史鵬飛 ，康朝斌，張華鋒，王 興，張 偉

(國家能源集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司太原分公司，山西 太原 030006)

1 引言

為應(yīng)對全球氣候變化，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上一般辯論會上提出：中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和[1]，即“雙碳”目標。為了這一目標的實現(xiàn)，到2030年，我國非化石能源占一次消費能源的比重將達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機量將達到12億(kW·h)以上[2-4]。

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，助力“雙碳”目標的實現(xiàn)，是我國未來必須長期堅持的一項重大決策部署。由于新能源發(fā)電出力具有隨機性和不穩(wěn)定性，我國電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力難以完全適應(yīng)新能源大規(guī)模消納的要求，部分地區(qū)出現(xiàn)了放棄風、棄光等問題。為了消納更多的新能源，燃煤火電機組被迫要求全面參與深度調(diào)峰，各地都出臺了相關(guān)政策，部分燃煤機組需要深度調(diào)峰至30%額定負荷甚至20%額定負荷。

近年來，諸多工程技術(shù)專家和學(xué)者圍繞燃煤火電機組深度調(diào)峰運行安全性和經(jīng)濟性開展了大量的研究工作。牛旭恩等[5]從鍋爐壽命管理、安全性和經(jīng)濟性出發(fā)論述了超臨界機組深調(diào)調(diào)峰對鍋爐設(shè)備影響和采取的措施。張廣才等[6]從提高鍋爐低負荷穩(wěn)燃能力、實現(xiàn)機組供熱工況熱電解耦、提高機組主輔機及其環(huán)保裝置低負荷下設(shè)備適應(yīng)性方面對深度調(diào)峰技術(shù)進行了匯總。陳曉利等[7]基于Ebsilon仿真軟件建立了抽汽供熱、高低旁供熱、低壓缸切除供熱等不同組合方式下靈活性調(diào)峰熱力模型，分析了深度調(diào)峰對機組性能、供熱能力和調(diào)峰能力的影響，并提出了最優(yōu)深度調(diào)峰的方案。于浩洋等[8]論述了機組深度調(diào)峰時機組熱力性能、發(fā)電成本和經(jīng)濟性，并建立了深度調(diào)峰性能評價分析的流程。趙斌等[9]針對600MW超臨界燃煤空冷機組開展了深度調(diào)峰至50%、45%、40%、35%和30%額定負荷的試驗研究[10]，對鍋爐效率、汽機熱耗率、廠用電率和發(fā)供電煤耗進行了熱經(jīng)濟分析。

機組在深度調(diào)峰負荷下運行時，設(shè)備性能和經(jīng)濟性會明顯下降[11-13]。而且隨著機組長期深度調(diào)峰，機組負荷率持續(xù)下降，經(jīng)濟性降低[14-16]。本文以某電廠300MW亞臨界CFB燃煤機組為例，分析了機組在不同負荷工況及深調(diào)工況的性能指標。在此基礎(chǔ)上，分析了機組在計劃電力不變的前提下，機組分別在50%、55%、60%和65%負荷率時對機組經(jīng)濟性的影響，可為燃煤機組深度調(diào)峰優(yōu)化運行提供參考。

2 研究方法

2.1 機組概況

某300MW亞臨界CFB機組鍋爐配置為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)、流化床，型號為DG1070/17.4-Ⅱ2。汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸、直接空冷凝汽式汽輪機，型號為CZK312/N300-16.7/538/538，機組最大出力為335MW，額定出力300MW，額定背壓14kPa。鍋爐主要設(shè)計參數(shù)見表1，汽輪機主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main design parameters of boiler

表2 汽輪機主要設(shè)計參數(shù)及保證值Tab.2 Main design parameters and guaranteed values of steam turbine

2.2 機組深度調(diào)峰試驗

亞臨界燃煤發(fā)電機組的設(shè)計經(jīng)濟運行工況點通常在基本負荷附近。當機組長期在深度調(diào)峰工況運行時，機組整體經(jīng)濟性和各項設(shè)備性能指標會嚴重偏離設(shè)計工況值。

