兩種水煤比控制策略下調(diào)峰機(jī)組的能耗特性

王朝陽(yáng), 常仁杰, 朱慶玉, 劉明, 嚴(yán)俊杰

(1.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安; 2.華能丹東電廠, 118300, 遼寧丹東)

近年來(lái),國(guó)家大力支持發(fā)展可再生能源發(fā)電,以緩解電力供應(yīng)對(duì)化石能源的依賴和減輕發(fā)電行業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)的壓力,但可再生能源發(fā)電具有間歇性、周期性、隨機(jī)波動(dòng)性和地域局限性等特點(diǎn),其并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了新挑戰(zhàn)[1]。充分挖掘和利用火電機(jī)組熱力系統(tǒng)自身的靈活運(yùn)行能力是緩解新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)帶來(lái)壓力的一個(gè)有效途徑[2]。超(超)臨界火電機(jī)組頻繁地參與電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù),機(jī)組長(zhǎng)期處于變負(fù)荷狀態(tài),調(diào)峰瞬態(tài)已成為新的“能源形勢(shì)”下的常態(tài)。研究火電機(jī)組在瞬態(tài)過程中的能耗特性,充分提高火電機(jī)組在變負(fù)荷瞬態(tài)過程中的能量轉(zhuǎn)換效率顯得尤為必要。

建立高精度的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)模型是研究機(jī)組在瞬態(tài)過程能耗特性的基礎(chǔ)。Van等建立了蒸汽動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型,在此基礎(chǔ)上研究了其動(dòng)態(tài)特性[3-4]。Alobaid等研究了超臨界機(jī)組啟動(dòng)和變負(fù)荷過程的動(dòng)態(tài)特性[5]。Hentschel等對(duì)超臨界燃煤機(jī)組的二次調(diào)頻特性進(jìn)行了研究[6]。楊勇平等研究了燃煤機(jī)組余熱充分利用及變工況高背壓空冷機(jī)組的冷端優(yōu)化等[7-8]。韓小渠等對(duì)褐煤預(yù)干燥燃煤發(fā)電系統(tǒng)的變工況性能進(jìn)行了研究,分析了預(yù)干燥程度對(duì)機(jī)組發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的影響[9]。李冰心等研究了燃煤機(jī)組采用蒸汽噴射器引入給水系統(tǒng)進(jìn)而優(yōu)化機(jī)組低負(fù)荷脫硝性能和熱經(jīng)濟(jì)性能[10]。綜上所述,對(duì)于火電機(jī)組的瞬態(tài)過程,多數(shù)學(xué)者的研究?jī)?nèi)容為建立準(zhǔn)確的仿真模型并依據(jù)模型研究其動(dòng)態(tài)特性;一些學(xué)者對(duì)機(jī)組穩(wěn)態(tài)變工況的能耗特性進(jìn)行了研究,但較少涉及到瞬態(tài)過程的能耗特性及其主要的影響因素。

熱工控制是機(jī)組實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷過程的必要手段,水煤比控制是機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心[11],控制效果關(guān)乎機(jī)組瞬態(tài)過程能耗特性的關(guān)鍵。谷俊杰等根據(jù)電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)研究了關(guān)聯(lián)規(guī)則算法在電廠水煤比控制數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用[12]。顧德東等針對(duì)某電廠水冷壁超溫等問題,將原來(lái)的煤跟水控制修改為水跟煤控制,并完成了機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化,最終提高了參數(shù)的控制品質(zhì)[13]。綜上所述,關(guān)于水煤比控制策略,以往的研究主要集中在主要參數(shù)的控制精度上,較少涉及到水煤比控制策略對(duì)變負(fù)荷控制過程中的機(jī)組能耗特性的研究。

機(jī)組的控制策略會(huì)影響整個(gè)瞬態(tài)過程的主要參數(shù)變化,進(jìn)一步影響瞬態(tài)過程的能耗特性。本文以660 MW超臨界燃煤機(jī)組為研究對(duì)象,在搭建完善的熱力系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上,對(duì)水煤比控制策略分別采用水跟煤(WFC)和煤跟水(CFW)的控制方式,在50%～100%的負(fù)荷工況范圍內(nèi)進(jìn)行升、降負(fù)荷仿真計(jì)算,獲得了兩種水煤控制方式下機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行過程中主要參數(shù)的累計(jì)偏差和變負(fù)荷瞬態(tài)過程的能耗特性,對(duì)機(jī)組的實(shí)際調(diào)峰運(yùn)行具有一定的借鑒意義。

1 機(jī)組模型

1.1 660 MW超臨界燃煤機(jī)組GSE仿真模型

圖1為660 MW超臨界、一次中間再熱機(jī)組仿真系統(tǒng)模型圖,機(jī)組鍋爐和汽輪機(jī)的主要參數(shù)如表1所示,燃用煤種如表2所示。模型利用GSE仿真軟件搭建,模型的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)精度驗(yàn)證已在之前的工作中完成[14-16]。

表1 機(jī)組的額定熱力參數(shù)

