謝 天，何 寧，李庚達(dá)，張秋生，王文彬，崔青汝

(國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)決定了燃煤機(jī)組將長期用于承擔(dān)用戶基本用電負(fù)荷[1]。隨著全球氣候變暖加劇，世界各國都在為提高可再生能源發(fā)電裝機(jī)比例，降低二氧化碳排放量的目標(biāo)不懈努力?！笆濉睍r期，中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)了爆發(fā)式的增長，利用率也顯著提高[2]。截止到2022年9月，中國可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到11.61億千瓦，占總裝機(jī)容量的46.8%，可再生能源發(fā)電量占全部發(fā)電量比重約為25%[3]。大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)給電網(wǎng)的規(guī)劃和運(yùn)行提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為減少可再生能源高度滲透帶來的電源側(cè)與電網(wǎng)側(cè)雙隨機(jī)擾動，越來越多的大型燃煤機(jī)組開始參與深度電網(wǎng)調(diào)峰[4-5]。

頻繁的負(fù)荷波動使燃煤機(jī)組長期偏離設(shè)計工況運(yùn)行，導(dǎo)致其能耗水平升高、控制品質(zhì)下降、壽命損耗增加，燃煤發(fā)電企業(yè)面臨靈活運(yùn)行與節(jié)能的雙重壓力，亟需挖掘燃煤機(jī)組瞬態(tài)過程節(jié)能潛力，開展燃煤機(jī)組瞬態(tài)過程能耗特性研究[6]，建立精確的機(jī)組瞬態(tài)能耗計算模型是研究的基礎(chǔ)，但與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況不同，機(jī)組在瞬態(tài)過程中受工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制的影響，機(jī)組發(fā)電煤耗率隨變負(fù)荷幅度、變負(fù)荷方向和變負(fù)荷速率而變化[7]，眾多專家學(xué)者對此開展了研究。楊志平等[8]基于燃煤機(jī)組瞬態(tài)過程的工質(zhì)蓄熱模型和金屬蓄熱模型，推導(dǎo)出了瞬態(tài)工況下機(jī)組煤耗計算模型，對1 000 MW機(jī)組變負(fù)荷試驗過程的能耗變化規(guī)律進(jìn)行了分析。Wang等[9]建立了燃煤機(jī)組瞬態(tài)過程能耗分析模型，利用GSE軟件平臺搭建了660 MW超臨界機(jī)組動態(tài)仿真模型，研究了變負(fù)荷方向和變負(fù)荷速率對機(jī)組能耗特性的影響。郭喜燕等[10]提出了機(jī)組非穩(wěn)態(tài)工況下的煤耗計算方法，通過實(shí)例計算定量分析了瞬態(tài)過程中鍋爐蓄熱對機(jī)組煤耗量的影響。

目前，針對燃煤機(jī)組瞬態(tài)能耗計算模型的研究已比較成熟，可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)工況下機(jī)組煤耗的準(zhǔn)確計算，在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確掌握機(jī)組熱力系統(tǒng)的能量分布規(guī)律至關(guān)重要。Cheng等[11]建立了熱儲率和熱利用率計算模型，通過鍋爐水冷壁分段計算獲得了水冷壁廣義全工況下熱量組成和分布結(jié)果。Li[12]分別基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，對機(jī)組汽輪機(jī)系統(tǒng)的能量損失和能量分布特性進(jìn)行了研究。Guo等[13]對機(jī)組大幅度變負(fù)荷、啟停等瞬態(tài)工況下的鍋爐熱量分布進(jìn)行了研究。從以上研究可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對機(jī)組熱力系統(tǒng)瞬態(tài)過程的能量分布特性研究大多數(shù)需要基于質(zhì)量、能量守恒方程建立復(fù)雜的機(jī)組蓄熱計算模型，建模及求解困難，機(jī)組熱工控制系統(tǒng)時延作為影響機(jī)組瞬態(tài)過程能量分布特性的因素之一，罕見由熱力學(xué)角度出發(fā)針對過程控制對機(jī)組能量分布影響的定量研究。

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對象，采用EBSILON軟件對機(jī)組熱力系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算，獲得了50%～100%THA工況范圍內(nèi)包括金屬蓄熱與工質(zhì)蓄熱在內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱，通過機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)得到受過程控制遲延影響的附加蓄熱，進(jìn)而定量研究了機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備的能量分布特性。

