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ThermalPowerGeneration
ISSN1002-3364,CN61-1111/TM
《热力发电》网络首发论文
题目:热电联产机组工业供汽优化控制机理研究
作者:邓佳,许朋江,居文平,马汀山
DOI:.202207117
收稿日期:2022-07-06
网络首发日期:2022-08-05
引用格式:邓佳,许朋江,居文平,
[J/OL].:///
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发论文视为正式出版。
网络首发时间:2022-08-0511:24:04
网络首发地址:.
THERMALPOWERGENERATION
热电联产机组工业供汽优化控制机理研究
邓佳,许朋江,居文平,马汀山
(西安热工研究院有限公司,陕西西安710054)
[摘要]针对热电联产机组工业供汽引起能耗大幅升高,导致电厂热经济性下降的问题,以某310
MW机组为研究对象,进行EBSILON平台建模模拟和真机试验研究,计算冷段再热蒸汽
抽汽(冷再)和热段再热蒸汽抽汽(热再)2种汽源、/
参数、不同负荷下机组运行状态,分析㶲损耗特性、能耗临界特性等,得到了工业供汽优
化控制机理。结果表明:冷再和热再汽源下,机组热耗率存在差异;工业供汽存在一条能
耗临界特性曲线,该曲线对机组经济运行意义重大。只有当机组在该曲线右侧区域工况运
行时,工业供汽工况热耗率才小于相同电负荷纯凝工况机组热耗率,工业供汽对降低能耗
水平有益,机组热经济性提高;机组在曲线左侧运行时,工业供汽工况热耗率大于纯凝。
建议热电厂工业供汽改造时,合理规划各机组间工业供汽流量及汽源参数。
[关键词]工业供汽;热经济性;㶲损耗;能耗临界特性;优化控制机理
[中图分类号]TK26[文献标识码]B[DOI编号].202207117
[引用本文格式]邓佳,许朋江,居文平,[J].热力发电DENGJia,XU
Pengjiang,JUWenping,[J].Thermal
PowerGeneration
Studyonoptimalcontrolmechanismofindustrialsteamsupplyfor
cogenerationunits
DENGJia,XUPengjiang,JUWenping,MATingshan
(Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710054,China)
Abstract:Theenergyconsumptionofcogenerationunitisgreatlyincreasedduetoindustrialsteamsupply,which
,a310MWunitisselectedastheresearch

simulatetheoperatingconditionsoftheunitundertwosteamextractionsources,threeextractionpressures,and

,theheatconsumptionoftheunitisdifferentunderthesteam

.
Onlywhentheunitoperatesontherightareaofthecurve,theunitheatconsumptionoftheindustrialsteam
supplyconditionislessthanthatofthepurecondensingcondition,andtheindustrialsteamsupplyisbeneficialto

leftareaofthecurve,theheatconsumptionunderindustrialsteamsupplyconditionisgreaterthanthatofpure

