謝 天，何 寧，李庚達(dá)，張秋生，王文彬，崔青汝

(國(guó)家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

中國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤機(jī)組將長(zhǎng)期用于承擔(dān)用戶基本用電負(fù)荷[1]。隨著全球氣候變暖加劇，世界各國(guó)都在為提高可再生能源發(fā)電裝機(jī)比例，降低二氧化碳排放量的目標(biāo)不懈努力。“十三五”時(shí)期，中國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)，利用率也顯著提高[2]。截止到2022年9月，中國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到11.61億千瓦，占總裝機(jī)容量的46.8%，可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量比重約為25%[3]。大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)給電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為減少可再生能源高度滲透帶來(lái)的電源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)雙隨機(jī)擾動(dòng)，越來(lái)越多的大型燃煤機(jī)組開(kāi)始參與深度電網(wǎng)調(diào)峰[4-5]。

頻繁的負(fù)荷波動(dòng)使燃煤機(jī)組長(zhǎng)期偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，導(dǎo)致其能耗水平升高、控制品質(zhì)下降、壽命損耗增加，燃煤發(fā)電企業(yè)面臨靈活運(yùn)行與節(jié)能的雙重壓力，亟需挖掘燃煤機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程節(jié)能潛力，開(kāi)展燃煤機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程能耗特性研究[6]，建立精確的機(jī)組瞬態(tài)能耗計(jì)算模型是研究的基礎(chǔ)，但與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況不同，機(jī)組在瞬態(tài)過(guò)程中受工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過(guò)程控制的影響，機(jī)組發(fā)電煤耗率隨變負(fù)荷幅度、變負(fù)荷方向和變負(fù)荷速率而變化[7]，眾多專家學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了研究。楊志平等[8]基于燃煤機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程的工質(zhì)蓄熱模型和金屬蓄熱模型，推導(dǎo)出了瞬態(tài)工況下機(jī)組煤耗計(jì)算模型，對(duì)1 000 MW機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程的能耗變化規(guī)律進(jìn)行了分析。Wang等[9]建立了燃煤機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程能耗分析模型，利用GSE軟件平臺(tái)搭建了660 MW超臨界機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型，研究了變負(fù)荷方向和變負(fù)荷速率對(duì)機(jī)組能耗特性的影響。郭喜燕等[10]提出了機(jī)組非穩(wěn)態(tài)工況下的煤耗計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)例計(jì)算定量分析了瞬態(tài)過(guò)程中鍋爐蓄熱對(duì)機(jī)組煤耗量的影響。

目前，針對(duì)燃煤機(jī)組瞬態(tài)能耗計(jì)算模型的研究已比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況下機(jī)組煤耗的準(zhǔn)確計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確掌握機(jī)組熱力系統(tǒng)的能量分布規(guī)律至關(guān)重要。Cheng等[11]建立了熱儲(chǔ)率和熱利用率計(jì)算模型，通過(guò)鍋爐水冷壁分段計(jì)算獲得了水冷壁廣義全工況下熱量組成和分布結(jié)果。Li[12]分別基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，對(duì)機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)的能量損失和能量分布特性進(jìn)行了研究。Guo等[13]對(duì)機(jī)組大幅度變負(fù)荷、啟停等瞬態(tài)工況下的鍋爐熱量分布進(jìn)行了研究。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)瞬態(tài)過(guò)程的能量分布特性研究大多數(shù)需要基于質(zhì)量、能量守恒方程建立復(fù)雜的機(jī)組蓄熱計(jì)算模型，建模及求解困難，機(jī)組熱工控制系統(tǒng)時(shí)延作為影響機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程能量分布特性的因素之一，罕見(jiàn)由熱力學(xué)角度出發(fā)針對(duì)過(guò)程控制對(duì)機(jī)組能量分布影響的定量研究。

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，采用EBSILON軟件對(duì)機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得了50%～100%THA工況范圍內(nèi)包括金屬蓄熱與工質(zhì)蓄熱在內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱，通過(guò)機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到受過(guò)程控制遲延影響的附加蓄熱，進(jìn)而定量研究了機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過(guò)程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備的能量分布特性。

