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600MW供热汽轮机热力计算优化与灵活出力挖掘分析

2025-02-25 126 上传者：管理员

摘要：为提高供热汽轮机电出力调节能力提供指导，基于优化的变工况热力计算方法建立供热汽轮机电出力的快速计算模型。耦合热负荷动态计算模型建立灵活调节潜力挖掘评价方法，实现出力的实时监测和运行指导。结果表明：基于优化的变工况计算方法可实现供热汽轮机电出力的快速计算，具有较好的准确性。通过对机组出力评估可以实现0～116MW的升负荷运行和0～82MW的降负荷运行。供热机组受季节影响较大，春季和秋季的供热负荷较低，可调容量较大。冬季的供热负荷较大，可调容量减少。

关键词：
供热汽轮机
变工况计算
可再生能源
潜力挖掘
灵活调节
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可再生能源接入电网的比例持续走高,供热机组承担的负荷跟踪和频率调节任务艰巨｡因此,开展供热汽轮机热力计算优化与灵活性出力调节潜力分析,提升供热机组电出力灵活性并实现机组潜力挖掘的实时评估是必要的｡

在机组经济性分析方面,朱海军等[1]通过平衡轴系做功与回热系统热量的计算方法,分析了不同压力的供热工况对汽轮机热耗率的影响｡冯垚飞等[2]利用重热理论和等熵平衡法对不同抽汽量､不同电负荷工况下汽轮机内效率的变化趋势进行了计算分析｡王文焕等[3]建立了供热改造机组的变工况计算模型,利用热平衡法对机组原则性热力系统进行了计算｡Lu等[4]采用理论与辨识相结合的方法建立了凝-抽-背压型涡轮机供热系统的动态数学模型,对切换瞬态工况下的水位波动抑制机理进行了研究｡Li等[5]利用MATLAB/Simulink对太阳能二次再热式混合发电系统在增功模式和节油模式下进行了仿真模拟,提出了提高太阳能的光电转换效率的运行建议｡Chen等[6]开发了电厂系统的数学孪生模型,集成了机制驱动和数据驱动的建模方法提高火电机组的灵活性｡Mikkola等[7]提出了一种考虑能源系统动力学的优化模型,不同的灵活性策略的选择｡在调度优化方面,Hu等[8]提出了联合热电机组日调度优化的方法,为实际应用中提高能源效率和增强系统可靠性提供了参考｡Wang等[9]提出了两阶段优化调度模型,第一阶段是利用热电联产机组的灵活性使其制热成本最小,第二阶段则是对热电联产机组进行修补以提供具有剩余灵活性的实时平衡服务｡Tang等[10]建立了热电联产机组与蒸汽分配系统集成的动态模型,对热电联产机组设备进行时间尺度分析｡Zhang等[11]建立了凝结水节流系统的动态模型,对凝结水节流过程中两个阶段的转换机理和整个节流过程进行分析,为在机组灵活性的协调时选择最优调节措施提供详细的指导｡在热力特性计算方法和机组改造方案的基础上,学者们提出了机组灵活性调节的控制策略｡Zhao等[12]建立了燃煤电厂的动态仿真模型,评估各种措施对电厂运行灵活性的影响｡Tian等[13]设计了基于燃煤电厂综合过程模型的在线性能监控平台,可以提供实时反馈监控功能｡Wu等[14]建立了冷端动态特性的非稳态模型,提出了4种冷却水调节策略,对不同工况下的标准煤耗进行了比较｡Wang等[15]设计了热电联产机组炉-机-热-储协调控制系统,提出了一种热电联产机组与热能存储系统的优化控制策略,以提高机组的运行灵活性｡

现有机组热力特性的计算方法较多,但多数计算方法所需时间较长,并不适用于现场工程中的应用,而机组灵活性控制策略多侧重于提升响应速度,进而提高机组灵活性,忽略机组本体灵活性能监测､挖掘和利用｡本文从运行角度开展供热汽轮机灵活性出力数学模型的建立与潜力挖掘分析,基于改进的变工况计算方法,建立供热汽轮机灵活出力的快速计算模型｡耦合热负荷动态计算模型建立灵活出力潜力挖掘评价方法,实现出力的实时监测和运行指导｡

