300MW热电机组凝汽器变工况运行的热经济性模拟研究.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金()山东省重点研发计划()作者简介:张月雷()男大学本科 主要从事热力系统节能及优化研究 热电机组凝汽器变工况运行的热经济性模拟研究张月雷王贵生管洪军蔡 飞李 杨王 顺高 明(中国石化集团公司胜利石油管理局有限公司东营 高效节能及储能技术与装备山东省工程实验室(山东大学能源与动力工程学院)济南)摘要:为解决新能源消纳问题提高燃煤供热机组的灵活运行能力低压缸零出力技术得到广泛关注 通过 建立了某 机组在纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的仿真模型及凝汽器变工况仿真模型计算分析了各工况的热经济性变化并研究了循环水流量和入口温度的变化对机组热经济性的影响 结果表明低压缸零出力工况的冷源损失更少循环水流量相比纯凝工况降低了.循环水流量的增加、入口温度的降低均有利于机组低压缸零出力工况时的经济运行循环水流量在设计流量的 增至 时发电煤耗降低了./()循环水入口温度由 降至 发电煤耗减少了./()该研究可为热电机组在多供热方式下的冷端系统高效运行提供指导关键词:热电机组凝汽器热经济性 模拟分类号:文献标识码:文章编号:()(.():./()./().:前 言在双碳战略的引领下以新能源为主的能源消费结构正稳步构成但截止 年底火力发电量仍占总发电装机容量的.同时考虑到风、光等新能源发电方式具有一定的间歇性和波动性对火力发电机组的高效、灵活运行提出了更高的要求 对于有供热要求的机组热电耦合特性及“以热定电”运行方式的影响会进一步限制机组的运行低压缸零出力发电技术可提升火电机组的灵活调峰能力因具有一次投资少、运行灵活等特点而得到了广泛关注 王建勋分析了低压缸零出力改造后机组的调峰第 卷 第 期汽 轮 机 技 术.年 月.能力和热经济性结果显示额定工况下改造使发电煤耗降低了./()等的试验研究表明低压缸零出力技术明显提升了机组的调峰能力在相同的供热负荷下机组的最低电负荷降低了 王行等结合试验对比了低压缸零出力技术在调峰收益量方面的影响指出供热期内每月的调峰收益最多为.万元 天罡等对东北地区某采暖机组进行了低压缸零出力改造经过一个采暖期的运行后末级叶片外观无磨损调峰收益达 万元 汪可等基于热平衡规律的变工况算法计算得出低压缸零出力运行可在最大供热工况下提升 的供热负荷 宋浩等计算分析了切除单低压缸和切除双低压缸对供热负荷的影响结果表明切除双低压缸的运行方式使供热负荷提升了.冷端系统对于机组的安全高效运行有着重要意义凝汽器的循环水带走了燃煤约 的发热量 钱进等利用 计算了 机组在不同负荷下的凝汽器特性曲线 朱锐等通过循环水流量对凝汽器性能影响的试验研究获得了背压、传热系数等参数的变化规律 汪霞等采用 神经网络构建了凝汽器变工况特性模型研究指出凝汽器压力对循环水进口温度最为敏感 任吉平等分析了火电厂循环水系统的概况计算了机组不同负荷下的循环水最佳运行状态为机组的节能运行提供了指导 叶青提出了热电机组的 种循环水系统优化运行方案在最佳的优化方案下单泵最多可节约电费 万元/年目前在关于低压缸零出力供热技术的研究中针对机组的调峰能力和热经济性进行了大量的研究得到了较多具有实践价值的结论但缺少低压缸零出力技术与凝汽器变工况运行间的影响研究 本文针对某 亚临界机组利用 .软件进行机组的仿真模型搭建进行了抽凝工况与低压缸零出力工况的凝汽器变工况模拟研究为热电机组的冷端系统高效运行提供指导 模型搭建.