1 GW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰下負(fù)荷響應(yīng)性能分析

蔣 斌

(華能玉環(huán)電廠,浙江玉環(huán) 317604)

0 引言

電監(jiān)會(huì)于2006年發(fā)布《××區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》《××區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》,簡稱“兩個(gè)細(xì)則”。隨著電網(wǎng)“兩個(gè)細(xì)則”管理制度的落實(shí),電力調(diào)度對(duì)發(fā)電機(jī)組的指令響應(yīng)能力要求更趨嚴(yán)格化,給燃煤發(fā)電機(jī)組運(yùn)營和盈利帶來一定的沖擊,尤其對(duì)于近年新生的大容量直吹制粉系統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組,因?yàn)槿萘吭黾又率蛊湫顭崮芰ο鄬?duì)下降,不同程度地出現(xiàn)負(fù)荷無法嚴(yán)格按照設(shè)定速率動(dòng)態(tài)跟隨調(diào)度指令的情況。隨著“兩個(gè)細(xì)則”考核制度的落實(shí),這項(xiàng)矛盾逐漸轉(zhuǎn)化為當(dāng)前生產(chǎn)經(jīng)營的一項(xiàng)主要問題,有可能給燃煤電廠帶來每月巨大的經(jīng)濟(jì)和形象損失。通過對(duì)玉環(huán)電廠超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組最近實(shí)際指令、參數(shù)、負(fù)荷響應(yīng)和控制邏輯的分析,探討大容量燃煤發(fā)電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性受協(xié)調(diào)模式的影響,并從控制原理上提出改進(jìn)的建議。

1 機(jī)組設(shè)備概況

1.1 鍋爐

鍋爐由哈爾濱鍋爐廠引進(jìn)日本三菱技術(shù)制造的1 GW超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐,型號(hào)為HG-2953/27.46。鍋爐在30%至100%負(fù)荷范圍內(nèi)以純直流方式運(yùn)行。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng),每爐配6臺(tái)磨煤機(jī)。機(jī)組配置2臺(tái)50%鍋爐最大連續(xù)出力(B-MCR)調(diào)速汽動(dòng)給水泵和1臺(tái)啟動(dòng)用25%B-MCR容量的電動(dòng)調(diào)速給水泵。調(diào)溫方式除采用煤/水比外,還采用煙氣出口調(diào)節(jié)擋板、燃燒器擺動(dòng)和噴水等方式。

1.2 汽輪發(fā)電機(jī)組

汽輪發(fā)電機(jī)組由上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的1 GW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組,型號(hào)為N1000-26.25/600/600,型式為超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級(jí)回?zé)岢槠?/p>

1.3 控制系統(tǒng)

分布式控制系統(tǒng)(DCS)采用艾默生(EMERSON)過程控制有限公司基于So laris操作系統(tǒng)的OVATION系統(tǒng),汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)采用西門子公司的SPPA-T3000系統(tǒng),鍋爐給水泵控制系統(tǒng)(M EH)采用三菱重工DIASYSNETMATION系統(tǒng)。

1.4 機(jī)組負(fù)荷控制策略

玉環(huán)電廠1 GW超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略如圖1所示。

圖11 GW機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略方框圖

機(jī)組參與調(diào)峰時(shí),負(fù)荷指令來自于電網(wǎng)調(diào)度指令。在電網(wǎng)頻率未達(dá)到相應(yīng)限制(偏離±0.033 Hz)的情況下,機(jī)組指令嚴(yán)格接受此調(diào)度負(fù)荷指令。正常情況下無負(fù)荷增/減閉鎖條件觸發(fā),并且機(jī)組指令在設(shè)定的負(fù)荷指令上下限范圍內(nèi),此時(shí)當(dāng)機(jī)組指令發(fā)生變化,比例—積分—微分(PID)模塊根據(jù)設(shè)定的負(fù)荷變化率計(jì)算輸出并疊加一次調(diào)頻負(fù)荷分量形成機(jī)組實(shí)時(shí)目標(biāo)負(fù)荷指令(MWD)。機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷指令分別送入鍋爐主控與汽機(jī)主控。

機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷指令送入鍋爐主控,以要求鍋爐提供相應(yīng)負(fù)荷的能量輸入。鍋爐輸入指令需要滿足對(duì)應(yīng)負(fù)荷指令下的基本能量需求,并且還要疊加額外指令(汽壓補(bǔ)償量)用于壓力修正,同時(shí)為了加快負(fù)荷相應(yīng),還接受了當(dāng)前實(shí)時(shí)負(fù)荷偏差量。由此形成的鍋爐輸入指令送往燃料主控和給水主控等,以直接控制煤、水和風(fēng)等基本輸入量。同樣,為了加快負(fù)荷相應(yīng)能力,各基本輸入量控制也接受負(fù)荷指令前饋,以便彌補(bǔ)或減輕從風(fēng)煤水投入到熱量產(chǎn)出的遲滯效應(yīng)。

