0 引言

我国现有的燃煤热电厂大多采用抽汽供热方式，即锅炉产生的高温高压蒸汽在汽轮机中部分做功发电后对热用户供热，实现将燃烧化学能转化为高品位的热能用于发电，将做了部分功的低品位热能用以对外供热^[1]，供热与发电相互关联，即热电耦合。我国北方地区冬季寒冷，供热需求很大，而这一时期的风力资源又最丰富。如何既能满足热用户需求，又能调整好热电厂的发电负荷，最大限度消纳风电等新能源，成为电网调度亟待解决的问题。本文通过对抽汽供热式汽轮机组的可调电负荷进行理论分析和计算，为电网调度提供一种简单直观的负荷调度依据。

1 抽汽供热机组抽汽需求量的计算 1.1 环境变化与热负荷的关系

在我国，采暖热负荷是以功率形式确定的，其计算方法如下^[2]：

(1)

式中Q_{h, a} —采暖设计热负荷，kW；

q_h，a—采暖热负荷指标，W/m²；

A_c—采暖面积，m²。

q_{h, a}的计算公式如下：

(2)

式中q_h—设计热负荷指标，W/m²；

t_i—室内计算温度，℃；

t_a—室外平均温度，℃；

t_a.h—室外计算温度，℃。

环境温度不同，热用户对热负荷的需求也有所不同，故q_{h, a}根据热用户的不同而不同。同一用户在不同环境温度下，其所需热负荷也有所不同。因此对于一个地区来说，在1个供热周期内所需的热负荷是随外界温度变化的动态过程。

1.2 抽汽参数对供热抽汽流量的影响

热电联产汽轮机是采用部分做功后的蒸汽进行供热，因此供热蒸汽的温度、压力等参数与汽轮机的发电功率、运行参数有关。现有汽轮机大多采用“定-滑-定”的运行操作方式，即在不同的负荷段采用不同的蒸汽参数，因此供热抽汽参数也发生变化。依据能量守恒原理建立能量平衡方程式，最终得到供热抽汽流量计算公式：

(3)

式中D_c—供热抽汽流量，t/h；

Q_r—采暖热负荷，kW；

h_cq—供热抽汽焓，kJ/kg；

h_ss—供热疏水焓，kJ/kg。

由于水和水蒸气的焓与其温度及压力有关，因此温度及压力的变化将对抽汽放热量产生影响。供热抽汽放热以蒸汽汽化潜热为主，而过热蒸汽的过热部分焓值对供热能力影响并不大。以某C300/ 235-16.7/0.35/537/537型机组为例，设热负荷指标为0.02 kW/m²，供热面积为6.2 km²。对该机组不同参数下的抽汽流量进行计算，计算结果见表 1。

通过表 1可以看出，当机组抽汽流量基本保持不变时，受蒸汽流量变化影响较大的是新蒸汽在供热抽汽之前做功引起的电负荷和可抽蒸汽流量。由此可说明：当热负荷确定后，供热抽汽流量及其对应的最低主蒸汽流量即可确定，最终能够确定机组的最低及最高电负荷范围。

2 抽汽供热机组电负荷的计算 2.1 基本原理

汽轮发电机组运行期间的热力过程是一个动态的平衡过程，在热力学中，焓是表征物质系统能量的一个重要状态参量^[3]。焓与物质的温度、压力有关。汽轮机在运行过程中，蒸汽的温度、压力等参数的变化将直接造成其焓值的变化。焓值的变化又会进一步影响各级抽汽流量及汽轮机内各级的蒸汽流量。对于汽轮机来说，级内蒸汽压力随着进入下一级的蒸汽流量的变化而变化，在压力变化不大的情况下，蒸汽流量D与蒸汽压力p的比值不变。由此便得到1个重要的关系公式：

(4)

式中p、p′—参数变化前、后蒸汽压力；

D、D′—参数变化前、后蒸汽流量。

由公式（4）可以看出，给定供热抽汽流量，可计算抽汽供热期间的各级抽汽压力，并据此可计算对应的抽汽焓。对于抽汽供热机组，通过外部环境温度及供热面积获取机组所需的供热抽汽流量后，可依据公式（5）计算相应的主蒸汽流量及电负荷（即发电机端功率）。

(5)

