350MW超臨界機(jī)組可調(diào)式蒸汽噴射器工業(yè)供熱系統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)性能分析

孫博昭， 王春波， 李 松， 米大斌， 郭江龍， 米翠麗

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北 保定 071003；2.河北冀研能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河北 石家莊 050051)

0 引 言

熱電聯(lián)產(chǎn)(combined heat and power, CHP)技術(shù)是火電行業(yè)節(jié)能減排的重要舉措，高參數(shù)、大容量的燃煤熱電機(jī)組已經(jīng)大批量投運(yùn)，裝機(jī)總量穩(wěn)居世界前列[1，2]。目前，“以熱定電”仍然是CHP機(jī)組主要的運(yùn)行模式[3]。然而近年來(lái)風(fēng)力、光伏等清潔能源發(fā)電并網(wǎng)迅猛，非采暖季CHP機(jī)組經(jīng)常處于中、低負(fù)荷工況或停機(jī)，在“以熱定電”運(yùn)行模式下難以滿足外部用熱需求[4，5]。同時(shí)，工業(yè)用戶受制于工藝，對(duì)用汽參數(shù)波動(dòng)十分敏感；中、低負(fù)荷變工況導(dǎo)致汽輪機(jī)工業(yè)供熱抽汽口壓力低于用戶需求時(shí)，調(diào)門(mén)增壓等方案會(huì)對(duì)機(jī)組設(shè)備造成危害[6，7]。因此亟待找到利于熱電解耦的運(yùn)行新模式，從而提升CHP機(jī)組非采暖季中、低負(fù)荷工業(yè)供熱能力的同時(shí)保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來(lái)，行業(yè)內(nèi)諸多學(xué)者已經(jīng)為此做了大量研究。Long等[8]提出CHP機(jī)組運(yùn)行時(shí)人為提高負(fù)荷，并為其配備電熱泵用以吸納冗余發(fā)電量來(lái)加熱熱網(wǎng)，有利于熱電解耦。崔楊等[9]提出在CHP機(jī)組上增加儲(chǔ)熱裝置，能夠打破“以熱定電”的運(yùn)行模式，促進(jìn)風(fēng)電發(fā)電的并網(wǎng)消納。Chen等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)CHP機(jī)組加裝儲(chǔ)熱設(shè)備和消納風(fēng)電的電鍋爐時(shí)，可以分擔(dān)部分熱網(wǎng)負(fù)荷，緩解機(jī)組負(fù)荷低導(dǎo)致的供熱不足。但研究表明，上述方法對(duì)機(jī)組供熱能力提升有限，且不能彌補(bǔ)每小時(shí)百噸量級(jí)的中壓供熱缺口[11]。李小龍[12]將固定式蒸汽噴射器與工業(yè)供熱系統(tǒng)進(jìn)行耦合，發(fā)現(xiàn)其在特定工況下對(duì)機(jī)組供熱能力及設(shè)備安全性都有顯著提升。本文作者在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，蒸汽壓力波動(dòng)時(shí)通過(guò)改變面積比，可以保證可調(diào)式蒸汽噴射器的工作性能(臨界背壓、引射系數(shù)和出口流量)都保持在較高且穩(wěn)定的范圍內(nèi)，利于機(jī)組變工況時(shí)自身穩(wěn)定運(yùn)行[13]。

本文以河北南網(wǎng)某350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為研究對(duì)象，利用EBSILON 15.0分別構(gòu)建包含新(可調(diào)式蒸汽噴射器)、舊(汽輪機(jī)直接抽汽)工業(yè)供熱系統(tǒng)的機(jī)組整體熱力系統(tǒng)模型，研究機(jī)組非采暖季中、低負(fù)荷工況下兩者的工業(yè)供熱能力和熱經(jīng)濟(jì)性差異，并根據(jù)機(jī)組近兩年非采暖季電負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)分布，計(jì)算兩者給機(jī)組帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)性差異及實(shí)施改造的投資回收期。