機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷指令送入汽機(jī)主控,以要求汽輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)出相應(yīng)的電能。玉環(huán)電廠1 GW機(jī)組在汽機(jī)功率指令計(jì)算中,加入了延時(shí)算法模塊和汽壓抑制量。延時(shí)算法模塊的作用是為了防止汽機(jī)功率指令發(fā)生突變,而汽壓抑制量則是希望汽機(jī)主控在一定程度上(當(dāng)汽壓偏差超出設(shè)定死區(qū))協(xié)助鍋爐主控穩(wěn)定汽壓。汽機(jī)功率指令送入西門子T3000控制系統(tǒng),通過汽輪機(jī)DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制汽機(jī)調(diào)門,以發(fā)出要求的電能。

1.5 機(jī)組控制策略對(duì)負(fù)荷相應(yīng)性能影響

由機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略可看出,實(shí)時(shí)電功率指令并不是直接來自MWD,而是經(jīng)過延時(shí)算法模塊,引入了汽壓偏差(PTDEV)抑制量。正常加減負(fù)荷時(shí)調(diào)度負(fù)荷,自動(dòng)發(fā)電量控制(AGC)指令經(jīng)過預(yù)設(shè)變負(fù)荷速率(如10 MW/min)生成實(shí)時(shí)目標(biāo)負(fù)荷指令,所以,MWD指令能夠很好地跟隨AGC指令。汽機(jī)功率指令是由MWD經(jīng)過汽壓偏差修正后得出(死區(qū)為0.25MPa),因?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)受煤種變化、再熱汽減溫水、吹灰等因素的常規(guī)擾動(dòng),汽壓偏差會(huì)頻繁變化,時(shí)大時(shí)小,時(shí)正時(shí)負(fù),導(dǎo)致汽機(jī)DEH功率指令不能嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)變負(fù)荷速率變化。汽壓偏差的修正作用也會(huì)使汽機(jī)DEH功率指令變化速率有時(shí)達(dá)不到機(jī)組負(fù)荷變化率要求,有時(shí)超過機(jī)組負(fù)荷變化率要求,使機(jī)組負(fù)荷無法精確跟隨AGC指令。

上述控制策略能夠較好地實(shí)現(xiàn)壓力與負(fù)荷的對(duì)應(yīng)互動(dòng),壓力不夠時(shí)負(fù)荷慢加、壓力過高時(shí)負(fù)荷慢減,在機(jī)組變負(fù)荷過程中盡量保持壓力與負(fù)荷對(duì)應(yīng)。采用這種控制策略犧牲了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速率,沒能充分地發(fā)揮汽輪機(jī)調(diào)門的作用。在加負(fù)荷時(shí)如果出現(xiàn)汽壓偏低,汽輪機(jī)功率指令上升速率就會(huì)降低,而調(diào)門由于接受到的汽輪機(jī)功率指令偏低,導(dǎo)致調(diào)門開度較小,處于節(jié)流狀態(tài),無法發(fā)揮開大調(diào)門增加負(fù)荷的能力。在這種情況下,即便汽輪機(jī)DEH調(diào)節(jié)系統(tǒng)、調(diào)門響應(yīng)性能完好,調(diào)門還有足夠的調(diào)節(jié)余量,也可能因?yàn)槠麎浩x設(shè)定值而導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷偏離實(shí)時(shí)負(fù)荷指令,最終導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷無法跟隨調(diào)度負(fù)荷指令。

2 典型負(fù)荷響應(yīng)曲線分析

由于篇幅所限,現(xiàn)以1號(hào)機(jī)負(fù)荷響應(yīng)曲線為例進(jìn)行分析,如圖2所示,圖中 X座標(biāo)每格為3 min。機(jī)組連續(xù)加負(fù)荷(負(fù)荷變化率為10 MW/ min):由于汽壓偏差抑制,使汽機(jī)DEH功率指令偏離MWD指令過多(雖然電動(dòng)率能良好跟隨DEH指令,且汽輪機(jī)高調(diào)門開度僅34%,還有很大余量),導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷過多偏離調(diào)度指令要求。

圖21 號(hào)機(jī)負(fù)荷響應(yīng)曲線示意圖

查閱4臺(tái)機(jī)組加負(fù)荷曲線,發(fā)現(xiàn)這些機(jī)組的實(shí)際負(fù)荷都無法很好地貼合機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷指令,經(jīng)常偏離調(diào)度指令曲線,無法達(dá)到調(diào)度的要求。究其原因,都在于機(jī)組汽壓偏差對(duì)DEH功率指令有一抑制量,使得DEH接受DCS來的功率指令無法貼合機(jī)組實(shí)時(shí)負(fù)荷指令,從而在汽壓偏低時(shí)無法實(shí)現(xiàn)開大汽輪機(jī)調(diào)門加負(fù)荷,浪費(fèi)了汽輪機(jī)調(diào)門本來可以釋放的節(jié)流損失能量。對(duì)于鍋爐來講,汽壓的偏差在一定程度內(nèi)是可以接受的,從圖中也可以看出,當(dāng)前的調(diào)節(jié)系統(tǒng)既過度地嚴(yán)格維護(hù)著機(jī)組的汽壓穩(wěn)定,又寬松地對(duì)待機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)能力。

