作者：朱建文

【關(guān)鍵詞】熱電解耦；熱電靈活性改造；引射配汽；儲(chǔ)熱；電鍋爐；高低旁聯(lián)合配汽Heat and power Decoupling By a Wide Margin

Author:Zhu Jianwen

The key way of the heat power flexibility transformation of coal fired unit is heat power decoupling.The best solution of it by a wide margin is steam jet distribution.Besides,any existing scheme of it is not ideal.The main problem to solve is the boiler reheater overheating and the thrust imbalances of turbine generator.Achieved greatly heat power decoupling,it should be not necessary to keep more operating units in low load on the grid,also there is no need for transform of boiler for low load operation.The jeter of 4th generation(synchro-adjusted) is the key and necessary equipment for heat and power decoupling.

 heat and power decoupling; heat and power flexibility transformation; steam jet distribution; thermal storage;  electric boiler; high and low bypath steam distribution

為了有效利用可再生能源保護(hù)環(huán)境，解決好熱電產(chǎn)能過(guò)剩和冬季供熱能力不足問(wèn)題，電力發(fā)展十三五規(guī)劃提出：全面推動(dòng)煤電機(jī)組靈活性改造，三北地區(qū)供熱機(jī)組改造約0.82億千瓦，其他地區(qū)純凝機(jī)組改造約4600萬(wàn)千瓦，其中三北地區(qū)增加

要求靈活性改造的主力機(jī)組主要是880臺(tái)，481臺(tái)，兩者之和為7億千瓦。

如此大的改造動(dòng)作，應(yīng)該探索一個(gè)最為有效、最節(jié)約投資的解決方案，可是現(xiàn)有的解決方案各有弊端，尤其是投資額十分可觀。1 關(guān)于熱電靈活性改造30%負(fù)荷）運(yùn)行。從表面上看機(jī)組處于低負(fù)荷待命有兩個(gè)好處：一是電網(wǎng)要求加負(fù)荷，待命機(jī)組可以迅速反應(yīng)，適應(yīng)靈活調(diào)峰要求；二是節(jié)約鍋點(diǎn)火升溫的費(fèi)用。但筆者有不同的看法，以為沒(méi)有必要花費(fèi)很大的人力物力進(jìn)行改造.以下觀點(diǎn)如有不妥，請(qǐng)讀者專家們批評(píng)指正。1.1目前我國(guó)電網(wǎng)容量為：600MW機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的沖擊非常微小。1.2有效的解決熱電解耦問(wèn)題后，對(duì)于帶有一定熱負(fù)荷的機(jī)組，沒(méi)有必要對(duì)鍋爐進(jìn)行小負(fù)荷運(yùn)行改造，因?yàn)槿W(wǎng)熱電總負(fù)荷完全可以調(diào)到使大部分鍋爐不投油負(fù)荷下運(yùn)行。我們不妨做這樣一個(gè)設(shè)想，對(duì)所有供熱機(jī)組，凡投運(yùn)鍋爐均在30~80%之間自由調(diào)整著，這樣一個(gè)電網(wǎng)本身就是一個(gè)調(diào)峰自由度很大的電網(wǎng)，對(duì)于一般的電負(fù)荷波動(dòng)，調(diào)峰速度完全可以適應(yīng)。只有負(fù)荷出現(xiàn)長(zhǎng)期大幅度的增加或減小情況才有必要增減機(jī)組投用臺(tái)數(shù)，而這些增減的機(jī)組應(yīng)該是不帶供熱的機(jī)組，因?yàn)楣釞C(jī)組在供熱季不能停運(yùn)。

我國(guó)目前供熱主力機(jī)組主要是兩個(gè)出力級(jí)別的機(jī)組，一是600MW級(jí)，采暖抽汽一般都是取自中壓缸排氣，最大供熱能力時(shí)，電負(fù)荷率一般都在350MW機(jī)組

圖一 唐山西郊350MW機(jī)組（CHO2-2#）抽汽工況圖

近年來(lái)，我國(guó)電力產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)，水、風(fēng)、日、核、生物質(zhì)能源發(fā)電量增加，環(huán)保節(jié)能產(chǎn)業(yè)調(diào)整等原因，使電網(wǎng)總負(fù)荷大大降低，而且對(duì)調(diào)峰靈活性要求大為提高。與此同時(shí)冬季熱負(fù)荷正在迅速增加，冬季又要多供熱又要少發(fā)電，和發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性形成鮮明的矛盾。解決這一矛盾的思路和辦法首先是將發(fā)電量與供熱量的關(guān)聯(lián)解開，即實(shí)現(xiàn)熱電比大幅自由轉(zhuǎn)換，這便是熱電解耦。

