王文煥，王炯銘，左紹俊，殷 戈，譚 銳，郭良丹，戴曉業(yè)，史 琳

(1.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系，北京 100084；2.國能(泉州)熱電有限公司，福建 泉州 362804；3.國能南京電力試驗(yàn)有限公司，江蘇 南京 210046)

1 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)作為火電機(jī)組提高效率的重要途徑，近年來受到廣泛關(guān)注[1-2]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國熱電聯(lián)產(chǎn)在近20年來有了很大的突破，目前我國熱電聯(lián)產(chǎn)裝機(jī)容量已經(jīng)位居世界第一位，裝機(jī)容量接近5億kW，占全國發(fā)電總裝機(jī)容量的22%，在火電機(jī)組中的比例達(dá)到37%左右，并且年均復(fù)合增長(zhǎng)率仍保持在10%左右[3]。在“碳達(dá)峰碳中和”任務(wù)背景下，大型電站熱電聯(lián)產(chǎn)化將是未來大型火電站發(fā)展的一種趨勢(shì)[4-5]。大型聯(lián)產(chǎn)電站供熱改造不僅可以保持大容量發(fā)電，還能取代部分工業(yè)鍋爐，提供滿足工業(yè)鍋爐負(fù)荷的供熱需求，并可以保持熱力供應(yīng)的高效性和穩(wěn)定性，是重要的行業(yè)發(fā)展方向[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱改造開展了廣泛研究[6-10]。劉宇對(duì)2臺(tái)700MW亞臨界燃煤機(jī)組進(jìn)行了實(shí)例分析，設(shè)計(jì)了冷再抽汽、壓力匹配器供熱方案。結(jié)果顯示：抽汽供熱降低了汽輪機(jī)組的熱耗率，且抽汽量越大，收益越顯著[11]。歐國海也進(jìn)行了類似的研究，同時(shí)考慮了冷段抽汽易造成過熱器超溫的問題，結(jié)果表明：供熱改造有助于降低機(jī)組煤耗，提高發(fā)電企業(yè)收益[12]。楊志群等分析了600MW亞臨界機(jī)組供熱改造技術(shù)方案，并進(jìn)行了供熱價(jià)格分析[13]。也有學(xué)者對(duì)供熱機(jī)組的變工況特性展開研究[14-17]，涉及汽輪機(jī)組變工況計(jì)算方法[18-19]、熱力特性[20]以及深度調(diào)峰運(yùn)行[21-22]等多個(gè)方面。孫士恩等分析了330MW供熱機(jī)組的變工況特性，比較了中排抽汽和高排抽汽的熱經(jīng)濟(jì)性能，結(jié)果表明對(duì)該兩種抽汽位置，不同機(jī)組負(fù)荷下臨界抽汽量不同，應(yīng)當(dāng)根據(jù)機(jī)組負(fù)荷以及抽汽流量合理選擇抽汽源點(diǎn)，提高抽汽效益[23]。涂朝陽等人基于投入產(chǎn)出火用方法對(duì)高參數(shù)供熱機(jī)組進(jìn)行變工況分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)75%供熱工況下機(jī)組的熱電綜合利用效率指標(biāo)最高[24]。

本文在文獻(xiàn)[18,25]的基礎(chǔ)上，綜合考慮供熱參數(shù)以及用戶負(fù)荷變化對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性能的影響，設(shè)計(jì)了“一抽+熱再熱+冷再熱”三汽源抽汽方案，可通過調(diào)節(jié)不同抽汽源點(diǎn)的抽汽比例實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。通過計(jì)算不同工況下機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性能，揭示了機(jī)組能效、供熱參數(shù)和用戶負(fù)荷之間的匹配關(guān)系，為當(dāng)前高參數(shù)工業(yè)供熱機(jī)組的改造與協(xié)調(diào)運(yùn)行提供參考。

2 研究方法

2.1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為國能泉州電廠CN300-16.67/538/538型亞臨界機(jī)組，示意圖如圖1所示。其中給水泵小汽輪機(jī)取第四段抽汽為汽源。機(jī)組額定工況(THA)下的主要熱力參數(shù)如表1所示。

圖1 供熱機(jī)組示意圖

表1 機(jī)組主要熱力參數(shù)Tab.1 Main thermal parameters of the unit

該機(jī)組面向工業(yè)用戶供熱；其中額定供熱工況下高壓熱用戶參數(shù)為4.1MPa、410℃、165t/h，中壓熱用戶參數(shù)為2.3MPa、320℃、100t/h?？紤]到多級(jí)供熱的實(shí)際需求，本文采用多汽源抽汽供熱，分別從冷再熱蒸汽、熱再熱蒸汽處抽汽供中壓熱用戶，從第一級(jí)回?zé)岢槠幊槠└邏簾嵊脩簟?/p>