1 研究對象和仿真模型

1.1 研究對象

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對象，鍋爐為前后墻對沖燃燒方式，尾部采用雙煙道布置，汽輪機(jī)為三缸二排汽、一次中間再熱超超臨界汽輪機(jī)。在額定負(fù)荷工況下，鍋爐主蒸汽壓力為27.78 MPa，主蒸汽溫度為605℃，再熱蒸汽壓力為5.7 MPa，再熱蒸汽溫度為603℃，鍋爐效率為94.58%。汽輪機(jī)主汽壓力為27 MPa，再熱蒸汽壓力為5.244 MPa，主汽溫度和再熱蒸汽溫度為600/600℃。鍋爐燃用煙煤，煤種的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 煤種工業(yè)分析結(jié)果和低位發(fā)熱量

該機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)由螺旋管圈和垂直管屏水冷壁構(gòu)成，沿?zé)煔饬鞒谈魇軣崦娣謩e為屏式過熱器、后屏過熱器、末級過熱器和高溫再熱器，低溫再熱器和低溫過熱器分別布置在前后尾部煙道，省煤器由前墻省煤器和后墻省煤器組成。汽輪機(jī)本體包括高、中、低壓缸，凝汽系統(tǒng)由凝汽器、熱井和循環(huán)水泵等設(shè)備構(gòu)成，回?zé)嵯到y(tǒng)包括3個高壓加熱器、3個低壓加熱器、除氧器及給水泵等。

圖1 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注:1-屏式過熱器;2-后屏過熱器;3-末級過熱器;4-高溫再熱器;5-低溫再熱器;6-低溫過熱器;7-省煤器;8-高壓缸;9-中壓缸;10-低壓缸;11-高壓加熱器;12-除氧器;13-低壓加熱器;14-發(fā)電機(jī)

1.2 仿真模型及驗證

根據(jù)該660 MW超超臨界燃煤機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在EBSILON軟件中搭建了包含鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在內(nèi)的完整系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真模型，如圖2所示。為驗證本文基于EBSILON軟件的仿真模型精度，在機(jī)組BMCR工況下進(jìn)行了主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計值的對比，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，BMCR工況下機(jī)組主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)仿真值與設(shè)計值最大偏差在2%范圍內(nèi)，表明本文模型具有較高準(zhǔn)確度。

圖2 仿真模型

表2 主要參數(shù)穩(wěn)態(tài)驗證結(jié)果

1.3 計算指標(biāo)

工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制是導(dǎo)致燃煤機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過程中運(yùn)行參數(shù)變化發(fā)生滯后的主要原因，為簡化研究過程，本文將工質(zhì)蓄熱和金屬蓄熱整體考慮，對于兩個穩(wěn)態(tài)工況而言，包括金屬蓄熱和工質(zhì)蓄熱的基礎(chǔ)蓄熱為一固定值，由過程控制產(chǎn)生的附加蓄熱與機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷速率有關(guān)。燃煤機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況下基礎(chǔ)蓄熱為一近似固定值，因此可以將機(jī)組在EBSILON軟件中的穩(wěn)態(tài)仿真工況作為基礎(chǔ)蓄熱的計算基準(zhǔn)。

工質(zhì)蓄熱計算式為

式中Qw,ts——工質(zhì)蓄熱/kW；

Mw,1、Mw,2——變負(fù)荷開始、變負(fù)荷結(jié)束時穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲存工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Mv——變負(fù)荷過程中換熱器內(nèi)發(fā)生相變的工質(zhì)質(zhì)量/kg；

Hw,1、Hw,2——變負(fù)荷開始、變負(fù)荷結(jié)束時穩(wěn)態(tài)工況下的換熱器儲存工質(zhì)平均焓值/kJ·kg-1；

γv——汽化潛熱/kJ·kg-1；

Δt——變負(fù)荷過程時間/s。

金屬蓄熱計算式為

式中Qm,ts——金屬蓄熱/kW；

Am——金屬傳熱面積/m2；

ρm——金屬管壁材料密度/kg·m-3；

δm——金屬管壁厚度/m；

ca,m——變負(fù)荷過程中金屬平均比熱容/kJ·(kg·℃)-1；

Tm,1、Tm,2——變負(fù)荷開始、變負(fù)荷結(jié)束時金屬管壁平均溫度/℃；

Δt——變負(fù)荷過程時間/s。

機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過程中受控制系統(tǒng)時延作用影響，機(jī)組的熱工信號中摻雜了過程控制的動態(tài)響應(yīng)信息，因此可以通過機(jī)組實(shí)際運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)計算求得的基礎(chǔ)蓄熱與EBSILON軟件穩(wěn)態(tài)仿真求得的基礎(chǔ)蓄熱比較，獲得因過程控制造成的附加蓄熱。

