勞金旭，鄭 威，鞏志強(qiáng)，祝令凱，商攀峰

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組主要包括調(diào)節(jié)抽汽凝汽式供熱機(jī)組（簡(jiǎn)稱(chēng)抽凝機(jī)組）、背壓供熱機(jī)組（包括高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組、光軸改造［1］機(jī)組、純背壓供熱機(jī)組等）、低壓缸零出力供熱機(jī)組（主要為切缸機(jī)組）等。截至2021 年6 月，山東電網(wǎng)直調(diào)公用火電機(jī)組162 臺(tái)，額定容量61 045 MW，其中熱電機(jī)組144 臺(tái)，額定容量52 055 MW，占比85.27%。熱電機(jī)組中，按類(lèi)型劃分，抽凝機(jī)組、背壓機(jī)組、切缸機(jī)組數(shù)量分別為83 臺(tái)、34 臺(tái)、27 臺(tái)，容量占比為71.27%、11.56%、17.16%；按容量等級(jí)劃分，300 MW 等級(jí)以下、300 MW 等級(jí)、600 MW 等級(jí)、1 000 MW 等級(jí)機(jī)組數(shù)量分別為47臺(tái)、68 臺(tái)、21 臺(tái)、8 臺(tái)，容 量占比為13.90%、43.45%、26.93%、15.71%。

“碳達(dá)峰、碳中和”［2］雙碳目標(biāo)提出后，電力系統(tǒng)作為能源轉(zhuǎn)型的重要環(huán)節(jié)，發(fā)電側(cè)清潔化趨勢(shì)加快，可再生能源裝機(jī)容量不斷增長(zhǎng)；同時(shí)山東省能源局下發(fā)了《關(guān)于做好全省直調(diào)公用煤電機(jī)組靈活性改造的通知》［3］，通過(guò)靈活性改造，提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力。在可再生能源消納、城市發(fā)展、關(guān)停小火電帶來(lái)的供暖壓力下，煤電機(jī)組面臨供暖與調(diào)峰［4-5］的雙重考驗(yàn)。

1 供暖趨勢(shì)與熱電機(jī)組改造情況

2018—2019年供熱季，山東省直調(diào)公用燃煤熱電機(jī)組裝機(jī)總?cè)萘?5 150 MW，總供熱量158 580 701 GJ，折合供熱抽汽流量20 491 t/h，折合供熱面積37 922 萬(wàn)m2；2019—2020年供熱季，裝機(jī)總?cè)萘?7520MW，總供熱量167 966 636 GJ，折合供熱抽汽流量21 526 t/h，折合供熱面積39 837 萬(wàn)m2；2020—2021 年供熱季，裝機(jī)總?cè)萘?9 910 MW，總供熱量190 548 310 GJ，折合供熱抽汽流量24 621 t/h，折合供熱面積45 567萬(wàn)m2，變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 2018—2021年供熱季直調(diào)公用火電機(jī)組供暖趨勢(shì)