此外，為保證供熱抽汽與熱用戶參數(shù)匹配，增加了汽汽換熱器，使用熱再熱蒸汽加熱第一級(jí)回?zé)岢槠屠湓贌嵴羝?/p>

2.2 機(jī)組變工況計(jì)算方法

2.2.1 變工況參數(shù)的確定

本文參考文獻(xiàn)[18]中提到的方法進(jìn)行汽輪機(jī)組的變工況計(jì)算，使用MATLAB調(diào)用REFPROP數(shù)據(jù)庫完成機(jī)組熱力參數(shù)的計(jì)算，通過迭代方法確定各級(jí)抽汽壓力和主蒸汽流量。由于汽輪機(jī)各中間級(jí)的相對(duì)內(nèi)效率在很大的負(fù)荷變化范圍是不隨工況而改變的，因此取典型工況的平均值作為變工況計(jì)算的依據(jù)，如表2所示。

表2 汽輪機(jī)各中間級(jí)相對(duì)內(nèi)效率Tab.2 Isentropic efficiency of all stages

末級(jí)效率隨末級(jí)壓比變化明顯，如圖2所示。

圖2 末級(jí)效率-壓比關(guān)系曲線

將該曲線擬合相應(yīng)的公式便于編程計(jì)算。實(shí)際計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于供熱機(jī)組，由于從第一級(jí)回?zé)岢槠幰约霸贌嵴羝幊槠?，?dǎo)致使用流量系數(shù)計(jì)算的抽汽壓力偏低，因此對(duì)于第一級(jí)和第二級(jí)，采用改進(jìn)的弗留格爾公式計(jì)算相應(yīng)的抽汽壓力，即：

(1)

式中：P1為當(dāng)前工況下的第一級(jí)抽汽壓力，Pg為調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后壓力，Gg為調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后流量，vg為調(diào)節(jié)級(jí)級(jí)后蒸汽比容，下標(biāo)1表示當(dāng)前工況，下標(biāo)0表示額定工況。符號(hào)對(duì)照表如表3所示。

表3 符號(hào)對(duì)照表Tab.3 Symbol comparison table

2.2.2 計(jì)算假設(shè)與誤差校核

在計(jì)算供熱機(jī)組變工況特性時(shí)，設(shè)定如下假設(shè)條件：

(1)計(jì)算采用IF97水蒸氣表；

(2)忽略加熱器散熱損失和供熱管網(wǎng)損失；

(3)汽輪機(jī)組的機(jī)械效率ηm和電機(jī)效率ηg分別為0.990和0.985；

(4)鍋爐效率ηb為0.942。

為了驗(yàn)證該計(jì)算模型的精度，分別計(jì)算純凝變工況以及供熱變工況下機(jī)組各級(jí)抽汽壓力，并與熱平衡圖上的設(shè)計(jì)值比較，結(jié)果如表4和表5所示。

表4 純凝變工況計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)比Tab.4 Comparison between the calculated results and designed values of condensing unit

表5 供熱變工況計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值對(duì)比Tab.5 Comparison between the calculated results and designed values of heating unit

從表4和表5可以看出，計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)值誤差較小，純凝工況下最大誤差為2.83%，供熱工況下最大誤差為3.50%，考慮到本文并未考慮變工況過橋汽封漏汽、中壓缸冷卻汽等的變化，且熱平衡圖采用IFC67計(jì)算水蒸氣的物性參數(shù)，而本文采用IF-97計(jì)算，本身存在誤差，因此該變工況計(jì)算模型相對(duì)較為準(zhǔn)確，可以滿足工程計(jì)算的需求。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于供熱機(jī)組而言，聯(lián)產(chǎn)汽流同時(shí)輸出熱能和電能，而這兩種能量品位不同，單一指標(biāo)無法同時(shí)反應(yīng)能量在質(zhì)量和數(shù)量上的利用率，因此需結(jié)合熱電分?jǐn)偫碚撚?jì)算熱電廠總熱效率和發(fā)電熱效率，計(jì)算公式如下[25]：

(2)

(3)

式中：ηtp為熱電廠總熱效率，Qh為熱電廠的供熱量，kJ/h；Btp為熱電廠的煤耗量，kg/h；qnet為燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg；ηtp(e)為熱電廠發(fā)電熱效率，%。使用“熱量法”計(jì)算發(fā)電熱耗量Qtp(e)，公式如下：

(4)

Qtp(e)=Qtp-Qtp(h)

(5)