1 機(jī)組及工業(yè)供熱系統(tǒng)介紹

機(jī)組采用北京巴威全鋼構(gòu)架Π型超臨界直流煤粉鍋爐、東方電氣集團(tuán)兩缸兩排汽單軸超臨界汽輪機(jī)和配套的水-氫-氫自并靜止勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 350MW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組基本參數(shù)

作為當(dāng)?shù)匚ㄒ坏拇笮凸崞髽I(yè)，該熱電廠在保障附近居民冬季采暖的同時(shí)，也需要全年為周邊石油化工、機(jī)械制造等企業(yè)提供中、低壓工業(yè)蒸汽。按照初始設(shè)計(jì)，單臺(tái)機(jī)組非采暖季(約240天)發(fā)電負(fù)荷高于80%時(shí)，通過(guò)汽輪機(jī)直接抽汽工業(yè)供熱系統(tǒng)可以保質(zhì)保量對(duì)外供應(yīng)3.5～4.0MPa、380～450℃、80～160t/h的中壓工業(yè)蒸汽和0.5～1.0MPa、230℃、10～20t/h的低壓工業(yè)蒸汽，且單機(jī)運(yùn)行時(shí)滿足周邊工業(yè)用熱總量。當(dāng)前周邊工業(yè)用熱總量為120t/h、參數(shù)不低于3.5MPa、400℃的中壓蒸汽和30t/h、參數(shù)不低于0.5MPa、230℃的低壓蒸汽。圖1是汽輪機(jī)直接抽汽工業(yè)供熱系統(tǒng)示意圖。

然而由于風(fēng)力、光伏等清潔能源發(fā)電發(fā)展迅猛，該機(jī)組在非采暖季高于80%電負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)僅占其總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的五分之一(約1 000h)，受制于“以熱定電”的運(yùn)行模式，使得中、低電負(fù)荷下原有的供熱系統(tǒng)無(wú)法保證中壓供汽壓力。目前機(jī)組運(yùn)行時(shí)通過(guò)減小中壓調(diào)門(mén)開(kāi)度來(lái)提高抽汽壓力，從而保證中、低負(fù)荷工業(yè)供汽品質(zhì)，但單機(jī)工業(yè)供熱能力依然不達(dá)標(biāo)，詳細(xì)情況見(jiàn)表2。此外，上述操作不僅會(huì)造成如汽輪機(jī)缸效率下降、發(fā)電煤耗升高等諸多經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，還威脅到機(jī)組設(shè)備安全，故不能作為理想的長(zhǎng)期解決方案。

表2 機(jī)組不同負(fù)荷中壓供熱能力

鑒于此，本文構(gòu)建了可調(diào)式蒸汽噴射器工業(yè)供熱系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“新系統(tǒng)”)，在機(jī)組電負(fù)荷低于80%時(shí)投運(yùn)，如圖2所示。新系統(tǒng)的工作蒸汽來(lái)自主蒸汽，引射蒸汽來(lái)自再熱熱段蒸汽，二者適量噴水減溫后通過(guò)蒸汽噴射器混合升壓達(dá)標(biāo)后供給用戶，從而保證了供熱參數(shù)。同時(shí)，由于新系統(tǒng)汽源直接取自鍋爐蒸汽管道，中、低負(fù)荷下只需按需保證鍋爐供給系統(tǒng)的蒸汽量即可滿足外部工業(yè)用熱總量，因而較大程度的解決了機(jī)組“以熱定電”運(yùn)行模式下中、低負(fù)荷無(wú)法保質(zhì)保量工業(yè)供熱的問(wèn)題，利于熱電解耦。此外，由于新系統(tǒng)并未從汽輪機(jī)內(nèi)部抽汽，汽輪機(jī)缸效率得以最大程度恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，提高了機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)性及設(shè)備安全性[14]。

圖1 直接抽汽工業(yè)供熱系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of direct extraction steam industrial heating system

圖2 可調(diào)式蒸汽噴射器工業(yè)供熱系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of industrial heating system with adjustable steam ejector

