发电厂热力系统与电气系统的协同运行研究

摘要：本研究围绕发电厂热力与电气系统协同运行展开，剖析两者耦合机制，探究负荷分配、动态响应及能效优化中的交互作用与协同控制策略。通过分析案例验证，发现协同运行可降低能耗、提高电网响应能力。研究成果为发电厂高效、低碳运行提供参考，对推动现代电力系统智能化发展意义重大。

关键词：发电厂；热力系统；电气系统；协同运行；能效优化

1. 引言

在发电厂的生产运作中，热力系统与电气系统是实现能源转换与电力供应的核心部分。热力系统通过一系列复杂过程将燃料能量转化为机械能，电气系统则负责将机械能进一步转化为电能并输送至电网。二者的协同运行状况，直接关系到发电厂的发电效率、运行稳定性以及经济效益。然而，当前发电厂在这两个系统协同方面存在效率瓶颈，能源转换过程中能量损耗较大，并且在面对电网负荷变化时，动态响应不足，难以快速、稳定地满足供电需求。因此，深入研究两者的耦合关系，优化协同运行策略，对提升发电厂综合性能，推动电力行业可持续发展十分关键。

2. 热力系统与电气系统的耦合机制

2.1 热力系统对电气输出的影响

热力系统运行状态直接决定电气系统输出功率。锅炉作为热力系统关键设备，其效率影响显著。若锅炉燃烧不充分，产生蒸汽量少、品质差，汽轮机进汽不足，输出机械功率降低，发电机发电功率也随之下降。蒸汽参数同样关键，合适的蒸汽压力和温度能提升汽轮机热效率，增加发电功率。但参数异常时，如蒸汽温度过高可能损坏设备，过低则降低效率，限制发电功率输出。例如，某电厂在一次锅炉燃烧调整不当后，蒸汽温度下降50℃，发电功率瞬间降低8MW，严重影响了供电稳定性。

2.2 电气负荷对热力系统的反馈作用

电网负荷波动对热力系统影响深远。当负荷增加，发电机需提高输出功率，促使汽轮机增加进汽量、提升转速。这一变化打破热力系统原有热平衡，蒸汽压力和温度下降。为维持蒸汽参数稳定，锅炉需加大燃料供应，强化燃烧，增加蒸汽产量和压力。反之，负荷降低时，汽轮机进汽量减少，锅炉需相应调整燃烧工况。某区域电网在夏季用电高峰时，负荷短时间内大幅攀升，电厂发电机为满足需求增加输出功率，汽轮机进汽量骤增，导致蒸汽压力下降3MPa。锅炉紧急加大燃料供应，调整燃烧器角度，才使蒸汽参数恢复正常，保障了机组稳定运行。

3. 协同运行的关键问题与优化方法

3.1 负荷分配的经济性与稳定性

在发电厂的运行体系里，负荷分配是否合理，直接左右着整体运行的经济性与稳定性。传统分产模式下，热力系统与电气系统各自独立运作，仅追求自身系统的局部优化，忽略了两者间的内在联系和相互影响。热力系统主要关注蒸汽供应，电气系统则一心追求发电功率，缺乏有效协调。这种情况下，电力需求低而热力需求高时，电气系统可能发电过剩，热力系统却无法充分利用这些多余能量，造成能源浪费和成本增加。协同调度模式则截然不同，它将热力系统和电气系统视作一个有机整体，综合考虑多方面因素来优化负荷分配。既考虑锅炉产汽能力、汽轮机进汽要求、发电机发电效率等系统自身特性，也将能源成本、市场需求变化纳入考量。在电力负荷低谷且热力需求较高时，会适当降低发电功率，把部分蒸汽用于供热或其他工业生产，实现能源梯级利用，提高综合利用率；电力负荷高峰时，优先保障电力供应，精准调整热力系统参数，在满足电力生产的同时减少能源浪费。

3.2 动态响应协调策略

现代电力系统发展迅速，电网负荷波动的频率和幅度不断加大，这对发电厂热力和电气系统的动态响应能力提出了更高要求。一旦电网负荷突变，若两个系统不能及时协调响应，就会出现发电功率不稳定、电网频率波动过大等问题，严重影响供电质量和电网安全稳定运行。基于预测控制的快速调频与热力参数匹配方案，成为解决这些问题的关键。预测控制借助先进传感器技术和复杂算法，实时监测和分析电网频率、负荷变化趋势等关键数据，提前预测负荷变化。预测到负荷变化时，能提前向两个系统发出精确指令。在电气系统，快速调整发电机励磁电流和调速器参数，改变输出电压和转速，使发电机快速响应负荷变化，稳定电网频率。在热力系统，依据预测的负荷变化量，提前调整锅炉燃料供应量、汽轮机进汽调节阀开度等参数。预测到负荷上升，提前增加燃料供应，提升蒸汽产量和压力，确保汽轮机有足够蒸汽维持机械功率输出；预测到负荷下降，则相应减少燃料和进汽量，避免能源浪费和系统参数过度波动。

4. 案例分析与效果验证

4.1 某燃煤电厂协同运行仿真

以华能玉环电厂4×1000MW超超临界机组为研究对象，因其装机容量大，机组运行状况对电网影响重大。构建贴近实际的机组运行模型，模拟用电高峰负荷瞬间增30%、工业生产导致的负荷周期性大幅波动等场景，对比协同优化前后的运行指标，研究协同运行策略效果。优化前，负荷突变时热力和电气系统响应不同步。如负荷骤增30%，发电功率最大波动达20MW，影响电网供电稳定。为满足负荷，锅炉大量加燃料，每发一度电煤耗增加约12g，发电成本大增。优化后，先进的预测控制策略发挥作用。面对同样负荷突增30%的情况，发电机快速调整输出功率，波动控制在8MW以内。热力系统借助预测控制，提前调整燃料供应和蒸汽参数。预测到负荷上升，提前合理加燃料、优化蒸汽参数，保障汽轮机功率输出。经计算，协同优化后机组平均煤耗降低约8%，响应时间缩短约50%，机组运行性能和能源利用效率显著提升。

4.2 实际运行数据对比

华能玉环电厂在全面实施协同运行策略前后，对关键运行数据进行了细致的监测与统计，具体数据如下表所示：

从实际运行数据可以明显看出，实施协同运行策略后，华能玉环电厂4×1000MW机组的各项运行指标均得到显著改善。平均供电煤耗大幅降低，意味着在生产相同电量的情况下，燃料消耗显著减少，有效提升了能源利用效率，降低了发电成本，增强了电厂的经济效益。这些实际运行数据充分验证了协同运行策略在提升电厂运行性能、降低成本和提高可靠性方面的显著效果，为其他大型发电厂提供了极具价值的实践参考。

5. 结论与展望

本研究表明，热力系统与电气系统协同运行对提升电厂效率、增强稳定性和经济性效果显著。通过优化负荷分配和动态响应协调策略，可降低煤耗、提高能源利用率，增强电网响应能力，减少设备维护成本。随着可再生能源在电力系统中占比不断提高，未来研究应聚焦于热力、电气与可再生能源系统的多能耦合。探索多能耦合系统的优化调度、储能技术及协同控制方法，借助人工智能和大数据技术实现智能化运行控制和故障诊断，推动电力行业向高效、低碳、智能方向发展。

参考文献：

[1]钱辉.基于PLC的汽机电厂热力系统运行优化方法[J].自动化应用，2025，66（05）：21-23.

[2]左伟伟.某电厂供热系统优化调度方式及经济性分析[J].节能，2025，44（03）：22-24.