趙勇,,馬玉峰,萬(wàn)志鵬
(1.中國(guó)石化化工事業(yè)部,北京100728;2.中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工(寧夏)有限公司,寧夏銀川 750411;3.中國(guó)石化集團(tuán)勝利石油管理局有限公司勝利發(fā)電廠,山東東營(yíng) 257087)
熱電聯(lián)產(chǎn)是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量的有效措施。據(jù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)統(tǒng)計(jì),我國(guó)6 000 千瓦及以上供熱電廠規(guī)模約占火電廠裝機(jī)總?cè)萘康?0%。目前國(guó)內(nèi)火電廠熱力系統(tǒng)優(yōu)化研究主要針對(duì)單元制純凝火電機(jī)組。大部分承擔(dān)工業(yè)供熱、民用供暖任務(wù)的供熱電廠主要采用母管制系統(tǒng)配置,機(jī)組容量?。?00 MW以下)、母管制水汽系統(tǒng)復(fù)雜,運(yùn)行優(yōu)化難度大,電力行業(yè)科研機(jī)構(gòu)關(guān)注較少,相關(guān)研究不夠深入。國(guó)內(nèi)對(duì)中小型熱電機(jī)組(100 MW以下)的優(yōu)化研究大多集中在單體設(shè)備、單一系統(tǒng)及機(jī)組負(fù)荷分配等領(lǐng)域,熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化研究欠缺。中小型供熱電廠具有較大的節(jié)能增效潛力。
供熱電廠為滿足用戶持續(xù)穩(wěn)定供熱的需求,大多采用安全系數(shù)較高的母管制供熱系統(tǒng)[1]。母管制供熱系統(tǒng)可以保證較高的安全供熱能力,但也會(huì)使母管連接的各個(gè)主要設(shè)備在變參數(shù)后產(chǎn)生相互影響,增加系統(tǒng)分析和運(yùn)行優(yōu)化的復(fù)雜性。
在供熱電廠實(shí)施熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化時(shí),宜將鍋爐作為一個(gè)獨(dú)立設(shè)備看待,將優(yōu)化研究范圍設(shè)定為鍋爐、發(fā)電機(jī)、變壓器、電網(wǎng)之外的熱力系統(tǒng)及主要用能設(shè)備,主要包括汽水管網(wǎng)、機(jī)組控制、給水系統(tǒng)、余熱利用系統(tǒng)、抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)、母管制機(jī)組電、熱負(fù)荷優(yōu)化分配以及以供熱為基礎(chǔ)的鍋爐總負(fù)荷運(yùn)行調(diào)度。
供熱電廠存在供熱負(fù)荷波動(dòng)現(xiàn)象,機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷大多處在偏離設(shè)計(jì)工況較大的運(yùn)行狀態(tài),因此單純以機(jī)組設(shè)計(jì)工況為標(biāo)準(zhǔn),難以評(píng)價(jià)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行效率,也與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際偏差較大。
針對(duì)供熱電廠各機(jī)組、系統(tǒng)的運(yùn)行效率優(yōu)化分析,需要緊密結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,宜選取一個(gè)或幾個(gè)實(shí)際典型運(yùn)行工況作為優(yōu)化分析對(duì)象,保障優(yōu)化后的對(duì)標(biāo)值為機(jī)組實(shí)際參數(shù),力求在實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷下運(yùn)行效率接近或優(yōu)于額定設(shè)計(jì)效率。
國(guó)內(nèi)電力行業(yè)在分析火電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性時(shí)主要采用熱量法[2],即主要通過(guò)熱量的利用程度(如熱效率)或損失大小(如熱量損失、熱量損失率),評(píng)價(jià)火電廠及熱力設(shè)備的熱經(jīng)濟(jì)性,大型單元制火電機(jī)組主要從能量平衡角度進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),該方法應(yīng)用比較普遍。凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中熱能損失情況見(jiàn)圖1。
圖1 凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中熱能損失情況[3]