2 EBSILON建模及模型驗(yàn)證

本文使用EBSILON軟件，基于質(zhì)量和能量平衡，以回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)為核心，將含有鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等主要部件的簡(jiǎn)化熱力系統(tǒng)進(jìn)行建模，簡(jiǎn)化模型如圖3所示。由于EBSILON默認(rèn)將含有調(diào)節(jié)級(jí)的汽輪機(jī)組件設(shè)定為“閥全開(kāi)”，因此使用機(jī)組VWO工況參數(shù)作為模型的設(shè)計(jì)工況參數(shù)，具體參數(shù)見(jiàn)表3，并在其中添加流動(dòng)阻力原件以模擬實(shí)際管道內(nèi)的流動(dòng)阻力。

表3 機(jī)組VWO工況建模相關(guān)參數(shù)

模型搭建完成后，為檢驗(yàn)其精度，又分別加入TMCR、TRL、THA、75%THA、50%THA、40%THA、30%THA等七種機(jī)組設(shè)計(jì)工況對(duì)應(yīng)參數(shù)輸入模型進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算仿真結(jié)果與對(duì)應(yīng)工況現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，證明了該模型的正確性，誤差匯總見(jiàn)表4。最后，分別將新舊工業(yè)供熱系統(tǒng)加入模型，如圖4和圖5所示。

圖3 機(jī)組熱力系統(tǒng)EBSILON簡(jiǎn)化模型圖Fig. 3 Simplified model diagram of unit thermal system in EBSILON

表4 機(jī)組設(shè)計(jì)值與模型計(jì)算值誤差匯總Tab.4 Summary of errors between unit design value and model calculation value

圖4 機(jī)組舊熱電聯(lián)產(chǎn)EBSILON簡(jiǎn)化模型圖Fig. 4 Simplified model of the old cogeneration unit in EBSILON

圖5 機(jī)組新熱電聯(lián)產(chǎn)EBSILON簡(jiǎn)化模型圖Fig. 5 Simplified model of the new cogeneration unit in EBSILON

3 熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)分析

機(jī)組電負(fù)荷高于80%時(shí)，再熱熱段蒸汽壓力高于3.5MPa，采用原有中壓供熱方式即直接抽取再熱熱段蒸汽便能滿足工業(yè)用戶用汽參數(shù)要求；而電負(fù)荷低于80%時(shí)，再熱熱段蒸汽壓力低于3.5MPa，原有中壓供熱方式不滿足用戶參數(shù)要求且采用中調(diào)門(mén)增壓對(duì)機(jī)組自身經(jīng)濟(jì)性、安全性均有較大影響，此時(shí)使用新系統(tǒng)對(duì)外供工業(yè)蒸汽?？紤]到熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采暖季為保證居民采暖，機(jī)組電負(fù)荷率基本高于80%，因此只分析其在非采暖季使用新舊工業(yè)供熱系統(tǒng)帶來(lái)的熱經(jīng)濟(jì)性差異。根據(jù)周邊用熱需求，單機(jī)對(duì)外中壓供汽標(biāo)量為120t/h，參數(shù)不低于3.8MPa、400℃，低壓供汽標(biāo)量為30t/h，參數(shù)不低于0.5MPa、230℃。新系統(tǒng)EBSILON模型中，可調(diào)式蒸汽噴射器在不同工況下的引射系數(shù)通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算模型獲取[15]。

3.1 熱經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算模型

新系統(tǒng)改變了原有的供熱方式，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性也將隨之變化，主要體現(xiàn)在發(fā)電熱效率和發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率[16]。采用熱量分配法進(jìn)行計(jì)算，公式如下[17]：

機(jī)組熱耗量Qtp：

(1)

機(jī)組熱耗率qtp：

(2)

機(jī)組熱效率ηtp：

(3)

對(duì)外工業(yè)供熱量Qgr：

Qgr=ηhs(mzyhzy+mdyhdy)

(4)

工業(yè)供熱熱耗量Qtp,h：

(5)

發(fā)電熱耗量Qtp,e：

Qtp,e=Qtp-Qtp,h

(6)

發(fā)電熱耗率qtp,e：

(7)

發(fā)電熱效率ηtp,e：

(8)

(9)

