热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化方法

2015年1月第1期EEYC2015年1月第1期EEYCSEINECYanuar.2015.1热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化方法万 杰1许天宁2李 泽3张志强3刘金福1(1．哈尔滨工业大学能源科学与工程学院黑龙江 哈尔滨150001;2．东北电力科学研究院辽宁 沈阳 110006;3．哈尔滨热电有限责任公司黑龙江 哈尔滨150046)摘 要:目前为了平抑电网中的规模化新能源电源的随机波动越来越多的大功率火电机组势必要进行深度变负荷运行滑压运行是降低机组深度调峰发电煤耗的重要手段之一。本文针对热电联产机组的纯凝工况的滑压运行曲线在采暖期不能正常投运问题进行研究提出了一种以供热抽汽量作为修正参数的热电联产机组抽汽供热期汽轮机滑压运行优化方法给出了最优主蒸汽压力的获取方法和机组CS改造的实现策略。此方法不仅能够满足滑压运行时的供热抽汽量需求而且利用二维函数查询方法近似实现了三维滑压运行曲线。此外此滑压运行优化方法还具备很好的可扩展性可以根据实际供热工况对植入的滑压曲线进行调整因此具备很好的工程应用及推广价值。最后通过实际300W机组的实际优化改造试验验证了该滑压运行优化方式的有效性。这对提高热电联产机组在深度变负荷运行时的经济性具有非常重要的意义。关键词:热电联产;汽轮机;滑压运行;抽汽量;参数修正;经济性:．+;;3:A:2－9()1－3－5TriesliigPrereOertinOtiiztinfreertinitrigintePeridftemEtrctinfrHetigNe1Uan－nng2Ie3Ghi－qang3IUn－u1(1．CoegeofEnergyScenceandEngneerngarbnInueofechnoogyarbn150001Chna;2．orheatEecrcpowereearchInueShengyang110006Chna;3．arbnheralowerCo．d．arbn150046Chna)tract:Inorderooohherandomucuaonofarge－caenewenergypowernhegrdhereareagrowngnuberofheargerheralpowergenerangunshatneedododeepvarabeoadoper-aon．ndurbnesdngpreureoperaonsaaoreaureentorreducnghepowerconup-onndeepychangngoadcondon．hspaperudeshatdngpreureoperaoncurvenpurecondenaecondonsofcogeneraonunscantoperaewelnheheangperod．nopaonehodofdngpreureoperaonasheaountofexraconofcorreconparaeerdurngheheatexraconperodspropoed．heehodofgengheopalaneampreureandheraegyofCSranoraonaregven．ryheehodeesheheangexraconneedsofdngpreure收稿日期2014－04－21修订稿日期2014－12－08基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2012C215201);哈尔滨市应用技术研究与开发攻关项目(20122C022)。作者简介:万杰(1984～)男博士研究生研究方向为动力装置的建模及控制等。·33·operaon．Secondyheehodoperaon．Secondyheehodacheves3Ddngpreureoperaoncurveapproxaeyung2Dunconnqury．hrdyheehodhasgoodcaabyhathedngpreureoperaoncurvecanad-utoheacualheangcondons．Sohsehodwlworkwelwhhevaueofheappcaonandprooon．tatheeecvenesofheehodhasbeenveredbya300Wuntopedranor-aonet．lprovehegncanceofheehodhatprovesheeconoyofdephvarabeoadop-eraonorcogeneraonuns．