碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化_黄宇箴.pdf

第第 44 卷卷 第第 1 期期 2023 年年 2 月月Vol.44 No.1Feb.2023发电技术发电技术Power Generation Technology碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化黄宇箴，陈彦奇，吴志聪，徐钢*，刘彤（热电生产过程污染物监测与控制北京市重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）Energy Saving Optimization of Extraction Steam Distribution for Cogeneration Units Under Carbon Neutral BackgroundHUANG Yuzhen,CHEN Yanqi,WU Zhicong,XU Gang*,LIU Tong(Beijing Key Laboratory of Pollutant Monitoring and Control in Thermoelectric Production(North China Electric Power University),Changping District,Beijing 102206,China)摘要摘要：为了研究热电联产机组在全工况不同供热负荷分配下电厂煤耗量的变化规律，实现电厂深度节能与减少碳排放量的目标，以某2台630 MW热电联产机组作为研究对象，利用EBSILON软件建模，并基于弗留格尔公式和热量法原理，进行单、双台机组不同热负荷分配方案的研究分析。研究发现：单台机组的热电负荷变化对煤耗的影响存在一个临界供热抽汽流量点，当供热流量小于该临界点时，电负荷越大，机组发电热效率越高；当供热流量大于该临界点时，电负荷越小，机组发电热效率越高。对于2台运行机组，当供热负荷集中分配给某一台机组时，在不同工况下的全厂煤耗量最小，节能效果更好。寻找最佳供热分配方式，有利于降低电厂的煤耗，对电厂节能减排以及响应国家的“碳中和”政策具有重要意义。关键词关键词：碳中和；热电联产机组；抽汽优化；热力建模；节能减排；热力学分析ABSTRACT:In order to study the change rule of coal consumption of cogeneration units under different heating load distributions in the whole working condition,and realize the goal of deep energy saving and carbon emission reduction in power plants,two 630 MW cogeneration units were taken as the research objects.The EBSILON software was used for modeling,and the different heating load distribution schemes of single and double units were studied and analyzed based on the Freuger formula and the principle of caloric method.It is found that there is a critical heating extraction steam flow point in the influence of thermoelectric load change on coal consumption of a single unit.When the heating flow is less than the critical point,the greater the electric load,the higher the thermal efficiency of the units.When the heating flow is greater than the critical point,the smaller the electrical load,the higher the thermal efficiency of the units.For two operating units,when the heating load is distributed centrally to one unit,the coal consumption of the whole plant under different working conditions is the least,and the energy saving effect is better.It is of great significance to find the best way of heat supply distribution to reduce the coal consumption of power plants,save energy and reduce emission and respond to the national“carbon neutral”policy.KEY WORDS:carbon neutral;cogeneration units;extraction steam optimization;thermodynamic modeling;energy conservation and emission reduction;thermodynamic analysis0引言引言当前传统化石能源日益减少，环境污染问题日趋严重1。