供熱電廠母管制供熱機(jī)組的能效分析,在利用熱量法分析評(píng)價(jià)的同時(shí),應(yīng)更側(cè)重于采用做功能力方法引入?效率和?損等指標(biāo),分析評(píng)價(jià)電廠能量流動(dòng)的質(zhì)量變化。?損分析在供熱電廠母管制機(jī)組系統(tǒng)優(yōu)化分析中,經(jīng)濟(jì)性診斷更加精準(zhǔn)、效果更好,尤其是對(duì)母管制上不同設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)分析時(shí),能夠減少系統(tǒng)上各設(shè)備間的關(guān)聯(lián)影響,相對(duì)獨(dú)立地評(píng)判出單體設(shè)備運(yùn)行效率高低。凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中?損失見(jiàn)圖2。
圖2 凝汽式發(fā)電廠能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中 損失[3]
通過(guò)焓熵圖,能夠清晰地對(duì)比機(jī)組實(shí)際做功曲線與設(shè)計(jì)做功曲線的差異,分析焓熵圖上實(shí)際做功曲線的異常區(qū)域,快速對(duì)機(jī)組?損區(qū)域做出基本判斷,為精細(xì)分析和整體優(yōu)化工作指明了方向。通過(guò)研究系統(tǒng)?損,可發(fā)現(xiàn)易被忽略的能效損耗區(qū)域,找出節(jié)能潛力及優(yōu)化空間。在實(shí)際分析過(guò)程中,由于供熱電廠現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)較為復(fù)雜,部分現(xiàn)場(chǎng)儀表存在不準(zhǔn)確、安裝位置不合理、甚至缺失等問(wèn)題,因此在繪制焓熵圖時(shí)需要進(jìn)行必要的修正。
供熱電廠設(shè)計(jì)方案多數(shù)以穩(wěn)定供熱為首要運(yùn)行目標(biāo),采用母管制熱力系統(tǒng)對(duì)于保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行、機(jī)組故障冗余等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。絕大多數(shù)供熱電廠均采用了母管制設(shè)計(jì)和運(yùn)行模式。但是,母管制機(jī)組熱力系統(tǒng)復(fù)雜,多機(jī)組和設(shè)備同時(shí)在線運(yùn)行,對(duì)單個(gè)機(jī)組或單個(gè)設(shè)備定制性優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)困難,同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)漏點(diǎn)數(shù)量增大,能耗損失環(huán)節(jié)多,供熱品質(zhì)與多用戶需求差異之間協(xié)調(diào)難度大。供熱電廠優(yōu)化措施遠(yuǎn)比常規(guī)火電復(fù)雜,常規(guī)火電廠節(jié)能降耗措施對(duì)供熱電廠都有效,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。針對(duì)供熱電廠母管制熱力系統(tǒng)優(yōu)化措施相對(duì)復(fù)雜,技術(shù)分析與措施難度大,同時(shí)潛力也大。
1)供熱電廠裝備水平相對(duì)較低,型號(hào)和容量差異較大。國(guó)內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的供熱電廠集中在石油化工、鋼鐵等企業(yè),設(shè)計(jì)配置多采用抽凝機(jī)組和抽背機(jī)組,機(jī)組容量小。同時(shí),由于后續(xù)擴(kuò)建或改造,機(jī)組和設(shè)備規(guī)格型號(hào)多,在母管制下采用統(tǒng)一的運(yùn)行參數(shù),其運(yùn)行效率差異也較大。
2)母管制系統(tǒng)連接的主要設(shè)備運(yùn)行相互關(guān)聯(lián)度高,動(dòng)態(tài)變化大?;谀腹苤茻崃ο到y(tǒng)本身的特性,對(duì)某一個(gè)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化時(shí),需同時(shí)考慮與其他設(shè)備及系統(tǒng)的相互影響。如提高某一臺(tái)機(jī)組進(jìn)汽負(fù)荷,必須相應(yīng)降低其他機(jī)組進(jìn)汽負(fù)荷,設(shè)備間相互耦合關(guān)聯(lián),優(yōu)化分析難度大。
3)外部熱用戶需求波動(dòng)大。外部熱用戶多且需求波動(dòng)頻繁,供熱電廠為保證對(duì)外供熱運(yùn)行穩(wěn)定,在變負(fù)荷工況下,母管制機(jī)組及熱力系統(tǒng)負(fù)荷優(yōu)化分配困難(設(shè)計(jì)工況點(diǎn)數(shù)量有限,負(fù)荷分配效果不佳),在實(shí)際生產(chǎn)組織時(shí),負(fù)荷分配方案主要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,犧牲了機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。