式中N_gl—发电机端功率，kW；

D₀—主蒸汽流量，kg/h；

h₀—主蒸汽焓，kJ/kg；

D_hrh—再热蒸汽流量，kg/h；

h_hrh—再热蒸汽焓，kJ/kg；

D_crh—冷再热蒸汽流量，kg/h；

h_crh—冷再热蒸汽焓，kJ/kg；

D_cqi—第i段回热抽汽流量，kg/h；

h_cqi—第i段回热抽汽焓，kJ/kg；

D_pq—低压缸排汽流量，kg/h；

h_pq—低压缸排汽焓，kJ/kg。

2.2 电负荷计算中的关键问题

确定机组供热抽汽量的关键问题有：第一，外部环境条件下的热用户需求量的确定；第二，汽轮机运行期间在供热抽汽部位可供抽取的蒸汽流量的确定。现有供热抽汽机组供热抽汽大多设置在中压缸排汽与低压缸进汽导气管上，并在低压缸入口处装有供热抽汽调整蝶阀，在机组运行过程中可通过调整供热抽汽蝶阀开度来调整供热抽汽流量。为了保证机组的运行安全并保护汽轮机末级叶片，汽轮机生产厂家规定了机组运行期间低压缸的最低蒸汽流量，将低压缸最低进汽流量与供热抽汽需求量相加，可得出供热条件下的中压缸最低排汽流量。

低压缸排汽焓h_pq是确定机组电负荷的1个关键参数。汽轮发电机组在运行过程中，一般会维持相对稳定的排汽压力，故将中压缸排汽流量的设计值对应的低压缸排汽焓作为计算供热抽汽后的排汽焓^[4]。在此基础上对供热抽汽对应流量下的最低发电负荷进行计算，便可获得此时的发电功率^[4-7]。

2.3 最高可调电负荷的计算

汽轮机运行中除额定负荷工况外还有1个最大连续出力工况（TMCR工况），在此工况对应的主蒸汽流量下，不同供热抽汽流量对应的电功率即可认为是供热抽汽流量对应的最大可调电负荷。

3 供热期可调电负荷的确定 3.1 热负荷计算

内蒙古某地区近5 a冬季室外计算平均温度为-16.6 ℃（见图 2所示），相应采暖热负荷指标按照CJJ 34—2010《城镇供热管网设计规范》取51.2 W/m²，供热面积为6.2 km^{2 [2]}，计算该地区冬季不同温度下的采暖热负荷参数，见表 2。

根据不同时期的室外温度、热负荷指标及供热总面积，通过上述方法即可获得不同时期的供热抽汽需求量（如图 3）。

电网调度部门可根据供热负荷需求量与机组抽汽能力确定何时启动备用机组，以弥补热负荷不足的问题。

3.2 机组可调电负荷的计算

某C300/235-16.7/0.35/537/537型机组设计额定抽汽流量为400 t/h，机组低压缸最小排汽流量为90 t/h，配套锅炉最大蒸发量（BMCR）为1025 t/h。考虑到锅炉低负荷稳燃，确定最低蒸发量为35%BMCR，即358.75 t/h。在此条件下依据上述方法对不同供热抽汽流量下的电负荷进行计算，从而得到机组的最高、最低可调电负荷曲线（如图 4）。

由图 4可以看出，机组抽汽流量较小时，可调最低电负荷呈下降趋势，而当达到一定抽汽量后，可调最低电负荷开始上升。分析原因如下：为了保证锅炉的稳定燃烧，锅炉在35%BMCR蒸发量下运行，此时机组具有一定的供热抽汽能力，此时进行供热抽汽便会减少部分蒸汽在低压缸内的做功，从而使可调最低电负荷下降。随着抽汽流量的继续增加，为了保持低压缸的最低进汽流量，需要增加机组的新蒸汽流量，随着新蒸汽流量的增加，其在高中压缸内的做功也不断增加，因此可调最低电负荷开始上升。

通过对地区不同室外温度、热负荷需求、机组供热抽汽流量对应的电负荷可调范围进行综合计算，最终获得机组在整个供热期内的电负荷可调范围曲线（见图 5）。

4 结束语

本文所述供热期可调电负荷计算方法是一种方便而实用的计算方法，它将外部环境与汽轮机内部热力计算有机结合，不仅可以计算当前环境条件下可调电负荷的负荷区间，而且可依据环境温度的变化规律有效预测未来某一时间的热负荷需求情况及对应电负荷的可调范围。因此，可以利用此方法实现对抽汽供热机组在供热期内调峰能力的精确计算，在为电网调度提供可靠调度依据的同时，还可为新能源消纳、节能减排提供技术支持，使电网及发电厂能够有效挖掘机组在新能源消纳方面的潜力，实现社会效益和经济效益的双丰收。