1.2 變負(fù)荷過程的主要參數(shù)控制效果的計(jì)算方法

機(jī)組瞬態(tài)過程結(jié)束的標(biāo)志是整個(gè)機(jī)組的總蓄熱量不再發(fā)生變化,即實(shí)時(shí)蓄熱量與穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下相等或者十分接近。對(duì)于特定的升負(fù)荷(降負(fù)荷)過程,機(jī)組變負(fù)荷瞬態(tài)過程的起點(diǎn)和終點(diǎn)是確定的,采用不同的控制邏輯,對(duì)機(jī)組變負(fù)荷過程主要輸出參數(shù)會(huì)有較大影響。變負(fù)荷過程機(jī)組主要參數(shù),如主汽壓力、溫度等與設(shè)定值之間存在差異。為了比較不同控制方式下機(jī)組主要參數(shù)的控制效果,以瞬態(tài)過程的參數(shù)偏差積分量作為計(jì)算基礎(chǔ),具體計(jì)算方法[17]如下

圖1 660 MW超臨界燃煤機(jī)組GSE仿真模型

w/%(工業(yè)分析)MarAarVarFCarw/%(元素分析)CarHarOarNarSar16.0117.3237.6629.0152.53.039.960.540.64

注:M、A、V、FC分別表示水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳;下標(biāo)ar表示收到基。

(1)

(2)

式中:Xp是機(jī)組瞬態(tài)過程壓力累計(jì)偏差;p(τ)是機(jī)組主汽壓力;Xt是機(jī)組瞬態(tài)過程主汽溫度的累計(jì)偏差;T(τ)是機(jī)組主汽溫度;τ0是瞬態(tài)過程的總時(shí)間;下標(biāo)rt表示實(shí)時(shí)值,sp表示設(shè)定值。

圖2為瞬態(tài)過程中機(jī)組蓄熱率變化及τ0的確定方法。對(duì)于τ0的計(jì)算做出以下規(guī)定:計(jì)算不同控制策略下機(jī)組瞬態(tài)過程結(jié)束的總時(shí)間時(shí)以時(shí)間長(zhǎng)的為準(zhǔn)。例如,A策略下τA為1 ks,B策略下τB為2 ks,則計(jì)算時(shí)取τ0=2 ks,即在比較不同控制策略的優(yōu)劣時(shí),其前提是保證瞬態(tài)過程的總時(shí)間一致。

圖2 變負(fù)荷瞬態(tài)過程機(jī)組的蓄熱率變化

1.3 機(jī)組變負(fù)荷過程能耗的計(jì)算方法

瞬態(tài)過程機(jī)組的主要能耗特性指標(biāo)計(jì)算方法如下。

機(jī)組瞬態(tài)運(yùn)行過程中的總發(fā)電量

(3)

機(jī)組瞬時(shí)給煤量分為負(fù)荷指令下的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)給煤量和瞬態(tài)過程的煤耗增量?jī)刹糠?瞬態(tài)過程總的煤耗增量用ΔB表示,計(jì)算公式如下

(4)

(5)

瞬態(tài)過程總的標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增量用Δbs表示,計(jì)算公式如下

(6)

不同控制方式下機(jī)組在瞬態(tài)過程的煤耗率增量差Δ(Δbs)由下式計(jì)算

Δ(Δbs)=Δbs,WFC-Δbs,CFW

(7)

2 兩種典型的水煤比控制策略

變負(fù)荷過程中水煤比需根據(jù)中間點(diǎn)溫度(或焓值)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),在保證鍋爐熱負(fù)荷和機(jī)組負(fù)荷相適應(yīng)的前提下,鍋爐過熱蒸汽溫度應(yīng)控制在設(shè)定值附近[13]。目前,應(yīng)用較多的水煤比控制方式分為煤跟水和水跟煤兩種控制策略[18]。

煤跟水的控制策略如圖3所示,鍋爐主控回路計(jì)算結(jié)果(BID)通過函數(shù)發(fā)生器形成基本給水流量指令,變負(fù)荷過程中增加前饋給水流量指令。水煤比的輸出用于修正燃料指令的設(shè)定,此時(shí)燃料指令設(shè)定值主要包含3部分:BID經(jīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)的基本燃料量指令,此信號(hào)是穩(wěn)態(tài)時(shí)燃料指令的基礎(chǔ);基于變負(fù)荷前饋的燃料量指令,用來(lái)修正變負(fù)荷過程中水煤比的動(dòng)態(tài)偏差;水煤比控制輸出的燃料量指令,此信號(hào)用于控制汽水分離器入口的蒸汽過熱度和鍋爐主蒸汽溫度。各個(gè)主要控制前饋量需與機(jī)組負(fù)荷指令經(jīng)函數(shù)發(fā)生器形成的修正系數(shù)相乘,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同負(fù)荷率下的前饋控制。

