盟节能设备有限公司生产，型号为HRU248V[2]。技术参数：制热量248 MW，回收余热量153 MW，热网水额定出口温度77 ℃，热网水流量5 395 t/h，蒸汽（与热网加热器汽源一致）耗量136 t/h。

1.4 4 号机高背压凝汽器

某电厂高背压凝汽器共1 台，由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产，型号为N-8338-1。技术参数：冷却面积8 338 m2，冷却水量6 030 t/h，冷却管规格为 19 mm×0.7 mm（主凝结区、凝结水冷却器）、 19 mm×0.9 mm（周围及空冷区），冷却管总根数21 120 根[3]。

2 热电机组运行方式优化分析

2.1 系统流程

二期热网循环水回水经热网增压泵升压后分3 路，1 路至3 号机热泵机组，1 路至4 号机高背压凝汽器，还有1 路至4 号机热泵机组（目前仅用热泵前置凝汽器），3 路汇合后经热网循环泵升压后进入热网加热器进行最后的加热，最终达到市政要求的热网供水温度，二期热网循环水回水也可直接经热网循环泵升压后进入热网加热器进行加热，以达到热网供水温度。

2.2 运行方式配比

通过统计 2019 年 10 月 1 日至 2020 年 3 月 31日供热季的机组负荷和热网循环水流量及供、回水温度，得出的结果见表1。表1 中，供热初末期指2019 年 10 月 1 日—11 月 15 日和 2020 年 3 月 1日—3 月31 日，共计1 848 h；供热寒冷期指2019年 11 月 16 日—12 月 20 日和 2020 年 1 月 21 日—2 月29 日，共计1 800 h；供热严寒期指2019 年12 月 21 日—2020 年 1 月 20 日，共计 504 h。

热网加热器、热泵机组、高背压凝汽器三者的运行方式配比最具代表性的几个参考点定为：供热初末期时机组负荷150 MW、200 MW、240 MW，寒冷期时机组负荷190 MW、230 MW，严寒期机组负荷稳定在230～260 MW 之间即可。

无论是什么供热阶段还是什么机组负荷，核心思路是最大化地利用4 号机高背压凝汽器和4号机热泵凝汽器，3 号机热泵机组作为配合设备使其循环水出水温度同4 号机高背压凝汽器和4号机热泵凝汽器循环水出水温度相同，汇合后经热网加热器利用少量抽汽加热到要求的供水温度。

2.2.1 供热初末期的运行方式

为避免低压缸超温（正常低于80 ℃），同时为保护低压缸末级动叶片，4 号机组50%THA 时，背压最高为32 kPa；190 MW 时，背压最高为35 kPa；75%THA 时，背压最高为40 kPa。

在讨论供热初末期的运行方式时可以初步分为3 个档次，第1 档为机组负荷在150～190 MW之间时维持机组背压32 kPa 运行；第2 档为机组负荷在190～225 MW 之间时维持机组背压35 kPa运行；第3 档为机组负荷在225 MW 以上时维持机组背压40 kPa 运行。在此基础上，再分配3 号机热泵机组和4 号机高背压凝汽器的热网循环水流量。

表1 某电厂供热期热网供回水温度及机组负荷占比情况

供热初末期时要求的热网循环水供水温度平均值为75 ℃，此时对应的回水温度平均值为41 ℃，循环水流量9 000 t/h，需要热负荷357 MW。

第一，机组负荷在150～190 MW 时维持机组背压32 kPa 运行的可行性。以机组负荷150 MW，纯冷凝工况条件下，乏汽量为339 t/h，机组背压32 kPa 时，乏汽饱和温度为70.61 ℃，此时的乏汽焓值为2 628 kJ/kg，疏水温度45 ℃，其焓值为189 kJ/kg。从4 号机高背压凝汽器的性能考核实验报告中可知，4 号机高背压凝汽器的端差为1.2 ℃[4]，可见循环水出水温度最高可到69 ℃。

热交换平衡方程式的物理意义是乏汽凝结时放出的热量等于循环水带走的热量，即

所以，将6 030 t/h 的热网循环水从41 ℃加热至69 ℃所需的乏汽量为290 t/h。即

此时的乏汽量总共有339 t/h，除去加热热网循环水的290 t/h，剩余的49 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，按照最优运行方式4 号机低负荷时4 号机热泵前置凝汽器的主要作用就是利用少量乏汽（8.95 t/h）和少量循环水（200 t/h）来维持 4 号机热泵房温度不低于7 ℃，保护溴化锂不结晶。当机组负荷在150～190 MW 时，维持背压32 kPa，4号机高背压凝汽器循环水流量6 030 t/h，4 号机热泵凝汽器循环水流量200 t/h，这种运行方式单对4 号机是可行的。