1 研究對(duì)象和仿真模型

1.1 研究對(duì)象

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，鍋爐為前后墻對(duì)沖燃燒方式，尾部采用雙煙道布置，汽輪機(jī)為三缸二排汽、一次中間再熱超超臨界汽輪機(jī)。在額定負(fù)荷工況下，鍋爐主蒸汽壓力為27.78 MPa，主蒸汽溫度為605℃，再熱蒸汽壓力為5.7 MPa，再熱蒸汽溫度為603℃，鍋爐效率為94.58%。汽輪機(jī)主汽壓力為27 MPa，再熱蒸汽壓力為5.244 MPa，主汽溫度和再熱蒸汽溫度為600/600℃。鍋爐燃用煙煤，煤種的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤種工業(yè)分析結(jié)果和低位發(fā)熱量

該機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)由螺旋管圈和垂直管屏水冷壁構(gòu)成，沿?zé)煔饬鞒谈魇軣崦娣謩e為屏式過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器和高溫再熱器，低溫再熱器和低溫過(guò)熱器分別布置在前后尾部煙道，省煤器由前墻省煤器和后墻省煤器組成。汽輪機(jī)本體包括高、中、低壓缸，凝汽系統(tǒng)由凝汽器、熱井和循環(huán)水泵等設(shè)備構(gòu)成，回?zé)嵯到y(tǒng)包括3個(gè)高壓加熱器、3個(gè)低壓加熱器、除氧器及給水泵等。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注:1-屏式過(guò)熱器;2-后屏過(guò)熱器;3-末級(jí)過(guò)熱器;4-高溫再熱器;5-低溫再熱器;6-低溫過(guò)熱器;7-省煤器;8-高壓缸;9-中壓缸;10-低壓缸;11-高壓加熱器;12-除氧器;13-低壓加熱器;14-發(fā)電機(jī)

1.2 仿真模型及驗(yàn)證

根據(jù)該660 MW超超臨界燃煤機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在EBSILON軟件中搭建了包含鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在內(nèi)的完整系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真模型，如圖2所示。為驗(yàn)證本文基于EBSILON軟件的仿真模型精度，在機(jī)組BMCR工況下進(jìn)行了主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計(jì)值的對(duì)比，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，BMCR工況下機(jī)組主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計(jì)值最大偏差在2%范圍內(nèi)，表明本文模型具有較高準(zhǔn)確度。

圖2 仿真模型

表2 主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證結(jié)果

1.3 計(jì)算指標(biāo)

工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過(guò)程控制是導(dǎo)致燃煤機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過(guò)程中運(yùn)行參數(shù)變化發(fā)生滯后的主要原因，為簡(jiǎn)化研究過(guò)程，本文將工質(zhì)蓄熱和金屬蓄熱整體考慮，對(duì)于兩個(gè)穩(wěn)態(tài)工況而言，包括金屬蓄熱和工質(zhì)蓄熱的基礎(chǔ)蓄熱為一固定值，由過(guò)程控制產(chǎn)生的附加蓄熱與機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷速率有關(guān)。燃煤機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況下基礎(chǔ)蓄熱為一近似固定值，因此可以將機(jī)組在EBSILON軟件中的穩(wěn)態(tài)仿真工況作為基礎(chǔ)蓄熱的計(jì)算基準(zhǔn)。

工質(zhì)蓄熱計(jì)算式為

式中Qw,ts——工質(zhì)蓄熱/kW；

Mw,1、Mw,2——變負(fù)荷開(kāi)始、變負(fù)荷結(jié)束時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲(chǔ)存工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Mv——變負(fù)荷過(guò)程中換熱器內(nèi)發(fā)生相變的工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Hw,1、Hw,2——變負(fù)荷開(kāi)始、變負(fù)荷結(jié)束時(shí)穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲(chǔ)存工質(zhì)平均焓值/kJ·kg-1；

γv——汽化潛熱/kJ·kg-1；

Δt——變負(fù)荷過(guò)程時(shí)間/s。

金屬蓄熱計(jì)算式為

式中Qm,ts——金屬蓄熱/kW；

Am——金屬傳熱面積/m2；

ρm——金屬管壁材料密度/kg·m-3；

δm——金屬管壁厚度/m；

ca,m——變負(fù)荷過(guò)程中金屬平均比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

Tm,1、Tm,2——變負(fù)荷開(kāi)始、變負(fù)荷結(jié)束時(shí)金屬管壁平均溫度/℃；

Δt——變負(fù)荷過(guò)程時(shí)間/s。

機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中受控制系統(tǒng)時(shí)延作用影響，機(jī)組的熱工信號(hào)中摻雜了過(guò)程控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息，因此可以通過(guò)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算求得的基礎(chǔ)蓄熱與EBSILON軟件穩(wěn)態(tài)仿真求得的基礎(chǔ)蓄熱比較，獲得因過(guò)程控制造成的附加蓄熱。