式中：Qtp為熱電廠的總熱耗量，kJ/h；Qtp(h)為熱電廠供熱熱耗量，kJ/h；ηb為鍋爐效率，%。

為從能量質(zhì)量的角度評(píng)估供熱機(jī)組的熱力性能，本文同時(shí)計(jì)算機(jī)組的火用效率，作為供熱機(jī)組的統(tǒng)一評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Ein，Eout分別為系統(tǒng)的輸入火用和輸出火用，燃料的火用值參考《能量系統(tǒng)的火用分析技術(shù)導(dǎo)則》(GB/T14909-2021)中的近似關(guān)系式計(jì)算，工質(zhì)的物理火用采用如下公式計(jì)算：

E=(H-T0S)-(H0-T0S0)

(7)

3 結(jié)果與討論

3.1 供熱負(fù)荷對(duì)機(jī)組的影響規(guī)律

假定熱用戶的壓力、溫度參數(shù)不變，探究供熱抽汽流量對(duì)機(jī)組熱力性能的影響規(guī)律。對(duì)于該情形，高壓供熱抽汽流量和中壓供熱抽汽流量在額定供熱的基礎(chǔ)上同比例變化，即50%供熱負(fù)荷表示高壓供熱抽汽82.5t/h，中壓供熱抽汽50t/h。

主蒸汽流量保持不變，不同供熱負(fù)荷下熱電廠電功率、總熱效率、發(fā)電熱效率以及火用效率的計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 機(jī)組功率隨供熱負(fù)荷的變化規(guī)律

圖4 機(jī)組總熱效率及發(fā)電熱效率隨供熱負(fù)荷的變化規(guī)律

圖5 機(jī)組火用效率隨供熱負(fù)荷的變化規(guī)律

計(jì)算結(jié)果顯示，隨著供熱負(fù)荷的增加，機(jī)組發(fā)電功率顯著下降。同時(shí)，發(fā)電廠的總熱效率、發(fā)電熱效率以及火用效率均增加，其中總熱效率增幅較大，超過20%，而火用效率僅增加了1.8%左右。這側(cè)面反映出總熱效率指標(biāo)未考慮熱、電兩種能量產(chǎn)品的質(zhì)量差異，結(jié)果具有片面性。

總的來說隨著供熱負(fù)荷的增加，熱電廠的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)均上升，熱電廠效益提升。這說明供熱抽汽有助于改善機(jī)組的熱力性能，且供熱抽汽比越大，性能的提高越明顯。相比于純凝工況，額定供熱工況下機(jī)組的火用效率由45.1%提升至46.9%，提高了1.8%；發(fā)電熱效率由42.1%提升至48.8%，提高了6.7%，節(jié)能效果顯著。

3.2 用戶參數(shù)對(duì)機(jī)組的影響規(guī)律

實(shí)際生產(chǎn)過程中，熱用戶參數(shù)不是一成不變的，而是隨著氣候條件、工業(yè)生產(chǎn)需要等多種因素的變化而變化的，因此有必要探究熱用戶參數(shù)變化對(duì)機(jī)組熱力性能的影響，對(duì)于本文提及的含高壓+中壓用戶供熱機(jī)組，需要分別討論中壓用戶參數(shù)變化和高壓用戶參數(shù)變化對(duì)機(jī)組熱力性能的影響規(guī)律。

3.2.1 用戶參數(shù)與抽汽流量的匹配關(guān)系

為探究用戶參數(shù)對(duì)機(jī)組的影響，首先需要明確本文提出的一抽、熱再熱、冷再熱三汽源供熱方案是否能夠根據(jù)用戶參數(shù)合理分配抽汽流量，以更好地實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)口、梯級(jí)利用的能量綜合利用需求。機(jī)組三個(gè)抽汽源點(diǎn)的供熱抽汽量以及機(jī)組輸出功隨高壓熱用戶參數(shù)(中壓熱用戶保持320℃供熱)的變化情況如圖6和圖7所示。

圖6 供熱抽汽流量隨高壓熱用戶參數(shù)的變化規(guī)律

圖7 機(jī)組功率隨高壓供熱溫度的變化規(guī)律

結(jié)果表明，當(dāng)高壓熱用戶參數(shù)高于340℃時(shí)，機(jī)組通過增大熱再熱抽汽供熱流量、減小冷再熱供熱抽汽流量以滿足熱用戶的需求，與此同時(shí)，機(jī)組的輸出功受影響程度較小，僅降低3MW左右。由此可以看出，通過改變熱再熱抽汽和冷再熱抽汽的抽汽比例可以很好的匹配熱用戶的參數(shù)需求，并可以保證穩(wěn)定的電網(wǎng)供電。