剩余的2 770 t/h 循环水通过3 号机热泵机组加热至69 ℃，所需的热负荷为90.5 MW，从热泵性能报告[5]可知，驱动蒸汽热量为乏汽热量的2 倍，即驱动蒸汽热量为60 MW，需要驱动蒸汽（焓降2 677.31 kJ/kg） 80.68 t/h，乏汽热量为 30.5 MW（焓降2 395.45 kJ/kg），需要乏汽45.8 t/h。

3 号机热泵机组、4 号机高背压凝汽器、4 号机热泵凝汽器三者的循环水混合后进入热网加热器，每台加热器的循环水流量为2 250 t/h，根据温度中和原理，2 250 t/h 93 ℃的水和6 750 t/h 69 ℃的水混合后水温为75 ℃。此时利用3 号机五抽供汽，31、32 热网加热器任用其一，进行加热2 250 t/h 的热网循环水，所需的3 号机五抽汽量为86 t/h。即

MF=ΔT×M×C÷ （H-h） = （93-69） ×2 250×4.2÷（2 970.84-335.45） =86 （t/h）

假设3 号机组负荷也是150 MW，纯冷凝工况下，乏汽量为339 t/h，五抽汽总用量86+80.68=166.68 t/h，乏汽总用量45.8 t/h，抽汽量和剩余乏汽量小于纯凝工况下乏汽量339 t/h 即满足要求，即166.68+45.8=212.48＜339 t/h，完全满足热网加热器用汽量。

由此可知，供热初末期，4 号机组负荷在150～190 MW 时，3 号机负荷在 150 MW 以上，以上运行方式可行。

第二，机组负荷在190 ～225 MW 之间时维持机组背压35 kPa 运行的可行性。以机组负荷190 MW，纯冷凝工况下，乏汽量为401 t/h，机组背压35 kPa 时，乏汽饱和温度为72.68 ℃，此时的乏汽焓值为2 631 kJ/kg，疏水温度45 ℃，其焓值为189 kJ/kg。考虑高背压凝汽器的端差，循环水最高可加热到71.5 ℃，此时同样加热6 030 t/h 的热网循环水至71.5 ℃需要的乏汽量为316.3 t/h，剩余的45.2 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，按照最优运行方式4 号机在这个负荷期间可有40 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，此时可加热760 t/h 的循环水至71.5 ℃。可见当机组负荷在190 ～225 MW时，维持背压35 kPa，高背压凝汽器循环水流量6 030 t/h，4 号机热泵凝汽器循环水流量760 t/h，这种运行方式单对4 号机组是可行的。

剩余的2 210 t/h 热网循环水通过3 号机热泵机组也加热至71.5 ℃，所需热负荷为78.6 MW，驱动汽源需要70.5 t/h，乏汽需要39.4 t/h。

3 号机热泵机组、4 号机高背压凝汽器、4 号机热泵凝汽器三者的循环水混合后进入热网加热器。根据温度中和原理可知，2 250 t 85.5 ℃的水和6 750 t 71.5 ℃的水混合后水温是75 ℃。还是利用3 号机五抽供汽，31、32 热网加热器任用其一，加热2 250 t/h 的热网循环水，所需的3 号机五抽汽量仅为50.2 t/h。假设3 号机负荷此时还是150 MW，五抽汽总用量70.5+50.2=120.7 t/h，乏汽总用量39.4 t/h，抽汽量和剩余乏汽量小于纯凝工况下乏汽量339 t/h 即满足要求，即120.7+39.4=160.1＜339 t/h，完全满足热网加热器用汽量。

由此可知，供热初末期，4 号机组负荷在190～225 MW 时，3 号机负荷在 150 MW 以上，以上运行方式可行。

第三，机组负荷在225 MW 以上时维持机组背压40 kPa 运行的可行性。以机组负荷225 MW，纯冷凝工况条件下，乏汽量为464 t/h，机组背压40 kPa 时，乏汽饱和温度为75.89 ℃，此时的乏汽焓值为2 637 kJ/kg，疏水温度45 ℃，其焓值为189 kJ/kg。考虑高背压凝汽器的端差，循环水最高可加热到74.6 ℃。此时同样加热6 030 t/h 的热网循环水至74.6 ℃需要的乏汽量为347.6 t/h，剩余的46 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，70 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，可将1 210 t/h 的循环水加热到74.6 ℃，可见当机组负荷在225 MW 以上时，维持背压40 kPa，4 号机高背压凝汽器循环水流量6 030 t/h，4 号机热泵凝汽器循环水流量为1 210 t/h，这种运行方式单对4 号机组是可行的。