附加蓄熱計算式為

Qc,ts=|(Qw,ts+Qm,ts)試驗值-(Qw,ts+Qm,ts)仿真值|

式中Qc,ts——附加蓄熱/kW。

為獲得機(jī)組50%～100%THA工況范圍的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行了50%～100%THA工況范圍內(nèi)的機(jī)組連續(xù)升降負(fù)荷試驗，如圖3所示。試驗時間共計24 h，試驗過程中機(jī)組負(fù)荷值變化情況如表3所示。

表3 試驗過程中機(jī)組的負(fù)荷變化

圖3 機(jī)組50%～100%THA連續(xù)升降負(fù)荷試驗

2 結(jié)果與分析

2.1 升負(fù)荷過程中各換熱設(shè)備能量分布

50%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表4所示。由表4可見，受金屬換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，在機(jī)組各主要換熱設(shè)備中，低溫過熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器的基礎(chǔ)蓄熱較大，且金屬蓄熱要高于工質(zhì)蓄熱，說明金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素。在機(jī)組50%～75%THA工況變負(fù)荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為3.86～2 628.45 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為2.56～2 602.03 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為7.61～4 552.81kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為4.95～4 498.57kW?；A(chǔ)蓄熱的試驗值要整體高于基礎(chǔ)蓄熱的仿真值，分析其原因為在機(jī)組實(shí)際升負(fù)荷過程中，因熱工控制系統(tǒng)時延作用，導(dǎo)致機(jī)組升負(fù)荷速率低于設(shè)備本身的動態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值增加。

表4 50%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表5所示。由表5可見，在機(jī)組75%～100%THA工況變負(fù)荷過程中，工質(zhì)蓄熱最小的換熱設(shè)備是低壓加熱器，其試驗值與仿真值分別為5.67 kW和4.86 kW，工質(zhì)蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過熱器，其試驗值與仿真值分別為3 243.24 kW和3 221.31 kW；金屬蓄熱最小的換熱設(shè)備同樣為低壓加熱器，其試驗值與仿真值分別為9.01 kW和7.41 kW，金屬蓄熱最大的換熱設(shè)備是低溫過熱器，其試驗值與仿真值分別為4 861.45 kW和4 817.45 kW。機(jī)組75%～100%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于50%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說明在升負(fù)荷過程中，機(jī)組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值增大而增加。

表5 75%～100%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

機(jī)組50%～75%THA工況和75%～100%THA工況升負(fù)荷過程中因控制系統(tǒng)時延引起的附加蓄熱值如圖4所示。由圖4可見，受過程控制附加蓄熱影響較為顯著的換熱設(shè)備是蒸發(fā)系統(tǒng)、低溫再熱器、低溫過熱器和省煤器，這說明機(jī)組換熱設(shè)備本體的結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣是影響附加蓄熱的主要影響因素。升負(fù)荷過程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在75%～100%THA工況下的低壓加熱器，為2.41 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在50%～75%THA工況下的低溫過熱器，為61.54 kW。由此可見，因控制時延影響造成的機(jī)組附加蓄熱值相比于機(jī)組設(shè)備本體的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值較小。機(jī)組50%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體高于75%～100%THA工況下的附加蓄熱值，這說明機(jī)組負(fù)荷值越高的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越小。

圖4 升負(fù)荷附加蓄熱值

2.2 降負(fù)荷過程中各換熱設(shè)備能量分布

在機(jī)組降負(fù)荷過程中，機(jī)組各換熱設(shè)備呈放熱特性，為便于對比分析機(jī)組升、降負(fù)荷過程對機(jī)組能量分布特性的影響，本文對升、降負(fù)荷過程中的各蓄熱值均取絕對值。100%～75%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表6所示。由表6可見，在機(jī)組100%～75%THA工況變負(fù)荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為3.39 kW與1 730.93 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為5.18 kW與1 774.76 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為7.14 kW與3 285.06 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)最小值和最大值分別為10.72 kW與3 345.36 kW。與升負(fù)荷過程不同，在機(jī)組降負(fù)荷過程中，基礎(chǔ)蓄熱的仿真值要整體高于試驗值，這說明在機(jī)組實(shí)際降負(fù)荷過程中，因熱工控制系統(tǒng)時延作用，導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷速率低于設(shè)備本身的動態(tài)特性值，造成基礎(chǔ)蓄熱值減小。