3.2 中、低電負(fù)荷熱經(jīng)濟(jì)性分析

圖6 機(jī)組舊系統(tǒng)75%THA工況熱電聯(lián)產(chǎn)EBSILON計(jì)算結(jié)果Fig. 6 Calculation results of cogeneration of heat and power of the old unit system under 75%THA condition in EBSILON

圖7 機(jī)組新系統(tǒng)75%THA工況熱電聯(lián)產(chǎn)EBSILON計(jì)算結(jié)果Fig. 7 Calculation results of cogeneration of heat and power of the new unit system under 75%THA condition in EBSILON

利用熱電聯(lián)產(chǎn)計(jì)算模型對(duì)80%THA、75%THA、50%THA、40%THA和30%THA共5個(gè)機(jī)組非采暖季運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的工況的計(jì)算結(jié)果表明，不同中、低負(fù)荷下新系統(tǒng)對(duì)外工業(yè)供熱總量始終穩(wěn)定在460 GJ/h左右，中壓供汽壓力保持在3.8MPa，相較于舊系統(tǒng)最大300 GJ/h供熱量、中壓供汽抽汽口壓力最高3.5MPa的情況，不僅滿足用戶側(cè)需求也顯著增加了機(jī)組供熱收益。機(jī)組非采暖季新舊系統(tǒng)不同中、低負(fù)荷下的對(duì)外有效供熱量見(jiàn)圖8。

圖8 機(jī)組非采暖季中、低負(fù)荷對(duì)外有效供熱量Fig. 8 Effective external heat of the unit supply under medium and low load conditions in non-heating season

75%THA工況時(shí)，機(jī)組新系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)發(fā)電煤耗率為269.7g標(biāo)準(zhǔn)煤/kW·h，舊系統(tǒng)則為276.3g標(biāo)準(zhǔn)煤/kW·h，兩者煤耗率相差6.6g/kW·h。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷從80%THA減小至30%THA時(shí)，發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的增量從舊系統(tǒng)的34.4g/kW·h降低至新系統(tǒng)的7.6g/kW·h，新系統(tǒng)顯著降低了機(jī)組在非采暖季的發(fā)電成本。機(jī)組新舊工業(yè)供熱系統(tǒng)非采暖季投運(yùn)時(shí)不同中、低負(fù)荷下的發(fā)電煤耗率見(jiàn)圖9。

圖9 機(jī)組非采暖季中、低負(fù)荷下發(fā)電煤耗率Fig. 9 Standard coal consumption rate of unit for power generation under medium and low load conditions in non-heating season

3.3 全年非采暖季工業(yè)供熱經(jīng)濟(jì)性分析

機(jī)組收益分析所需基本參數(shù)如下：對(duì)外中壓供熱價(jià)55元/GJ，低壓供熱價(jià)25元/GJ；補(bǔ)水水價(jià)41元/噸，利用系數(shù)為0.98；每噸標(biāo)準(zhǔn)煤折價(jià)650元，產(chǎn)生2.62噸二氧化碳，6.4公斤二氧化硫，5.5公斤氮氧化物，185公斤粉煤灰；超低排放運(yùn)營(yíng)下二氧化硫脫除成本為6 401元/噸，氮氧化物脫除成本為4 581元/噸，煙塵脫除成本為114元/噸；超低排放副產(chǎn)物石膏售價(jià)60元/噸，粉煤灰150元/噸[18]。結(jié)合表2中機(jī)組在2018年非采暖季不同負(fù)荷下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算出改造后機(jī)組全年非采暖季預(yù)期收益增量，如表5所示。