基于上述理論和研究分析方法,對(duì)國(guó)內(nèi)某大型石油化工企業(yè)供熱電廠進(jìn)行熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化研究并指導(dǎo)實(shí)施優(yōu)化改造。該供熱電廠為三爐三機(jī)配置,主要設(shè)備包括2 臺(tái)310 t/h 和1 臺(tái)410 t/h 燃煤鍋爐、2臺(tái)50 MW抽汽凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)40 MW抽汽背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組,機(jī)組給水、凝結(jié)水、循環(huán)水、主蒸汽、中壓和低壓抽汽等系統(tǒng)均為母管制。
圖3 #1機(jī)組設(shè)計(jì)及優(yōu)化前后熱力過(guò)程
表1 #1 汽輪機(jī)各段焓降數(shù)據(jù)對(duì)比 kJ/kg
研究發(fā)現(xiàn),定量分析汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)(回?zé)帷⒊槠龋┠軗p變化比較困難,單純運(yùn)行數(shù)據(jù)無(wú)法直觀判斷機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)劣。通過(guò)應(yīng)用焓熵圖,繪制機(jī)組設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行工況下的做功曲線,見(jiàn)圖3,并進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。在假設(shè)汽輪發(fā)電機(jī)組“級(jí)間相對(duì)效率不變”的條件下,可以在焓熵圖上直觀準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)?損區(qū)域及?損相對(duì)數(shù)量,方便深入分析機(jī)組?效率,有針對(duì)性地制訂機(jī)組優(yōu)化方案。在采用現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)繪制機(jī)組做功曲線時(shí),應(yīng)對(duì)于儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別和修正,保證?損數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確性。
由圖3 可知,通過(guò)焓熵圖分析#1 機(jī)組做功曲線,發(fā)現(xiàn)機(jī)組?損點(diǎn)主要集中在進(jìn)汽調(diào)整閥及中壓抽汽調(diào)整閥,低壓抽汽閥區(qū)域?損與設(shè)計(jì)值相當(dāng)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況分析發(fā)現(xiàn),機(jī)組四組主汽調(diào)整閥存在卡澀問(wèn)題,為保證供汽安全,采用了單閥控制模式,導(dǎo)致機(jī)組進(jìn)汽?損較大;中壓抽汽調(diào)整閥因進(jìn)汽節(jié)流損失大和實(shí)際抽汽負(fù)荷偏低,也采用了機(jī)組中壓抽汽小流量熱備用的不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模式,導(dǎo)致中壓抽汽段?損增大。#1汽輪機(jī)各段焓降數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1。如表1所示,機(jī)組各段實(shí)際運(yùn)行焓降與設(shè)計(jì)工況對(duì)比,整體焓降值降低了11.5%,一級(jí)抽汽前焓降值降低了45.4%,一級(jí)抽汽至排汽段焓降值降低了4.8%。一級(jí)抽汽前蒸汽流量為汽輪機(jī)通流部分的最大流量,在設(shè)計(jì)工況下一級(jí)抽汽前蒸汽做功占汽輪機(jī)整體做功的32%,表明該汽輪機(jī)效率降低的主要原因是一級(jí)抽汽之前汽輪機(jī)通流部分做功能力大幅降低。
對(duì)供熱電廠給水、供汽、循環(huán)水等母管制子系統(tǒng)的?損分析,主要研究母管制系統(tǒng)中工質(zhì)供給端與用戶端的品質(zhì)差異,分析母管制系統(tǒng)的?損點(diǎn)及降損可行性。
1)鍋爐給水系統(tǒng)
在母管制給水系統(tǒng)中,三臺(tái)鍋爐型號(hào)和投產(chǎn)時(shí)間不同,配置給水泵參數(shù)有所差異。母管上給水泵共4臺(tái),2用2備,運(yùn)行狀態(tài)如表2所示。
