300 MW深度调峰循环流化床机组负荷响应特性研究

张洪福, 高明明, 于浩洋, 岳光溪

(1． 华北电力大学 控制与计算机工程学院, 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206;2． 国家能源集团新能源技术研究院有限公司, 北京 102209;3． 清华大学 能源与动力工程系, 北京 100084)

在“双碳”目标的指引下,新能源发展迅速,并网容量不断增长,为保证电力系统稳定性,要求火电机组提高其运行灵活性并参与深度调峰[1-2]。燃煤循环流化床(CFB)机组采用独特的流态化燃烧方式,相比于煤粉锅炉,低负荷燃烧更稳定,具有更好的调峰能力[3],但由于复杂的流化过程与炉内大量床料的存在,CFB机组具有大迟延、大惯性特性[4-6],需要合理利用锅炉蓄热,以满足电网对机组负荷响应速率的要求。因此,有必要对CFB锅炉汽水侧蓄热进行研究,分析机组在变负荷初期的负荷响应特性,为进一步提升CFB机组深度调峰运行灵活性提供理论依据。

锅炉蓄热系数可以准确反映机组的蓄热特性变化,求取锅炉汽水侧蓄热系数的方法主要有试验法和理论计算法[7]。试验法通过汽轮机高压缸进汽阀的开度扰动试验获得锅炉汽水侧蓄热系数[8]。谷俊杰等[9]通过试验法求取了4个工况下煤粉锅炉水冷壁和过热器的蓄热系数,但试验条件苛刻,工作量大。理论计算法通过分析机组运行机理,利用机组设计数据、运行参数及水和水蒸气的热力性质参数计算锅炉汽水侧蓄热系数,该方法具有适用于各负荷工况、准确性较高且不需要开展高成本扰动试验等优点。刘吉臻等[10]分析了汽包锅炉水冷壁、汽包和过热器的机理,对2台不同容量亚临界机组的蓄热进行了计算;根据文献[10]给出的计算方法,马博洋[11]结合能量守恒原理,分别对某300 MW机组汽包、水冷壁和过热器的蓄热系数进行了原理分析;邓拓宇[12]通过理论计算确定了某330 MW供热机组在典型负荷工况下的汽水侧蓄热系数;Gao等[13]通过分析测试得到某330 MW汽包锅炉蓄热系数,并将蓄热系数引入协调控制系统优化中,提升了机组运行性能;文乐等[14]对煤粉锅炉汽水系统进行了分段建模,计算了660 MW超临界湿冷机组的实际锅炉蓄热系数;Wang等[15]通过GSE软件建立了某660 MW二次再热机组的动态模型,研究了锅炉蓄热的变化规律,为提升机组灵活性的控制优化提供了基础。

火电机组蓄热特性的研究主要集中在煤粉锅炉机组,但由于传热特性不同,CFB锅炉与煤粉锅炉在受热面布置、受热面体积、金属重量及各段受热面出口工质参数等方面存在差异,导致CFB机组的汽水侧蓄热容量、特性不同于煤粉锅炉机组。目前仅有少数学者对CFB机组的蓄热特性进行了探讨,李金晶等[16]定量计算了CFB锅炉能量传递过程中各环节的热惯性,明确了各类受热面和各个环节的比例;刘吉臻等[17]根据机组的历史运行数据,计算了不同容量的CFB机组汽水侧蓄能变化速率,设计了蓄能的利用模式。未来CFB机组将要承担更多深度调峰、一次调频任务,还需要进一步研究大负荷范围内的锅炉蓄热变化规律。

笔者以某300 MW深度调峰CFB机组为研究对象,根据工质特性对该CFB锅炉各汽水流程进行分段,采用理论计算法确定不同负荷工况点的锅炉汽水侧蓄热系数,结合汽轮机热效率,分析锅炉汽水侧蓄热利用可持续时间与机组负荷响应特性,为深度调峰CFB机组灵活性运行优化提供参考。

1 机理分析

根据能量平衡关系,CFB机组负荷是通过改变送入炉膛的燃煤量进行调节的,但由于CFB锅炉的大惯性、大迟延特点,负荷对燃煤量动作的响应慢,难以满足电网对机组调峰调频性能的要求,需合理利用CFB锅炉汽水侧蓄热,实现机组负荷的快速调节。