2018—2019年供熱季直調(diào)公用燃煤熱電機(jī)組為133 臺(tái)，包括102 臺(tái)抽凝機(jī)組、29 臺(tái)背壓機(jī)組、1 臺(tái)切缸機(jī)組。2019—2020 年供熱季為137 臺(tái)（8 臺(tái)背壓和切缸機(jī)組為抽凝機(jī)組改造而來(lái)），較上個(gè)供熱季新增背壓機(jī)組4臺(tái)：2臺(tái)300 MW 等級(jí)和2臺(tái)300 MW 以下等級(jí)，新增切缸改造機(jī)組4臺(tái)：3臺(tái)300 MW 等級(jí)和1 臺(tái)160 MW，新增抽凝機(jī)組4臺(tái)：3臺(tái)600 MW等級(jí)和1臺(tái)300 MW。2020—2021 年供熱季為137 臺(tái)（12 臺(tái)背壓和切缸機(jī)組為抽凝機(jī)組改造而來(lái)），較上個(gè)供暖季新增1 臺(tái)145 MW 背壓機(jī)組，停備1 臺(tái)135 MW 背壓機(jī)組；新增8 臺(tái)300 MW 等級(jí)和3 臺(tái)300 MW 等級(jí)以下切缸改造機(jī)組；新增2 臺(tái)680 MW、2 臺(tái)1 000 MW抽凝機(jī)組，停備2臺(tái)350 MW、1臺(tái)135 MW 抽凝機(jī)組。2021—2022年供熱季為144臺(tái)（9臺(tái)切缸機(jī)組為抽凝機(jī)組改造而來(lái)，剩余機(jī)組為純凝改造），較上個(gè)供暖季新增1 臺(tái)145 MW 背壓機(jī)組；新增7 臺(tái)300 MW等級(jí)和2 臺(tái)600 MW 等級(jí)切缸改造機(jī)組；新投產(chǎn)2 臺(tái)350 MW 抽凝機(jī)組，新增1臺(tái)315 MW、1臺(tái)335 MW 抽凝機(jī)組。從改造情況來(lái)看，背壓機(jī)組改造趨緩，切缸改造成倍增長(zhǎng)。2018—2022 年供熱季直調(diào)公用機(jī)組變化情況如表1所示。

表1 2018—2022年供熱季直調(diào)公用機(jī)組變化情況統(tǒng)計(jì)

2 不同類(lèi)型熱電機(jī)組性能分析

2.1 抽凝供熱機(jī)組

抽凝供熱機(jī)組可以向外界供應(yīng)一種或多種參數(shù)的蒸汽，其壓力由調(diào)壓系統(tǒng)控制，這種機(jī)組能在較大范圍內(nèi)同時(shí)滿(mǎn)足外界熱負(fù)荷和電負(fù)荷的不同要求，運(yùn)行靈活，因此應(yīng)用較為廣泛。

抽凝機(jī)組的供熱性能可通過(guò)試驗(yàn)法、工況圖分析法以及熱力計(jì)算法三種方法確定。試驗(yàn)法能夠準(zhǔn)確地反映熱電機(jī)組的實(shí)際供熱能力，機(jī)組需進(jìn)行供熱季帶負(fù)荷能力試驗(yàn)［6-8］，但試驗(yàn)工況較多，且受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，難以歸納整理。熱力計(jì)算法是在特定約束條件下對(duì)熱電機(jī)組進(jìn)行變工況計(jì)算，該方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。工況圖法是依據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)熱電特性曲線而查詢(xún)得到機(jī)組供熱能力的方法，該方法較為直觀，且容易得到相應(yīng)結(jié)果。

工況圖是汽輪機(jī)發(fā)電有功功率、主汽流量和調(diào)節(jié)抽汽量在不同組合情況下的關(guān)系曲線，以某300 MW 級(jí)抽凝機(jī)組為例，該抽凝機(jī)組的抽汽工況如圖2 所示，對(duì)工況圖進(jìn)行數(shù)字化和維度轉(zhuǎn)換，可得到機(jī)組不同抽汽量下的調(diào)峰上、下限趨勢(shì)，如圖3 所示，進(jìn)而可得出抽凝機(jī)組調(diào)峰上、下限公式計(jì)算模型和抽汽量上限公式計(jì)算模型，如表2、表3 所示。

表2 某300 MW級(jí)抽凝機(jī)組機(jī)組出力上、下限擬合公式

表3 某300 MW級(jí)抽凝機(jī)組抽汽量上限擬合公式

圖2 典型300 MW級(jí)抽凝機(jī)組的抽汽工況

圖3 不同抽汽量下的調(diào)峰上、下限趨勢(shì)