unitsshouldbereasonablyplannedduringthetransformationofindustrialsteamsupplyinthermalpowerplant.
Keywords:industrialsteamsupply;thermaleconomy;exergyloss;energyconsumptioncriticalcharacteristics;
optimalcontrolmechanism
随着我国电力产业结构不断调整及优化,火力发电厂单一依靠发电扩大经营收益受到了一定的
收稿日期:2022-07-06
基金项目:中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ20-H73)
Supportedby:ScienceandTechnologyProjectofChinaHuanengGroupCo.,Ltd.(HNKJ20-H73)
第一作者简介:邓佳(1990),女,硕士,工程师,主要从事热能动力工程方面的研究工作,******@。
2
限制,许多电厂发展工业供汽,实现热电联产[1-4]。汽轮机、发电机、凝汽器、凝结水泵组、低压加热
火电厂的能源利用率仅为40%左右,而热电厂是一器(低加)、除氧器、汽动给水泵组、高压加热器
种既产电又产热的先进能源利用形式,既节约了能(高加)、锅炉及汽水管道等。汽轮机组变工况运
源,又可替代分散供热的小锅炉以改善环境质量,行方式为滑压运行,以汽轮机组高压缸进汽调节阀
其热效率一般都在45%以上[5-7]。全开工况热平衡特性为计算基准,分别模拟以冷再
冷段再热蒸汽抽汽(冷再)和热段再热蒸汽抽和热再作为抽汽汽源、/
汽(热再)是常见且重要的工业供汽方式,机组运种抽汽压力、不同负荷工况机组运行状况。根据
行的经济性与抽汽参数合理性紧密相关[8-10]。为制Flügel公式,以各级段流量变化,计算变工况后的
定经济合理的工业供汽改造方案,学者分别研究了压力和抽汽焓[22-23]。图1a)和图1b)分别为冷再和热
热泵、背压汽轮机排汽、减温减压器、压力匹配器再工业抽汽EBSILON平台计算模型。
等不同供工业蒸汽方案,对同类型机组供热改造具
有一定借鉴意义[11-13]。为进一步提高热电联产机组
运行的经济性,已有学者分别从减少二次换热器㶲
损耗、提高乏汽余热利用、减少抽汽节流损失等方
面进行了研究,提出了串并联耦合吸收式热泵、优
化背压的新型多热源梯级供热、增加背压机等改进
方案,优化后系统综合能效和经济性得到改善
[14-15]。为优化热电联合系统的微电网协调调度并降
低运行成本,相关学者分别通过蒙特卡洛实验比
对、改进混沌粒子群优化算法、分层优化调度等方a)冷再工业抽汽
式对微电网进行研究[16-19]。然而实际生产中,有些
工业供汽的抽汽位置选取不合理或运行控制不合
理,工业供汽反而引起机组能耗升高,机组运行的
热经济性变差,统计煤耗和计算煤耗严重不一致,
导致电厂生产亏煤,造成经营困局。目前对于热电
联产机组工业供汽热经济性方面研究较少[20],尤其
是工业供汽优化控制机理研究更少[21]。
针对热电联产机组工业供汽引起机组能耗大
幅升高、运行热经济性变差的问题,本文以某电厂
310MW真机为研究对象,采用EBSILON平台,
b)热再工业抽汽
对冷再和热再2种抽汽汽源、不同抽汽参数、不同
图1EBSILON平台计算模型

拟,分析了机组㶲损耗特性、能耗临界特性等,得

到了工业供汽优化控制机理,掌握了工业供汽对热
电联产机组运行热经济性影响规律。对该模型机组建立㶲分析模型,对工业供汽系
统进行㶲损耗分析。汽轮机任意抽汽点相对于排汽
1计算模型及方法状态的㶲值[24-25]可用表示为:
𝑒𝑥=(ℎ−ℎ0)−𝑇0(𝑠−𝑠0)(1)
本文汽轮机计算模型为上海电气式中:ex为单位质量蒸汽相对于排汽状态的㶲值,
N310-。额定蒸汽流量kJ/kg;h为蒸汽焓,kJ/kg;h0为排汽焓,kJ/kg;s
,/(kW·h),。为单位质量蒸汽的熵,kJ/(kg·K);s0为排汽熵,
/(kg·K);T0为排汽的环境温度,等于低压缸排汽
采用EBSILON平台进行建模。计算边界包括:温度,也等于凝汽器内汽侧温度,K。

邓佳等热电联产机组工业供汽优化控制机理研究3
冷再/热再蒸汽压力较低时,采用中压缸进汽调拟值在趋势上有很高的一致性,且试验热耗率比模
节阀节流憋压,阀前压力升高以满足工业供汽压力拟值略高。330MW负荷工况时,试验值比模拟值
需求,阀后压力下降产生节流损失。%;140MW负荷工况时,试验值比模拟值高
算见式(2)。%。本文模型机组的EBSILON模拟结果与真机
Δ𝑒=𝑒−𝑒的试验结果比较相近,对比结果表明平
𝑥𝑥1𝑥2EBSILON
台的模拟结果具有较高的可靠性。
=[(ℎ1−ℎ0)−𝑇0(𝑠1−𝑠0)]
−[(ℎ2−ℎ0)−𝑇0(𝑠2−𝑠0)]
=(ℎ1−ℎ2)−𝑇0(𝑠1−𝑠2)
=−𝑇0(𝑠1−𝑠2)
=𝑇0(𝑠2−𝑠1)(2)
式中:下标1为中压缸进汽调节阀前蒸汽状态参数;
下标2为中压缸进汽调节阀后蒸汽状态参数。