3 提升機(jī)組調(diào)度指令響應(yīng)性能的探討

機(jī)組升降負(fù)荷時(shí),伴隨著水、煤、風(fēng)等能量的輸入和電負(fù)荷的輸出,實(shí)質(zhì)上是汽壓、調(diào)門開度和負(fù)荷的關(guān)系,在“兩個(gè)細(xì)則”的約束下,能否滿足實(shí)時(shí)負(fù)荷成為主要的矛盾,機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)要盡可能的使實(shí)時(shí)電功率貼合實(shí)時(shí)目標(biāo)負(fù)荷指令(包括采用調(diào)節(jié)汽輪機(jī)調(diào)門的手段)。而實(shí)際汽壓與設(shè)定汽壓瞬時(shí)稍微偏離(小于1MPa)并不會(huì)產(chǎn)生較大影響,可以通過鍋爐BID作用于煤、水來調(diào)節(jié)。

1)實(shí)現(xiàn)完全基于爐跟隨模式下的協(xié)調(diào) 汽輪機(jī)DEH負(fù)荷指令、鍋爐BID指令直接接受機(jī)組實(shí)時(shí)目標(biāo)負(fù)荷指令,而BID指令還要接受機(jī)組負(fù)荷指令前饋量、主汽壓力補(bǔ)償量,負(fù)荷變化時(shí)汽壓偏差可以通過爐側(cè)BID指令去調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)同時(shí)加減負(fù)荷并且鍋爐調(diào)節(jié)主汽壓力、汽機(jī)保證變負(fù)荷速率,基本保證機(jī)組負(fù)荷能夠精確的貼合調(diào)度負(fù)荷指令、機(jī)組負(fù)荷能較好的貼合調(diào)度曲線,在“兩個(gè)細(xì)則”實(shí)施下發(fā)電廠不僅免于考核,而且將會(huì)得到資金、電量上的獎(jiǎng)勵(lì)受益。

2)保持機(jī)組控制模式不變,弱化汽壓偏差對(duì)汽輪機(jī)DEH功率指令的影響 通過放大汽壓偏差對(duì)DEH功率指令的控制死區(qū)來實(shí)現(xiàn)。在汽壓偏差不是太大的情況下例如小于1 MPa,使汽機(jī)DEH功率指令始終貼合機(jī)組實(shí)時(shí)目標(biāo)負(fù)荷指令,保證機(jī)組負(fù)荷能較好的跟隨調(diào)度指令。當(dāng)汽壓偏差過大(超出控制死區(qū)),汽輪機(jī)DEH功率指令減緩變化速率,短時(shí)犧牲負(fù)荷變化率來輔助汽壓調(diào)整。無論采用哪種模式,由于汽輪機(jī)對(duì)汽壓的調(diào)整被削弱或喪失,汽壓穩(wěn)定性相對(duì)目前會(huì)變差,所以必須強(qiáng)化BID對(duì)汽壓偏差的調(diào)控能力,強(qiáng)化BID汽壓PID分量的調(diào)節(jié)能力,措施如下:

1)機(jī)組加負(fù)荷 BID、煤、水、DEH指令同時(shí)增加,如果因?yàn)槠麎浩褪箼C(jī)組負(fù)荷低于汽機(jī)功率設(shè)定,汽輪機(jī)會(huì)逐漸全開調(diào)門暫時(shí)釋放節(jié)流損失幫助加負(fù)荷,以達(dá)到負(fù)荷變化率,同時(shí)帶來的汽壓下降由BID繼續(xù)增加鍋爐輸入來調(diào)節(jié),進(jìn)一步增強(qiáng)加負(fù)荷能力;如果汽壓適當(dāng),則汽輪機(jī)調(diào)門正常調(diào)節(jié);如果汽壓偏高使機(jī)組負(fù)荷高于汽機(jī)功率設(shè)定,則調(diào)門暫時(shí)關(guān)小增加節(jié)流損失減緩加負(fù)荷,以達(dá)到負(fù)荷變化率。

2)機(jī)組減負(fù)荷 BID、煤、水、DEH指令同時(shí)下降,如果因?yàn)槠麎浩呤箼C(jī)組負(fù)荷高于汽機(jī)功率設(shè)定,汽輪機(jī)會(huì)暫時(shí)關(guān)小調(diào)門增加節(jié)流損失幫助減負(fù)荷,以達(dá)到負(fù)荷變化率,同時(shí)帶來的汽壓升高由BID繼續(xù)減少鍋爐輸入來調(diào)節(jié),進(jìn)一步增加降負(fù)荷能力;如果汽壓適當(dāng),則汽輪機(jī)調(diào)門正常調(diào)節(jié);如果因?yàn)槠麎浩褪箼C(jī)組負(fù)荷低于汽機(jī)功率設(shè)定,則調(diào)門暫時(shí)開大減少節(jié)流損失幫助減緩降負(fù)荷,以達(dá)到負(fù)荷變化率。