eyors:cogeneraon;eamurbne;dngeconoypreureoperaon;exracon;paraeerscorrecon;行曲线在采暖期就会偏离最优主蒸汽压力运行工况经济性会严重下降;此外在某些负荷点还可能出现抽汽量不能满足供热需求的问题。本文针对热电联产机组的纯凝工况的滑压运行曲线在采暖期不能正常投运的两个突出问题进行研究提出了一种以供热抽汽量作为修正参数的热电联产机组采暖期滑压运行曲线优化方法。并且还给出了机组供热工况下的最优主蒸汽压力的获取方法及自动滑压方式在机组CS实施改造的策略。最后通过对实际300W机组运行优化测试试验，验证了该滑压运行优化方式的有效性:能够在满足供热量需求的前提下实现滑参数的经济运行方式;并且能够根据机组的实际运行工况进行灵活调整，满足不同供热模式的最优运行方式。这对提高热电联产机组供热期的深度变负荷运行经济性具有重要的意义。0引言当前风能等可再生能源是最具规模化开发前景的新能源。然而风电等新能源电力功率的强度随机波动不确定性使得规模化新能源电力消纳成为目前电力系统面临的重大现实问题。并且中国贫油少气富煤的能源结构布局决定了火力发电在发电装机构成中的主导地位因此电源结构性矛盾突出缺乏可平抑新能源电力随机波动特性的电源。所以中国新能源电力的规模化发展必然主要依赖于火电机组的快速深度调］。此外随着电力峰谷差越来越大不仅许多大功率纯凝火电机组参与调］而且许多热电联产机组也势必参与电力调］。由于机组进行深度的变工况运行汽轮机偏离设计工况机组经济性下降。因此为了提高电厂的经济效益必须采用滑压运行方式。与定压运行相比滑压运行具有多种优点。以300W级别的机组通过滑压运行较定压运行方式可平均降低发电煤耗2g/kW·h左4－］。目前的滑压运行方法都是将机组的发电功率(负荷)作为自变量来确定机组的主蒸汽压力并根据机组的现场实际运行数据对理论滑压曲线进行优化修正确定出负荷与滑压值之间的最优对应关6－］。一般通过实验比较法来获取机组最优运行主蒸汽压力国内外大部分电厂都采用这种方法对滑压曲线进行确定但是对实验仪器的精度和实验过程的要求比较］。在缺乏高精度实验条件的情况下也可采用耗差分析］即提取对机组滑压运行性能有关键影响的运行参数分别计算这些参数对机组热耗率影响的分项耗差汇总得到耗差总和并以耗差总和最小为机组不同滑压寻优评判的依据。此外还可运用现代计算机技术建立优化模型来确定最优运行主蒸汽压0－］。但是这种以功率(负荷)为横坐标的滑压运行曲线没有考虑背压及抽汽的变化对机组的影响显然具有一定的局限性。以热电联产机组为例纯凝工况的滑压运·34·1热电联产机组滑压运行的特殊性分析1．1热电联产机组滑压运行存在的问题随着热电联产生产方式的发展各热电厂都在挖掘机组的节能潜力以达到降低发电煤耗节约发电成本。然而火电机组目前普遍采用的滑压运行曲线一般是将机组的负荷作为自变量来确定机组的主蒸汽压力机组负荷发生变化机组的主蒸汽压力便随之改变。由于机组负荷的影响因素较多例如抽汽热电联产机组当抽汽量改变时会使机组电负荷发生显著的变化。并且热电联产机组在非采暖期采用的滑压运行曲线一般都是机组出厂时的原始设计曲线或者机组在非采暖期进行试验获得。所以机组非抽汽供热工况时的滑压运行曲线已经不再适用于抽汽供热工况的经济运行;甚至在一些低负荷区域不能满足抽汽供热需求而不得不放弃自动滑压运行方式而采用手动定压方式运行。这对机组的最优经济性就会产生很大的影响因此热电联产机组在采暖期的滑压运行方式的研究就显得非常重要。1．2供热抽汽对机组的滑压运行的影响分析滑压调节主要有纯滑压调节节流滑压调节复合滑压调节等。然而在较高负荷下采用滑压调节，由于新汽压力减小将使每千克蒸汽的可用能(理想1．2供热抽汽对机组的滑压运行的影响分析滑压调节主要有纯滑压调节节流滑压调节复合滑压调节等。然而在较高负荷下采用滑压调节，由于新汽压力减小将使每千克蒸汽的可用能(理想焓降)减少降低循环热效率使热耗增加这也是采用滑压运行的主要缺点。因此较高负荷时采用滑压调节是不经济的只有当负荷减小到一定数值采用定压调节将因节流损失较大使调节级效率降低较多时采用滑压调节才是最有力的如图1所示也就是说从热经济角度来看只有当循环热效率的降低小于高压缸内效率的提高给水泵耗功的减少和再热蒸汽温度升高引起热效率提高三者之和时采用滑压调节方能提高机组的经济性。此外由于初压的变化对机组的循环效率相对内效率给水泵的功耗节流损失等产生影响因此在给定负荷下主蒸汽压力的滑压设定值必须考虑这些因素的综合影响。