为实现“碳中和”目标2，在我国电力行业仍以火电为主的背景下，满足低碳排放、节能降耗等环保要求已成为燃煤电厂面临的重要难题3-6。热电联产机组能有效减少机组的冷源损失，降低机组的煤耗及运行成本，提高能量利用效率和系统的灵活性，对于我国能源行业实现节能降耗和减少碳排放量的目标具有重大意义7-10。热电联产机组热负荷的合理分配对能量利用效率、经济性影响极大11-12。多台机组间热负荷优化分配也会影响全厂热经济性，从而对运行节能产生重要影响13-14。然而，热电联产机组的热力特性分析是进行热电负荷最优分配的基础15-16。吴龙DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.21085 中图分类号：TK 261基金项目：国家自然科学基金项目(51806062)；中央高校基本科研业务费(2020MS006).Project Supported by National Nature Science Foundation of China(51806062);Fundamental Research Funds for the Central Universities(2020MS006).Vol.44 No.1黄宇箴等黄宇箴等：碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化等17基于改进后的弗留格尔公式，分析了机组的热力特性，进而以此为依据对负荷分配进行研究。众多学者在负荷优化分配方面也进行了相应的研究，如：冉鹏等18利用遗传算法对热电厂的负荷分配模型进行了优化；温志刚等19利用模拟退火算法成功搭建了热电联产机组热电负荷分配优化模型，该模型有利于提高机组的运行经济性；文献20-23分别利用动态寻优法、线性规划法、改进的粒子群算法、飞蛾火焰优化算法搭建了负荷优化分配模型。目前，研究负荷分配的优化算法主要是利用理论上的经验公式，并未考虑实际机组的运行特性以及供热抽汽边界条件的影响。同时，在现场实际运行过程中对于多机组之间热负荷分配问题普遍缺乏系统、科学的认识，并未考虑到热负荷优化分配可能带来的节能效益问题。因此，本文基于某电厂2台630 MW亚临界机组的设计参数，利用EBSILON软件搭建全厂变工况模型，分析供热抽汽对机组能耗的影响规律；并在此基础上研究2台机组不同工况下的供热负荷最佳分配方法，进而实现全厂供热负荷的科学合理分配，为电厂节能降耗运行提供较实用的指导建议。同时，通过抽汽分配节能优化减少了电厂的碳排放量，有利于推进火力发电厂深度节能改造和实现“碳中和”目标24。1案例机组案例机组本文以某电厂2台630 MW亚临界燃煤发电机组作为研究对象，分别命名为1#机和2#机，且2台机组的性能参数相同。汽轮机组均是一次中间再热、四缸四排汽、单轴、抽汽、凝汽式汽轮机，回热系统为“三高、四低、一除氧”结构。每台机组的额定工况主要设计参数如表1所示。中压缸排汽共有2条分支：一条分支为四段抽汽；另一条分支经中、低压缸联通管进入低压缸，并在低压缸内进行膨胀做功，供热蒸汽来自于中、低压缸联通管，在热网加热系统中换热之后凝结成水，供热疏水最后进入除氧器，返回到整个热力系统中。供热抽汽边界条件参数是：最大主蒸汽流量为汽轮机最大连续出力(turbine maximum continue rate，TMCR)工况下的主汽流量1 967.591 t/h；最小供热抽汽压力为0.35 MPa；最小低压缸进汽流量(低压缸安全运行流量)为600 t/h。2热力建模热力建模2.1变工况建模原理变工况建模原理汽轮机的变工况是指在汽轮机运行过程中系统的运行参数偏离了理论的设计参数。通过变工况的计算可以确定汽轮机变工况前后级组各抽汽口和排汽端的蒸汽状态参数。其中，弗留格尔公式25-26是汽轮机侧变工况计算的重要公式，是表达汽轮机级组流量与前后参数的关系式，其表达式为D1D0=p211-p212p201-p202T01T11(1)式中：D、p、T分别表示蒸汽的流量、压力和热力学温度；第1下标0、1分别表示变工况前、后级组参数；第 2 下标 1、2 分别表示级组前、后参数。其中，对于级组前蒸汽温度对弗留格尔公式的影响可以这样认为：变工况前后，如果级组前后蒸汽温度变化较小，则可以忽略温度变化，方便简化计算。级组后蒸汽压力对弗留格尔公式的影响可以这样考虑：1）若级组中某一级的蒸汽流速超过或达到临界速度时，则称该级处于临界工况，此时该级的级后压力不影响流量；2）当级前的压力远大于级组后的压力时，也可以忽略级组后压力的影响。对于这2种情况，在不考虑温度影响的前表表1额定工况的主要设计参数额定工况的主要设计参数Tab.1Main design parameters of rated working conditions参数电功率/MW主蒸汽压力/MPa主蒸汽温度/再热蒸汽压力/MPa再热蒸汽温度/背压/kPa给水温度/热耗率/kJ(kWh)-1数值63016.75383.3295384276.47 775.086第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术提下，可以认为变工况前后级组的流量与级前压力成正比关系，方便简化计算。