張洪福, 高明明, 于浩洋, 岳光溪

(1． 華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院, 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 北京 102206;2． 國家能源集團(tuán)新能源技術(shù)研究院有限公司, 北京 102209;3． 清華大學(xué) 能源與動力工程系, 北京 100084)

在“雙碳”目標(biāo)的指引下,新能源發(fā)展迅速,并網(wǎng)容量不斷增長,為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性,要求火電機(jī)組提高其運(yùn)行靈活性并參與深度調(diào)峰[1-2]。燃煤循環(huán)流化床(CFB)機(jī)組采用獨(dú)特的流態(tài)化燃燒方式,相比于煤粉鍋爐,低負(fù)荷燃燒更穩(wěn)定,具有更好的調(diào)峰能力[3],但由于復(fù)雜的流化過程與爐內(nèi)大量床料的存在,CFB機(jī)組具有大遲延、大慣性特性[4-6],需要合理利用鍋爐蓄熱,以滿足電網(wǎng)對機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率的要求。因此,有必要對CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱進(jìn)行研究,分析機(jī)組在變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)特性,為進(jìn)一步提升CFB機(jī)組深度調(diào)峰運(yùn)行靈活性提供理論依據(jù)。

鍋爐蓄熱系數(shù)可以準(zhǔn)確反映機(jī)組的蓄熱特性變化,求取鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)的方法主要有試驗法和理論計算法[7]。試驗法通過汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽閥的開度擾動試驗獲得鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)[8]。谷俊杰等[9]通過試驗法求取了4個工況下煤粉鍋爐水冷壁和過熱器的蓄熱系數(shù),但試驗條件苛刻,工作量大。理論計算法通過分析機(jī)組運(yùn)行機(jī)理,利用機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)及水和水蒸氣的熱力性質(zhì)參數(shù)計算鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù),該方法具有適用于各負(fù)荷工況、準(zhǔn)確性較高且不需要開展高成本擾動試驗等優(yōu)點。劉吉臻等[10]分析了汽包鍋爐水冷壁、汽包和過熱器的機(jī)理,對2臺不同容量亞臨界機(jī)組的蓄熱進(jìn)行了計算;根據(jù)文獻(xiàn)[10]給出的計算方法,馬博洋[11]結(jié)合能量守恒原理,分別對某300 MW機(jī)組汽包、水冷壁和過熱器的蓄熱系數(shù)進(jìn)行了原理分析;鄧拓宇[12]通過理論計算確定了某330 MW供熱機(jī)組在典型負(fù)荷工況下的汽水側(cè)蓄熱系數(shù);Gao等[13]通過分析測試得到某330 MW汽包鍋爐蓄熱系數(shù),并將蓄熱系數(shù)引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化中,提升了機(jī)組運(yùn)行性能;文樂等[14]對煤粉鍋爐汽水系統(tǒng)進(jìn)行了分段建模,計算了660 MW超臨界濕冷機(jī)組的實際鍋爐蓄熱系數(shù);Wang等[15]通過GSE軟件建立了某660 MW二次再熱機(jī)組的動態(tài)模型,研究了鍋爐蓄熱的變化規(guī)律,為提升機(jī)組靈活性的控制優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

火電機(jī)組蓄熱特性的研究主要集中在煤粉鍋爐機(jī)組,但由于傳熱特性不同,CFB鍋爐與煤粉鍋爐在受熱面布置、受熱面體積、金屬重量及各段受熱面出口工質(zhì)參數(shù)等方面存在差異,導(dǎo)致CFB機(jī)組的汽水側(cè)蓄熱容量、特性不同于煤粉鍋爐機(jī)組。目前僅有少數(shù)學(xué)者對CFB機(jī)組的蓄熱特性進(jìn)行了探討,李金晶等[16]定量計算了CFB鍋爐能量傳遞過程中各環(huán)節(jié)的熱慣性,明確了各類受熱面和各個環(huán)節(jié)的比例;劉吉臻等[17]根據(jù)機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),計算了不同容量的CFB機(jī)組汽水側(cè)蓄能變化速率,設(shè)計了蓄能的利用模式。未來CFB機(jī)組將要承擔(dān)更多深度調(diào)峰、一次調(diào)頻任務(wù),還需要進(jìn)一步研究大負(fù)荷范圍內(nèi)的鍋爐蓄熱變化規(guī)律。