由表2、表3 可知，選定合適的區(qū)間根據(jù)公式可得到機(jī)組在當(dāng)前抽汽量下的出力上、下限和當(dāng)前出力下機(jī)組的抽汽量上限。根據(jù)機(jī)組在不同供熱時(shí)期內(nèi)的平均抽汽量和出力情況，代入到計(jì)算模型中可得到不同容量抽凝供熱機(jī)組在供熱初、中、末三個(gè)時(shí)期內(nèi)平均抽汽量下電負(fù)荷調(diào)整區(qū)間和在50%、75%、100%額定容量下抽汽量上限，如表4、表5所示。

表4 2020—2021年供熱季部分機(jī)組平均抽汽量下電負(fù)荷區(qū)間

表5 2020—2021年供熱季部分機(jī)組抽汽量上限

根據(jù)2020—2021 年供暖季數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，大部分抽凝機(jī)組在供熱初、中、末三個(gè)階段的平均抽汽量下，60%左右額定負(fù)荷運(yùn)行即可滿(mǎn)足供熱。在50%額定負(fù)荷或最低供熱負(fù)荷下，300 MW 以下等級(jí)機(jī)組抽汽量上限在60～175 t/h，300 MW 等級(jí)機(jī)組在200～350 t/h，600 MW 等級(jí)機(jī)組在500～600 t/h，1 000 MW等級(jí)機(jī)組由于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原因，在供熱季供熱量很小，抽汽量上限設(shè)定也較小。

2.2 背壓供熱機(jī)組

背壓供熱機(jī)組通過(guò)去除汽輪機(jī)低壓缸末幾級(jí)葉片使得汽輪機(jī)排汽壓力升高，將全部冷源損失用于供熱。一般包括高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組、光軸改造機(jī)組、純背壓供熱機(jī)組。山東直調(diào)公用機(jī)組中高背壓循環(huán)水供熱機(jī)組一般為300 MW 以下等級(jí)或300 MW等級(jí)機(jī)組改造而來(lái)，光軸改造機(jī)組只有2 臺(tái)，純背壓供熱機(jī)組占比很小，自備電廠配備較多。

高背壓供熱機(jī)組的電負(fù)荷由其承擔(dān)的熱負(fù)荷決定。熱負(fù)荷越大，機(jī)組所需排汽量越大，對(duì)應(yīng)的主蒸汽量和電負(fù)荷也越高。由于山東高背壓供熱機(jī)組在整個(gè)供暖季穩(wěn)定運(yùn)行，負(fù)荷趨勢(shì)近乎為一條直線，選定不同等級(jí)的高背壓機(jī)組，直接調(diào)取某個(gè)時(shí)段機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量、進(jìn)出口溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，可得出這些機(jī)組的供熱量和折算的抽汽量，如表6所示。

表6 2020—2021年供熱季高背壓機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

高背壓機(jī)組供熱季運(yùn)行負(fù)荷一般在50%～75%額定負(fù)荷，由于高背壓供熱機(jī)組利用了機(jī)組的全部冷源損失，供熱能力高于同等級(jí)抽凝機(jī)組。一般300 MW 等級(jí)以下高背壓供熱機(jī)組折算成抽汽量時(shí)約在200～300 t/h，與300 MW 等級(jí)抽凝機(jī)組的供熱能力相當(dāng)。300 MW 等級(jí)高背壓供熱機(jī)組折算成抽汽量時(shí)約在350～600 t/h，與600 MW 等級(jí)抽凝機(jī)組的供熱能力相當(dāng)?；诟弑硥簷C(jī)組高效的供熱能力和較好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)使其優(yōu)先承擔(dān)最大的熱負(fù)荷。

光軸機(jī)組與高背壓機(jī)組一樣，在整個(gè)供暖季穩(wěn)定運(yùn)行，幾乎不做調(diào)整。2臺(tái)光軸機(jī)組中，一臺(tái)機(jī)組額定容量110 MW，供熱季運(yùn)行負(fù)荷62 MW，平均抽汽量280 t/h；另一臺(tái)機(jī)組額定容量225 MW，供熱季運(yùn)行負(fù)荷113 MW，平均抽汽量345 t/h。光軸改造后的機(jī)組供熱季日常運(yùn)行負(fù)荷處于較低的水平，但擁有較強(qiáng)的供熱能力。