1、计算模型

1.1热力计算模型及优化

根据某600MW供热式汽轮机热力流程建立汽轮机变工况通流部分的热力计算模型,系统模型如图1所示｡

以抽汽点为分界分别建立级组,各级组压力与流量的关系可用简化的弗留格尔公式计算,具体如下:

在详细变工况计算中,各级组前的压力和温度由级内做功过程确定｡由于级内做功过程复杂,且其中级组内各级温度近似不变,因此先建立压力与流量的近似关系:

图1600MW供热式汽轮机原则性系统

当各级组前压力确定后可由等熵焓降确定级后温度T01,考虑温度后的压力与流量关系如下:

各级组前压力会跟随回热系统抽汽量变化,因此需要通过回热系统热平衡计算进行压力修正｡考虑回热系统计算容量较大且复杂,本文建立回热抽汽系数αhr,i对通流部分压力修正,具体方法如下:

回热抽汽系数αhr,i是根据机组给水流量与各段回热抽汽流量的比例拟合而成的非线性修正公式｡最后可得各级段前后压力:

根据修正后的通流部分压力和温度查水蒸气表可获得各段焓值,最终得到汽轮机发电功率:

式中,G01,i为变工况后第i段级组进汽流量,kg/s;G0,i为变工况前第i段级组进汽流量,kg/s;p01,i为变工况后第i段级组前压力,MPa;p0,i为变工况前第i段级组前压力,MPa;T01,i为变工况后第i段级组前温度,K;T0,i为变工况前第i段级组前温度,K;αhr,i为回热抽汽系数;Gfw为给水流量,kg/s;H01,i为变工况后第i段级组前比焓,kJ/kg;He1,i为变工况后第i段抽汽比焓,kJ/kg｡

1.2供热负荷动态计算模型

根据某地各季节典型热负荷日建立供热日负荷数据库,通过数据识别和筛选构建供热负荷动态计算模型,具体如下:

式中,Dgr,i为某j季节的实时供热负荷,kg/s;βj为某j季节的实时供热系数,kg/s;nj为某j季节的典型月;dj为某j季节的典型日;t为机组当前运行时间｡

根据数据库和热负荷计算公式(7)得到某天的供热负荷变化,如图2所示｡

1.3运行边界

结合某600MW超临界供热式汽轮机工况图和实时运行数据确定机组运行安全边界｡以试验工况确定机组最大出力边界,额定蒸汽参数的最大进汽量1870t/h｡根据机组热力试验,汽轮机运行最小出力需考虑低压缸鼓风边界流量以及中压缸排汽温度等限制,限制低压缸最小进汽量为25%额定进汽量,中压缸排汽温度不超过380℃,具体运行边界如下:

图2典型日供热负荷

2、结果分析

通过夏季某日机组运行的历史数据对本文模型计算的准确度进行验证,0~23时内选取7个时间进行数据对比,如图3所示｡

图3计算数据验证

从图3实际发电量和预测发电量可以看出,本文计算的机组电功率与实际运行数据相近,最大偏差为4.92MW,相对误差为4.58%｡最小偏差为0.355MW,相对误差为0.8%,表明本文所建立的模型具有较好的准确性｡

基于验证的有效模型,添加机组运行边界条件,分别计算典型日供热机组的实时电出力和可实现的最小出力､最大出力,得到供热机组灵活调节空间,并通过热耗率对机组经济性进行分析｡

