660_MW燃煤机组瞬态过程能量分布特性研究_谢天.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6660 MW 燃煤机组瞬态过程能量分布特性研究谢天，何宁，李庚达，张秋生，王文彬，崔青汝(国家能源集团新能源技术研究院有限公司，北京102209)摘要:厘清变负荷瞬态过程中燃煤机组的能量分布特性是研究瞬态过程能耗的关键问题。本文以 660 MW 超超临界机组为对象，建立了全系统模型，获得了不同瞬态过程中机组各主要换热设备包括金属蓄热与工质蓄热在内的基础蓄热，以及受过程控制迟延影响的附加蓄热。结果表明:低压加热器和低温过热器分别为基础蓄热最小和最大的两个设备;变负荷过程中，基础蓄热随机组负荷值增大而增加，附加蓄热随机组负荷值增大而减小;整个工况下附加蓄热最大值为14564 kW，与基础蓄热相比较小。关键词:燃煤机组;瞬态过程;基础蓄热;附加蓄热中图分类号:TM621文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0515 06Study on Energy Distribution Characteristics during TransientProcesses of 660 MW Coal fired UnitXIE Tian，HE Ning，LI Geng da，ZHANG Qiu sheng，WANG Wen bin，CUI Qing ru(CHN Energy New Energy Technology esearch Institute，Beijing 102209，China)Abstract:Clarifying the energy distribution characteristics in transient process is a key issue in studyingenergy consumption during transient process for coal fired unit An integrated system model is devel-oped with a 660 MW ultra supercritical unit as the object，then the basic heat storage，including heatstorages in metal materials and working fluid，and the additional heat storage influenced by the time delayof process control are calculated for the main thermal equipment during various transient processes Theresults show that the low pressure heater and low temperature superheater are the two devices with thelowest and highest heat storage，respectively;during the load cycling process，the basic heat storage in-creases with the increase of the unit load，and the additional heat storage value decreases with the in-crease of the unit load;the maximum process controlled additional heat storage is 145 64 kW in thewhole operating process，which is significant less than the basic heat storageKey words:coal fired unit;transient processes;basic heat storage;additional heat storage收稿日期2022 10 10修订稿日期2022 10 20基金项目:国家能源集团公司科技项目(GJNY 19 06 1)作者简介:谢天(1995 )，男，硕士，工程师，从事火电机组瞬态过程灵活性与节能控制技术研究。中国以煤为主的能源结构决定了燃煤机组将长期用于承担用户基本用电负荷1。随着全球气候变暖加剧，世界各国都在为提高可再生能源发电装机比例，降低二氧化碳排放量的目标不懈努力。“十三五”时期，中国可再生能源发电装机容量呈现了爆发式的增长，利用率也显著提高2。截止到2022 年 9 月，中国可再生能源发电装机容量达到5151161 亿千瓦，占总装机容量的 46 8%，可再生能源发电量占全部发电量比重约为 25%3。大规模可再生能源发电并网给电网的规划和运行提出了严峻的挑战，为减少可再生能源高度渗透带来的电源侧与电网侧双随机扰动，越来越多的大型燃煤机组开始参与深度电网调峰4 5。频繁的负荷波动使燃煤机组长期偏离设计工况运行，导致其能耗水平升高、控制品质下降、寿命损耗增加，燃煤发电企业面临灵活运行与节能的双重压力，亟需挖掘燃煤机组瞬态过程节能潜力，开展燃煤机组瞬态过程能耗特性研究6，建立精确的机组瞬态能耗计算模型是研究的基础，但与稳态运行工况不同，机组在瞬态过程中受工质蓄热、金属蓄热和过程控制的影响，机组发电煤耗率随变负荷幅度、变负荷方向和变负荷速率而变化7，众多专家学者对此开展了研究。杨志平等8 基于燃煤机组瞬态过程的工质蓄热模型和金属蓄热模型，推导出了瞬态工况下机组煤耗计算模型，对 1 000 MW 机组变负荷试验过程的能耗变化规律进行了分析。