热电联产机组热电特性及储热解耦技术研究

常仁杰朱庆玉段锡军尤景刚

（华能国际电力股份有限公司丹东电厂辽宁丹东118300）

摘要：热电联产机组热电特性复杂、热电耦合强烈，严重限制了热电联产机组的运行区间，采用储热有望实现热电联产机组的热电解耦，提升热电联产机组的运行灵活性。为此，本文结合实例机组，研究获得了热电联产机组的热电特性及储热解耦技术的解耦性能，发现采用储热后机组的最大供热能力显著提高，机组的最低电负荷率显著下降，解耦效果明显。

关键词：热电联产机组;电热特性;热电解耦;储热

随着社会的进步，人口的增长和人民物质需求的提高，世界的能源需求不断增加。2015年，全球能源消费量增长2.5%，而其主要的推动力为中国、印度等新兴经济体，能源消费依然侧重于化石燃料，化石燃料在能源消费中的份额高达87%，石油、煤炭和天然气各占一次能源消费量的33%、30%和24%。近年来随着能源解耦向着低碳化、清洁化方向发展，可再生能源占比逐渐提高。风能、太阳能等可再生能源发电时变特性强烈，造成弃风、弃光现象严重。

热电联产机组具有强烈的热-电耦合特性，严重限制了热电联产机组的运行区间。为此，对热电联产机组进行热电解耦至关重要。热电解耦改造技术主要有热电联产机组性能挖潜[1]、电锅炉、吸收式热泵、压缩式热泵、储热罐[2]，低压缸光轴改造[3]、主蒸汽减温减压等。储热是一种典型的热电解耦技术，本文对储热的热电解耦性能展开研究分析。

一、热电联产机组的电热特性

热电联产机组安全运行存在着一些限制条件：（1）主蒸汽流量不能超过汽轮机的最大进气量；（2）锅炉蒸发量不能低于锅炉稳燃的最小蒸发量；（3）低压缸进期流量不能低于最小凝汽流量；（4）供热抽汽参数需达到热用户的需求；（5）供热抽汽流量不能高于机组的最大供热抽汽量。在这些条件的限制下，热电联产机组由热电耦合特性。

本文计算的机组的单级抽汽式汽轮机组，它是中汽轮机中间（即中压缸与低压缸连通管处）抽取了一部分蒸汽作为热源用于对外供热。因此，进入汽轮机的新蒸汽可以分为两股，一股在汽轮机前半部分（即汽轮机高压缸和中压缸）做功后，从中压缸排汽口抽出用于供热，称为供热汽流；另一股则流过汽轮机的后半部分（即汽轮机低压缸）继续做功，最后排入凝汽器冷却，可称为凝汽汽流。案例机组会有凝汽汽流最终进入凝汽器直接凝结为水（即没有供热），因此效率低于背压式机组。

计算得到了案例热电联产机组的电热特性图，如图1所示。图1中，橙色线描述汽轮机主蒸汽量最大时，机组的电功率与热功率之间的耦合关系，最大发电负荷工作点的电功率为378MW。蓝色线为机组的背压工况线，在此工况线上，在保持最小凝汽流量的情况下，其余蒸汽均抽出供热，也称最大供热工况线，主蒸汽流量最大线与背压工况线的交点为机组的最大供热能力所在点，其机组的最大供热量为401MW。紫色线为机组的锅炉小蒸发量线。上述三条线所围成的区间为热电联产运行的安全区间。

图1热电联产机组电热特性图

二、储热的热电解耦性能分析

根据区域供热系统的特点，储热装置通常采用常压或承压式热水储热罐。一般而言，供热管网供水温度低于98℃时设置常压储热罐，高于98℃时设置承压储热罐。常压储热罐结构简单，投资成本较低，最高工作温度一般为95~98℃，储热罐内水的压力为常压，如同热网循环水系统的膨胀水箱；承压储热罐最高工作温度一般为110℃~125℃，工作压力与工作温度相适应，对储热罐的设计制造技术要求较高，但系统运行与控制相对简单，与热网循环水系统耦合性较好。储热装置通常建设在供热系统的热源侧，连接在热电厂与供热网络之间。常压类蓄热罐与承压类蓄热罐在热电厂中的配置方案有所不同。热电厂配置储热罐后，将具有以下几点优势：

（1）提高热电机组的运行灵活性，提高其调峰能力，为风电等可再生能源提供了上网空间。

（2）适应实时电价、峰谷电价等市场环境。在电价低时短，减小机组出力（小型背压式机组甚至可以停机），供热不足部分通过储热装置提供，提高热电厂的经济效益。

（3）平抑热负荷的波动，在热负荷较低时段蓄热，减少热源停机，而在峰荷时段，由储热削峰，避免使用更为昂贵的热源，如尖峰锅炉。

（4）维持集中供暖区域的常温，作为热源备用。

（5）实现热源与供热系统的优化与经济运行；

（6）热网系统中热源与用户之间的缓冲器；

（7）紧急事故补水；

（8）系统定压；

储热罐对供热机组调峰能力的贡献主要体现在通过一定程度的热电解耦，扩大了机组安全运行区间，根据上述计算的储热罐的最大储放热速率，得出配置储热罐后机组的电热特性图，如图2所示。蓝色线和红色线为配置储热罐后机组新的主蒸汽流量最大线和背压工况线，配置储热罐后，相较于原机组热电联产，其相当于热电联产主蒸汽最大线与背压工况线均向右平移201MW；当供热量为300MW时，则不带储热的机组在该供热量下的电负荷安全运行区间为261MW到313MW，当机组带有储热罐时，其电负荷的安全运行区间有所提升，电负荷调节范围扩大为128MW到357MW，上调增加44MW，下调增加134MW，其电功率上调与下调能力分别增加84.2%、256.3%。由此可见，配置储热罐可以明显提高供热机组的下调能力，对上调能力的提升较小。

图2采用储热的热电联产机组电热特性图

三、总结

储热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术，旨在解决热能供求之间在时间和空间上不匹配的矛盾，是提高能源利用效率的一种能源技术。本文研究表明，在热电联产机组中集成储热设备可以显著扩大热电联产机组的运行区间，效果显著。相较于原机组，当供热量为300MW时，其电功率上调与下调能力分别增加84.2%、256.3%。由此可见，配置储热罐可以明显提高供热机组的下调能力，对上调能力的提升较小。

参考文献

[1]裘浔隽，杨瑜文，林中达.用多变量模糊神经网络实现双抽汽轮机热电负荷的解耦控制[J].汽轮机技术.2003(02)：76-79.

[2]刘克为，孙源浦，赵宇炜等.火电灵活性改造技术——斜温层储热罐设计[J].汽轮机技术.2018(03)：179-180.

[3]陈建国，谢争先，付怀仁等.300MW机组汽轮机低压缸零出力技术[J].热力发电.2018(05)：106-110.