2.3 低壓缸零出力供熱機(jī)組

低壓缸零出力供熱機(jī)組主要是進(jìn)行切缸改造［9-11］而來(lái)，對(duì)末兩級(jí)葉片進(jìn)行強(qiáng)度校核后，切除低壓缸原進(jìn)汽管道，在中低壓連通管增設(shè)旁路管道，用通過(guò)校核計(jì)算后的少量蒸汽帶走“切缸”后低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的鼓風(fēng)熱量。通過(guò)切除低壓缸進(jìn)行實(shí)現(xiàn)低壓缸“零出力”運(yùn)行，大幅減少機(jī)組電負(fù)荷滿(mǎn)足電網(wǎng)深度調(diào)峰需求，從而實(shí)現(xiàn)“熱電解耦”。部分切缸機(jī)組在切缸和不切缸狀態(tài)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 切缸機(jī)組在切缸和不切缸狀態(tài)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

300 MW 等級(jí)中，切缸改造機(jī)組占據(jù)主流地位，改造后機(jī)組的最大抽汽量約為650 t/h 左右，較改造前約增加140～340 t/h，結(jié)合表6、表7 來(lái)看，同一負(fù)荷下，切缸后機(jī)組供熱量大于高背壓機(jī)組。改造后的供熱機(jī)組運(yùn)行時(shí)分為不切缸和切缸兩種狀態(tài)，在對(duì)外供熱負(fù)荷不變的條件下，切缸相對(duì)于不切缸，可使發(fā)電功率降低約降低30%左右。

300 MW 以下等級(jí)中，包含供熱類(lèi)型最全面。以表6、表7中160 MW 機(jī)組為例，兩臺(tái)機(jī)組分別為高背壓、切缸改造供熱機(jī)組，改造前為同一廠家生產(chǎn)的同類(lèi)型機(jī)組，型號(hào)為N150/CC135－13.24/535/535/0.981/0.23。切缸改造后最大抽汽量狀態(tài)下與高背壓機(jī)組、110 MW 光軸機(jī)組日常運(yùn)行狀態(tài)下的抽汽量相近，均能比同等級(jí)下抽凝機(jī)組拓展抽汽量70 t/h 左右；同時(shí)，在同一供熱水平下，光軸機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷最低，但保證供熱量不變的情況下無(wú)調(diào)峰能力。

3 結(jié)語(yǔ)

“十四五”期間，山東省直調(diào)煤電機(jī)組要求按照每年20%容量進(jìn)行靈活性改造，現(xiàn)有抽凝機(jī)組供熱季以熱電比50%為界限，最小出力要達(dá)到額定容量的30%、40%。伴隨著近幾年熱負(fù)荷增長(zhǎng)和煤炭?jī)r(jià)格的波動(dòng)，山東省供熱季機(jī)組供熱與調(diào)峰的矛盾逐漸加深，機(jī)組供熱靈活性改造較多。介紹了山東電網(wǎng)近幾年直調(diào)供熱機(jī)組總供熱量、裝機(jī)總?cè)萘俊⒐┡娣e變化趨勢(shì)和機(jī)組改造情況，根據(jù)往年供熱季抽凝機(jī)組、背壓供熱機(jī)組和切缸機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了采暖季同類(lèi)型不同等級(jí)、同等級(jí)不同類(lèi)型熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的供熱和調(diào)峰性能，便于電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)根據(jù)新能源和外電的上網(wǎng)情況，更加合理有序的安排全省熱電廠的機(jī)組調(diào)停計(jì)劃。同時(shí)，為發(fā)電企業(yè)“十四五”期間根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行靈活性改造作為參考，增加供熱能力的同時(shí)兼顧機(jī)組或全廠低負(fù)荷調(diào)峰性能。