以6月中旬某日为例,建立供热负荷与电出力快速计算耦合模型,得到机组热力试验限制范围内的可实现最大出力和可降低的最小出力,如图4所示｡

对比不同时间的供热机组发电量可以看出,受供热抽汽影响,机组在工作时间内(8h~18h)的发电负荷较低｡根据机组安全边界获得的最大出力与最小出力也相应减小｡在非工作时间(0~7h),机组的可实现最大出力较高,供热抽汽的限制较小,但可实现的最小出力偏高,这是因为供热机组的热电耦合特性下边界被较低的供热量限制,同时又要满足机组低压缸安全流量和中压缸排气温度条件｡与机组实际出力相比,机组的运行范围较宽,可以进一步实现降负荷或升负荷的调节能力｡

图4典型日电出力范围预测

根据本计算模型获得供热机组的电出力调节范围如图5所示｡在现有机组实际运行的基础上,机组可进行0~116MW的升负荷运行,同时可进行0~82MW的降负荷运行｡整体运行可调范围相比当前实际出力增加44%,表明机组在满足当前供热量的前提下可完成大幅度的变工况运行,该分析结果可为提高机组运行调节的灵活性提供有效支撑｡

图5典型日灵活调节空间

基于以上分析,当机组在大范围变工况运行时会导致机组经济性的改变,因此本文对供热工况下最大出力､最小出力的热耗率进行分析｡考虑到供热机组的供热特性,认为供热抽汽的热量全部被利用,不包括在机组热耗中,得到机组典型日供热变化,如图6所示｡

当机组以不同出力运行时,机组的热耗率随供热抽汽量的变化而呈现负相关变化｡在非工作时间内,供热抽汽量较小,机组热耗率较低｡当抽汽量增大,机组热耗率有所增加｡当机组以最大出力运行时,其热耗率降低,这是因为供热机组的运行条件与额定负荷接近,经济性有所提升｡相反,当机组以最小出力运行时,热耗率增加,导致机组经济性下降｡但需指出,对比机组实时实际出力和最小出力的热耗率可以发现,两种运行方式的热耗相差较小,表明供热机组在满足供热的前提下,可以较低的负荷运行,从而为清洁能源并网提供更多的空间｡

图6典型日热耗率

为进一步分析机组全年不同季节下的可调容量,根据各季节典型日供热负荷和电出力计算得到供热机组的可升容量和可降容量,如图7所示｡根据区域用热特性,春季和秋季的供热负荷较低且相近,因此机组的可调容量较大,可升容量约为130MW,可降容量约为83.1MW｡冬季的供热负荷较大,导致机组的可调容量减少,可升容量约为51.3MW,可降容量约为32.9MW｡

图7全年平均灵活调节容量

3、结论

本文基于优化的变工况热力计算方法建立供热汽轮机电出力的快速计算模型｡耦合热负荷动态计算模型实现出力的实时监测和运行指导,具体结论如下:

(1)基于优化的变工况计算方法实现供热汽轮机电出力的快速计算,最大相对误差为4.58%｡最小相对误差为0.8%,具有较好的准确性｡

(2)机组在工作时间内(8h~18h)的发电负荷较低｡在非工作时间(0~7h),机组的可实现最大出力较高,可以实现0~116MW的升负荷运行和0~82MW的降负荷运行｡

(3)供热机组受季节影响较大,春季和秋季的供热负荷较低,可调容量较大;冬季的供热负荷较大,可调容量减小｡

(4)基于本文提出灵活调节分析方法,可为提高机组运行调节的灵活性提供有效支撑｡供热机组在满足供热的前提下,可以较低的负荷运行,从而为清洁能源并网提供更多的空间｡

参考文献:

[1]朱海军,余雷,方剑.热电联产机组热力特性计算解决方案[J].能源研究与利用,2015(5):36-39,43.

[2]冯垚飞,冯林魁,谷志德,等.变工况试验下热电联产汽轮机内效率分析研究[J].发电设备,2023,37(3):141-146,158.

[3]王文焕,李志炜,李秋白,等.基于分析法的供热机组变工况特性研究[J].热力发电,2022,51(1):115-122.

基金资助:2024年供热机组出力上下限在线监测与参数实测工作(SGFJDK00DYWT2400130);