Wang等9 建立了燃煤机组瞬态过程能耗分析模型，利用GSE 软件平台搭建了 660 MW 超临界机组动态仿真模型，研究了变负荷方向和变负荷速率对机组能耗特性的影响。郭喜燕等10 提出了机组非稳态工况下的煤耗计算方法，通过实例计算定量分析了瞬态过程中锅炉蓄热对机组煤耗量的影响。目前，针对燃煤机组瞬态能耗计算模型的研究已比较成熟，可以实现瞬态工况下机组煤耗的准确计算，在此基础上，准确掌握机组热力系统的能量分布规律至关重要。Cheng 等11 建立了热储率和热利用率计算模型，通过锅炉水冷壁分段计算获得了水冷壁广义全工况下热量组成和分布结果。Li12 分别基于热力学第一定律和第二定律，对机组汽轮机系统的能量损失和能量分布特性进行了研究。Guo 等13 对机组大幅度变负荷、启停等瞬态工况下的锅炉热量分布进行了研究。从以上研究可以发现，当前对机组热力系统瞬态过程的能量分布特性研究大多数需要基于质量、能量守恒方程建立复杂的机组蓄热计算模型，建模及求解困难，机组热工控制系统时延作为影响机组瞬态过程能量分布特性的因素之一，罕见由热力学角度出发针对过程控制对机组能量分布影响的定量研究。本文以 660 MW 超超临界燃煤机组为研究对象，采用 EBSILON 软件对机组热力系统进行仿真计算，获得了 50%100%THA 工况范围内包括金属蓄热与工质蓄热在内的基础蓄热，通过机组变负荷运行试验数据得到受过程控制迟延影响的附加蓄热，进而定量研究了机组在变负荷瞬态过程中锅炉系统和汽轮机系统的主要换热设备的能量分布特性。1研究对象和仿真模型1 1研究对象本文以 660 MW 超超临界燃煤机组为研究对象，锅炉为前后墙对冲燃烧方式，尾部采用双烟道布置，汽轮机为三缸二排汽、一次中间再热超超临界汽轮机。在额定负荷工况下，锅炉主蒸汽压力为27 78 MPa，主蒸汽温度为 605，再热蒸汽压力为5 7 MPa，再热蒸汽温度为 603，锅炉效率为94 58%。汽轮机主汽压力为 27 MPa，再热蒸汽压力为 5 244 MPa，主汽温度和再热蒸汽温度为600/600。锅炉燃用烟煤，煤种的工业分析结果如表 1 所示。表 1煤种工业分析结果和低位发热量参数数值Mt/%16Mad/%834Vdaf/%3605Aar/%1065Car/%6002Har/%358Nar/%08Sar/%08Qnet，ar/kJ kg122 700该机组发电系统结构如图 1 所示。锅炉的蒸发系统由螺旋管圈和垂直管屏水冷壁构成，沿烟气流程各受热面分别为屏式过热器、后屏过热器、末级过热器和高温再热器，低温再热器和低温过热器分别布置在前后尾部烟道，省煤器由前墙省煤器和后墙省煤器组成。汽轮机本体包括高、中、低压缸，凝汽系统由凝汽器、热井和循环水泵等设备构成，回热系统包括 3 个高压加热器、3 个低压加热器、除氧器及给水泵等。1 2仿真模型及验证根据该 660 MW 超超临界燃煤机组发电系统结构，在 EBSILON 软件中搭建了包含锅炉、汽轮机和发电机在内的完整系统稳态仿真模型，如图 2 所示。为验证本文基于 EBSILON 软件的仿真模型精度，在机组 BMC 工况下进行了主要参数稳态仿真值与设计值的对比，结果如表 2 所示。从表 2 可以看出，615BMC 工况下机组主要参数稳态仿真值与设计值最大偏差在2%范围内，表明本文模型具有较高准确度。表 2主要参数稳态验证结果参数设计值仿真值主汽压力/MPa28278主汽温度/605605给水温度/297296再热蒸汽入口压力/MPa6 1026146再热蒸汽入口温度/3703674再热蒸汽出口压力/MPa5 8725755再热蒸汽出口温度/603603排烟温度/12512331 3计算指标工质蓄热、金属蓄热和过程控制是导致燃煤机组在变负荷瞬态过程中运行参数变化发生滞后的主要原因，为简化研究过程，本文将工质蓄热和金属蓄热整体考虑，对于两个稳态工况而言，包括金属蓄热和工质蓄热的基础蓄热为一固定值，由过程控制产生的附加蓄热与机组实际变负荷速率有关。燃煤机组在稳态工况下基础蓄热为一近似固定值，因此可以将机组在 EBSILON 软件中的稳态仿真工况作为基础蓄热的计算基准。工质蓄热计算式为Qw，ts=Mw，2Hw，2 Mw，1Hw，1+Mvvt式中Qw，ts 工质蓄热/kW;Mw，1、Mw，2 变负荷开始、变负荷结束时稳态工况下的换热器储存工质质量/kg;Mv 变负荷过程中换热器内发生相变的工质质量/kg;Hw，1、Hw，2 变负荷开始、变负荷结束时稳态工况下的换热器储存工质平均焓值/kJ kg1;v 汽化潜热/kJ kg1;t 变负荷过程时间/s。金属蓄热计算式为Qm，ts=Ammmca，m(Tm，2 Tm，1)t式中Qm，ts 金属蓄热/kW;Am 金属传热面积/m2;m 金属管壁材料密度/kg m3;m 金属管壁厚度/m;ca，m 变负荷过程中金属平均比 热 容/kJ (kg )1;图 1发电系统结构图注:1 屏式过热器;2 后屏过热器;3 末级过热器;4 高温再热器;5 低温再热器;6 低温过热器;7 省煤器;8 高压缸;9 中压缸;10 低压缸;11 高压加热器;12 除氧器;13 低压加热器;14 发电机图 2仿真模型Tm，1、Tm，2 变负荷开始、变负荷结束时金属管壁平均温度/;t 变负荷过程时间/s。机组在实际运行过程中受控制系统时延作用影响，机组的热工信号中掺杂了过程控制的动态响应信息，因此可以通过机组实际运行试验数据计算求得的基础蓄热与 EBSILON 软件稳态仿真求得的基础蓄热比较，获得因过程控制造成的附加蓄热。附加蓄热计算式为Qc，ts=|(Qw，ts+Qm，ts)试验值(Qw，ts+Qm，ts)仿真值|式中Qc，ts 附加蓄热/kW。为获得机组 50%100%THA 工况范围的运行数据，进行了 50%100%THA 工况范围内的机组连续升降负荷试验，如图 3 所示。试验时间共计24 h，试验过程中机组负荷值变化情况如表 3 所示。表 3试验过程中机组的负荷变化阶段时间/h负