附加蓄熱計(jì)算式為

Qc,ts=|(Qw,ts+Qm,ts)試驗(yàn)值-(Qw,ts+Qm,ts)仿真值|

式中Qc,ts——附加蓄熱/kW。

為獲得機(jī)組50%～100%THA工況范圍的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了50%～100%THA工況范圍內(nèi)的機(jī)組連續(xù)升降負(fù)荷試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)24 h，試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組負(fù)荷值變化情況如表3所示。

表3 試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組的負(fù)荷變化

圖3 機(jī)組50%～100%THA連續(xù)升降負(fù)荷試驗(yàn)

2 結(jié)果與分析

2.1 升負(fù)荷過(guò)程中各換熱設(shè)備能量分布

50%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗(yàn)值與仿真值如表4所示。由表4可見(jiàn)，受金屬換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，在機(jī)組各主要換熱設(shè)備中，低溫過(guò)熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器的基礎(chǔ)蓄熱較大，且金屬蓄熱要高于工質(zhì)蓄熱，說(shuō)明金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素。在機(jī)組50%～75%THA工況變負(fù)荷過(guò)程中，工質(zhì)蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化范圍為3.86～2 628.45 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為2.56～2 602.03 kW；金屬蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化范圍為7.61～4 552.81kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為4.95～4 498.57kW。基礎(chǔ)蓄熱的試驗(yàn)值要整體高于基礎(chǔ)蓄熱的仿真值，分析其原因?yàn)樵跈C(jī)組實(shí)際升負(fù)荷過(guò)程中，因熱工控制系統(tǒng)時(shí)延作用，導(dǎo)致機(jī)組升負(fù)荷速率低于設(shè)備本身的動(dòng)態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值增加。

表4 50%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗(yàn)值與仿真值如表5所示。由表5可見(jiàn)，在機(jī)組75%～100%THA工況變負(fù)荷過(guò)程中，工質(zhì)蓄熱最小的換熱設(shè)備是低壓加熱器，其試驗(yàn)值與仿真值分別為5.67 kW和4.86 kW，工質(zhì)蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過(guò)熱器，其試驗(yàn)值與仿真值分別為3 243.24 kW和3 221.31 kW；金屬蓄熱最小的換熱設(shè)備同樣為低壓加熱器，其試驗(yàn)值與仿真值分別為9.01 kW和7.41 kW，金屬蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過(guò)熱器，其試驗(yàn)值與仿真值分別為4 861.45 kW和4 817.45 kW。機(jī)組75%～100%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于50%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說(shuō)明在升負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值增大而增加。

表5 75%～100%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

機(jī)組50%～75%THA工況和75%～100%THA工況升負(fù)荷過(guò)程中因控制系統(tǒng)時(shí)延引起的附加蓄熱值如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，受過(guò)程控制附加蓄熱影響較為顯著的換熱設(shè)備是蒸發(fā)系統(tǒng)、低溫再熱器、低溫過(guò)熱器和省煤器，這說(shuō)明機(jī)組換熱設(shè)備本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣是影響附加蓄熱的主要影響因素。升負(fù)荷過(guò)程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在75%～100%THA工況下的低壓加熱器，為2.41 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在50%～75%THA工況下的低溫過(guò)熱器，為61.54 kW。由此可見(jiàn)，因控制時(shí)延影響造成的機(jī)組附加蓄熱值相比于機(jī)組設(shè)備本體的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值較小。機(jī)組50%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體高于75%～100%THA工況下的附加蓄熱值，這說(shuō)明機(jī)組負(fù)荷值越高的狀態(tài)下，因過(guò)程控制造成的附加蓄熱值越小。

