空冷供热机组滑压优化计算研究

田嘉

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北分公司，西安710065）

0 引言

近年来，随着新能源发电的冲击和电力结构的变化，传统火电机组利用小时数逐年降低，大容量机组调峰的时间越来越多，供热机组也要参与调峰[1-2]。火电机组在部分电负荷运行时，通常采用汽轮机滑压运行方式[3]。热电联产是实现温度对口、能量梯级利用的有效途径，是提高能源利用效率的重要措施之一[4]。随着城市采暖及工业供热需求日益增长，很多300 MW以上纯凝机组进行了供热改造。北方干旱地区空冷机组装机容量较大，汽轮机背压变化量及频率远大于湿冷机组。相比于纯凝机组，空冷供热机组在相同发电负荷时，背压与供热抽汽量的变化，都会使机组主蒸汽流量发生变化。若机组仍按纯凝工况设计滑压曲线运行，则会使汽轮机高压调节阀偏离经济阀位，影响机组的经济性[5-7]。因此为实现空冷供热机组节能降耗，研究空冷供热机组在供热工况下的滑压运行方式意义重大。

国内学者针对火电机组滑压运行进行了大量研究[8-11]。李俊等[12]提出“宽度滑压优化”的概念，通过不同负荷、不同运行方式下的滑压比对试验，发现高压缸效率、高排汽温等指标参数的变化规律，确定调峰范围内最优的机组运行方式。文乐等[13]分析了汽轮机的配汽方式与定滑压曲线的优化条件，阐述了机组深度调峰下的定滑压曲线优化试验原则。赵家毅等[14]针对电厂机组滑压曲线随着外界条件变化产生偏移的问题，结合汽轮机的变工况理论，提出了一种以调节级压力为自变量的滑压曲线。陈绍龙等[15]通过作图法推理获得了滑压设定值与凝汽器背压及机组负荷之间的二元函数表达式，提出了基于背压和最佳阀位控制的滑压曲线实时优化。

由于传统优化运行技术无法兼顾供热条件下的机组节能，因此，与纯凝工况相比，供热工况下火电机组的节能潜力巨大。本文以某300 MW空冷供热机组为例，充分考虑其供热工况和纯凝工况，提出一种同时适用于供热工况和纯凝工况的滑压优化曲线，以指导空冷供热机组供热工况和纯凝工况下部分负荷的滑压运行。

1 分析方法

本文利用Ebsilon软件对某NCK300-16.7/0.40/537/537空冷供热汽轮机变工况进行模拟分析。系统模拟流程图如图1所示，机组额定背压为16 kPa，共有6个高调阀，随着负荷的提高，1号、2号和3号阀一同开启，然后依次开启4号、5号和6号阀门。该模型的搭建依据为机组热VWO、THA、75%THA、50%THA、40%THA、30%THA 工况平衡图，以及阀门面积比例、排汽损失曲线等相关参数。通过与热平衡图中的不同工况下的热耗进行对比，误差小于0.06%，满足工程需求。

2 滑压优化原理及分析

2.1 滑压优化原理

由图2可知，主蒸汽压力与机组热耗密切相关：1）相同负荷下，由于节流损失的存在，机组热耗将会随着主汽压力的升高呈“波浪”变化。2）相同负荷下，热耗的最低点一般出现在某一阀点附近，如图2（a）所示，这主要是由于阀点处节流损失最小。3）相同负荷下，热耗的最低点偶尔也出现在两阀点之间，如图2（b）所示，这是该点处节流损失造成的影响被机组吸热量减少和汽轮机级效率增加抵消所致。

图1 Ebsilon搭建模型

图2 相同功率下热耗与主汽压力关系

滑压曲线优化的原理是：为找到一条适合机组运行的主蒸汽压力曲线，在保证机组安全稳定运行的基础上，可使其始终处于经济运行状态。目前常规的滑压曲线优化做法是：在纯凝工况下进行热耗对比试验后，将最优主蒸汽压力与负荷直接联系起来，形成一条主蒸汽压力-负荷曲线，并输入DCS中实现自动控制。该方法由于忽略了背压和供热对优化结果的影响，在实际运用中存在一定的误差。