表5 機(jī)組新舊系統(tǒng)全年非采暖季收益對(duì)比

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

為進(jìn)一步評(píng)估耦合蒸汽噴射器工業(yè)供熱系統(tǒng)項(xiàng)目改造對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)的影響，本文將采用電廠供熱改造項(xiàng)目常用的動(dòng)態(tài)投資回收期法來(lái)對(duì)投資進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[19]。該法具體原理如下：首先計(jì)算出該項(xiàng)目投運(yùn)年限內(nèi)每年的預(yù)期收益與對(duì)應(yīng)年現(xiàn)金支出之間的插值，稱為每年凈現(xiàn)金；然后將每年凈現(xiàn)金歸算至投資第一年并相加得到總現(xiàn)值；進(jìn)而將總現(xiàn)值與投資額相減得到凈現(xiàn)值(NPV)，其數(shù)值正負(fù)表示項(xiàng)目是否可行，為正則表示項(xiàng)目可以為投資方創(chuàng)造效益，而其數(shù)額大小則表示項(xiàng)目預(yù)期的收益效果，凈現(xiàn)值越大表示收益空間越大。計(jì)算公式為

(10)

式中：NFC(t)表示第t年的凈現(xiàn)金，萬(wàn)元；K為基準(zhǔn)折現(xiàn)率，本文取8%[20]；n表示項(xiàng)目壽命年限。

NFC(t)=CIt-COt

(11)

式中：CIt表示第t年的預(yù)期收益現(xiàn)金流入額，萬(wàn)元；COt表示成本支出現(xiàn)金流出額，萬(wàn)元。

當(dāng)項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值由負(fù)變正時(shí)，此時(shí)時(shí)間t就是該項(xiàng)目的動(dòng)態(tài)投資回收期T，結(jié)合公式(10)可以推出其表達(dá)式為：

(12)

式中：m表示總收益變正的年數(shù)；Ft表示第t年現(xiàn)金流，萬(wàn)元。

新系統(tǒng)預(yù)計(jì)靜態(tài)投資2919萬(wàn)元，建設(shè)期1年，設(shè)計(jì)壽命20年，直線折舊，殘值率5%，人員配置100萬(wàn)元/年，年維護(hù)修理費(fèi)3.5%，增值稅16%，城市維護(hù)建設(shè)費(fèi)7%，教育附加費(fèi)5%，所得稅25%，公積金10%，基準(zhǔn)折現(xiàn)率取8%。根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果，年收益稅后約為893.65萬(wàn)元。根據(jù)公式(10)計(jì)算得出改造方案的凈現(xiàn)值為3342萬(wàn)元，結(jié)合公式(11)、(12)計(jì)算得出稅后動(dòng)態(tài)回收期為5.8年，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命，項(xiàng)目可行性較高。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)包含新(可調(diào)式蒸汽噴射器)、舊(汽輪機(jī)直接抽汽)工業(yè)供熱系統(tǒng)的超臨界機(jī)組建模分析和相關(guān)指標(biāo)計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)機(jī)組非采暖季中、低負(fù)荷下投運(yùn)新工業(yè)供熱系統(tǒng)時(shí)，預(yù)計(jì)可保證在30%THA至80%THA工況波動(dòng)下每小時(shí)穩(wěn)定對(duì)外供應(yīng)3.8MPa、大于380℃的中壓工業(yè)蒸汽120噸和0.5～1.0MPa、230℃的低壓工業(yè)蒸汽30噸，實(shí)現(xiàn)顯著“增汽”的同時(shí)其發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率最大增幅從34.4g標(biāo)準(zhǔn)煤/kW·h減小至7.6g標(biāo)準(zhǔn)煤/kW·h。

(2)相較于舊工業(yè)供熱系統(tǒng)，新系統(tǒng)在每年非采暖季預(yù)計(jì)可以對(duì)外多供應(yīng)17.85萬(wàn)噸、折合熱量59萬(wàn)GJ的中壓工業(yè)蒸汽和3.8萬(wàn)噸、折合熱量11.6萬(wàn)GJ的低壓工業(yè)蒸汽，經(jīng)濟(jì)效益顯著；發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗量年節(jié)約量0.83萬(wàn)噸，減排CO2和SO2分別約2.18萬(wàn)噸、11.5噸，環(huán)境效益顯著。

(3)相比于舊工業(yè)供熱系統(tǒng)，新系統(tǒng)將為企業(yè)每年創(chuàng)收1515萬(wàn)元(稅前)，稅后動(dòng)態(tài)投資回收期為5.8年。