首先告訴大家一個(gè)天文數(shù)字一千多億元，這個(gè)數(shù)字就是我國(guó)正在啟動(dòng)熱電解耦改造所要投入的資金。它是這么得來(lái)的：有一千多臺(tái)機(jī)組需要改造，投資少的1億元，投資多的2億元，還有一些小機(jī)組也需要改造，在現(xiàn)有的解耦方案中，所謂儲(chǔ)熱方案和電鍋爐方案都需要此投資規(guī)模。除此以外還有低壓缸零出力改造，高、低旁聯(lián)合配汽等方案各有弊端，現(xiàn)簡(jiǎn)析如下：3.1儲(chǔ)熱300MW級(jí)機(jī)組的投資約

對(duì)于每天二十四小時(shí)而言，熱負(fù)荷需求量大的時(shí)候，電負(fù)荷需求量也大，反之亦然。例如凌晨?jī)牲c(diǎn)熱負(fù)荷需求到最低點(diǎn)，晚上

熱水的儲(chǔ)熱能力有限，投巨資、占大塊土地，所建水池所獲儲(chǔ)熱量只夠很短時(shí)間使用。專業(yè)人員簡(jiǎn)單計(jì)算便知，在天氣持續(xù)寒冷即熱負(fù)荷大的時(shí)間，所有儲(chǔ)熱量用盡了，熱用戶依然束手無(wú)策。相反，天氣持續(xù)溫和，機(jī)組供熱能力夠了儲(chǔ)熱池就沒(méi)有存在的必要，投資就無(wú)意義了。

儲(chǔ)熱池散熱面積很大，散熱量也是值得注意的。3.2電鍋爐300MW級(jí)機(jī)組的投資也是供熱機(jī)組一般在

電是非常寶貴的高品位能源，發(fā)電過(guò)程機(jī)爐都發(fā)生過(guò)各種各樣的能量損失，還有人力物力等等大量的財(cái)務(wù)成本。用高品位的電能以1:2或者更高得轉(zhuǎn)化率。當(dāng)然電熱泵也有自身問(wèn)題，如氣溫低是，制熱系數(shù)小。3.2.3電鍋爐的可靠性。

低壓缸零出力改造分兩種方案：一是光軸方案，即將低壓缸葉片拆除，中壓缸所有排汽都用于供熱。此方案有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是低壓缸去葉片后，轉(zhuǎn)子自振頻率和撓度曲線發(fā)生變化，易引發(fā)機(jī)組振動(dòng)，二是發(fā)電能力下降，要多發(fā)電時(shí)發(fā)不了，反而失去了靈活性。

以上兩個(gè)方案對(duì)增加機(jī)組供熱能力作用很小，對(duì)100多噸

首先應(yīng)該肯定這個(gè)主攻方向是正確的，因?yàn)椴捎门淦ń鉀Q熱電解耦問(wèn)題是走過(guò)許多技術(shù)彎路后必然走的一條路。配汽法熱電解耦需要解決好六大基本技術(shù)問(wèn)題。3.4.1鍋爐過(guò)熱、再熱蒸汽流量失衡導(dǎo)致的再熱器超溫問(wèn)題。3.4.2汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子推力平衡問(wèn)題。3.4.3安全穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。3.4.4運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。3.4.5如何實(shí)現(xiàn)大幅度問(wèn)題。3.4.6節(jié)約投資問(wèn)題。

見圖二：高低旁聯(lián)合配汽系統(tǒng)示意圖

旁路就是減溫減壓器，就是犧牲做功能力，最終導(dǎo)致冷源損失加大的設(shè)備，這是專業(yè)常識(shí)。3.4.9關(guān)于大幅解耦問(wèn)題60m/s的限制。本來(lái)解耦的概念就是電負(fù)荷越小熱負(fù)荷可以越大，可是由于受到這一限制，還是電負(fù)荷越小熱負(fù)荷越小，實(shí)現(xiàn)不了大幅度。以上所列問(wèn)題，在增加汽汽引射器進(jìn)行升壓配汽后，都會(huì)迎刃而解，見后述。3.5其他方案3.5.1熱泵方案要求有低溫?zé)嵩?，循環(huán)水源熱泵在電負(fù)荷小時(shí)，循環(huán)水溫度低，熱量少，純空氣源熱泵投資大，深冷天氣效果差。3.5.2汽缸開孔抽汽，純凝改供熱，適合小機(jī)組，解耦幅度很小，以節(jié)能為主要目的。3.5.3循環(huán)水供熱，供熱量受發(fā)電量限制，補(bǔ)充蒸汽加熱要實(shí)現(xiàn)大幅度仍需進(jìn)一步熱電解耦。4 熱電解耦的推薦方案

