热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化探索

摘要：为了对电网中能源的随机波动情况进行平抑，大功率火电机组也逐渐向着深度变负荷的方向发展。在本文中，将就热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化进行一定的研究与分析，重点解决在变工况下，汽轮机滑压运行偏离设计工况以及经济效益差的问题。

Abstract： In order to stabilize the random fluctuation of power in power grid， the large power thermal power units are also gradually developing towards depth of load change. This paper analyzes the optimization of the steam turbine sliding pressure operation in extraction steam heating period of cogeneration units， and focuses on the problem that in variable working condition， the steam turbine sliding pressure operation deviates from the design conditions and the economic benefit is poor.

关键词：热电联产机组；抽汽供热期；汽轮机滑压运行

Key words： cogeneration units；extraction steam heating period；steam turbine sliding pressure operation

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）12-0148-04

0 引言

在环保、可持续的发展要求下，风电等可再生能源成为了我国具有良好前景的新能源类型。同时，以风电为主的新能源所具有的随机波动不确定性，也使得新能源电力消纳成为了我国电力系统建设中非常现实的一项问题。而根据我国能源结构布局情况，我国电力发展同火电机组的深度调峰间具有着较大的依赖性。而随着电力峰谷差的加大，很多大功率火电机组以及电力联产机组也逐渐参与到了电力调峰当中。对于这部分机组来说，由于其在变工况条件下运行，在长时间运行中则会出现机组经济性下降以及偏离设计工况的情况，在这种情况下，必须依靠滑压运行来提升机组运行时的经济效益。在本文中，将就滑压运行优化方式及其实际应用进行一系列的研究。

1 热电联产发展现状

1.1 热电联产概念 热电联产是指在同一电厂中将供热和发电联合在一起，即电厂锅炉产生的蒸汽驱动汽轮机的过程或之后的抽汽或排汽中的热量可以继续利用进行供热，这种既发电又供热的生产方式称为热电联产，简称CHP。

1.2 热电联产的作用 热电联产是一项综合利用能源的技术，在发电的同时，有效利用汽化潜热进行供热，具有能源利用效率高、保护环境等诸多优势，被认为是最好的集中供热热源。现阶段，许多国家都将热电联产作为节约能源与改善环境的重要措施。中国热电联产机组承担了城市热水采暖供热量的30%，城市工业用汽的83%。在城市集中供热的总面积中，有1/3是由热电厂供热的。“十一五”期间，全国范围内新增的供热机组装机容量达到了约6000万千瓦，到2012年供热机组装机总容量达到156.93GW，大约占同期全国火电机组装机总容量的19.16%。热电联产在我国的节能减排方面发挥了不可替代的作用。

1.3 热电联产发展现状 近年来，有的地区却出现了热电联产集中供热价格高于区域锅炉供热的不合理现象，以及热电联产在城市集中供热的比重不断降低，这不利于行业的长远发展。

现阶段我国的冷热电联产系统燃料大多采用的依然是煤，总的热效率低，这和我国能源结构息息相关。反观很多发达国家，他们的系统燃料早已经实现了更新换代，比如美国的热电联产项目73%采用的都是燃气。俄罗斯的热电联产项目70%采用的是石油和天然气。面对这种形势，我国必须与时俱进，大力发展以燃气（尤其是天然气）为燃料的冷热电联产系统。此外，目前我国的燃气冷热电联产系统也多是采用高参数的大容量机组，但是由于小型冷热电联产系统和区域集中供热供冷系统（DHC）具有能源利用率高，不需要长距离输送等优势，未来的应用和发展前景更大。

另外，随着用电需求的增加，大功率火电机组以及电力联产机组逐渐投入到电力调峰当中，机组的运行工况发生改变，在偏离原设计工况的条件下长期运行，其运行成本、运行时间都会相应增加。企业亟待探索一种机组在热电联产工况下最经济、最可靠的运行模式，以降低机组运行成本和故障率，提高机组运行的经济效益。汽轮机滑压运行模式很好的解决了这一问题。

2 热电联产机组滑压运行要求

从安全的角度来说，滑压运行对机组的调峰运行而言具有良好的灵活性和安全性。

对于滑压调节来说，主要具有节流滑压调节、复合滑压调节以及纯滑压调节等。当负荷处于较高状态下时对滑压调节进行应用存在很大劣势，因为此时新汽压力较小，在这种情况下每千克蒸汽的可用能会减少，在对循环热效率进行降低的同时获得了热耗的增加。对此，当负荷处于较高状态下时，仅仅以滑压方式进行调节在经济性方面则存在着一定的问题，仅仅当其负荷减少到一定数值、使用定压方式进行调节将产生较大节流损失、使调节效率具有较多降低时，才适合对滑压方式进行应用。