2.2 空冷供热机组滑压曲线影响因素

2.2.1 背压

由图3可知，保持机组电负荷不变，背压的增加不但会增加热耗，还会使得主汽压力与热耗的关系曲线发生“横向偏移”。若背压变化10 kPa，最经济的主汽压值将会变化约0.5 MPa。若按照传统的主蒸汽压力-负荷曲线来进行控制，无论背压如何变化，只要负荷相同，则实际主汽压力始终维持不变，此时会导致机组经济性下降。

2.2.2 供热量

图3 负荷225 MW下背压、主汽压力与热耗与关系

由图4可知，保持机组电负荷不变，按照“好处归热法”[16]，供热量的增加不但会增加热耗，也会使得主汽压力与热耗的关系曲线发生“横向偏移”。若供热量增加100 t/h，最经济的主汽压值将会变化约1 MPa。若按照传统的主蒸汽压力-负荷曲线来进行控制，无论供热量如何变化，只要负荷相同，则实际主汽压力始终维持不变，此时亦会造成机组经济性下降。

图4 负荷225 MW下供热量、主汽压力与热耗与关系

2.3 以流量为基准进行滑压曲线优化的意义

由图5可知，在某一相同阀点下，背压和供热量的变化会使得主汽压与功率的关系曲线发生较大变化，但主汽压与主蒸汽流量曲线始终处于重合状态，即主蒸汽流量与主汽压始终是一一对应的关系。因此，若已知某负荷下机组的最佳阀点，可以将该最佳阀点处的主蒸汽流量和主蒸汽压力联系在一起，形成主蒸汽压力-主蒸汽流量曲线，即使背压和供热量发生变化也能保证机组的最佳经济运行。

图5 三阀全开工况下主汽压与各参数关系

3 结果及讨论

3.1 优化结果

图6 滑压曲线优化结果

在额定背压、纯凝工况下进行滑压曲线优化，各阀点下机组经济性能如表1所示，优化结果如图6所示。机组在120～180 MW之间，机组保持3阀点运行；在180～240 MW之间，逐步由3阀点转向4阀点；在240.0～278.5 MW之间，机组保持4 阀点运行；在278.5～330.0 MW之间,由4阀点向5阀点过渡，保持主蒸汽压力为额定的16.7 MPa。图6（a）、图6（b）对应的都是在额定背压、纯凝工况下同一个优化结果，但图6（a）采用本文提出的主蒸汽压力-负荷曲线来实施，图6（b）采用传统的主蒸汽压力-负荷曲线来实施。

表1 各阀点机组经济性能

3.2 优化结果对比

按照优化结果，在背压和供热量变化时，分别以主汽压-功率曲线和主汽压-主蒸汽流量曲线来指导主汽压力值，所对应的热耗差值为节能量。在150 MW电负荷下背压和供热量变化时的节能量如图7所示。由图7可知，与主汽压-功率曲线的滑压曲线优化方法相比，以主汽压-主蒸汽流量曲线来指导主汽压力值，热耗降低值可达13 kJ/（kW·h）。

图7 150 MW 工况下不同实施方法的热耗对比

4 结论

本文通过对某300 MW空冷供热机组的滑压优化模拟计算分析，得出以下结论：1）本文验证了运用Ebsilon软件并结合相关数据进行滑压曲线优化的可行性；2）传统的以主蒸汽压力-负荷曲线进行滑压曲线优化的方法，在背压或供热量发生较大变化时存在一定的节能潜力；3）本文提出的以主蒸汽压力-主蒸汽流量曲线进行滑压曲线优化的方法，在背压或供热量发生较大变化时依然可以保证机组的经济运行；4）与传统的主汽压-功率曲线的滑压曲线优化方法相比，以主汽压-主蒸汽流量曲线来指导主汽压力值，热耗降低量可达13 kJ/（kW·h）。