表2 #1~3 鍋爐給水調(diào)門(mén)運(yùn)行情況
分析認(rèn)為:3 臺(tái)鍋爐主給水調(diào)整門(mén)的調(diào)節(jié)特性在滿足鍋爐最大給水流量的情況下,最大節(jié)流壓降為1.17 MPa,而實(shí)際運(yùn)行壓降3 MPa,存在較大節(jié)能空間。給水母管運(yùn)行(86.7%負(fù)荷)壓力見(jiàn)表3。
2)循環(huán)水系統(tǒng)
表3 給水母管運(yùn)行(86.7%負(fù)荷)壓力 MPa
在母管制循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,為簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置并兼顧凝汽器用水、工業(yè)用水等需求,以指標(biāo)較高的工業(yè)水壓力為母管設(shè)計(jì)壓力(0.45 MPa)。在實(shí)際運(yùn)行時(shí),凝汽器側(cè)系統(tǒng)阻力較?。?.2 MPa),主要采用閥門(mén)節(jié)流方式來(lái)控制凝汽器用水量。實(shí)際運(yùn)行工業(yè)水用量遠(yuǎn)小于凝汽器循環(huán)水用量(約占20%),凝汽器采用閥門(mén)節(jié)流(開(kāi)度為20%~30%)方式控制進(jìn)水流量,產(chǎn)生較大節(jié)流損失。
圖4 為#1 機(jī)余熱利用熱力系統(tǒng)工藝流程,該供熱電廠回用煉化企業(yè)柴油余熱資源(最高溫度180℃),全部用于加熱汽輪機(jī)組凝結(jié)水,取代了機(jī)組低加的加熱功能,在滿足凝結(jié)水進(jìn)入除氧器溫度(115℃)前提下,減少低加抽汽,增加發(fā)電量。
在外部熱源滿負(fù)荷供應(yīng)時(shí),機(jī)組發(fā)電能力提高了1.27 MW,降低供電煤耗2.5%。但由于煉油化工工藝調(diào)整變化,余熱無(wú)法保證長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷供應(yīng)。當(dāng)外部熱源供熱量低于設(shè)計(jì)供熱量的57%時(shí),凝結(jié)水進(jìn)入除氧器的溫度與設(shè)計(jì)值偏離加大,需消耗大量的除氧器加熱蒸汽,此時(shí)采用外部熱源替代回?zé)嵯到y(tǒng)的運(yùn)行方式將減少機(jī)組發(fā)電量,大量?損的產(chǎn)生區(qū)域處在除氧器部位。在實(shí)際運(yùn)行中,如果單純采用熱量法評(píng)價(jià),忽視外部余熱溫度指標(biāo)控制,在余熱供應(yīng)不足工況下會(huì)導(dǎo)致機(jī)組供電煤耗升高。
圖4 #1機(jī)余熱利用熱力系統(tǒng)工藝流程
根據(jù)機(jī)組做功曲線分析結(jié)果,降低汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥處?損,優(yōu)化4 個(gè)主汽調(diào)閥控制方式,采用類(lèi)似順序閥(某一調(diào)節(jié)閥手動(dòng)開(kāi)大)運(yùn)行模式,減少進(jìn)汽節(jié)流?損,同時(shí)擇機(jī)消除進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥卡澀缺陷,恢復(fù)順序控制模式。
機(jī)組中壓抽汽調(diào)節(jié)閥處?損受到主汽進(jìn)汽閥節(jié)流影響較大,優(yōu)化降低主汽節(jié)流損失后,中壓抽汽出口壓力明顯上升,中壓抽汽閥開(kāi)度相應(yīng)增大,?損明顯緩解。在實(shí)施優(yōu)化方案時(shí),觀察主汽調(diào)門(mén)開(kāi)大后對(duì)中壓抽汽調(diào)節(jié)閥的影響,同時(shí)通過(guò)調(diào)整中壓負(fù)荷,開(kāi)大抽汽調(diào)節(jié)閥,降低?損。
優(yōu)化運(yùn)行后,機(jī)組各處?損存在緊密關(guān)聯(lián)度,不宜單一分析某處?損,需要整體考慮優(yōu)化方案。
1)鍋爐給水系統(tǒng)
給水泵組在設(shè)計(jì)選型之初,存在設(shè)計(jì)富裕壓力的層層加碼,包括鍋爐額定壓力富裕量、管道阻力富裕量、調(diào)整門(mén)阻力富裕量、泵制造廠家的保障性能富裕量等,造成大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象;在實(shí)際運(yùn)行中,熱電廠配置給水泵無(wú)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力(如汽動(dòng)泵、液耦、變頻等),全部為工頻運(yùn)行,給水泵出口母管長(zhǎng)期維持較高的運(yùn)行壓力。
給水母管系統(tǒng)優(yōu)化方案為給水母管降壓運(yùn)行,采用減少一級(jí)給水泵葉輪(多級(jí)泵8 級(jí)減為7 級(jí))或增加變頻控制系統(tǒng)。實(shí)施4 臺(tái)給水泵拆除一級(jí)葉輪改造并投用,給水系統(tǒng)降壓運(yùn)行,給水母管壓力由14.25 MPa降低到12.5 MPa,3臺(tái)鍋爐主給水調(diào)整門(mén)開(kāi)度增加9%以上,給水泵耗電量降低約700 kW,每年節(jié)電560萬(wàn)kW·h。