為了摸清該300MW亞臨界CFB循環(huán)流化床直接空冷燃煤機組深度調(diào)峰對設(shè)備性能的影響和經(jīng)濟性，試驗負荷選定100%、75%、50%、40%、30%額定負荷，分析不同負荷下的運行熱經(jīng)濟性和設(shè)備性能[17-26]，包括鍋爐性能、汽機性能和熱耗率、廠用電率及發(fā)、供電煤耗率等。為保障機組安全運行，逐步將機組負荷從300MW逐次降低至90MW。試驗在不投油等助燃的情況下進行，保持試驗工程中煤質(zhì)穩(wěn)定，爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，主、輔設(shè)備運行穩(wěn)定，并確保環(huán)保各項指標在合理的范圍內(nèi)。每個負荷工況穩(wěn)定2h，記錄相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 鍋爐性能

隨著機組負荷的降低，CFB機組鍋爐熱效率、各項熱損失隨之也發(fā)生變化。鍋爐各項熱損失隨機組負荷的變化見圖1，鍋爐熱效率隨機組負荷的變化見圖2。從圖1中可以看出，CFB鍋爐實際運行時，鍋爐排煙熱損失和散熱損失隨著負荷的降低而增加。尤其是排煙損失，在機組負荷低于50%時，排煙熱損失增加比較明顯。當機組負荷從50%深調(diào)到30%時，排煙熱損失相對增加了30.15%。

圖1 鍋爐各項損失隨負荷的變化Fig.1 Variation of various boiler losses with load

從試驗數(shù)據(jù)可知，鍋爐散熱損失隨著機組負荷的降低，散熱損失有所增加但變化不大。固體未完成燃燒熱損失和灰渣物理熱損失總體上隨著負荷的降低而降低，這是因為機組總的風量在負荷降低的過程中變化不大，隨著入爐煤量的減少，爐內(nèi)氧量較為充足，燃燒更加充分。

從圖2中可知，隨著鍋爐負荷的降低，鍋爐效率先增大后降低，機組負荷從100%降低至50%的過程中，試驗鍋爐效率從85.03%增加到87.82%，相對增加了3.18%。機組負荷從50%下降至30%的過程中，試驗鍋爐效率從87.82%下降至86.67%，相對下降了1.31%，機組深調(diào)下機組鍋爐效率隨著負荷的降低而降低。

圖2 鍋爐效率隨負荷的變化率Fig.2 Change rate of boiler efficiency with load

3.2 汽機性能

機組50%負荷以下時，亞臨界機組兩個調(diào)節(jié)汽門開啟，隨著負荷的降低，調(diào)節(jié)汽門開度減小，調(diào)門節(jié)流損失增大。部分機組深度調(diào)峰至40%以下時，為保障機組的安全運行，調(diào)節(jié)汽門采用節(jié)流配汽運行方式，所有調(diào)門同時開啟，增大了調(diào)節(jié)汽門的節(jié)流損失，使得高壓缸效率大幅度下降。機組各負荷下運行參數(shù)如表3所示。隨著機組負荷的降低，主蒸汽壓力和再熱蒸汽壓力隨之降低。在機組深度調(diào)峰到50%負荷以下時，主汽溫度與設(shè)計值相比變化不大。再熱溫度不能維持設(shè)計值540℃，實際運行只有520℃左右。給水溫度隨著機組負荷的降低而降低。使得機組熱力循環(huán)平均吸熱溫度有所升高，循環(huán)效率下降，機組經(jīng)濟性下降。根據(jù)不同負荷運行工況參數(shù)，計算得到汽輪機三缸效率隨機組負荷的變化如圖3所示，運行熱耗率和機組絕對電效率隨機組負荷的變化如圖4和圖5所示。

表3 機組各負荷下汽輪機組運行參數(shù)Tab.3 Running parameters of steam turbine units under different loads