2.2热电厂发电热经济性指标计算热电厂发电热经济性指标计算本文利用热量法27计算热电厂的总热耗量。并使用热量法原理对发电热耗率、标准煤耗量和热效率进行计算，具体公式如下：qe=Dzhz+Drhqrh-Dfwhfw-Dgr(hgr-hgrss)bpP(2)B=qePqnet(3)e=3 600qe100%(4)式中：qe为热电厂发电热耗率，kJ/(kWh)；Dz为主蒸汽质量流量，kg/h；hz为主蒸汽比焓，kJ/kg；Drh为再热蒸汽质量流量，kg/h；qrh为单位质量再热蒸汽吸热量，kJ/kg；Dfw为给水质量流量，kg/h；hfw为给水比焓，kJ/kg；Dgr为供热蒸汽质量流量，kg/h；hgr为供热蒸汽比焓，kJ/kg；hgrss为供热疏水比焓，kJ/kg；b为锅炉热效率，%；p为管道热效率，%；B为热电厂发电标准煤耗量，kg/h；P为发电机输出电功率，kW；qnet为燃料(标准煤)的低位发热量，kJ/kg；e为热电厂发电热效率，%。2.3模型搭建与验证模型搭建与验证本文利用EBSILON软件进行热力建模。以某电厂2台630 MW亚临界燃煤发电机组设计参数为基准，进行系统变工况模型搭建，单台机组建模如图1所示。为了保证模型的准确性，在纯凝变工况以及抽汽250 t/h工况(CQ250 t/h)下对模型进行计算，并将仿真计算得到的发电功率、热耗率与机组的设计参数进行对比验证，结果分别如表2、3所示。从表2可以看出，在纯凝工况与抽汽250 t/h工况下，发电功率设计值与仿真值的最大相对误差为0.42%。从表3可以看出，在纯凝工况与抽汽250 t/h工况下，热耗率设计值与仿真值的最大相对误差为1.41%。热网加热系统5#低加6#低加7#低加8#低加 轴封加热器低压缸中压缸高压缸锅炉1#高加2#高加 3#高加汽动给水泵前置泵除氧器小汽轮机发电机凝汽器凝结水泵图图1 单台机组单台机组EBSILON仿真模型仿真模型Fig.1 EBSILON simulation model of single unit表表2发电功率验证发电功率验证Tab.2Verification of generating power参数设计值/MW仿真值/MW相对误差/%工况THA630.00630.990.1675%THA472.50472.640.0350%THA315.00315.680.2240%THA252.00253.050.42CQ250 t/h601.80602.260.08 注：THA表示额定参数设计工况。表表3热耗率验证热耗率验证Tab.3Verification of heat loss rate参数设计值/kJ(kWh)1仿真值/kJ(kWh)1相对误差/%工况THA7 775.007 777.850.0475%THA7 858.207 870.100.1550%THA8 226.308 219.100.0940%THA8 519.708 496.380.27CQ250 t/h7 212.507 313.921.4187Vol.44 No.1黄宇箴等黄宇箴等：碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化综上所述，在纯凝工况与抽汽 250 t/h 工况下，发电功率和热耗率设计值与仿真值的相对误差均在1.5%以内。由此可见，模型精度满足要求，可作为后文计算分析的模型。3供热抽汽分配能耗分析供热抽汽分配能耗分析3.1单台机组热经济性分析单台机组热经济性分析由于受发电量和供热量影响，热电联产机组的能耗变化特性也往往相对于纯凝机组更为复杂。为此，在保证机组全工况下安全运行的前提下，通过模型计算，给出单台机组能耗特性计算结果。表4为单台机组70%THA(441 MW)抽汽工况下主要蒸汽参数变化情况。可以看出，在供热抽汽量增大(从0360 t/h)的变化过程中，为了保证机组发电功率不变，机组的主汽量必然要随之不断增大，根据弗留格尔公式原理可知，此时主汽压力在不断升高。另外，由于供热抽汽来自中、低压缸联通管，当供热抽汽量增大时，低压缸进汽流量(中排流量)会不断减小，根据弗留格尔公式原理可知，此时中排压力(供热抽汽压力)在不断降低。由此可见，随着热负荷的不断变化，机组的热力特性也随之不断改变。图2为单台机组供热抽汽量与煤耗量的变化情况。可以看出，为了保证机组的安全运行，在高负荷区段受到最大主蒸汽流量(1 967.591 t/h)条件的限制，在THA工况下，一台机组仅仅能够提供120 t/h的供热抽汽量；在中低负荷区段，由于受到最小抽汽压力(0.35 MPa)和最小低压缸进汽流量(600 t/h)条件的限制，在50%THA工况下，一台机组仅仅能够提供80 t/h的供热抽汽量，即在不同的负荷下，机组的供热抽汽能力不同。图3为单台机组供热抽汽量与发电热效率的变化规律。可以看出，对于单台630 MW亚临界热电联产机组，随着供热抽汽量的增加，单台机组的发电热效率提高且最高可以达到49.07%，体现出热电联产机组发电热效率高的优越之处。与此同时，随着供热抽汽量的逐渐增大，不同负荷工况下机组发电热效率曲线之间的距离在逐渐减小，然后相交，之后逐渐增大。将这一相交点视为临界抽汽流量点，此时该点对应的供热抽汽量为160 t/h。