圖4 升負(fù)荷附加蓄熱值

2.2 降負(fù)荷過(guò)程中各換熱設(shè)備能量分布

在機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組各換熱設(shè)備呈放熱特性，為便于對(duì)比分析機(jī)組升、降負(fù)荷過(guò)程對(duì)機(jī)組能量分布特性的影響，本文對(duì)升、降負(fù)荷過(guò)程中的各蓄熱值均取絕對(duì)值。100%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗(yàn)值與仿真值如表6所示。由表6可見(jiàn)，在機(jī)組100%～75%THA工況變負(fù)荷過(guò)程中，工質(zhì)蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為3.39 kW與1 730.93 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為5.18 kW與1 774.76 kW；金屬蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為7.14 kW與3 285.06 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為10.72 kW與3 345.36 kW。與升負(fù)荷過(guò)程不同，在機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中，基礎(chǔ)蓄熱的仿真值要整體高于試驗(yàn)值，這說(shuō)明在機(jī)組實(shí)際降負(fù)荷過(guò)程中，因熱工控制系統(tǒng)時(shí)延作用，導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷速率低于設(shè)備本身的動(dòng)態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值減小。

表6 100%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～50%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗(yàn)值與仿真值如表7所示。由表7可見(jiàn)，在機(jī)組75%～50%THA工況變負(fù)荷過(guò)程中，工質(zhì)蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化范圍為3.42～1 508.86 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為6.84～1 574.64 kW；金屬蓄熱的試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化范圍為4.59～2 217.67 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為11.25～2 297.53 kW。機(jī)組100%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于75%～50%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說(shuō)明在降負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值降低而減小。

表7 75%～50%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中的基礎(chǔ)蓄熱值，這說(shuō)明在機(jī)組升、降負(fù)荷過(guò)程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同，因金屬蓄放熱現(xiàn)象造成的機(jī)組瞬態(tài)工況下的能量附加值也不相同。

機(jī)組100%～75%THA工況和75%～50%THA工況降負(fù)荷過(guò)程中因控制系統(tǒng)時(shí)延引起的附加蓄熱值如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，降負(fù)荷過(guò)程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在100%～75%THA工況下的低壓加熱器，為5.37 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在75%～50%THA工況下的低溫過(guò)熱器，為145.64 kW。機(jī)組100%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體低于75%～50%THA工況下的附加蓄熱值，這說(shuō)明機(jī)組負(fù)荷值越低的狀態(tài)下，因過(guò)程控制造成的附加蓄熱值越大。

圖5 降負(fù)荷附加蓄熱值

以75%～100%THA工況為例，機(jī)組相同變負(fù)荷區(qū)間范圍內(nèi)的升、降負(fù)荷過(guò)程中的附加蓄熱值如圖6所示。由圖6可以看到，相同變負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中的附加蓄熱值要整體高于機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的附加蓄熱值，這說(shuō)明在機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中對(duì)控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。

圖6 升、降負(fù)荷附加蓄熱值

3 結(jié)論

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象，基于EBSILON軟件建立了機(jī)組全系統(tǒng)模型，通過(guò)該模型仿真得到了機(jī)組50%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱值，利用機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了附加蓄熱值，從而對(duì)機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過(guò)程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過(guò)程控制的能量分布特性進(jìn)行了研究。得到以下結(jié)論。

(1)基礎(chǔ)蓄熱值較大的換熱設(shè)備為低溫過(guò)熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器，基礎(chǔ)蓄熱值較小的換熱設(shè)備為低壓加熱器，金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素，說(shuō)明機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程節(jié)能應(yīng)重點(diǎn)以換熱面積較大的金屬換熱設(shè)備為研究目標(biāo)。

(2)變負(fù)荷過(guò)程中，基礎(chǔ)蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值增大而增加，隨機(jī)組負(fù)荷值減少而減小，機(jī)組升、降負(fù)荷過(guò)程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同。

(3)變負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷值越高的狀態(tài)下，因過(guò)程控制造成的附加蓄熱值越小，反之則附加蓄熱值越大，說(shuō)明機(jī)組在偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程節(jié)能潛力更大。

(4)整個(gè)試驗(yàn)工況范圍內(nèi)附加蓄熱值最大為145.64 kW，相比于基礎(chǔ)蓄熱值，因過(guò)程控制造成的附加蓄熱值較小，機(jī)組瞬態(tài)過(guò)程節(jié)能應(yīng)著重挖掘基礎(chǔ)蓄熱的潛力。

(5)相同變負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中的附加蓄熱值高于機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中的附加蓄熱值，說(shuō)明機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中對(duì)控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。