CFB机组在参与深度调峰时,通过动作主蒸汽阀门实现汽水侧蓄热的利用,达到快速调节负荷的目的。动作主蒸汽阀门会引起汽水工质压力的瞬间变化,汽水工质在压力变化时,吸热量基本保持不变,等焓工况下体积的变化使得进入汽轮机做功的过热蒸汽量发生变化,这部分过热蒸汽所携带的热量为工质蓄热;压力变化时等焓工况下汽水工质温度变化引起金属蓄热量的变化,即为金属蓄热。

1.1 汽水工质蓄热

CFB锅炉汽水侧蓄热分为工质蓄热和金属蓄热,由于汽水流程各段工质的参数差异大,汽水侧各段工质的蓄热能力具有明显的差异,因此需对各段工质蓄热分别进行计算。根据工质是否发生相变以及锅炉部件结构类型对CFB汽包锅炉汽水流程进行分段,根据工质特性将锅炉汽水侧划分为4类,分别为过冷水、饱和水、饱和蒸汽和过热蒸汽,根据质量和能量守恒定律,结合水和水蒸气的热力性质,计算各段汽水工质在压力变化后的体积变化。

对于无相变的工质(如过冷水、过热蒸汽),当压力变化Δp时,可认为工质经历了等焓过程,由质量守恒定律可得:

(1)

式中:Vg0、Vg1分别为工质在压力变化前、后的体积,m3;vg(p0,h0)、vg(p1,h0)分别为工质在压力变化前、后的比体积,m3/kg;p0、p1分别为变化前、后的工质压力,MPa;h0为工质比焓,kJ/kg。

因此,无相变工质的体积变化ΔVg为:

ΔVg=Vg1-Vg0

(2)

对于有相变的工质(如饱和水、饱和蒸汽),当压力下降时,会有部分饱和水转化为饱和蒸汽,工质发生相变。由质量和能量守恒定律可得:

(3)

(4)

式中:V、v、h分别为汽水工质体积、比体积和比焓,m3、m3/kg、kJ/kg;下标w0、w1分别表示压力变化前、后饱和水的状态,s0、s1分别表示压力变化前、后饱和蒸汽的状态,w、s分别表示饱和水和饱和蒸汽。

根据工质初始压力p0,可得到饱和水、饱和蒸汽的比体积和比焓;压力变化Δp后,根据变化后的压力p1可得到对应的饱和水、饱和蒸汽状态参数。

因此,有相变工质的体积变化ΔVt为:

ΔVt=Vw1+Vs1-Vw0-Vs0

(5)

工质压力变化时,工质体积的变化使得进入CFB机组汽轮机做功的主蒸汽量发生变化,这部分过热蒸汽包含的能量ΔEs与压力变化量Δp的比值为CFB锅炉汽水工质的蓄热系数Cw:

(6)

式中:hs为CFB锅炉各负荷工况下主蒸汽的比焓,kJ/kg。

1.2 金属蓄热

在CFB机组深度调峰初期,通过快速动作主蒸汽阀门实现负荷的调节时,工质压力发生变化,压力的变化会同时引起各段汽水工质温度变化,进而引起金属管壁温度变化。由于金属壁温在极短时间内能达到热平衡,各段金属壁温的变化Δtm可认为近似等于各段汽水工质温度的变化Δtf,Δtf可根据压力变化前后的工质压力、比焓得到:

Δtm=Δtf=tf0-f(p1,h0)

(7)

式中:tf0为压力变化前的工质温度,℃;f为水和水蒸气热力性质的函数关系。

根据金属蓄热变化量ΔEm与压力变化量Δp,可得CFB锅炉的金属蓄热系数Cm:

Cm=ΔEm/Δp=0.001cmmmΔtm/Δp

(8)

式中:cm为金属比热容,kJ/(kg·K);mm为金属管道的质量,kg。

因此,CFB锅炉汽水侧蓄热系数Ce可表示为:

Ce=Cw+Cm

(9)

2 CFB机组负荷响应模型

在保证CFB锅炉运行安全下,合理利用锅炉汽水侧蓄热能提升机组的负荷响应性能。在调峰动作时,当主蒸汽压力变化Δp时,锅炉汽水侧蓄热变化总量ΔEh为:

ΔEh=ΔEs+ΔEm

(10)

主蒸汽中携带的能量经汽轮机、发电机转化为电能,该过程存在着转化效率。CFB机组在不同负荷工况点的能量转化效率ηt可表示为:

(11)