采用汽汽引射器，以高壓蒸汽引射低壓蒸汽獲取中間壓力蒸汽予以利用，稱引射配汽，如汽輪機(jī)抽汽及過(guò)、再熱蒸汽之間引射的技術(shù)早已被廣泛的采用，在我國(guó)的大中型發(fā)電廠中已有近數(shù)百家的設(shè)備使用案例，只不過(guò)都不是用來(lái)將混合汽送回再熱器，即熱電解耦的概念。當(dāng)然高參數(shù)機(jī)組熱電解耦配汽用的汽汽引射器要求較高，不是一般的設(shè)計(jì)制造水平所能達(dá)到要求的。第四代汽汽引射器（聯(lián)調(diào)式）的推出使得其用于熱電解耦成了完全的可能。

抽汽機(jī)組，在小負(fù)荷時(shí)熱負(fù)載能力也小，這是共知的熱電牽連問(wèn)題。由于熱電牽連，我國(guó)冬季限制發(fā)電，導(dǎo)致了嚴(yán)重的供熱能力不足問(wèn)題。于是人們想到用新蒸汽或再熱蒸汽減溫減壓供熱的辦法?？墒菍?duì)再熱機(jī)組來(lái)說(shuō)抽汽量沒(méi)辦法提上去，原因是：用新蒸汽或冷再汽過(guò)多，再熱蒸汽量相對(duì)減少就會(huì)造成，鍋爐過(guò)熱器超溫，反過(guò)來(lái)用，抽取再蒸汽過(guò)多會(huì)造成中壓缸進(jìn)汽量減少引起機(jī)組轉(zhuǎn)子推力失衡，即使從中壓缸進(jìn)汽口以后抽汽過(guò)多同樣會(huì)引起機(jī)組轉(zhuǎn)子推力減小?？傊瑹o(wú)論從什么部位抽汽都不能同時(shí)解決好這兩個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)只有一條路能走通，這就是向再熱器回送蒸汽，而后再?gòu)臒嵩俪槠岵拍芮擅畹赝瑫r(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題。前述的高低旁聯(lián)合配汽方案正?；谶@種思路，只不過(guò)該方案存在一些不完善的問(wèn)題。而采用汽汽引射器配汽正是要把這些不完善的方面完善化。（見圖三

熱再抽汽量+減溫水量。

圖三 采用汽汽引射器進(jìn)行配汽解耦的方案圖

前面談到，要實(shí)現(xiàn)大幅度解耦必須從汽輪熱再進(jìn)汽抽汽，但小負(fù)荷采用高旁減溫減壓，使蒸汽比容擴(kuò)大進(jìn)熱再系統(tǒng)流量受限。引射配汽法，利用汽汽引射器將高排壓力升高以后，比容變小了，流過(guò)再熱器及管路的阻力問(wèn)題也就解決了。這里也有一個(gè)有趣的邏輯：小負(fù)荷時(shí)，高排量小，雖然壓力低，但新蒸汽量大，引射比小，升壓就容易實(shí)現(xiàn)。反過(guò)來(lái)，負(fù)荷大高排壓力高就更容易升壓至滿足流過(guò)再熱系統(tǒng)的比容要求了。這是一個(gè)自然彌補(bǔ)的過(guò)程，這個(gè)邏輯通過(guò)計(jì)算得到明確的驗(yàn)證。

正是有了變工況計(jì)算手段，在引射器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，才能夠保證在所有工況下性能滿足要求，即：出口壓力保證高于通過(guò)再熱器系統(tǒng)的最低壓力。900t/h以上這是真正的熱電解耦的效果。60m/s限速計(jì)算出的最大供汽量曲線是隨著電負(fù)荷下降的，理論負(fù)荷到零，最大供汽量也到零，這與熱電解耦的初衷是相悖的。350MW機(jī)組參數(shù)為依據(jù)。

直接利用高低壓旁減溫減壓犧牲了大量的蒸汽做功能力，引射配汽方案則不同，將新蒸汽的做功能力用于引射提升高排壓力，最終結(jié)果使得用于供熱的熱再汽壓力升高300MW機(jī)組：設(shè)計(jì)抽汽壓力