凝汽器建模在对凝汽器进行建模时主要依据为凝汽器技术规范见表 在 工况中计算得到的冷却管内的循环水流速为./对纯凝机组进行凝汽器设置时采取外部设定循环水流量的方式计算得到循环水的出口水温循环水侧压降计算采用 方法得出 建立的 工况下 凝汽器计算组件如图 所示由图 可知仿真计算的循环水温升为.与表 中给出的设计循环水温升.的相对误差为.软件仿真模拟结果与技术规范的设计值相对误差在工程允许范围内可以满足后续研究的精度要求 表 凝汽器技术规范型号型式冷却面积/流程数凝汽器压力/热井容积/主凝结区冷却管材质 单壳体、对分双流程、表面式.冷却管数量冷却管有效长度/循环水体积流量/(/)设计循环水温/清洁系数/设计工况循环水温升/.图 凝汽器计算组件.热力系统建模热力系统模型以某公司设计的某 机组为研究对象该机组采用一次中间再热方式汽轮机布置为单轴、两缸两排汽 供热蒸汽由中、低压缸连通管处抽取抽汽压力为.额定供热抽汽流量为/最大供热抽汽流量为/回热系统采用“三高、四低、一除氧”的 段回热抽汽方式基于所研究机组的 工况设计数据和凝汽器模型建立热力系统的纯凝工况仿真模型如图 所示 表 给出了仿真模型的各级抽汽流量和温度的设计值与模拟值对比 表 热力系统仿真模型模拟值与设计值对比各级抽汽设计流量/(/)模拟流量/(/)相对误差/设计温度/模拟温度/相对误差/一抽 .二抽 .三抽 .除氧器 .五抽 .六抽 .七抽 .八抽 .汽 轮 机 技 术 第 卷图 工况时机组纯凝工况热力系统 仿真模型 由表 可知各主要参数的模拟值与设计值的相对误差均在 的合理范围之内建模可靠可以依据此模型做后续的计算分析增设“”组件来进行模型机组的供热改造研究定义热网疏水温度为 在中低压缸连通管上增加压力调节阀门固定中压缸的排汽压力 在模型的低压缸零出力工况模拟时从凝汽器出口引出少量凝结水回流至低压缸出口以模仿低压缸排汽的喷水减温过程 取消低压缸的回热抽汽同时设定冷却蒸汽流量为/进汽压力为 热力系统经济性评价指标凝汽器压力可由下式定义:.().()式中 为凝汽器饱和蒸汽温度机组发电方面的热效率:()式中 为机组的总发电量 为锅炉热负荷即循环工质在锅炉处的吸热负荷 为供热负荷机组发电方面的热耗率(/():()机组发电方面的标准煤耗率(/():.()分析与讨论基于搭建的 机组纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的仿真模型首先在调峰能力和煤耗等方面对各工况的热经济性进行计算分析 然后利用凝汽器计算组件获得机组设计背压下各工况下的循环水流量 最后进行了凝汽器变工况模拟保持循环水流量不变研究循环水入口温度对背压、发电功率、发电热耗和煤耗的影响在研究循环水流量对背压、发电功率、发电热耗和煤耗的影响时保持循环水入口温度不变分析上述热经济性参数的变化规律.机组热经济性分析 工况下机组纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的热经济性参数模拟结果见表 低压缸零出力工况的发电功率比抽凝工况降低了.说明低压缸零出力技术可以提高机组的调峰能力 低压缸零出力时的低压缸仅保留了少量冷却蒸汽故最大供热负荷增加了.抽凝工况和低压缸零出力工况下的发电热耗和煤耗相比纯凝工况都有显著降低其中低压缸零出力工况时的发电热耗为./()发电煤耗为./()表 不同工况的热经济性参数工 况背压发电功率最大供热负荷/发电热耗/()发电煤耗/()纯凝工况.抽凝工况.低压缸零出力工况.循环水流量的影响相比于纯凝工况抽凝工况和低压缸零出力工况的能源利用率更高原因是对外供热代替了凝汽器的冷源损失 定义机组背压为设计值时的循环水流量为设计流量表 所示为循环水入口水温为 时设计循环水流量变化情况 由表 可以看出低压缸零出力工况所需的循环水流量降低为./相 比 纯 凝 工 况 下 的 ./减 少 了.