热耗率r是指汽轮发电机组每生产1kW·h的电
能所需要的热量,反映了发电厂的热经济性,是发
[25]
电厂重要的经济性指标之一。机组不对外供热时
的热耗率,即纯凝工况机组热耗率𝑟cn,计算见式(3)。图2纯凝工况机组热耗率的试验值和模拟值
机组对外工业供汽时的热耗率,
consumptionofunitunderpurecondensingconditions
组热耗率𝑟gy,计算见式(4)。同一电负荷工况,当纯
凝工况机组热耗率与工业供汽工况机组热耗率相3工业抽汽热经济性分析
等时,机组对外工业供汽流量定义为机组临界经济

流量mc(mc>0),计算见式(5)。可以通过纯凝工
况和工业供汽工况机组热耗率指标的对比,来判定通过EBSILON软件模拟出机组分别以冷再和
热再蒸汽作为抽汽汽源、抽汽压力下机组
该工业供汽是否有利于机组热经济性提高。
𝑄𝑐𝑛的热耗率特性曲线如图所示。
𝑟=(3)3
𝑐𝑛𝑃
𝑄−𝑚×(ℎ−ℎ)
𝑟=𝑔𝑦12(4)
𝑔𝑦𝑃
𝑄𝑐𝑛−𝑄𝑔𝑦
𝑚𝑐=(5)
ℎ1−ℎ2
式中:𝑟cn为纯凝工况机组热耗率,kJ/(kW·h);𝑟gy为
工业供汽工况机组热耗率,kJ/(kW·h);𝑄cn为纯凝
工况介质的锅炉吸热量,kJ/h;𝑄gy为工业供汽工况
介质的锅炉吸热量,kJ/h;𝑃为机组发电功率,kW;
m为机组对外工业供汽流量,kg/h;mc为机组临界
经济流量,kg/h;h1为工业抽汽焓值,kJ/kg;h2为
工业供汽回水焓值,kJ/kg。
2模型验证


industrialsteamextractionpressureofdifferentsteamsources
算结果有效,对模型机组的真机在330、300、250、
190、140MW工况下进行性能试验,测定机组热耗从图3可知,,同一
率。同时采用EBSILON平台对该机组在330、310、抽汽流量下,以冷再和热再分别作为抽汽汽源,机
230、190、155、124MW纯凝工况下的运行状态进组热耗率存在微小差异。随着机组负荷的减小,冷
行了静态模拟,预测机组热耗率。试验和模拟结果再和热再2种抽汽汽源的热耗率差异逐渐增大。该
如图2所示。从图2可知,机组热耗率试验值和模机组再热系统的设计压损为高压缸排汽压力的

4
%,热再蒸汽压力比冷再蒸汽压力低。同一抽汽
压力、流量工况下,如果冷再和热再的蒸汽压力均
可以满足工业用汽需求,则2种抽汽汽源机组的热
耗率相等;如果冷再或热再的抽汽压力不能满足工
业用汽需求,需要憋压节流以提高蒸汽压力满足工
业抽汽需求,憋压节流会产生一定能损,对机组热
经济性有害。热再蒸汽压力需要提升的幅度大于冷
再,热再蒸汽节流损失大于冷再,因此热再工业抽
汽工况机组热耗率大于冷再工业抽汽工况机组热
耗率。热耗率验收(turbineheatacceptance,THA)
b)
工况下,冷再和热再蒸汽压力均大于3MPa,2种
图4不同工业抽汽压力下机组热耗率特性曲线
抽汽汽源机组热耗率相等。75%THA~30%
况,机组冷再和热再蒸汽压力均低于3MPa,均需differentindustrialsteamextractionpressure
要憋压节流以满足工业抽汽需求,热再抽汽工况机