如圖五所示：采用供熱引射器獲得較高的供熱壓力有以下優(yōu)勢(shì)：4.3.1解決小負(fù)荷下中排壓力低不能滿足供熱要求問(wèn)題。4.3.2管徑選的細(xì)一些可以節(jié)省投資減少散熱量。4.3.3換熱器的換熱系數(shù)可以增大，節(jié)省換熱面積。4.3.4增加蒸汽節(jié)能靈活性措施，如引射乏汽、熱泵及小汽輪機(jī)拖動(dòng)等。4.4汽汽引射器技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介,編寫出了非常精確的計(jì)算軟件。特別是變工況計(jì)算更是難上加難，如果沒(méi)有變工況數(shù)據(jù)，引射器的推廣應(yīng)用就大受限制，因?yàn)樽児r是廣泛存在的。除計(jì)算理論正確外，還要通過(guò)長(zhǎng)期大量的實(shí)踐案例來(lái)檢驗(yàn)修正。

圖六 第一代引射器示意圖

85%-100%）。4.4.3第三代多通道型（又稱多噴嘴型）：此技術(shù)是目前通用技術(shù)。為了使小負(fù)荷下有引射效果，將大設(shè)備分解成多個(gè)小設(shè)備，集裝在一起，用一個(gè)執(zhí)行器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通常分三段較多。4.4.4 第四代聯(lián)調(diào)型：在設(shè)備中心設(shè)置一條通長(zhǎng)芯子，調(diào)節(jié)過(guò)程中使噴嘴喉部面積、出口面積和混合面積同時(shí)嚴(yán)格按比例變化，而且混合室長(zhǎng)度也同時(shí)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以保持最佳工作狀態(tài)，從而使負(fù)荷從小到大都能保證較高的引射系數(shù)，可簡(jiǎn)單理解為”的方式。除此以外，第四代產(chǎn)品還具有占用空間更小，安裝運(yùn)行方便，故障率低等諸多優(yōu)點(diǎn)。

引射配汽方案的安全性是大家最為關(guān)心的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題需要從以下三個(gè)方面予以論述：4.5.1變工況安全性分析

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看：4.5.1.1在DN700計(jì)算）最大為884.407t/h，通過(guò)再熱器沒(méi)有問(wèn)題。4.5.1.2在3.8424MPa，小于額定值

321.1℃控制，所以再熱器超溫不可能。0，系統(tǒng)自然恢復(fù)加裝前狀態(tài)。不會(huì)由引射引發(fā)系統(tǒng)事故，只是抽汽能力會(huì)減小至解耦前狀態(tài)。4.5.2突然失控

國(guó)內(nèi)目前已有上汽汽千臺(tái)引射器在用，基本都是第三代及以前的產(chǎn)品，通常壓力等級(jí)也較低。用于超臨界主蒸汽上的設(shè)備很少

增加引射配汽的改造參考方案，對(duì)熱控調(diào)節(jié)的要求與改造前變化不大，以豐潤(rùn)唐山熱電系統(tǒng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)述如下（見圖五）：4.6.1中低壓缸導(dǎo)汽管調(diào)節(jié)閥控制其閥后壓力為150t/h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)也可進(jìn)一步調(diào)小），但上限不超過(guò)

0.4MPa。4.6.3用供熱引射器的減溫水量控制其出口的供熱蒸汽溫度。4.6.4用配汽引射器進(jìn)汽量控制冷再壓力，同步控制了熱再壓力。壓力設(shè)定值以變工況計(jì)算的數(shù)據(jù)擬合成曲線，在

DCS軟件補(bǔ)充。4.7.2投資估算300MW機(jī)組而言，引射配汽方案投資約1億元上下，節(jié)約投資1千億元以上。5 結(jié)論

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【 蔡義清300MW級(jí)機(jī)組能效水平對(duì)標(biāo)及競(jìng)賽指標(biāo)分析報(bào)告2】國(guó)家發(fā)展改革委 關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見2018〕)3】王穎2015.12

【 提升熱電機(jī)組靈活性改造技術(shù)方案研究《中國(guó)電力》[1] China electric power enterprise federation Cai Yiqing  The level of energy efficiency for standard and competition data analysis of thermal power level of 300MW unit for 2016

[3] Wangying several injector design methods comparison  and the development of integration software for injector design and  performance analysis    2015.12

<span "="" style="font-size: 16px;">[4] Supeng etc.  Scheme research about the improvement technologies of heat power flexibility of unit  "China power" 2018.5 P87

作者簡(jiǎn)介：朱建文，男，高級(jí)工程師，從事汽機(jī)、鍋爐、熱力試驗(yàn)、引射器技術(shù)研發(fā)和推廣工作多年。