抽凝工况所需的循环水流量为./相比纯凝工况减少了.循环水流量计算值的降低直观说明了热电机组的冷源损失更小 表 不同工况的循环水流量变化机 组背压/循环水流量/(/)纯凝工况.抽凝工况.低压缸零出力工况.分别设置循环水流量为设计流量的、第 期张月雷等:热电机组凝汽器变工况运行的热经济性模拟研究、和 等 个工况图 所示为机组背压和发电功率在纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况时的变化情况 由图 可知在循环水流量从设计流量的 变化时机组 种工况下的背压均降低低压缸零出力工况下从.降低至.背压降低了.机组发电功率在 种工况下均增加低压缸零出力工况下从.增加至.发电功率增加了.图 各工况下机组背压和发电功率随循环水流量的变化曲线图 所示为循环水从设计流量的 变化时机组在纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况时发电热耗和发电煤耗的变化曲线 从图 可以看出机组发电热耗和煤耗在 种工况下随循环水流量的逐步增加而逐步下降并趋于稳定 纯凝工况下的发电热耗最大值为./()最 小 值 为./()降 低 了./()发电煤耗从./()降低至./()降低了./()抽凝工况下的发电热耗降低了./()发电煤耗降低了./()低压缸零出力工况的发电热耗降低了./()发电煤耗降低了./()低压缸零出力工况的发电热耗、煤耗变化不如其它两个工况明显原因是低压缸零出力工况时的低压缸仅通入少量冷却蒸汽背压的变化不会对低压缸的运行产生明显的影响图 各工况下发电热耗和发电煤耗随循环水流量的变化曲线结果表明机组在低压缸零出力工况下运行时设计背压下需要的循环水流量明显降低机组的冷源损失更少 相同循环水入口温度下循环水流量增加机组的背压降低发电功率升高发电热耗和煤耗下降并趋于稳定.循环水温度的影响循环水温度的变化对凝汽器的性能有较大影响同时影响着机组的热经济性在纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的 模拟时分别保持循环水流量为./、./和./设置循环水入口温度为 之间共 个工况 机组背压和发电功率的变化情况如图 所示 由图 可见当循环水温度由 升高至时机组背压在低压缸零出力工况中由.升高至.升高了.在纯凝工况中升高了.在抽凝工况中升高了.机组的发电功率随循环水温度的升高呈下降趋势在计算范围内低压缸零出力工况的发电功率降低了.纯凝工况降低了.抽凝机组工况了.图 各工况下背压和发电功率随循环水入口温度的变化曲线图 所示为机组发电热耗和发电煤耗与循环水入口温度的变化情况 当循环水温度由 逐渐增加至 时纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的发电热耗和热耗均逐渐升高 计算范围内机组低压缸零出力工况的热耗增加了./()煤耗增加了./()纯凝工况的热耗增加了./()煤耗增加了./()抽凝工况的热耗增加了./()煤耗增加了./()图 各工况下发电热耗和发电煤耗随循环水入口温度的变化曲线结果表明循环水温度的增加对机组的经济运行产生不利影响相同条件下循环水入口水温升高机组纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况的背压升高发电功率降低发电煤耗和热耗升高热经济性降低 低压缸零出力工况的热经济性参数变化范围小于抽凝工况小于纯凝工况说明机组在低压缸零出力运行时的经济性运行受循环水温的影响更小汽 轮 机 技 术 第 卷 结 论本文采用 软件模拟的方式对比分析了某 机组在纯凝工况、抽凝工况和低压缸零出力工况下热经济性参数并研究了循环水流量和温度对机组背压、发电功率发电热耗和煤耗的变化趋势 得到的主要结论如下:()低压缸零出力技术显著减少了机组的冷源损失提高了能源利用率设计背压下低压缸零出力工况运行时需要的循环水流量仅为./最小发电热耗为./()最小发电煤耗为./()()机组低压缸零出力工况运行下循环水流量在设计流量的 之间变化时机组背压降低了.