2)循環(huán)水系統(tǒng)
鑒于循環(huán)水母管系統(tǒng)設(shè)計(jì)能耗較高,優(yōu)化方案為循環(huán)水母管降壓運(yùn)行和新增工業(yè)水系統(tǒng)。
經(jīng)測(cè)算,在保持現(xiàn)有循環(huán)水流量并滿足凝汽器進(jìn)水壓力要求的基礎(chǔ)上,循環(huán)水壓力由0.45 MPa降至0.25 MPa,循環(huán)水系統(tǒng)可節(jié)電39.2%,每年節(jié)電約800萬(wàn)kW·h。
余熱回用系統(tǒng)改變運(yùn)行方式,投運(yùn)機(jī)組3#低加。由于機(jī)組#3低加的投入改善了因外部熱源不足引起除氧器進(jìn)水溫度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題,減少除氧加熱蒸汽量,節(jié)省的蒸汽經(jīng)過(guò)做功發(fā)電后再進(jìn)入#3低加,實(shí)現(xiàn)了蒸汽按品質(zhì)梯級(jí)利用,提高了整體熱效率。余熱回收系統(tǒng)在改變運(yùn)行方式后,除氧器給水溫度實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)運(yùn)行,綜合測(cè)算,在余熱不足工況下,優(yōu)化后可降低供電標(biāo)煤耗約2 g/kW·h。
母管制熱力系統(tǒng)負(fù)荷分配優(yōu)化方案是在分析熱力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)?損后制訂的優(yōu)化分配策略,對(duì)比兼顧多種因素,制訂分段(基于供汽量、發(fā)電量)負(fù)荷分配方案并計(jì)算機(jī)組發(fā)電損益,提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。主要包括:
1)實(shí)施中/低壓抽汽負(fù)荷分配優(yōu)化,原則為全廠機(jī)組總發(fā)電最大,抽汽?損最小機(jī)組優(yōu)先運(yùn)行。
2)主汽壓力控制優(yōu)化,優(yōu)化原則為全廠機(jī)組總發(fā)電最大,進(jìn)汽?損低,中壓抽汽溫度最低。
3)余熱利用負(fù)荷分配優(yōu)化,優(yōu)化原則為低負(fù)荷時(shí),避免雙機(jī)同時(shí)回收。
母管制熱力系統(tǒng)負(fù)荷分配優(yōu)化是基于機(jī)組優(yōu)化及主要設(shè)備、系統(tǒng)?損分析,制訂優(yōu)化分配方案。每個(gè)單項(xiàng)優(yōu)化方案間相互影響,有些是正向貢獻(xiàn),例如主汽降損后利于中壓抽汽口壓力提高;有些是負(fù)面影響,例如回收余熱后機(jī)組凝汽器排汽增大,影響到真空和循環(huán)水泵電耗。
主要改造設(shè)備及熱力系統(tǒng)的投入約50萬(wàn)元。按照供熱電廠鍋爐總產(chǎn)汽量、外供汽量不變的工況進(jìn)行綜合測(cè)算,考慮各分項(xiàng)優(yōu)化間的疊加效果,優(yōu)化后3臺(tái)機(jī)組合計(jì)增加發(fā)電負(fù)荷7 MW,給水泵組節(jié)電0.7 MW,發(fā)電煤耗降低18~21 g/kW·h。對(duì)比該供熱電廠優(yōu)化前年度運(yùn)行數(shù)據(jù)及優(yōu)化后3個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)施整體優(yōu)化后,每年增加發(fā)電量5 618 萬(wàn)kW·h,節(jié)約用電560萬(wàn)kW·h。綜合測(cè)算,每年該供熱電廠整體節(jié)能1.7~2.0萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤。
該項(xiàng)目案例填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)供熱電廠母管制機(jī)組熱力系統(tǒng)整體優(yōu)化技術(shù)的空白,創(chuàng)新提出了運(yùn)行優(yōu)化路徑,具備推廣應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、能源局關(guān)于2020年前現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組改造后平均供電煤耗低于310 g/kW·h的政策要求,在石油化工企業(yè)供熱電廠母管制機(jī)組中推廣利用該技術(shù),可增加發(fā)電量,并明顯改善在役熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的能耗指標(biāo),提高合規(guī)性和經(jīng)濟(jì)性,具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。