对于抽汽供热机组其最优滑压运行曲线的确定较一般的中间再热凝汽式机组更为复杂其主要原因在于:(1)热电联产机组工作在抽汽模式时供热抽汽的抽汽压力是由热用户决定故供热抽汽点的压力为定值因此供热抽汽点压力不随机组工况变化而变化;(2)热电联产机组工作在非抽汽模式时其工作状况与一般的中间再热凝汽式机组类似因此供热抽汽点压力随机组工况变化而变化。由此可见热电联产机组工作在抽汽工况和非抽汽模式时机组和回热加热器的变工况特性将会存在较大差异主要体现如下:由于两种工作模式下供热抽汽点压力具有较大差异这使得供热抽汽点附近的机组效率在机组变工况时将会存在较大差异;在两种工作模式下由于供热抽汽的影响供热抽汽点之后的各回热抽汽点的抽汽量以及各回热加热器的工作状况也会存在较大差异;当供热抽汽量发生变化时供热抽汽点之后的各回热抽汽点的抽汽量以及各回热加热器的工作状况也会存在较大差异。所以当以机组负荷作为自变量确定滑压曲线时对于抽汽机组必须考虑背压和抽汽量两个因素的影响即最优主汽压=F(负荷背压抽汽量)。此时滑压曲线图已变成三维图如图1所示比非抽汽机组更为复杂如果还按目前的方法来确定最优滑压值则必然不可靠。这种简单的滑压曲线确定方法在机组变工况运行时并不是最优的。图1不同抽汽工况下的滑压曲线示意图22．1热电联产机组供热期的滑压运行优化抽汽供热机组的滑压运行优化目前的热电联产机组在采暖期一般都会有几个长期运行的典型供热工况。因此可以根据抽汽工况点来确定每一负荷点的最优主蒸汽运行压力;然后将多条适合多采暖工况的滑压运行曲线都植入机组的CS中从而在确保抽汽量满足采暖需求的前提下机组变负荷运行的主蒸汽压力也能够达到最优。具体的最优主蒸汽运行压力及CS实现方法如下所述。2．2最优主蒸汽的获取方法为了得到采暖期精确度较高的滑压运行曲线，采用试验法获取最优主蒸汽压力如表1。表1采暖期变工况下的主蒸汽压力寻优方法抽汽/h－1负荷/MW压力1/Ma压力2/Ma压力3/Ma压力4MaQ1F1F2F3F4F1F2F3F4M1N1P1Ｒ1M1N1P1Ｒ1M2N2P2Ｒ2M2N2P2Ｒ2……M3N3P3Ｒ3M3N3P3Ｒ3M4N4P4Ｒ4M4N4P4Ｒ4Q2Q3 … …… (1)首先选定采暖期的几个常运行供热抽汽量分别为Q1t/hQ2t/hQ3t/h…;(2)然后在固定抽汽量Q1t/h的工况下一般需开展四个负荷点的压力寻优试验:F1WF2WF3WF4W;这四个负荷点的选取可以参考纯凝工况的滑压曲线:F1和F4可以选择纯凝工况滑压曲线的两个滑压拐点F2和F3可以选择纯凝工况滑压区间的2个中间点即可保证试验有效性;·35·(3)再然后进行每一负荷点的最优主蒸汽压力寻优试验基(3)再然后进行每一负荷点的最优主蒸汽压力寻优试验基准点选择也可以参考纯凝工况的滑压运行曲线以F1W负荷点为例:M2和M3的取值可以在纯凝工况下此负荷点的最优主蒸汽压力值的基础上相应增加或者减小0．5～1a左右M1和M4的取值相应增加或者减小1～2a左右即可保证将此负荷点的最优主蒸汽压力包含在内;(4)同一抽汽量工况下的其余三个负荷点F2～F4的压力寻优试验范围N1～N4P1～P4Ｒ1～Ｒ4的选择方法与F1的压力范围M1～M4的选择方法相同;(5)重复上述的做法进行其余抽汽工况下(Q2t/hQ3t/h…)的压力寻优试验;(6)需要注意的是在同一负荷点下的实验中，不仅需要尽可能维持抽汽量不变而且还要尽可能保持冷凝器背压尽可能不变;此外每一个汽压工况都要稳定1h左右这些对所获取的滑压运行曲线的精确程度影响非常重要;(7)计算每一抽汽量情况下的16个工况点对应的机组试验热耗值;(8)在每一抽汽工况每一负荷点下基于最小二乘方法对实验主蒸汽压力和相应的机组试验热耗值进行曲线拟合确定每一个负荷点下机组的最优主蒸汽压力设定值。这样不仅得到了每一抽汽量下的最优滑压运行曲线;而且由于试验的前提条件为保持抽汽量不变这样也就保证了机组滑压运行时的压力能够保证各典型抽汽工况下的供热需求量。图2三维滑压运行曲线的二维实现方法示意图改造试验及结果分析为了验证该方法的有效性本文以某300W热电联产机组采暖期的滑压优化为例进行效果对比说明。主要对比过程及相应参数如下。32．3机组CS改造的实现策略目前电厂CS中查值用的函数框只适用于二维图对于三维图就只能当做二维来处理。因此以机组负荷作为自变量来确定机组的最优滑压值只适用于某一抽汽量当实际工况的抽汽量偏离这一背压值和抽汽量时该滑压值已非最优。所以本文提出一种可以将所有抽汽量下的滑压运行曲线都植入机组CS的改造策略利用二维查询方法近似实现三维滑压曲线。如图2所示为植入三条滑压运行曲线的机组CS改造策略示意图。