從圖3中可以看出，隨著機組負荷的降低，機組高壓缸效率變化最明顯，中壓缸效率隨機組負荷的降低變化不大，低壓缸效率隨負荷的降低有所降低。機組100%負荷時高壓缸效率為82.17%，負荷降低至50%時高壓缸效率為69.89%，深調(diào)至40%負荷時高壓缸效率為64.59%，深調(diào)至30%負荷時高壓缸效率只有51.33%。從高壓缸效率曲線可以看出，在深調(diào)負荷下，高壓缸效率隨機組負荷降低而下降的幅度增加。低壓缸效率在機組100%負荷時為87.21%，負荷降至50%時低壓缸效率85.20%，深調(diào)至40%負荷時低壓缸效率為84.94%，深調(diào)至30%負荷時高壓缸效率僅為84.35%。三缸效率的降低反映出在深調(diào)負荷下，隨著機組負荷的降低，汽輪機本體性能逐漸惡化。

圖3 汽輪機三缸效率隨機組負荷的變化Fig.3 Variation of turbine three-cylinder efficiency with unit load

從圖4和圖5中可以看出，隨著機組負荷的降低，機組運行熱耗隨之增加，絕對電效率隨之減少，機組在100%負荷時運行熱耗和絕對電效率分別為8573.56kJ/(kW·h)和41.99%，負荷降低至50%時運行熱耗和絕對電效率分別為9164.27kJ/(kW·h)和39.28%，深調(diào)至40%負荷時運行熱耗和絕對電效率分別為9580.57kJ/(kW·h)和37.58%，深調(diào)至30%負荷時運行熱耗和絕對電效率分別為9947.59kJ/(kW·h)和36.19%。

圖4 機組運行熱耗率隨負荷的變化Fig.4 Variation of heat consumption rate in unit operation with load

圖5 機組絕對電效率隨負荷的變化Fig.5 Variation of unit absolute electrical efficiency with load

從熱耗率曲線可以看出，在深調(diào)負荷下，熱耗率隨機組負荷降低而增加的幅度增加。從絕對電效率曲線可以看出，機組絕對電效率隨負荷的降低下降的幅度增加。在深調(diào)負荷下，機組運行經(jīng)濟性和效率隨著負荷的降低逐步惡化。

3.3 機組廠用電率和發(fā)供電煤耗

隨著機組的負荷的降低，各主要輔機偏離設(shè)備經(jīng)濟運行點，效率下降，廠用電率增加。機組廠用電率隨負荷變化曲線如圖6所示。機組運行發(fā)、供電煤耗隨機組負荷變化曲線如圖7所示。

圖6 機組廠用電率隨負荷的變化Fig.6 Variation of plant power rate with load

圖7 機組發(fā)、供電煤耗隨負荷的變化Fig.7 Variation of coal consumption of power generation and power supply with load

從圖6中可以看出，隨著機組負荷的降低，機組廠用電率隨之增加，機組在100%負荷時廠用電率10.14%，負荷降低至50%時廠用電率11.63%，深調(diào)至40%負荷時廠用電率為13.63%，深調(diào)至30%負荷時廠用電率為18.63%。從廠用電率曲線可以看出，在深調(diào)負荷下，廠用電率隨機組負荷降低而增加的幅度增加，負荷越低，增加幅度越大。

從圖7可以看出，隨著機組負荷的降低，機組發(fā)、供電標準煤耗隨之增加。機組在100%負荷時，發(fā)、供電標準煤耗分別349.27g/(kW·h)和388.68g/(kW·h)；降低至50%負荷時，發(fā)、供電標準煤耗分別361.48g/(kW·h)和409.05g/(kW·h)；深調(diào)至40%負荷時，發(fā)、供電標準煤耗分別380.39g/(kW·h)和440.43g/(kW·h)；深調(diào)至30%負荷時發(fā)、供電標準煤耗分別為397.58g/(kW·h)和488.61g/(kW·h)。