表6 100%～75%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

75%～50%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱試驗值與仿真值如表7所示。由表7可見，在機(jī)組75%～50%THA工況變負(fù)荷過程中，工質(zhì)蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為3.42～1 508.86 kW，工質(zhì)蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為6.84～1 574.64 kW；金屬蓄熱的試驗數(shù)據(jù)變化范圍為4.59～2 217.67 kW，金屬蓄熱的仿真數(shù)據(jù)變化范圍為11.25～2 297.53 kW。機(jī)組100%～75%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于75%～50%THA工況下的基礎(chǔ)蓄熱值，說明在降負(fù)荷過程中，機(jī)組的工質(zhì)蓄熱值和金屬蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值降低而減小。

表7 75%～50%THA工況基礎(chǔ)蓄熱值

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組升負(fù)荷過程中的基礎(chǔ)蓄熱值要整體高于機(jī)組降負(fù)荷過程中的基礎(chǔ)蓄熱值，這說明在機(jī)組升、降負(fù)荷過程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同，因金屬蓄放熱現(xiàn)象造成的機(jī)組瞬態(tài)工況下的能量附加值也不相同。

機(jī)組100%～75%THA工況和75%～50%THA工況降負(fù)荷過程中因控制系統(tǒng)時延引起的附加蓄熱值如圖5所示。由圖5可見，降負(fù)荷過程中，附加蓄熱最小值出現(xiàn)在100%～75%THA工況下的低壓加熱器，為5.37 kW；附加蓄熱最大值出現(xiàn)在75%～50%THA工況下的低溫過熱器，為145.64 kW。機(jī)組100%～75%THA工況下的附加蓄熱值要整體低于75%～50%THA工況下的附加蓄熱值，這說明機(jī)組負(fù)荷值越低的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越大。

圖5 降負(fù)荷附加蓄熱值

以75%～100%THA工況為例，機(jī)組相同變負(fù)荷區(qū)間范圍內(nèi)的升、降負(fù)荷過程中的附加蓄熱值如圖6所示。由圖6可以看到，相同變負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，機(jī)組降負(fù)荷過程中的附加蓄熱值要整體高于機(jī)組升負(fù)荷過程中的附加蓄熱值，這說明在機(jī)組降負(fù)荷過程中對控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。

圖6 升、降負(fù)荷附加蓄熱值

3 結(jié)論

本文以660 MW超超臨界燃煤機(jī)組為研究對象，基于EBSILON軟件建立了機(jī)組全系統(tǒng)模型，通過該模型仿真得到了機(jī)組50%～100%THA工況范圍內(nèi)的基礎(chǔ)蓄熱值，利用機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)得到了附加蓄熱值，從而對機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過程中鍋爐系統(tǒng)和汽輪機(jī)系統(tǒng)的主要換熱設(shè)備工質(zhì)蓄熱、金屬蓄熱和過程控制的能量分布特性進(jìn)行了研究。得到以下結(jié)論。

(1)基礎(chǔ)蓄熱值較大的換熱設(shè)備為低溫過熱器、省煤器、蒸發(fā)系統(tǒng)和低溫再熱器，基礎(chǔ)蓄熱值較小的換熱設(shè)備為低壓加熱器，金屬蓄熱是影響基礎(chǔ)蓄熱的主要影響因素，說明機(jī)組瞬態(tài)過程節(jié)能應(yīng)重點(diǎn)以換熱面積較大的金屬換熱設(shè)備為研究目標(biāo)。

(2)變負(fù)荷過程中，基礎(chǔ)蓄熱值隨機(jī)組負(fù)荷值增大而增加，隨機(jī)組負(fù)荷值減少而減小，機(jī)組升、降負(fù)荷過程中各金屬換熱設(shè)備的蓄放熱特性并不相同。

(3)變負(fù)荷過程中，機(jī)組負(fù)荷值越高的狀態(tài)下，因過程控制造成的附加蓄熱值越小，反之則附加蓄熱值越大，說明機(jī)組在偏離設(shè)計工況運(yùn)行時的瞬態(tài)過程節(jié)能潛力更大。

(4)整個試驗工況范圍內(nèi)附加蓄熱值最大為145.64 kW，相比于基礎(chǔ)蓄熱值，因過程控制造成的附加蓄熱值較小，機(jī)組瞬態(tài)過程節(jié)能應(yīng)著重挖掘基礎(chǔ)蓄熱的潛力。

(5)相同變負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，機(jī)組降負(fù)荷過程中的附加蓄熱值高于機(jī)組升負(fù)荷過程中的附加蓄熱值，說明機(jī)組降負(fù)荷過程中對控制系統(tǒng)的依賴度更高，因此造成的附加蓄熱值更高。