筆者以某300 MW深度調(diào)峰CFB機(jī)組為研究對象,根據(jù)工質(zhì)特性對該CFB鍋爐各汽水流程進(jìn)行分段,采用理論計算法確定不同負(fù)荷工況點的鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù),結(jié)合汽輪機(jī)熱效率,分析鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間與機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性,為深度調(diào)峰CFB機(jī)組靈活性運(yùn)行優(yōu)化提供參考。

1 機(jī)理分析

根據(jù)能量平衡關(guān)系,CFB機(jī)組負(fù)荷是通過改變送入爐膛的燃煤量進(jìn)行調(diào)節(jié)的,但由于CFB鍋爐的大慣性、大遲延特點,負(fù)荷對燃煤量動作的響應(yīng)慢,難以滿足電網(wǎng)對機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻性能的要求,需合理利用CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱,實現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的快速調(diào)節(jié)。

CFB機(jī)組在參與深度調(diào)峰時,通過動作主蒸汽閥門實現(xiàn)汽水側(cè)蓄熱的利用,達(dá)到快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的。動作主蒸汽閥門會引起汽水工質(zhì)壓力的瞬間變化,汽水工質(zhì)在壓力變化時,吸熱量基本保持不變,等焓工況下體積的變化使得進(jìn)入汽輪機(jī)做功的過熱蒸汽量發(fā)生變化,這部分過熱蒸汽所攜帶的熱量為工質(zhì)蓄熱;壓力變化時等焓工況下汽水工質(zhì)溫度變化引起金屬蓄熱量的變化,即為金屬蓄熱。

1.1 汽水工質(zhì)蓄熱

CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱分為工質(zhì)蓄熱和金屬蓄熱,由于汽水流程各段工質(zhì)的參數(shù)差異大,汽水側(cè)各段工質(zhì)的蓄熱能力具有明顯的差異,因此需對各段工質(zhì)蓄熱分別進(jìn)行計算。根據(jù)工質(zhì)是否發(fā)生相變以及鍋爐部件結(jié)構(gòu)類型對CFB汽包鍋爐汽水流程進(jìn)行分段,根據(jù)工質(zhì)特性將鍋爐汽水側(cè)劃分為4類,分別為過冷水、飽和水、飽和蒸汽和過熱蒸汽,根據(jù)質(zhì)量和能量守恒定律,結(jié)合水和水蒸氣的熱力性質(zhì),計算各段汽水工質(zhì)在壓力變化后的體積變化。

對于無相變的工質(zhì)(如過冷水、過熱蒸汽),當(dāng)壓力變化Δp時,可認(rèn)為工質(zhì)經(jīng)歷了等焓過程,由質(zhì)量守恒定律可得:

(1)

式中:Vg0、Vg1分別為工質(zhì)在壓力變化前、后的體積,m3;vg(p0,h0)、vg(p1,h0)分別為工質(zhì)在壓力變化前、后的比體積,m3/kg;p0、p1分別為變化前、后的工質(zhì)壓力,MPa;h0為工質(zhì)比焓,kJ/kg。

因此,無相變工質(zhì)的體積變化ΔVg為:

ΔVg=Vg1-Vg0

(2)

對于有相變的工質(zhì)(如飽和水、飽和蒸汽),當(dāng)壓力下降時,會有部分飽和水轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽,工質(zhì)發(fā)生相變。由質(zhì)量和能量守恒定律可得:

(3)

(4)

式中:V、v、h分別為汽水工質(zhì)體積、比體積和比焓,m3、m3/kg、kJ/kg;下標(biāo)w0、w1分別表示壓力變化前、后飽和水的狀態(tài),s0、s1分別表示壓力變化前、后飽和蒸汽的狀態(tài),w、s分別表示飽和水和飽和蒸汽。

根據(jù)工質(zhì)初始壓力p0,可得到飽和水、飽和蒸汽的比體積和比焓;壓力變化Δp后,根據(jù)變化后的壓力p1可得到對應(yīng)的飽和水、飽和蒸汽狀態(tài)參數(shù)。

因此,有相變工質(zhì)的體積變化ΔVt為:

ΔVt=Vw1+Vs1-Vw0-Vs0

(5)