单台机组运行时，当抽汽流量小于临界抽汽流量点时，在相同的供热量条件下，机组发电负荷越大，机组发电热效率越高；当抽汽流量大于临界抽汽流量点时，在相同的供热量条件表表470%THA抽汽工况下主要蒸汽参数变化情况抽汽工况下主要蒸汽参数变化情况Tab.4Variation of main steam parameters under 70%THA extraction condition供热抽汽量/(th-1)04080120160200240280320360蒸汽参数主汽量/(th-1)1 266.7211 289.2471 311.0701 332.1701 352.8211 373.3861 393.0981 411.8981 429.7231 447.132主汽压力/MPa15.02615.28215.52915.76815.93915.96915.99816.02516.05116.077中排压力/MPa0.5430.5230.5030.4830.4620.4420.4210.4010.3800.359低压缸进汽量/(th-1)938.463908.570878.166847.235815.987784.695752.827720.339687.193653.764 煤耗量/(th-1)180 100 160 140 120 0 100 200 300 400 供热抽汽量/(th-1)THA 90%THA 80%THA 70%THA 60%THA 50%THA 图图2 单台机组供热抽汽量单台机组供热抽汽量-煤耗量特性煤耗量特性Fig.2 Heat extraction steam and coal consumption characteristics of single unit88第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术下，机组发电负荷越小，机组发电热效率越高。综上所述，对于630 MW亚临界热电联产机组，在相同的热负荷条件下，不同电负荷分配时的煤耗量与发电热效率差别较大；在相同的电负荷条件下，不同热负荷分配时的煤耗量与发电热效率差别较大。因此，在多台机组并列运行过程中，各台机组间的众多热负荷分配方式中存在一个最优的热负荷分配方式，使得全厂煤耗量最小。同时，由于电厂煤耗量减小，使得二氧化碳的排放量减少，从而有利于“碳中和”目标的实现。3.2抽汽分配优化抽汽分配优化为探究多台机组运行时使得全厂热经济性最优的热负荷分配关系，以2台运行机组为例，采用3种配汽方案来进行全工况煤耗量的计算：1）集中分配给某一台运行机组供汽，另一台机组不供汽；2）平均分配给2台运行机组供汽；3）非均匀分配给2台运行机组。此时，在保证2台机组安全运行的前提下，计算不同工况热负荷分配对全厂煤耗量的影响，结果如图4所示。其中，对全厂煤耗量的定义为：保证每个工况下的发电量不变，总供热量不变(总的供热抽汽量为200 t/h)的前提下，通过在2台机组间进行供热抽汽分配，计算出1#机和2#机2台 0 50 100 150 200 1#机供热抽汽量/(th-1)337.20 337.04 336.96 336.88 336.80 337.12(a)90%THA 量耗煤厂全/()th-1 0 50 100 150 200 1#机供热抽汽量/(th-1)(c)70%THA 268.56 268.32 268.24 268.16 268.40 268.48 量耗煤厂全/()th-1 0 50 100 150 200 1#机供热抽汽量/(th-1)(b)80%THA 303.2 302.9 302.8 302.7 303.0 303.1 量耗煤厂全/()th-1 0 50 100 150 200 1#机供热抽汽量/(th-1)(d)60%THA 234.4 234.1 234.0 233.9 234.2 234.3 量耗煤厂全/()th-1图图4 不同负荷下机组供热抽汽量不同负荷下机组供热抽汽量-全厂煤耗量特性全厂煤耗量特性Fig.4 Characteristics of heat extraction steam and coal consumption of the whole plant under different loads 发电热效率/%0 100 200 300 400 供热抽汽量/(th-1)THA 90%THA 80%THA 70%THA 60%THA 50%THA 50 42 48 46 44 40 图图3 单台机组供热抽汽量单台机组供热抽汽量-发电热效率特性发电热效率特性Fig.3 Heat extraction steam and power generation thermal efficiency characteristics of single unit89Vol.44 No.1黄宇箴等黄宇箴等：碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化机组的煤耗量之和。从图4可以看出，2台机组分别在90%THA、80%THA、70%THA、60%THA工况同时运行时，在供热抽汽量逐渐分配给2台机组的过程中，全厂煤耗量均呈逐渐增大的趋势，即供热抽汽量在2台机组间分配越均匀，全厂煤耗量越大。当抽汽量平均分配给2台机组时，4种电负荷下全厂煤耗量均最大；而当供热抽汽集中由某一台组(即#1机或#2机)提供时，4种电负荷下全厂煤耗量均最小。并且将这3种配汽方案下的全厂煤耗量进行比较，可以得到 90%THA、80%THA、70%THA、60%THA 工况的最大节煤量分别为0.334、0.516、0.388、0.484 t/h，即与平均分配热负荷和非均匀分配热负荷2种方案相比，在集中供热的方案下，全厂煤耗量更小，节能效果更好。因此，在2台机组并列运行过程中，在保证总供热量和发电负荷不变，机组安全运行的前提下，由某一台机组集中供热的配汽方式下，全厂煤耗量最小，热经济性最优，节能效果最好。