剩余的1 760 t/h 的热网循环水通过3 号机热泵机组加热至77 ℃，所需的热负荷为73.9 MW，驱动汽源需要66.2 t/h，乏汽需要37 t/h。

3 号机热泵机组、4 号机高背压凝汽器、4号机热泵凝汽器三者的循环水混合后仅途径热网加热器无需加热就满足热网供水温度75 ℃。假设3 号机负荷此时还是150 MW，五抽汽总用量为53.8 t/h，乏汽总用量为51.1 t/h，抽汽量和剩余乏汽量之和小于纯凝工况下乏汽量339 t/h 即满足要求，即66.2+51.1=117.3＜339 t/h，完全满足3 号热泵机组用汽量。

由此可知，在供热初末期，4 号机组负荷在225 MW 以上时，3 号机负荷在150 MW 以上，以上运行方式可行。

2.2.2 供热寒冷期的运行方式

从全年供热寒冷期的机组负荷分布占比来看，基本集中在190～260 MW 之间，同样考虑背压对低压缸末级叶片的保护，在讨论供热寒冷期的运行方式时可以初步分为2 个档次，第1 档为机组负荷在 190～225 MW 时维持机组背压 35 kPa 运行，第2 档为机组负荷在225 MW 以上时维持机组背压40 kPa 运行，在此基础上再分配3 号机热泵机组和4 号机高背压凝汽器的热网循环水流量。

供热寒冷期时要求的热网循环水供水温度平均值为88 ℃，此时对应的回水温度平均值为44 ℃，循环水流量为10 500 t/h，需要热负荷539 MW。

第一，机组负荷在190～225 MW 时维持机组背压35 kPa 运行的可行性。以机组负荷190 MW，供热工况下，机组背压35 kPa，4 号机高背压凝汽器把6 030 t/h 的循环水从44 ℃加热到71.5 ℃所需乏汽为285.2 t/h，剩余的46 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，70 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，此时可加热1 480 t/h 的循环水至71.5 ℃，可见当机组负荷在190～225 MW 时，维持背压35 kPa，高背压凝汽器循环水流量6 030 t/h，4 号机热泵凝汽器循环水流量1 480 t/h，这种运行方式单对4号机组是可行的。

剩余的2 990 t/h 热网循环水通过3 号机热泵机组加热至71.5 ℃，所需的热负荷为96 MW，驱动汽源需要86.1 t/h，乏汽需要48.1 t/h。

3 号机热泵机组、4 号机高背压凝汽器、4 号机热泵凝汽器三者的循环水混合后进入热网加热器。根据温度中和原理，5 250 t/h 104.5℃的水和5 250 t/h .71.5 ℃的水混合后水温是88 ℃。利用3号机五抽供汽，31、32 热网加热器都投入运行，加热5 250 t/h 的热网循环水，所需的3 号机五抽汽量为276.1 t/h。统计可知3 号机寒冷期的负荷在190～260 MW 之间，3 号机在供热工况下，以负荷190 MW 为例，五抽供热泵和热网加热器用汽可抽400 t/h，乏汽量为145 t/h。五抽汽总用量 276.1+86.1=362.2 ＜400 t/h，乏汽总用量(48.1＜145) t/h，抽汽量和乏汽量均满足需求。

由此可知，供热寒冷期，4 号机组负荷在90～225 MW 时，3 号机负荷在190 MW 以上，以上运行方式可行。

第二，机组负荷在225 MW 以上时维持机组背压40 kPa 运行的可行性。以机组负荷225 MW，供热工况下，机组背压40 kPa，4 号机高背压凝汽器加热6 030 t/h 的循环水从44 ℃到74.6 ℃所需乏汽为317.7 t/h，剩余的46 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，100 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，此时可加热1 900 t/h 的循环水至74.6 ℃，可见当机组负荷在225 MW 以上时，维持背压40 kPa，高背压凝汽器循环水流量6 030 t/h，4 号机热泵凝汽器循环水流量1 900 t/h，这种运行方式单对4号机组是可行的。