工質(zhì)壓力變化時,工質(zhì)體積的變化使得進(jìn)入CFB機(jī)組汽輪機(jī)做功的主蒸汽量發(fā)生變化,這部分過熱蒸汽包含的能量ΔEs與壓力變化量Δp的比值為CFB鍋爐汽水工質(zhì)的蓄熱系數(shù)Cw:

(6)

式中:hs為CFB鍋爐各負(fù)荷工況下主蒸汽的比焓,kJ/kg。

1.2 金屬蓄熱

在CFB機(jī)組深度調(diào)峰初期,通過快速動作主蒸汽閥門實現(xiàn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)時,工質(zhì)壓力發(fā)生變化,壓力的變化會同時引起各段汽水工質(zhì)溫度變化,進(jìn)而引起金屬管壁溫度變化。由于金屬壁溫在極短時間內(nèi)能達(dá)到熱平衡,各段金屬壁溫的變化Δtm可認(rèn)為近似等于各段汽水工質(zhì)溫度的變化Δtf,Δtf可根據(jù)壓力變化前后的工質(zhì)壓力、比焓得到:

Δtm=Δtf=tf0-f(p1,h0)

(7)

式中:tf0為壓力變化前的工質(zhì)溫度,℃;f為水和水蒸氣熱力性質(zhì)的函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)金屬蓄熱變化量ΔEm與壓力變化量Δp,可得CFB鍋爐的金屬蓄熱系數(shù)Cm:

Cm=ΔEm/Δp=0.001cmmmΔtm/Δp

(8)

式中:cm為金屬比熱容,kJ/(kg·K);mm為金屬管道的質(zhì)量,kg。

因此,CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)Ce可表示為:

Ce=Cw+Cm

(9)

2 CFB機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)模型

在保證CFB鍋爐運(yùn)行安全下,合理利用鍋爐汽水側(cè)蓄熱能提升機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)性能。在調(diào)峰動作時,當(dāng)主蒸汽壓力變化Δp時,鍋爐汽水側(cè)蓄熱變化總量ΔEh為:

ΔEh=ΔEs+ΔEm

(10)

主蒸汽中攜帶的能量經(jīng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能,該過程存在著轉(zhuǎn)化效率。CFB機(jī)組在不同負(fù)荷工況點的能量轉(zhuǎn)化效率ηt可表示為:

(11)

式中:Ne為CFB機(jī)組負(fù)荷,MW;qm,s為主蒸汽質(zhì)量流量,kg/s。

因此,利用CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱可轉(zhuǎn)化的電量EΔp可近似表示為:

EΔp=ηtΔEh

(12)

在不同負(fù)荷工況下,機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定裕度是有差異的,高負(fù)荷下主蒸汽壓力出現(xiàn)較大的波動依然能保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,而低負(fù)荷下允許的主蒸汽壓力波動臨界值應(yīng)較小,否則無法保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,結(jié)合文獻(xiàn)[2],假設(shè)深度調(diào)峰CFB機(jī)組各負(fù)荷工況下允許的主蒸汽壓力波動臨界值Δpt,limit為負(fù)荷工況點的函數(shù):

(13)

式中:Ne,0為CFB機(jī)組額定負(fù)荷,MW;Δpt,0,limit為額定負(fù)荷工況下壓力波動而不影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的臨界值,MPa。

在CFB機(jī)組壓力波動范圍內(nèi),可認(rèn)為單位壓力波動下鍋爐汽水側(cè)蓄熱的利用量與壓力波動值成正比,則不同負(fù)荷工況下蓄熱利用的折合電量En可表示為:

(14)

CFB機(jī)組變負(fù)荷速率rs采用機(jī)組負(fù)荷平均變化速率與額定負(fù)荷的比值表示:

(15)

式中:ΔNe為負(fù)荷變化量,MW;ΔT為變負(fù)荷的持續(xù)時間,min。

因此,不同變負(fù)荷速率下CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用的可持續(xù)時間ts為:

(16)

3 模型計算與分析

本文的研究對象為某300 MW深度調(diào)峰CFB機(jī)組,該機(jī)組采用中間一次再熱、滑壓運(yùn)行方式,配置有DG1065/17.4-Ⅱ亞臨界單汽包自然循環(huán)CFB鍋爐及CZK300/259-16.67/0.4/538/538型汽輪機(jī)。該CFB鍋爐主要由單個膜式水冷壁爐膛、3臺汽冷式旋風(fēng)分離器和汽冷包墻包覆的尾部豎井煙道組成,鍋爐汽水系統(tǒng)的部件包括省煤器、汽包、水冷壁、汽冷式旋風(fēng)分離器管路、包墻過熱器、低溫過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器和再熱器,整個過熱器系統(tǒng)共布置有2級噴水。