组节流损失更大,因此机组热耗率更大。75%THA、
图5为冷再汽源、
60%THA、50%THA、40%THA、30%THA工况,
力、不同电负荷工况下,工业供汽带节流(图中简
%~%、%~1%、
称供汽)和抽汽不节流(图中简称不节)时理论计
%~%、%~%、%~%。
算抽汽流量与抽汽压力特性曲线。

以冷再作为抽汽汽源,
,计算机组不同工况下的热耗率
特性曲线如图4所示。从图3—图4可知:以冷再
作为抽汽汽源,同一工业抽汽压力,随抽汽流量不
断增大,机组热耗率整体变化趋势是逐渐减小;电
负荷越低,热耗率变化率越大,热耗率特性曲线斜
率绝对值越大;电负荷高、抽汽流量小或电负荷低、
抽汽流量大的工业供汽工况机组热耗率相对较低。
,75%THA、60%THA、
40%THA工况,100t/h抽汽流量时热耗率分别为7
750、7959、8272kJ/(kW·h);320t/h抽汽流量时热a)
耗率分别为6832、6828、6722kJ/(kW·h)。
b)
a)-压力特性
-pressureunder
differentcoldreheatextractionpressure

邓佳等热电联产机组工业供汽优化控制机理研究5
表1为冷再汽源、、不MPa时,不同电负荷工况下抽汽流量-㶲损耗曲线,
同电负荷工况下,纯凝工况和工业供汽工况开始结果如图6所示。
(工业抽汽带节流)时高压缸排汽压力。从图6可知,为满足工业供汽压力需求,中压
缸进汽调节阀憋压节流产生的㶲损耗随着抽汽流

。当工业抽汽在

纯凝工况排汽工业供汽工况排汽节阀憋压节流产生的㶲损耗以及汽轮机中压缸进
运行工况
压力/MPa压力/MPa
汽循环热效率降低所产生的不利效果时,就表现为

75%。中压缸进汽调节阀憋压节流㶲
60%,
50%。75%THA负荷时
40%
影响量约33kJ/kg以内,50%THA时迅速增长到70
30%
kJ/kg左右。因此,一般工业供汽产生负节能效果的
从图5可知,同一抽汽压力、同一电负荷工况作用往往在低负荷小供汽量工况。
下,随着工业抽汽流量增大,高压缸排汽压力逐渐
减小。当高压缸排汽压力小于工业抽汽的用汽压力
时,通过中压缸进汽调阀憋压节流以满足工业抽汽
需求,憋压节流会产生一定的压损,对机组的热经
济性有害。本文将开始憋压节流的抽汽流量称为抽
汽憋压临界点mp。
从图5a)可知,,THA
,工
业供汽不需要憋压节流。75%THA和60%THA工
况抽汽憋压临界点分别为366t/h和115t/h,当抽汽
流量小于该临界值时,抽汽不节流工况高压缸排汽
图6中调门憋压节流㶲损耗变化
,
汽不节流工况;当抽汽流量大于该临界值时,需要
工业供汽能耗临界特性分析
。50%THA、
40%THA、30%THA抽汽不节流工况高压缸排汽压机组进行工业供汽可以减少冷源损失,以期降
,为满足工业用户用汽需求,开始低机组热耗率,提高机组运行的热经济性。然而当
。工业供汽压力高于高压缸排汽压力时,需要通过中
从图5b)和表1可知,,压缸进汽调阀憋压节流,以满足工业用户用汽参数
除THA抽汽不节流工况以外,其他抽汽不节流工需求,憋压节流产生能损,导致机组能耗增加。因
,抽汽憋压临此,工业供汽分摊引起能耗降低与憋压节流导致能
界点均为0,,使得电负荷相
以满足工业供汽压力需求。同时工业供汽工况与纯凝工况热耗率相等。把不同
对比图5a)和图5b)可知,同一电负荷,同一抽电负荷工况下临界值连接起来,即为机组工业供汽
汽流量工况下,抽汽压力越高,抽汽憋压临界点越能耗临界特性曲线。图7为冷再汽源、工业抽汽压
小,需要憋压节流的工况越多,/
多,所以日常运行中,应尽量降低工业供汽压力,到的机组工业供汽能耗临界特性曲线。
以减少节流损失,提高机组运行经济性。从图7可知,随着工业抽汽流量逐渐增大,热
。开始抽汽时流量较
以热再供汽为例,通过式(2),憋压节流导致的能耗增加起主导作用,机组工