式中:Ne为CFB机组负荷,MW;qm,s为主蒸汽质量流量,kg/s。

因此,利用CFB锅炉汽水侧蓄热可转化的电量EΔp可近似表示为:

EΔp=ηtΔEh

(12)

在不同负荷工况下,机组的运行稳定裕度是有差异的,高负荷下主蒸汽压力出现较大的波动依然能保证机组的安全稳定运行,而低负荷下允许的主蒸汽压力波动临界值应较小,否则无法保证机组的稳定运行。因此,结合文献[2],假设深度调峰CFB机组各负荷工况下允许的主蒸汽压力波动临界值Δpt,limit为负荷工况点的函数:

(13)

式中:Ne,0为CFB机组额定负荷,MW;Δpt,0,limit为额定负荷工况下压力波动而不影响机组运行稳定的临界值,MPa。

在CFB机组压力波动范围内,可认为单位压力波动下锅炉汽水侧蓄热的利用量与压力波动值成正比,则不同负荷工况下蓄热利用的折合电量En可表示为:

(14)

CFB机组变负荷速率rs采用机组负荷平均变化速率与额定负荷的比值表示:

(15)

式中:ΔNe为负荷变化量,MW;ΔT为变负荷的持续时间,min。

因此,不同变负荷速率下CFB锅炉汽水侧蓄热利用的可持续时间ts为:

(16)

3 模型计算与分析

本文的研究对象为某300 MW深度调峰CFB机组,该机组采用中间一次再热、滑压运行方式,配置有DG1065/17.4-Ⅱ亚临界单汽包自然循环CFB锅炉及CZK300/259-16.67/0.4/538/538型汽轮机。该CFB锅炉主要由单个膜式水冷壁炉膛、3台汽冷式旋风分离器和汽冷包墙包覆的尾部竖井烟道组成,锅炉汽水系统的部件包括省煤器、汽包、水冷壁、汽冷式旋风分离器管路、包墙过热器、低温过热器、屏式过热器、高温过热器和再热器,整个过热器系统共布置有2级喷水。

3.1 汽水侧蓄热特性

结合锅炉的工质特性,可将该机组汽水流程划分为7段,分别进行蓄热系数的计算,7段分别为省煤器段、汽包饱和水段、汽包饱和蒸汽段、水冷壁水段、水冷壁蒸汽段、过热器低温段(包括旋风分离器、包墙与低温过热器)和过热器高温段(包括屏式过热器、高温过热器)。其中,汽包内饱和水与饱和蒸汽各占一半,水冷壁中蒸汽的体积比例α[12]为:

(17)

式中:Kbc为汽水循环倍率;ρsw、ρww分别为汽包压力对应的饱和蒸汽和饱和水密度,kg/m3。

结合锅炉主要部件容积参数(见表1),分别计算CFB机组在深度调峰过程中5个典型负荷工况下各段汽水工质蓄热系数,5个典型负荷工况为30% (90 MW)、40% (120 MW)、50% (150 MW)、75% (225 MW)和100% (300 MW)负荷,汽水工质参数取自电厂分散控制 (DCS)系统,在计算工质体积变化时,Δp暂取0.3 MPa,结果见表2。结合主蒸汽参数,计算了各典型负荷工况下该300 MW深度调峰CFB锅炉汽水侧工质蓄热系数,结果见表3。

表1 300 MW CFB锅炉各部件容积

表2 典型负荷工况下各段汽水工质蓄热系数

表3 CFB锅炉汽水工质蓄热系数

利用汽水工质温度变化来替代金属壁温的变化,结合式(7)和式(8),计算CFB机组深度调峰过程中5个典型负荷工况的金属蓄热系数。省煤器中的过冷水工质在压力变化时的温度变化很小,过热器高温段的蒸汽温度受喷水减温器的控制,因此本文中省煤器段、过热器高温段的金属蓄热忽略不计。结合300 MW CFB锅炉汽水部件的设计参数,汽包段、水冷壁段和过热器低温段的金属质量分别为139.92 t、766.70 t和572.17 t,金属的平均比热容为0.46 kJ/(kg·K),各负荷工况下的金属蓄热系数计算结果如表4所示。