機組負荷從50%深調(diào)至40%時，供電煤耗升高31.38g/(kW·h)，機組負荷從40%深調(diào)至30%時，供電煤耗升高48.18g/(kW·h)。從機組發(fā)、供電煤耗曲線可以看出，在深調(diào)負荷下，發(fā)、供電煤耗隨機組負荷降低而增加的幅度增加，負荷越低，增加幅度越大。

3.4 機組不同負荷率下全年熱經(jīng)濟性

隨著深調(diào)幅度與時間的增加，低負荷所占的比重增加，經(jīng)統(tǒng)計，2021年機組負荷率為65%，平均背壓為7.5kPa，將機組運行熱耗折算至7.5kPa下，機組各負荷運行參數(shù)如表4所示。

表4 折算至平均背壓機組各負荷運行參數(shù)Tab.4 Operating parameters of each load converted to average back pressure unit

2021年按照各負荷所占比例，全年負荷率為65%，經(jīng)加權(quán)計算得到供電煤耗345g/(kW·h)。機組按照全年負荷率60%、55%、50%進行計算，按照不同負荷比例進行加權(quán)，各負荷率下機組供電煤耗變化如表5所示。

表5 機組不同負荷率下供電煤耗變化Tab.5 Coal consumption changes of power supply units under different load rates

從表5可以看出，如果全年按照負荷率60%運行，經(jīng)加權(quán)計算全年供電煤耗約350g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加4～5g/(kW·h)。如果全年按照負荷率55%運行，經(jīng)加權(quán)計算全年供電煤耗約351.5g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加6～7g/(kW·h)。如果全年按照負荷率50%運行，經(jīng)加權(quán)計算全年供電煤耗約355.5g/(kW·h)，比2021年供電煤耗增加10～11g/(kW·h)。如果按照全年按照負荷率不變，雖然深調(diào)去年深調(diào)比例增加，但是高負荷比例也同時增加，綜合全年來看供電煤耗約比2021年增加1～2g/(kW·h)。

4 結(jié)論與建議

(1)機組深度調(diào)峰運行中，隨著機組負荷的降低，CFB鍋爐效率隨之先降低，鍋爐排煙損失是使得鍋爐效率下降的主要原因。

(2)機組深度調(diào)峰運行中，隨著機組負荷的降低，機組主汽和再熱運行參數(shù)隨之降低。汽輪機高壓缸效率變化較為明顯。當負荷下降至30%時，高壓缸效率只有51%左右，低壓缸效率有所下降。機組運行參數(shù)下降和本體性能的下降導(dǎo)致機組熱耗率增加，深調(diào)負荷越低，增加的幅度越大。

(3)機組深度調(diào)峰運行中，廠用電率隨著機組負荷的降低而升高。當機組深調(diào)至30%負荷時廠用電率為18.63%，負荷越低，廠用電率增加幅度越大。機組發(fā)、供電煤耗在100%～50%運行時，隨著負荷的降低，發(fā)、供電煤耗增加比較平緩。進入深調(diào)負荷時，發(fā)、供電煤耗隨機組負荷降低而增加的幅度增加，負荷越低，增加幅度越大。機組負荷從50%深調(diào)至40%時，供電煤耗升高31.38g/(kW·h)，而機組負荷從40%深調(diào)至30%時，供電煤耗升高了48.18g/(kW·h)。

(4)隨著機組深調(diào)負荷的不斷降低和深調(diào)時間的不斷增加，機組全年運行供電煤耗持續(xù)增加，機組負荷率從65%負荷率分別下降至60%、55%、50%負荷率時，機組純凝全年運行供電煤耗分別升高約4～5g/(kW·h)、6～7g/(kW·h)、10～11g/(kW·h)。如果按照全年按照負荷率不變，雖然深調(diào)比例增加，但是高負荷比例也同時增加，綜合全年來看供電煤耗約比2021年會增加1～2g/(kW·h)。