綜上，本文提出的耦合汽汽換熱器的三汽源供熱抽汽方法，對(duì)于熱用戶參數(shù)變化下的供熱抽汽有較好的適應(yīng)能力。

3.2.2 供熱溫度對(duì)機(jī)組的影響規(guī)律

假定機(jī)組處于額定工況、額定供熱流量條件，探究高壓熱用戶溫度和中壓熱用戶溫度對(duì)機(jī)組熱力性能的影響規(guī)律。由于在很大的壓力變化范圍內(nèi)，抽汽點(diǎn)的蒸汽壓力均能滿足熱用戶的壓力需求，且壓力變化對(duì)蒸汽焓和火用的影響相對(duì)較小，因此本文只討論溫度變化的影響。機(jī)組的總熱效率、發(fā)電熱效率及火用效率隨供熱溫度的變化規(guī)律如圖8～圖10所示。

圖8 機(jī)組總熱效率隨供熱溫度的變化規(guī)律

圖9 機(jī)組火用效率隨供熱溫度的變化規(guī)律

圖10 機(jī)組發(fā)電熱效率隨供熱溫度的變化規(guī)律

計(jì)算結(jié)果顯示，對(duì)于特定的中壓熱用戶參數(shù)，隨著高壓熱用戶溫度的提高，機(jī)組的總熱效率和火用效率均逐漸提高，且在高壓熱用戶溫度低于340℃時(shí)增幅明顯，高壓熱用戶溫度高于340℃時(shí)增幅較小。這是由于高壓熱用戶溫度的提高縮小了供熱抽汽與用戶參數(shù)之間的差距，減小了抽汽供熱過程的焓損和火用損，而當(dāng)高壓熱用戶溫度進(jìn)一步提高時(shí)，由于第一級(jí)回?zé)岢槠臏囟葻o法滿足高壓熱用戶的需求，需要使用熱再熱蒸汽對(duì)其進(jìn)行加熱，熱再熱蒸汽抽汽量的提高增加了鍋爐的煤耗量和機(jī)組的熱耗量，從而導(dǎo)致機(jī)組雖供熱量顯著提升，而總熱效率和火用效率提升不明顯。

機(jī)組發(fā)電熱效率呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)，發(fā)電熱效率由機(jī)組輸出功率和發(fā)電熱耗量決定，對(duì)于參數(shù)較低的熱用戶，機(jī)組直接使用第一級(jí)回?zé)岢槠屠湓贌岢槠?，因此機(jī)組的工況不隨熱用戶變化，發(fā)電熱效率保持不變，當(dāng)熱用戶參數(shù)進(jìn)一步提高時(shí)，熱再熱蒸汽抽汽提高了機(jī)組的供熱熱耗量，同時(shí)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電功率和發(fā)電熱耗量降低，以上因素共同導(dǎo)致了發(fā)電熱效率的小幅上升，如圖11所示。

圖11 機(jī)組功率和發(fā)電熱耗量隨供熱溫度的變化規(guī)律

綜上所述，隨著高壓熱用戶溫度和中壓熱用戶溫度的升高，機(jī)組的熱力性能均提高，能量在數(shù)量(總熱效率)和質(zhì)量上(火用效率)的利用率均有所上升，其中總熱效率由62.8%提高至65%，火用效率由46.09%提升至46.85%。同時(shí)，由于靈活調(diào)整熱再熱蒸汽和冷再熱蒸汽的抽汽比例，使得機(jī)組的熱力性能在全用戶范圍均保持在較高水平，尤其是當(dāng)熱用戶參數(shù)較高時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供熱抽汽的全面利用，火用效率高于46.7%，總熱效率高于64%。

4 結(jié)論

(1)本文提出的耦合汽汽換熱器的三汽源供熱方案能有效提升機(jī)組的熱力性能，且隨著供熱負(fù)荷的增加，機(jī)組熱力性能持續(xù)提高。相比于純凝工況，額定供熱工況可提升機(jī)組發(fā)電熱效率6.7%，火用效率1.8%。

(2)供熱方案和協(xié)調(diào)供熱模式可滿足高壓用戶300℃～440℃、中壓用戶230℃～350℃的供熱要求，且隨著熱用戶參數(shù)的提高，機(jī)組的熱力性能逐漸提高；當(dāng)高壓供熱溫度高于340℃，中壓供熱溫度高于260℃時(shí)，機(jī)組的熱力性能維持在較高水平。

(3)當(dāng)熱用戶參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組可以通過調(diào)節(jié)抽汽源點(diǎn)的抽汽比例實(shí)現(xiàn)與用戶參數(shù)的匹配，同時(shí)保證了汽輪機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)供電幾乎不受影響。