热控技术在热电联产机组灵活性改造中的应用

热控技术在热电联产机组灵活性改造中的应用

刘建武

大唐太原第二热电厂  山西省太原市   030041

摘要：实现碳达峰碳中和是一场伟大的“绿色革命”。煤电碳排放是能源行业碳排放最大来源。电力结构调整任重道远。随着居民采暖需求日益增加、供热品质要求逐年提高，供热机组调峰能力明显不足，“以热定电”与可再生能源消纳矛盾愈发突出。因此，火电增速大幅下滑、占比大幅减小，未来调峰、托底、保供将是火电机组的新任务！为尽快实现“3060”碳达峰碳中和的伟大目标，为更好的消纳可再生能源电力，火电机组灵活性改造势在必行，迫在眉睫。下面就我厂灵活性改造中相关热控技术的应用进行介绍。

关键词：碳达峰碳中和、灵活性改造、供热、热电解耦

一、灵活性改造的必要性

    自2015年以来，国家发改委、国家能源局为促进能源消费革命，相继出台了一系列灵活性改造相关电力改革文件。主要有：

2016年6月28日、7月28日，国家能源局先后下达两批火电灵活性改造试点项目的通知。

2016年7月22日，国家发展改革委、国家能源局《关于印发<可再生能源调峰机组优先发电试行办法>的通知》（发改运行〔2016〕155#8）要求“逐步改变热电机组年度发电计划安排原则，坚持以热定电，鼓励热电机组在采暖期参与调峰”。

2016年11月7日，国家发展改革委、国家能源局发布《电力发展“十三五”规划（2016-2020年）》文件。

2021年4月6日山西省能源局下发《关于进一步推进煤电机组灵活性改造的通知》（晋能源电力发〔2021〕148 号）。文件中按照“国家发展改革委、国家能源局《关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕280 号）文件精神，为充分挖掘存量煤电机组的调节能力，推进风光火（储）一体化发展，提升可再生能源消纳水平，促进能源行业转型升级”，明确要求“火电机组实施灵活性改造，供热面积及供热量较大的机组应优先选择热电解耦方案，在确保供热的前提下腾出更多的发电空间消纳新能源。

二、灵活性改造技术路线分析

借鉴国内较为成熟的技术，现阶段火电厂机侧调峰改造的方式有：直接空冷机组低压缸微出力改造、低压缸零出力改造、高低压旁路供热改造等。

我厂采用的是直接空冷机组低压缸微出力技术。它的本质是让低压缸在高真空运行条件下，通入少量的冷却蒸汽，大幅降低低压缸出力至3MW～4MW，实现低压缸微出力运行工况，减弱低压缸冷却流量和中排抽汽供热流量的耦合特性，从而提高机组供热能力和供热经济性，实现深度调峰的目的。

三、热控技术在灵活性改造中的应用

1、小容积流量工况时，蒸汽流量过小不足以带走汽轮机鼓风热量，就会引起低压缸过热，排汽缸变形等危及汽轮机安全的问题出现。在本次改造中，应进行低压缸喷水减温系统的改造，首先检查机组低压缸内喷水系统是否正常投入，喷嘴角度是否合适，若不合适需要调整；其次将目前较小的低压缸喷水管道更换为管径较大的管道，主要考虑凝结水泵低转速下，出口压力较低，若管道较细，阻力较大，使得喷水流量不足；三是在喷水管道上安装比较精确的调节阀和流量测量装置或者对调节阀自动参数进行试验优化，以便在运行时合理控制减温水量。（如下图所示）

2、增设低压缸安全监控测点。切缸运行时，因汽轮机低压缸小流量下，通流内部的温度场、流场变化，为确保机组运行安全，本工程改造需增加必要的温度、压力检测测点。对低压缸进汽管路增加3个0~200kPa进汽压力测点（绝压），压力测点安装与真空测点安装角度保持一致。低压缸排汽口每侧布置4个K型热电偶温度测点。对低压缸末级叶片进行监测。（如下图所示）

改造前                    改造后

3、空冷系统安全运行及在线监测系统改造。为方便运行人员准确、直观监测空冷岛的运行情况，建议在空冷岛安装一套温度在线监测系统，监测空冷岛运行温度场，温度监测的主要目标是能够监测到由于管束内部蒸汽凝结状态的变化，而引起温度场的变化。因此在整个逆流区的范围和顺流区的中下部是监测重点，依据流场计算结果在顺流区和逆流区的上、中、下部区域布置温度测点，使其能够覆盖到所有危险区域，达到监测的最大效果。

该监测系统配备单独的信号控制柜、监测软件及主机，监测电脑放置于主控操作台，便于运行人员随时查看。

4、真空系统优化改造。维持以往运行背压条件下，如进一步直接大幅度降低低压缸进汽流量，末级、次末叶片的鼓风状态会进一步加剧，使两级叶片出口温度大幅增加，动应力增大，直接影响末级、次末级的安全运行。而采用对低压缸喷水减温的措施，仅起到降低低压外缸温度的目的，不能有效解决通流部分的安全性问题。当低压缸进汽流量与背压呈正比下降时，其低压缸排汽容积流量可基本维持不变，低压缸末级叶片的动应力水平近似相等，低压缸整体运行的安全可靠性与低压缸在设计条件下最小冷却流量的运行方式基本一致。因此，降低运行背压，是实现降低低压缸最小冷却流量运行的有效途径。

我厂真空系统设有三台水环式真空泵，一运两备。真空泵入口设计极限背压为3.5kPa。水环真空泵入口背压受冷却水温影响较大，实际运行中普遍接近5kPa，主机背压会同步高于真空泵入口压力。进行灵活性切除低压缸运行时，结合已实施机组的运行情况，主机背压推荐运行区间为2~4kPa，现有设备已无法满足改造后运行条件，故需增设辅助抽真空设备使背压进一步降低，使机组满足改造后运行的目的。为保证上述设备安全稳定运行，新增一些气动门及监视测点。（如下图所示）

改造前                            改造后

为了保障机组在低负荷期间的稳定运行，为了保证机组紧急情况下的设备安全，对一些阀门进行了相关逻辑的优化。下面举一个例子。

比如“射汽抽汽器入口真空阀”，它只有下面四个条件都满足时，才会允许打开此执行机构：

1）任一水环真空泵运行；

2）驱动蒸汽母管气动阀已开且驱动蒸汽母管压力调节阀开＞10%；

3）空气换热器出口真空阀已开；

4）空气换热器疏水阀已开。

而它的保护关闭条件则是下列任一条件满足：

1）驱动蒸汽母管气动阀已关；

2）驱动蒸汽母管压力调节阀开度＜5%；

3）空气换热器出口真空阀已关；

4）空气换热器疏水阀10MAJ17AA081。

为了验证相关阀门是否已经开启或者关闭，在阀门前后都安装了表征压力和温度的测点，进一步保障设备安全稳定运行。

四、总结

正是因为热控技术在灵活性改造后的保驾护航，才能保证机组实现高负荷至低负荷的安全稳定切换，并且保证了正常情况下设备的监视和应急情况下的设备的快速联锁、保护，最终为我厂带来了可观的经济效益。

参考文献：

1、居文平，张建元  火电机组灵活性运行技术综述与展望   热力发电，2018

2、苏承国，周凌安  基于电源灵活性裕度的含风电电力系统多源协调调度方法   电力系统自动化  2018

3、胡玉清，马先才  我国热电联产领域现状及发展方向   黑龙江电力，2008

4、张继权  火电灵活性提升可行方案的研究   电力科技   2016