发电热耗最大降低了./()发电煤耗最大降低了./()()在循环水温度从 增加到 时机组低压缸零出力运行的背压升高了.发电热耗增加了./()煤耗增加了./()参 考 文 献 国家能源局:年全国电力工业统计数据/.().:/./.董梓童苏南.提升新能源主动支撑电网能力势在必行.中国能源报 ().郑 飞陈晓利等.抽汽供热机组深度调峰灵活性改造技术研究.汽轮机技术():.宋 浩陈晓利等.多供热机组多模式深度调峰协同运行技术路线研究.汽轮机技术():.刘 勇刘 涛等.东方汽轮机低压缸零出力改造案例研究.机电工程技术():.王建勋.超临界机组低压缸零出力技术的灵活性调峰能力及经济性分析.热能动力工程():./:.():.王 行赵金峰等.某 热电联产机组低压缸零出力改造热电特性分析.汽轮机技术():.天 罡刘立华等.机组低压缸切除供热改造方案及调峰性能分析.汽轮机技术():.汪可田亮.供热机组低压缸零出力工况下热经济性分析/.华北电力大学学报(自然科学版):.:/./.宋 浩陈晓利等.超临界机组供热方式选择研究.东北电力技术():.徐一丹.基于 的湿式冷却塔性能变化对热力系统影响研究.济南:山东大学.钱 进吴爱民等.汽轮机凝汽器变工况计算及特性曲线分析.发电设备():.朱 锐种道彤等.冷却水流量对凝汽器性能影响的试验研究.热力发电():.汪 霞严 波等.基于神经网络的凝汽器变工况模型.计算机仿真():.任吉平高慧芳.火力发电厂 机组循环水系统运行优化研究.现代工业经济和信息化():.叶 青.适于汽轮机多供热方式灵活运行的循环水泵优化改造方案.汽轮机技术():.徐 星黄启龙等.考虑汽轮机工况变化的凝汽器最佳真空的确定及应用.动力工程学报():.王为明刘悦等.超临界供热机组热网加热器疏水系统分析.吉林电力():.(上接第 页)燃烧器燃料分散度控制方式能够积累大量的运行数据为燃气轮机运行和燃烧调整提供数据支撑并能通过数据挖掘手段开展优化控制参数提高机组运行效率 燃烧器燃料流量的前端控制为燃烧系统故障的排查提供了有效手段能够在检修后期对燃烧器各燃料支路进行流量测试及时发现问题并进行处理防止因燃烧器堵塞、燃料流量异常出现透平后部温差超标的非计划停运事故 本文提出的技术方案能够有效防范燃气轮机燃烧系统故障为燃气轮机制造企业和使用单位提供了一定的借鉴参 考 文 献 束国刚余春华沈国华.新时期我国重型燃气轮机发展研究.中国工程科学():.杨志鹏杨景祺章伟杰.国外燃气轮机燃烧监测系统的分析对比.发电设备():.刘建生.燃气轮机环形燃烧室燃烧失稳原因分析及防范措施.燃气轮机技术():.杨勇艾松贾文.燃气轮机燃烧室燃烧稳定性分析.东方电气评论():.和宏宾陈明敏刘晓佩.级重型燃气轮机燃烧室热声振荡分析研究.热力透平():.王 玮肖俊峰高 松等.空燃比对燃气轮机燃烧室燃烧不稳定性影响的数值研究.燃烧科学与技术():.王 鑫瞿虹剑.型燃气轮机燃烧稳定裕度控制系统的实现和应用.电力与能源().杨安建田晓晶凤云仙等.某燃气轮机燃烧室燃料喷嘴流量特性研究.东方汽轮机():.曹炼博刘志坦王 凯等.发电领域燃气轮机燃烧调整方法研究.燃气轮机技术():.齐立武刘 齐霍志勇.燃气轮机燃烧故障原因与检修策略探究.内燃机与配件():.蔡季雨陈明敏.燃气轮机环形燃烧室热态性能研究.热力透平():.第 期张月雷等:热电机组凝汽器变工况运行的热经济性模拟研究