3.1 汽水側(cè)蓄熱特性

結(jié)合鍋爐的工質(zhì)特性,可將該機(jī)組汽水流程劃分為7段,分別進(jìn)行蓄熱系數(shù)的計算,7段分別為省煤器段、汽包飽和水段、汽包飽和蒸汽段、水冷壁水段、水冷壁蒸汽段、過熱器低溫段(包括旋風(fēng)分離器、包墻與低溫過熱器)和過熱器高溫段(包括屏式過熱器、高溫過熱器)。其中,汽包內(nèi)飽和水與飽和蒸汽各占一半,水冷壁中蒸汽的體積比例α[12]為:

(17)

式中:Kbc為汽水循環(huán)倍率;ρsw、ρww分別為汽包壓力對應(yīng)的飽和蒸汽和飽和水密度,kg/m3。

結(jié)合鍋爐主要部件容積參數(shù)(見表1),分別計算CFB機(jī)組在深度調(diào)峰過程中5個典型負(fù)荷工況下各段汽水工質(zhì)蓄熱系數(shù),5個典型負(fù)荷工況為30% (90 MW)、40% (120 MW)、50% (150 MW)、75% (225 MW)和100% (300 MW)負(fù)荷,汽水工質(zhì)參數(shù)取自電廠分散控制 (DCS)系統(tǒng),在計算工質(zhì)體積變化時,Δp暫取0.3 MPa,結(jié)果見表2。結(jié)合主蒸汽參數(shù),計算了各典型負(fù)荷工況下該300 MW深度調(diào)峰CFB鍋爐汽水側(cè)工質(zhì)蓄熱系數(shù),結(jié)果見表3。

表1 300 MW CFB鍋爐各部件容積

表2 典型負(fù)荷工況下各段汽水工質(zhì)蓄熱系數(shù)

表3 CFB鍋爐汽水工質(zhì)蓄熱系數(shù)

利用汽水工質(zhì)溫度變化來替代金屬壁溫的變化,結(jié)合式(7)和式(8),計算CFB機(jī)組深度調(diào)峰過程中5個典型負(fù)荷工況的金屬蓄熱系數(shù)。省煤器中的過冷水工質(zhì)在壓力變化時的溫度變化很小,過熱器高溫段的蒸汽溫度受噴水減溫器的控制,因此本文中省煤器段、過熱器高溫段的金屬蓄熱忽略不計。結(jié)合300 MW CFB鍋爐汽水部件的設(shè)計參數(shù),汽包段、水冷壁段和過熱器低溫段的金屬質(zhì)量分別為139.92 t、766.70 t和572.17 t,金屬的平均比熱容為0.46 kJ/(kg·K),各負(fù)荷工況下的金屬蓄熱系數(shù)計算結(jié)果如表4所示。

表4 典型負(fù)荷工況下的金屬蓄熱系數(shù)

不同負(fù)荷工況下CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)、工質(zhì)蓄熱系數(shù)和金屬蓄熱系數(shù)的變化如圖1所示?？梢钥闯?各負(fù)荷工況下的工質(zhì)蓄熱系數(shù)差異較小,金屬蓄熱系數(shù)隨著負(fù)荷的增大而減小,主要原因是單位壓力變化引起的溫度變化減小;在高負(fù)荷工況下,工質(zhì)蓄熱系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬蓄熱系數(shù),兩者的差值隨著負(fù)荷的降低而減小。此外,在50%負(fù)荷以下,鍋爐汽水側(cè)蓄熱特性發(fā)生了明顯的變化,不同負(fù)荷工況下鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)差異增大。30%負(fù)荷與50%負(fù)荷的鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)差值為1 884.76 MJ/MPa,而50%負(fù)荷與100%負(fù)荷的鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)的差值僅為886.96 MJ/MPa。

圖1 不同負(fù)荷工況下CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)變化

3.2 CFB機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性

為探究CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用對機(jī)組變負(fù)荷特性的影響,利用該300 MW CFB機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),對機(jī)組在不同負(fù)荷工況點的能量轉(zhuǎn)化效率ηt進(jìn)行了計算,結(jié)果如表5所示。