此方法不仅可以通过引入抽汽量作为修正参考值来选择滑压运行曲线实现多个抽汽量工况下的经济运行;而且还具备良好的扩展性可以将纯凝工况下的滑压运行曲线以及其他更多抽汽量工况下的滑压运行曲线都植入CS中更加接近机组的全工况最优运行方式。图3机组纯凝工况滑压曲线及抽汽常运行模式3．1 某300W热电联产机组滑压运行优化如图3所示(a)为机组纯凝工况下的滑压运行曲线;(b)为机组抽汽常运行工况由于此机组为供热主力机组因此其抽汽量一共有3个常运行工况。根据实际运行工况所选择的负荷点如表2所示基本能够覆盖图3的三种常运行抽汽工况。如图4所示为一种抽汽工况下的机组滑压运行优化试验:(a)为负荷变化过程(b)为汽压变化过程。·36·通过热耗率计算。如图5所示为试验所得的一种供热负荷工况下的滑压运行曲线。其他两个抽汽工况的滑压运行优化试验类似。将优化所得的三条滑压运行曲线植入机组的CS中并进行实际运行的经济性考核试验。表2某一抽汽量下的各负荷点滑压值选择负通过热耗率计算。如图5所示为试验所得的一种供热负荷工况下的滑压运行曲线。其他两个抽汽工况的滑压运行优化试验类似。将优化所得的三条滑压运行曲线植入机组的CS中并进行实际运行的经济性考核试验。表2某一抽汽量下的各负荷点滑压值选择负荷/MW滑压值1/Ma滑压值2/Ma滑压值3/Ma滑压值4/Ma18019021022014151616．7131415161213141511121314图5某一抽汽工况下的滑压运行曲线表3改造前后的三个抽汽量下的热耗率热耗率抽汽/h－1改前平均值/kkg－1改后平均值/kkg－1平均耗差/kkg－13903002607040735074507000728074004070504结论及展望本文针对目前国内热电联产机组在抽汽供热期不能正常投入纯凝工况下的滑压运行曲线的问题进行研究通过理论分析和试验研究如下:(1)提出了一种以供热抽汽量作为修正参数的热电联产机组抽汽供热期汽轮机滑压运行优化方法给出了最优主蒸汽压力的获取方法和机组CS改造的实现策略;此方法不仅能够满足滑压运行时的供热抽汽量需求而且利用二维函数查询方法近似实现了三维滑压运行曲线;(2)此滑压运行优化方法具备很好的可扩展性可以根据实际供热工况对植入的滑压曲线进行调整因此具备很好的工程应用及推广价值。实际机组的优化改造试验验证了该方式的有效性。此外由于高背压工况供热是一种很久之前就被关注的供］是未来的一种更加高效供热方式。因此后续工作还需要针对高背压工况的最优滑压运行曲线获取方法进行研究进一步降低机组在深度变负荷运行时的供电煤耗达到节能减排的目的。参考文献李战明季金．高耗能企业参与电网内风电消纳的机会约束模型研．电网与清洁能源40(2):8－27．高林戴义平王志强等．大功率汽轮机配汽方式对轴系稳定性的影响．中国电机工程学报．88(5):4－9．(下转第42页)·37·图4某一抽汽工况下的滑压运行优化试验过程实际改造效果对比分析通过机组实际运行试验机组滑压运行能够正常投入即机组在滑压运行的同时也能够满足供热抽汽量的需求。对机组优化改造前后的运行数据进行采集利用aab计算平台选取背压基本不变值的数据对改造前后的热耗率进行计算和对比分析。为了使改造效果对比更加明显对三个常运行抽汽量工况的热耗进行平均计算结果如下表3所示。从表中对比可以看出进行滑压运行优化后机组发电热耗率平均降低50kJ/kg左右效果显著。3．2参考文献rv参考文献rviiJirthAMPrm．It-lisfiilnierfre:Ariw．-ledtileryis15(9):3－1．张基尧．新环境条件下对水电发展的再认．电网与清洁能源39(2):0－40．张绍基．航空发动机控制系统的研发与展．航空动力学报49(3):5－2．梅德清袁银男孙平等．生物柴油发动机燃烧火焰与放热过程特性研．农业机械学报23(1):6－0．孙尚德王兴国单良．生物柴油研究与开发进展．粮食与油脂7(4):8－3．SYoIiletleilsdtirritisfrltrtieilflsinIis:Ari．ledtileryis15(1):1－9．陈波水方建华．生态润滑剂:可持续发展的必然选．后勤工程学院学报5(2):8－1．袁银男陈秀来永斌等．生物柴油冷滤点与其化学组成的定量关．农业工程报39(7):2－9．袁波李秀敏．生物柴油开发现状及发展趋．安徽农业科学31(9):3－5．司利增边耀璋张春化．生物柴油特性分析与应．小型内燃机与摩托车65(2):3－4．Krrd．efiilflrrtisntetrtreffttyidlltr．lrig-ly56(0):9－0．JuBSnJHgJg．fftfiilnitintrydr