同时，通过由一台机组集中供热的最优抽汽方案可使电厂的碳排放量降低，有利于电厂推进“碳中和”政策的相应改造工作。3.3节能效果分析节能效果分析结合以上分析可知，在2台机组同负荷运行情况下，供热抽汽量由某一台机组集中提供的配汽方式比平均分配给2台机组时的全厂煤耗量小。在不同发电负荷下，单台机组煤耗增量随供热抽汽量的变化情况如表5所示。其中煤耗增量的定义是：机组发电量不变，供热抽汽量增加后所导致的单台机组煤耗增量。从表5可以看出，当机组发电量不变时，在不同的供热负荷下，集中供热的煤耗增量要略小于平均供热下2台同类型机组的总煤耗增量。例如，在 80%THA 工况下，单台机组集中供热200 t/h抽汽量下煤耗增量为10.222 t/h，而当2台机组平摊200 t/h抽汽量时(2台机组各分配100 t/h供热抽汽量)，总煤耗增量为10.738 t/h，比单台机组集中供热的煤耗增量高0.516 t/h。图 5 为 90%THA 工况下，机组发电量不变、供热抽汽量变化时机组煤耗增量的变化规律。其中：曲线1表示供热抽汽量与煤耗增量变化曲线，可将其函数关系式定义为f(x)；虚线2表示供热抽汽0 t/h与200 t/h时煤耗增量连接的直线。由图5可以直观看出，曲线1呈向上微微凸起的形状，分布在虚线2(直线段)之上，又根据凸函数的定义f(x1+x22)f(x1)+f(x2)2(5)发现曲线1上各点均满足式(5)凸函数的定义，即曲线1是一条上凸曲线，因此，当x1为0 t/h，x2为任意供热抽汽量时，f(x1)+f(x2)表示集中供热的煤耗增量，而2f(x1+x2)/2)表示平均供热的煤耗增量。进而表明：在不同的供热负荷下，集中供热的煤耗增量均小于平均供热下的煤耗增量。同理，表表5不同负荷下单台机组煤耗增量随供热抽汽量的变化不同负荷下单台机组煤耗增量随供热抽汽量的变化Tab.5Change of coal consumption increment of single unit with heat extraction steam under different loads抽汽量/(th-1)020406080100120140160180200煤耗增量/(th-1)90%THA01.1252.2363.3334.4155.4826.5377.5818.6099.62510.63080%THA01.1062.1963.2704.3275.3696.3787.3648.3339.28610.22270%THA01.0312.0453.0404.0184.9785.9206.8437.7638.6769.56860%THA01.0132.0072.9803.9324.8645.7746.6637.5308.3939.244 煤耗增量/(th-1)0 50 100 150 200 供热抽汽量/(th-1)12 2 8 6 4 0 10 1 2 图图5 90%THA下供热抽汽量下供热抽汽量-煤耗增量特性煤耗增量特性Fig.5 Heat extraction steam and coal consumption increment characteristics under 90%THA90第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术对于案例机组的其他负荷工况下也可以得到相同的结论。4结论结论通过对某电厂2台630 MW亚临界热电联产机组进行供热抽汽分配节能优化，降低了机组的运行煤耗，实现了电厂的深度节能，并且减少了电厂的碳排放量，提高了电厂的经济收益。具体结论如下：1）单台机组热电负荷之间的变化会对能耗产生不同的影响。这其中存在一个临界抽汽流量点。当所需供热抽汽量小于该临界点时，在相同的供热量条件下，机组发电负荷越大，机组发电热效率越高；当所需供热抽汽量大于该临界点时，在相同的供热量条件下，机组发电负荷越小，机组发电热效率越高。2）在 2 台同类机组并列运行且电负荷相近时，仅从节能角度考虑其最优供热抽汽分配方式如下：将所有供热抽汽量集中分配给其中某一台机组，另一台机组不供汽，此时全厂煤耗量最小。即在集中供热的情况下，节能效果更好。参考文献参考文献1王泽众，黄平瑞，魏高升，等太阳能热发电固气两相化学储热技术研究进展J发电技术，2021，42(2)：238-246WANG Z Z，HUANG P R，WEI G S，et al Research progress of solid-gas two-phase chemical heat storage technology for solar thermal power generationJPower Generation Technology，2021，42(2)：238-2462黄畅，张攀，王卫良，等燃煤发电产业升级支撑我国节能减排与碳中和国家战略J热力发电，2021，50(40)：1-6HUANG C，ZHANG P，WANG W L，et al Chinas national strategy of energy conservation，emission reduction and carbon neutrality based on the upgrading of coal-fired power generation industryJ Thermal Power Generation，2021，50(40)：1-63薛恒电力行业节能减排及低碳化发展分析J应用能源技术，2021(1)：49-51XUE H 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