表5 典型負(fù)荷工況下機(jī)組能量轉(zhuǎn)化效率

通過動作主蒸汽閥門可實現(xiàn)CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用,提升機(jī)組快速響應(yīng)負(fù)荷的能力,但會造成主蒸汽壓力的波動,控制不當(dāng)會影響機(jī)組整體的穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗與文獻(xiàn)[2],本文中臨界壓力波動值Δpt,0,limit為1.5 MPa,根據(jù)式(12)～式(14)計算不同負(fù)荷工況下機(jī)組汽水側(cè)蓄熱利用的折合電量,結(jié)果如圖2所示。在單位壓力波動下(各負(fù)荷工況壓力波動為1 MPa),折合電量隨著負(fù)荷的降低而增大,低負(fù)荷下鍋爐可用汽水側(cè)蓄熱容量大,但考慮機(jī)組實際運(yùn)行安全后,在臨界壓力波動下的折合電量隨著負(fù)荷的降低而減小,低負(fù)荷下鍋爐可利用的汽水側(cè)蓄熱容量小。

圖2 不同壓力波動下的折合電量

在變負(fù)荷初期利用CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱后,可通過改變?nèi)剂狭窟M(jìn)行調(diào)節(jié),但主蒸汽閥門動作過大,過度利用汽水側(cè)蓄熱,會導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行參數(shù)波動大。例如在升負(fù)荷過程初期,將主蒸汽閥門開大,鍋爐汽水側(cè)蓄熱被消耗,主蒸汽壓力下降,若鍋爐汽水側(cè)蓄熱支撐不到其他熱量的補(bǔ)充,超過汽水側(cè)蓄熱利用的可持續(xù)時間,會出現(xiàn)機(jī)爐熱量不匹配,機(jī)組實時功率輸出瞬間下降的現(xiàn)象,如果不進(jìn)行其他動作,根據(jù)能量平衡關(guān)系,負(fù)荷將會回落至動作前的數(shù)值;反之,降負(fù)荷過程初期會出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。因此,結(jié)合CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱特性,根據(jù)式(15)和式(16),分別對單位壓力波動、臨界壓力波動下各變負(fù)荷速率的鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間進(jìn)行了計算,結(jié)果如圖3和圖4所示。在各負(fù)荷工況下,CFB機(jī)組變負(fù)荷速率與蓄熱利用的可持續(xù)時間成反比,這是因為折合電量固定不變;相同變負(fù)荷速率下,單位壓力波動下的蓄熱利用可持續(xù)時間隨著負(fù)荷的降低而增大,變化較小?？紤]機(jī)組實際運(yùn)行安全后,在臨界壓力波動下的汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間隨著負(fù)荷的降低而減小,變化較大;在4%/min變負(fù)荷速率下,30%負(fù)荷下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間為125.59 s,而100%負(fù)荷下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間為208.04 s。

圖3 單位壓力波動下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間

圖4 臨界壓力波動下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間

4 結(jié) 論

(1) 在40%～100%負(fù)荷范圍內(nèi),300 MW亞臨界CFB鍋爐的金屬蓄熱系數(shù)小于工質(zhì)蓄熱系數(shù),但30%負(fù)荷工況下金屬蓄熱系數(shù)大于工質(zhì)蓄熱系數(shù);隨著負(fù)荷的降低,工質(zhì)蓄熱系數(shù)變化不大,金屬蓄熱系數(shù)增大,鍋爐汽水側(cè)蓄熱系數(shù)也增大。

(2) 考慮到機(jī)組能量轉(zhuǎn)化效率的變化,在單位壓力波動下CFB鍋爐汽水側(cè)蓄熱利用的折合電量隨著負(fù)荷的降低而增大,在臨界壓力波動下的折合電量隨著負(fù)荷的降低而減小。

(3) 相同變負(fù)荷速率下,單位壓力波動下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間隨著負(fù)荷的降低而增大,變化較小;但臨界壓力波動下汽水側(cè)蓄熱利用可持續(xù)時間隨著負(fù)荷的降低而減小,變化較大,機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力顯著降低,低負(fù)荷運(yùn)行的安全裕度小對CFB機(jī)組深度調(diào)峰靈活運(yùn)行的影響大。本文所得結(jié)果對CFB機(jī)組負(fù)荷控制優(yōu)化與靈活運(yùn)行能力評估具有指導(dǎo)作用。