从热经济角度分析，要想通过滑压调节方式的应用提升整个机组经济性，必须使循环热效率降低的值小于再热蒸汽温度升高引起热效率、给水泵耗功的减少、高压缸内效率的提高三者之和。另外，机组的各项参数还会随着初压方面的改变而发生变化，比如给水泵功耗、机组循环效率、节流损失等因素都会随着初压变化，因此，在在给定负荷下主蒸汽压力滑压设定值时必须充分考虑上述因素可能造成的影响。

抽汽供热机组在确定最优滑压曲线时需要综合考虑多项因素，与一般机组相比更为复杂，究其原因发现如下：第一，当联产机组在抽汽模式工作时，由热用户决定供热抽汽压力，即供热抽汽点的压力为定值，对此，该供热抽汽点的压力将不会随着机组工况的变化而发生变化；第二，当机组在非抽汽模式工作时，其工作状况则同普通中间再热凝汽式机组较为类似，在此种情况下，抽汽点压力将随着机组工况的变化而发生变化。

从以上情况我们可以了解到，机组在非抽汽工况和抽汽工况下运行时，回热加热器和机组会呈现不同的状态：在两种工作模式中，供热抽汽点压力具有较大的差异，该种情况的存在，则会使抽汽点附近的机组效率在面对不同工况时表现各异。不仅如此，在两种不同的工作模式下，受供热抽汽影响，供热抽汽点之后的各回热抽汽点的抽汽量以及各回热加热器的工作状况也将存在较大的差异。而当供热抽气量变化时，抽汽点之后回热加热器的工作状况以及回热抽汽点的抽气量也将发生较大的变化。对此，当按照机组负荷为自变量对滑压曲线进行确定时，则可以得到最优主汽压为F（负荷，背压，抽汽量）。在该种情况下，滑压曲线将呈现出三维图，抽汽工况下运行的机组往往比非抽汽机组呈现更复杂的特点。在抽汽工况下运行的机组若按照非抽汽工况运行，则最终得到的主汽压F（负荷，背压，抽汽量）极不可靠，且该种对滑压曲线的确定方式在实际机组运行当中也并不是最优解。必须对现行滑压运行方式进行优化调整，使负荷、背压、抽汽量都能达到最优工况，才可确保机组在抽汽条件下稳定可靠的运行。

3 热电联产机组滑压运行优化思路

3.1 滑压运行优化

滑压运行是指汽轮机在不同工况运行时，不仅主汽门是全开的，而且调速汽门也是全开的，通过改变汽轮机前主蒸汽压力和温度来实现机组功率的变动，主汽压随汽轮机负荷变化而变化。因滑压运行降低了给水泵的出力，减少了损耗，有利于提高机组的整体效率和经济性。滑压运行原理：锅炉主调汽机跟随，锅炉通过改变主蒸汽压力改变负荷，汽轮机维持调门位置。对负荷反映速度慢，低负荷时损失小，高负荷时效率低。

从理论上讲滑压运行可能会出现在所有机组内，但是由于采用滑压运行很大一部分原因是因其具备良好的经济效益，一旦主蒸汽压力在12MPa以下时，汽轮机效率会急剧降低，此时依然采用滑压运行会造成极大的资源浪费，得不偿失。而对于目前的热电联产机组来说，其在采暖期阶段往往具有一定长期运行的电热工况，对此，则可以在充分联系抽汽工况点的基础上对不同负荷点的最优主蒸汽运行压力进行确定，之后再将多个适合采暖工况的滑压运行曲线植入到机组的DCS当中，在保证其抽汽量能够对采暖需求前提进行保证的情况下使机组主蒸汽压力也能够达到最优值。

3.2 最优主蒸汽获取方式

蒸汽轮机（steamturbine）是目前较成熟的技术。为了能够在采暖期对具有较高精确度的滑压运行曲线进行获得，可以通过试验方式的应用对最优主蒸汽压力进行获取，其具体步骤为：第一，对采暖期的常运行供热抽汽量进行选定，如Q1th/Q2th/Q3th等；第二，在固定抽汽量情况下，需要开展四个负荷点的压力寻优试验，可以在对纯凝工况滑压曲线进行参考的基础上对这几个负荷点进行选取，并注重点选取的代表性，以此对试验的有效性作出保障；第三，对不同负荷点的最优主蒸汽压力寻优试验进行查找，并参考纯凝工况滑压运行曲线对基准点进行选择；第四，在按照上述方式的基础上对剩余抽汽工况下的压力寻优试验进行获取；第五，在同一负荷点的实验情况下，不仅需要做好设备抽汽量的维持，还需要做好冷凝器背压值的保证。对于不同汽压工况，需要使其能够稳定1h左右的时间，这部分操作都将对最终滑压曲线的精确程度产生非常大的影响；第六，对不同抽汽情况下所有工况点所对应的机组试验热耗值进行计算；第七，在不同负荷点以及抽汽工况下，需要在最小二乘方式的基础上对机组试验热耗值以及主蒸汽压力进行曲线拟合，以此对不同负荷点情况下机组的最优主蒸汽压力设定值进行确定。通过上述方式的应用，则能够对不同抽汽量情况下的最优滑压曲线进行获得，同时，由于该试验的前提条件是保持抽汽量不变，则得到的蒸汽压力能够满足机组在不同抽汽工况下滑压运行的供热需求量。