6
业供汽工况热耗率急剧增大;随着工业抽汽流量逐表2工业供汽临界经济流量mc

渐增大,工业供汽分摊引起的热耗率降低作用逐渐
抽汽压力/MPa负荷mc/(t/h)
显现,当达到临界值mc时,机组工业供汽工况热耗
THA0
率与纯凝工况相等;随着工业抽汽流量的进一步增
75%THA0
大,热耗率逐渐减小至抽汽量为0时的水平后继续60%THA0

减小,即机组抽汽量大于临界值mc后,机组工业供50%THA7
汽工况热耗率相比于纯凝工况才是减小的,工业抽40%THA26
30%THA40
汽才对提高机组热经济性有益。表2为模型机组工
THA0
业供汽临界经济流量mc。75%THA0
60%THA16

50%THA31
40%THA48
30%THA60
THA0
75%THA11
60%THA38

50%THA52
40%THA68
30%THA78
从表2可知,工业抽汽压力越低,机组工业供
a)。THA工况高压缸排汽可以满
足工业用户需求,无憋压节流能量损失,各抽汽压
力下的供汽临界经济流量均为0。75%THA工况,
/,机
组工业供汽临界经济流量分别为0、0、11t/h,即
,高压缸排汽
可以满足工业用户用汽压力需求,只要开始抽汽,
工业抽汽就对降低机组能耗水平有益;
工业抽汽压力下,只有当机组工业供汽流量大于11
t/h时,工业供汽分摊引起的热耗率降低才占主导作
b)
用,机组工业供汽工况热耗率小于纯凝工况,工业
供汽才对降低机组能耗水平有益。由此可见,并不
是只要机组进行了工业供汽改造,机组能耗水平就
一定会降低。
机组在工业供汽能耗临界特性曲线左侧区域
工况运行时,工业供汽工况热耗率大于纯凝工况,
工业供汽热经济收益为负;机组在工业供汽能耗临
界特性曲线上运行时,机组工业供汽工况热耗率等
于纯凝工况热耗率,工业供汽热经济收益为0;机
组在工业供汽能耗临界特性曲线右侧区域工况运
行时,机组工业供汽工况热耗率小于纯凝工况热耗
c)
率,工业供汽热经济收益为正,工业供汽有益于降
图7不同抽汽压力下工业供汽能耗临界特性曲线
。从图5a)和图7a)可知,抽汽压力
energyconsumptionwithdifferentextractionpressure不变,随着电负荷减小,工业供汽临界经济流量逐

邓佳等热电联产机组工业供汽优化控制机理研究7
渐增大。,THA、75%THA、机组间供汽及汽源参数,尤其是对于工业抽汽流量
60%THA、50%THA、40%THA和30%THA工况机较小或电负荷较低的机组,很有必要进行经济性论
组工业供汽临界经济流量分别为0、0、0、7、26、证,以使单台机组尽量运行在能耗临界特性曲线的
40t/h。THA、75%THA、60%THA工况,无需节流。右侧区域。
50%THA工况,当抽汽流量大于0时,需要憋压节
流以满足工业用汽压力需求;当供汽流量大于7t/h[参考文献]
[]李政陈思源董文娟等碳约束条件下电力行业低
后,工业供汽分摊引起的能耗降低起主要作用,憋1,,,.
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压节流导致的能耗增加被平衡掉,因此工业供汽临3987-4000.
界经济流量为7t/h。40%THA和30%THA工况与LIZheng,CHENSiyuan,DONGWenjuan,
carbontransitionpathwayofpowersectorundercarbon
50%THA工况同理,[J].ProceedingsoftheCSEE,2021,
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[2]程耀华,张宁,康重庆,
热电联产机组在某些工况下,工业供汽梯级利架及展望[J].中国电机工程学报,2017,37(14):
用会适当增大高压缸的排汽压力,造成工业供汽临4060-4069.
CHENGYaohua,ZHANGNing,KANGChongqing,et
界经济流量增大。如果机组的工业抽汽流量不变,