碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21085

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 Background

HUANG 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

收稿日期: 2022-02-20

基金资助:

国家自然科学基金项目. 51806062
中央高校基本科研业务费. 2020MS006

Received: 2022-02-20

作者简介 About authors

黄宇箴(1997)，男，硕士研究生，研究方向为热力系统优化与电站大数据分析，18810112720@163.com；

陈彦奇(1998)，男，硕士研究生，研究方向为热力系统优化与电站大数据分析；

吴志聪(1997)，男，硕士研究生，研究方向为热力系统优化与电站大数据分析；

徐钢(1978)，男，博士，教授，研究方向为能源动力系统优化与节能、污染物控制及温室气体减排，本文通信作者，xgncepu@163.com；

刘彤(1964)，女，博士，教授，研究方向为清洁高效燃烧技术、电站热力设备寿命监测和管理。

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： 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.

Keywords： carbon neutral ; cogeneration units ; extraction steam optimization ; thermodynamic modeling ; energy conservation and emission reduction ; thermodynamic analysis

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本文引用格式

黄宇箴, 陈彦奇, 吴志聪, 徐钢, 刘彤. 碳中和背景下热电联产机组抽汽分配节能优化. 发电技术[J], 2023, 44(1): 85-93 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21085

HUANG Yuzhen, CHEN Yanqi, WU Zhicong, XU Gang, LIU Tong. Energy Saving Optimization of Extraction Steam Distribution for Cogeneration Units Under Carbon Neutral Background. Power Generation Technology[J], 2023, 44(1): 85-93 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.21085

0 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

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。

表1 额定工况的主要设计参数

Tab. 1 Main design parameters of rated working conditions

参数	数值
电功率/MW	630
主蒸汽压力/MPa	16.7
主蒸汽温度/℃	538
再热蒸汽压力/MPa	3.329
再热蒸汽温度/℃	538
背压/kPa	4
给水温度/℃	276.4
热耗率/[kJ⋅(kW⋅h)^-1]	7 775.0

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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

2.1 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

\frac{D_{1}}{D_{0}} = \sqrt[]{\frac{p_{11}^{2} - p_{12}^{2}}{p_{01}^{2} - p_{02}^{2}}} \times \sqrt[]{\frac{T_{01}}{T_{11}}}

(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

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：

q_{e} = \frac{D_{z} h_{z} + D_{r h} q_{r h} - D_{f w} h_{f w} - D_{g r} (h_{g r} - h_{g r s s})}{η_{b} η_{p} P}

(2)

B = \frac{q_{e} \times P}{q_{n e t}}

(3)

η_{e} = \frac{3 600}{q_{e}} \times 100 %

(4)

式中：q_e为热电厂发电热耗率，kJ/(kW⋅h)； $D_{z}$ 为主蒸汽质量流量，kg/h； $h_{z}$ 为主蒸汽比焓，kJ/kg；D_rh为再热蒸汽质量流量，kg/h；q_rh为单位质量再热蒸汽吸热量，kJ/kg；D_fw为给水质量流量，kg/h；h_fw为给水比焓，kJ/kg；D_gr为供热蒸汽质量流量，kg/h；h_gr为供热蒸汽比焓，kJ/kg；h_grss为供热疏水比焓，kJ/kg； $η_{b}$ 为锅炉热效率，%； $η_{p}$ 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；q_net为燃料(标准煤)的低位发热量，kJ/kg； $η_{e}$ 为热电厂发电热效率，%。

2.3 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。

图1

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图1 单台机组EBSILON仿真模型

Fig. 1 EBSILON simulation model of single unit

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%。

表2 发电功率验证

Tab. 2 Verification of generating power

参数	工况
参数	THA	75%THA	50%THA	40%THA	CQ250 t/h
设计值/MW	630.00	472.50	315.00	252.00	601.80
仿真值/MW	630.99	472.64	315.68	253.05	602.26
相对误差/%	0.16	0.03	0.22	0.42	0.08

注：THA表示额定参数设计工况。

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表3 热耗率验证

Tab. 3 Verification of heat loss rate

参数	工况
参数	THA	75%THA	50%THA	40%THA	CQ250 t/h
设计值/[kJ⋅(kW⋅h)^-1]	7 775.00	7 858.20	8 226.30	8 519.70	7 212.50
仿真值/[kJ⋅(kW⋅h)^-1]	7 777.85	7 870.10	8 219.10	8 496.38	7 313.92
相对误差/%	0.04	0.15	-0.09	-0.27	1.41

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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

3.1 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0~360 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。

表4 70%THA抽汽工况下主要蒸汽参数变化情况

Tab. 4 Variation of main steam parameters under 70%THA extraction condition

供热抽汽量/(t⋅h^-1)	蒸汽参数
供热抽汽量/(t⋅h^-1)	主汽量/(t⋅h^-1)	主汽压力/MPa	中排压力/MPa	低压缸进汽量/(t⋅h^-1)
0	1 266.721	15.026	0.543	938.463
40	1 289.247	15.282	0.523	908.570
80	1 311.070	15.529	0.503	878.166
120	1 332.170	15.768	0.483	847.235
160	1 352.821	15.939	0.462	815.987
200	1 373.386	15.969	0.442	784.695
240	1 393.098	15.998	0.421	752.827
280	1 411.898	16.025	0.401	720.339
320	1 429.723	16.051	0.380	687.193
360	1 447.132	16.077	0.359	653.764

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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2

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图2 单台机组供热抽汽量-煤耗量特性

Fig. 2 Heat extraction steam and coal consumption characteristics of single unit

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下，机组发电负荷越小，机组发电热效率越高。

图3

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图3 单台机组供热抽汽量-发电热效率特性

Fig. 3 Heat extraction steam and power generation thermal efficiency characteristics of single unit

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

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台机组的煤耗量之和。

图4

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图4 不同负荷下机组供热抽汽量-全厂煤耗量特性

Fig. 4 Characteristics of heat extraction steam and coal consumption of the whole plant under different loads

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

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。

表5 不同负荷下单台机组煤耗增量随供热抽汽量的变化

Tab. 5 Change of coal consumption increment of single unit with heat extraction steam under different loads

抽汽量/ (t⋅h^-1)	煤耗增量/(t⋅h^-1)
抽汽量/ (t⋅h^-1)	90%THA	80%THA	70%THA	60%THA
0	0	0	0	0
20	1.125	1.106	1.031	1.013
40	2.236	2.196	2.045	2.007
60	3.333	3.270	3.040	2.980
80	4.415	4.327	4.018	3.932
100	5.482	5.369	4.978	4.864
120	6.537	6.378	5.920	5.774
140	7.581	7.364	6.843	6.663
160	8.609	8.333	7.763	7.530
180	9.625	9.286	8.676	8.393
200	10.630	10.222	9.568	9.244

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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。

图5

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图5 90%THA下供热抽汽量-煤耗增量特性

Fig. 5 Heat extraction steam and coal consumption increment characteristics under 90% THA

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 (\frac{x_{1} + x_{2}}{2}) > \frac{f (x_{1}) + f (x_{2})}{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，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

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

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[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)：238-246．