3.3 机组DCS改造策略

在现今电力企业中，进行查值所应用的函数框仅仅适合应用在二维图当中，在三维图情况下，其也需要以二维的方式进行处理。对此，在以机组负荷为自变量对机组最优滑压值进行确定时，仅仅适合应用在某一抽汽量情况下，如果实际工况抽汽量同该抽汽量以及背压值存在偏离情况，则说明该值并非最优。对此，在这里我们提出了一种能够将所有抽汽量滑压运行曲线都植入到机组DCS的一种改造策略，即通过二维查询方式的应用得到三维滑压曲线。植入三条滑压曲线的机组改造策略如图1所示。

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该方法具有很多优势，不仅可以通过对抽汽量的引入作为修正参考值对实际滑压曲线进行实现，以此实现在多个抽汽量工况下经济运行。同时，该方式也具有可扩展性，即将纯凝工况下的滑压运行曲线都植入到DCS当中，以此使其在运行中能够同机组的全工况最优运行方式相接近。

4 改造试验和结果

为了验证该方法的可行性，本文以某300MW热电联产机组运行过程的滑压优化为例进行了效果分析，其相应参数以及对比过程如图2所示。

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4.1 滑压运行优化

在锅炉效率和管道效率不变的情况下，影响供电煤耗的主要因素是机组的热耗率和厂用电率。如图2所示，a为该机组纯凝工况下的滑压运行曲线，b为该机组正常抽汽的运行工况。由于该机组为单位的供热主力机组，对此，其一共具有3个常运行工况。在联系实际运行工况的基础上，我们所选择的复合点如表1所示，基本能够覆盖不同的运行抽汽工况。

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图3为抽汽工况下的机组滑压运行优化试验。

图3中，a为该工况下的负荷变化过程，b为汽压变化过程，经过热功耗计算，所获得的结果如图4所示。

在图4中，其为试验情况下所获得的一种供热工况滑压运行曲线，而其他曲线优化试验较为类似，在将优化完成获得的三条滑压运行曲线植入到机组DCS当中后，做好实际运行的经济性考核试验。

4.2 实际改造效果对比

通过应用机组实际运行试验方式，在滑压运行过程中可使机组实现正常的投入。首先采集机组改造前后的数据，利用相关平台和手段计算背压基本不贬值数据，进而对比和计算出系统改造前后的热耗率。需要注意的是为了确保计算的准确性和科学性，进一步提升改造效果，应对三个常运行抽汽量工况热耗进行平均计算，具体计算结果如表2所示。

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4.3 滑压运行改造后的经济效益

该300MW机组2014年度发电量计划17.64亿kWh，以单机运行80%时间负荷在170MW以下计，14.1亿kWh发电量采用滑压运行方式完成，按上述方案及表2所示的抽汽工况执行，平均可降低供电煤耗4g/kW·h，全年合计节标煤5640吨，以600元/吨标准煤计算，节省费用338万元。由此可见，优化改造后的DCS滑压运行模式确实取得了巨大的经济效益。

5 结论探索

在上文中，我们对热电联产机组抽汽供热期的汽轮机滑压运行优化进行了一定的研究，通过不同工况下汽轮机滑压运行方式的优化设计，解决了不同工况下汽轮机滑压运行偏离设计工况和运行不经济的问题，大大提高了机组运行的经济效益，同时总结出以下结论：第一，提出了一种以供热抽汽量为修正参数的汽轮机滑压运行优化方式，给出了最优主蒸汽压力机组DCS改造策略以及蒸汽压力获取方式。对于该方式而言，不仅能够对设备滑压情况下的供热抽气量需求进行满足，且通过二维函数查询方式的应用对三维滑压运行曲线进行了实现；第二，该方式具有着较好的可扩展性，可以通过实际供热工况对植入的滑压曲线进行调整，具有着较好的推广以及应用价值。而通过后续优化改造试验方式的应用，则对该方式的有效性进行了进一步的验证。此外，高背压工况供热是一种关注度较高的供热，也是未来具有较高有效性的供热方式，对此，在后续研究中，则需要进一步针对该种曲线获取方式进行研究，在对机组深度变负荷运行供电煤耗进行降低的同时实现节能减排目标。

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