表4 典型负荷工况下的金属蓄热系数

不同负荷工况下CFB锅炉汽水侧蓄热系数、工质蓄热系数和金属蓄热系数的变化如图1所示。可以看出,各负荷工况下的工质蓄热系数差异较小,金属蓄热系数随着负荷的增大而减小,主要原因是单位压力变化引起的温度变化减小;在高负荷工况下,工质蓄热系数远大于金属蓄热系数,两者的差值随着负荷的降低而减小。此外,在50%负荷以下,锅炉汽水侧蓄热特性发生了明显的变化,不同负荷工况下锅炉汽水侧蓄热系数差异增大。30%负荷与50%负荷的锅炉汽水侧蓄热系数差值为1 884.76 MJ/MPa,而50%负荷与100%负荷的锅炉汽水侧蓄热系数的差值仅为886.96 MJ/MPa。

图1 不同负荷工况下CFB锅炉汽水侧蓄热系数变化

3.2 CFB机组负荷响应特性

为探究CFB锅炉汽水侧蓄热利用对机组变负荷特性的影响,利用该300 MW CFB机组运行数据,对机组在不同负荷工况点的能量转化效率ηt进行了计算,结果如表5所示。

表5 典型负荷工况下机组能量转化效率

通过动作主蒸汽阀门可实现CFB锅炉汽水侧蓄热利用,提升机组快速响应负荷的能力,但会造成主蒸汽压力的波动,控制不当会影响机组整体的稳定运行。结合现场经验与文献[2],本文中临界压力波动值Δpt,0,limit为1.5 MPa,根据式(12)～式(14)计算不同负荷工况下机组汽水侧蓄热利用的折合电量,结果如图2所示。在单位压力波动下(各负荷工况压力波动为1 MPa),折合电量随着负荷的降低而增大,低负荷下锅炉可用汽水侧蓄热容量大,但考虑机组实际运行安全后,在临界压力波动下的折合电量随着负荷的降低而减小,低负荷下锅炉可利用的汽水侧蓄热容量小。

图2 不同压力波动下的折合电量

在变负荷初期利用CFB锅炉汽水侧蓄热后,可通过改变燃料量进行调节,但主蒸汽阀门动作过大,过度利用汽水侧蓄热,会导致机组运行参数波动大。例如在升负荷过程初期,将主蒸汽阀门开大,锅炉汽水侧蓄热被消耗,主蒸汽压力下降,若锅炉汽水侧蓄热支撑不到其他热量的补充,超过汽水侧蓄热利用的可持续时间,会出现机炉热量不匹配,机组实时功率输出瞬间下降的现象,如果不进行其他动作,根据能量平衡关系,负荷将会回落至动作前的数值;反之,降负荷过程初期会出现相反的现象。因此,结合CFB锅炉汽水侧蓄热特性,根据式(15)和式(16),分别对单位压力波动、临界压力波动下各变负荷速率的锅炉汽水侧蓄热利用可持续时间进行了计算,结果如图3和图4所示。在各负荷工况下,CFB机组变负荷速率与蓄热利用的可持续时间成反比,这是因为折合电量固定不变;相同变负荷速率下,单位压力波动下的蓄热利用可持续时间随着负荷的降低而增大,变化较小。考虑机组实际运行安全后,在临界压力波动下的汽水侧蓄热利用可持续时间随着负荷的降低而减小,变化较大;在4%/min变负荷速率下,30%负荷下汽水侧蓄热利用可持续时间为125.59 s,而100%负荷下汽水侧蓄热利用可持续时间为208.04 s。

图3 单位压力波动下汽水侧蓄热利用可持续时间

图4 临界压力波动下汽水侧蓄热利用可持续时间

4 结 论

(1) 在40%～100%负荷范围内,300 MW亚临界CFB锅炉的金属蓄热系数小于工质蓄热系数,但30%负荷工况下金属蓄热系数大于工质蓄热系数;随着负荷的降低,工质蓄热系数变化不大,金属蓄热系数增大,锅炉汽水侧蓄热系数也增大。

(2) 考虑到机组能量转化效率的变化,在单位压力波动下CFB锅炉汽水侧蓄热利用的折合电量随着负荷的降低而增大,在临界压力波动下的折合电量随着负荷的降低而减小。

(3) 相同变负荷速率下,单位压力波动下汽水侧蓄热利用可持续时间随着负荷的降低而增大,变化较小;但临界压力波动下汽水侧蓄热利用可持续时间随着负荷的降低而减小,变化较大,机组的负荷响应能力显著降低,低负荷运行的安全裕度小对CFB机组深度调峰灵活运行的影响大。本文所得结果对CFB机组负荷控制优化与灵活运行能力评估具有指导作用。