剩余的2 570 t/h 热网循环水通过3 号机热泵机组加热至74.6 ℃，所需要热负荷为91.7 MW，驱动汽源需82.3 t/h，乏汽需46 t/h。

3 号机热泵机组、4 号机高背压凝汽器、4 号机热泵凝汽器三者的循环水混合后进入热网加热器。根据温度中和原理，5 250 t/h 101.4 ℃的水和5 250 t/h 74.6 ℃的水混合后的水温是88 ℃。利用3 号机五抽供汽，31、32 热网加热器都投入运行，加热5 250 t/h 的热网循环水所需的3 号机五抽汽量为224.2 t/h。3 号机供热工况下，还以负荷190 MW 为例，五抽供热泵和热网加热器用汽可抽400 t/h，乏汽量为145 t/h。五抽汽总用量224.2+82.3=306.5 ＜400 t/h，乏汽总用量（46 ＜145）t/h，抽汽量和乏汽量均满足需求。

由此可知，供热寒冷期4 号机组负荷225 MW以上时，3 号机负荷在190 MW 以上，以上运行方式可行。

2.2.3 供热严寒期的运行方式

从全年供热严寒期的机组负荷分布占比来看，基本集中在230～260 MW 之间，同样考虑背压对低压缸末级叶片的保护，在讨论供热寒冷期的运行方式时，机组在任何背压下均可安全运行。但为了经济性，需要分析选择背压35 kPa 运行，还是背压40 kPa 运行。确定了机组背压再匹配抽汽和乏汽量，在此基础上使3 号机热泵机组和4 号机高背压凝汽器的热网循环水流量分配的更合理一些。

供热严寒期时要求的热网循环水供水温度平均值为95 ℃，此时对应的回水温度平均值为47 ℃，循环水流量为12 000 t/h，需要热负荷672 MW。

第一，4 号机机组背压35 kPa 时。4 号机高背压凝汽器加热6 030 t/h 的循环水从47 ℃到71.5 ℃所需乏汽为235.4 t/h，剩余的48.6 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，200 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，此时可加热4 220 t/h 的循环水至71.5 ℃，剩余的1 750 t/h 热网循环水通过3 号机热泵机组也加热至71.5 ℃，所需热负荷为50 MW，驱动汽源需 44.8 t/h，乏汽需25 t/h。根据温度中和原理，6 000 t/h 118.5 ℃的水和6 000 t/h 71.5 ℃的水混合后的水温是95 ℃。利用3 号机五抽供汽，31、32 热网加热器都投入运行，加热6 000 t/h 的热网循环水，所需3 号机五抽汽量为449 t/h。3号机在额定供热工况下（232 MW），五抽供热泵和热网加热器用汽可抽500 t/h，乏汽量为165 t/h。五抽用汽量449+44.8=493.8＜500 t/h，乏汽总用量（25＜165）t/h，抽汽量和乏汽量均满足需求。

当机组负荷稳定，主蒸汽温度、压力、再热汽温度保持不变，仅汽轮机背压p 变化时，背压变化将引起机组功率和机组热耗量变化，从4号机在A 修后的性能试验得出，机组背压每提高1 kPa，机组热耗增加 30 kJ/（kW·h）。

75%THA 工况下，4 号机热耗有所下降，较2019 年 A 修后的 8 916.61 kJ/（kW·h）[6]降低了3 985.76 kJ/（kW·h）。

第二，4 号机机组背压40 kPa 时。4 号机高背压凝汽器加热6 030 t/h 的循环水从47 ℃到74.6 ℃所需乏汽为285.5 t/h，剩余的48.5 t/h 乏汽进入空冷凝汽器，150 t/h 乏汽进入4 号机热泵凝汽器，此时可加热3 170 t/h 的循环水至74.6 ℃，剩余的2 800 t/h 热网循环水通过3 号机热泵机组也加热至74.6 ℃，所需热负荷为90.2 MW，驱动汽源需要80.67 t/h，乏汽需要45.4 t/h。根据温度中和原理，6 000 t/h 115.4 ℃的水和6 000 t/h 74.6 ℃的水混合后的水温是95 ℃。利用3 号机五抽供汽，31、32 热网加热器都投入运行，加热6 000 t/h 的热网循环水，所需3 号机五抽汽量为390 t/h。3号机在额定供热工况下（232 MW），五抽供热泵和热网加热器用汽可抽500 t/h，乏汽量为165 t/h。五抽用汽量390+80.67=470.67＜500 t/h，乏汽总用量45.4＜145 t/h，抽汽量和乏汽量均满足需求。

75%THA 工况下，4 号机热耗较 2019 年 A 修后的8 916.61 kJ/（kW·h）降低了3 886.8 kJ/（kW·h）。

由此可知，4 号机机组背压35 kPa 时比背压40 kPa 时的热耗多降低 50～100 kJ/（kW·h），基本没差别。背压40 kPa 较35 kPa，3 号机五抽汽少用了23.1 t/h，循环水流量分配也较合理，调节性更强，所以严寒期4 号机背压选择40 kPa。