水跟煤的控制策略如圖4所示,BID指令通過函數(shù)發(fā)生器形成燃料指令,變負(fù)荷過程中增加前饋燃料指令。水煤比的輸出用于修正給水流量指令的設(shè)定,此時(shí)給水流量指令設(shè)定值主要包含3部分:BID經(jīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換來(lái)的基本給水流量指令,此信號(hào)是穩(wěn)態(tài)水煤比的基礎(chǔ);基于變負(fù)荷前饋的給水流量指令,用來(lái)修正變負(fù)荷過程中水煤比的動(dòng)態(tài)偏差;水煤比控制輸出的給水流量指令,此信號(hào)用于控制汽水分離器入口的蒸汽過熱度和鍋爐主蒸汽溫度。水煤比控制中,過熱度調(diào)節(jié)器輸出作為其主要部分,末級(jí)過熱蒸汽溫度偏差以及各初級(jí)過熱蒸汽溫度偏差之和作為其前饋信號(hào)。

3 計(jì)算結(jié)果及討論

實(shí)時(shí)負(fù)荷、主汽溫度、主汽壓力和發(fā)電功率是機(jī)組的主要輸出參數(shù),Xp、Xt反映機(jī)組瞬態(tài)運(yùn)行的靈活、跟隨性,瞬態(tài)過程中Δ(Δbs)是能耗特性指標(biāo)。圖5～圖10是機(jī)組變負(fù)荷瞬態(tài)過程的主要指標(biāo),計(jì)算過程中變負(fù)荷范圍為50%～100%,變負(fù)荷速率Ve為6、10、14和18 MW·min-1。

圖3 煤跟水控制邏輯

圖4 水跟煤控制邏輯

3.1 實(shí)時(shí)負(fù)荷變化

調(diào)峰過程中機(jī)組以變負(fù)荷速率6 MW·min-1升、降負(fù)荷時(shí)的負(fù)荷指令和實(shí)時(shí)負(fù)荷率的變化趨勢(shì)如圖5所示。對(duì)比CFW和WFC兩種控制方式可知,CFW的負(fù)荷跟隨性較好。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖5 變負(fù)荷過程中負(fù)荷率的變化趨勢(shì)

3.2 主汽壓力累計(jì)偏差

圖6給出了機(jī)組主汽壓力的變化趨勢(shì),主汽壓力設(shè)定值由機(jī)組滑壓運(yùn)行曲線得到。從圖6a可知,升負(fù)荷過程中,在兩種水煤控制方式下,機(jī)組的實(shí)時(shí)主汽壓力都低于設(shè)定值。比較WFC和CFW控制方式下的主汽壓力變化趨勢(shì),可知后者相對(duì)波動(dòng)小。從圖6b可知,降負(fù)荷過程中,實(shí)時(shí)主汽壓力高于設(shè)定值,CFW控制方式下,其最大超調(diào)量更小。總之,在變負(fù)荷過程中,CFW控制方式下機(jī)組的主汽壓力控制效果更佳,且兩種控制方式之間的控制效果差異較為明顯。其原因如下:對(duì)于WFC控制邏輯,給煤速率主要隨負(fù)荷變化,通過調(diào)整給水流量來(lái)控制蒸汽參數(shù)等,而對(duì)于CFW控制邏輯,給水流量跟隨負(fù)荷平穩(wěn)上升,汽水側(cè)壓力更容易控制,通過調(diào)整給煤速率來(lái)控制蒸汽參數(shù),可見前者給水流量微調(diào)時(shí)汽水側(cè)的壓力更容易波動(dòng)。另外,在1～1.5 ks之間,水蒸氣在臨界點(diǎn)附近,其物性對(duì)外界擾動(dòng)比較敏感,蒸汽壓力也更容易波動(dòng)。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖6 變負(fù)荷過程中主汽壓力的變化趨勢(shì)

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖7 變負(fù)荷過程中的主汽壓力累計(jì)偏差

圖7a是機(jī)組以不同變負(fù)荷速率升負(fù)荷的過程。隨著變負(fù)荷速率的增加,Xp呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。對(duì)比兩種控制策略,發(fā)現(xiàn)WFC控制策略主汽壓力的累計(jì)偏差較大。圖7b是機(jī)組以不同變負(fù)荷速率降負(fù)荷的過程。對(duì)比圖7a、7b可知,降負(fù)荷過程的壓力累計(jì)偏差更大,即降負(fù)荷過程的主汽壓力更難控制。

3.3 主汽溫度累計(jì)偏差

圖8是機(jī)組變負(fù)荷過程中主汽溫度的變化趨勢(shì),采用CFW和WFC兩種控制方式都能保證主汽溫度在較小的范圍內(nèi)變化。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖8 變負(fù)荷過程中主汽溫度的變化趨勢(shì)

圖9a是機(jī)組以不同的變負(fù)荷速率升負(fù)荷的過程。隨著變負(fù)荷速率的增加,Xt的值基本不變,CFW控制策略主汽溫度的累計(jì)偏差略大。圖9b是機(jī)組以不同的變負(fù)荷速率降負(fù)荷的過程。對(duì)比圖9a、9b可知,不同的變負(fù)荷速率下鍋爐主汽溫度均得到了較好的控制。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖9 變負(fù)荷過程中的主汽溫度累計(jì)偏差

3.4 變負(fù)荷過程能耗特性

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖10 變負(fù)荷過程中的總發(fā)電量

為研究瞬態(tài)過程機(jī)組的能耗特性,需對(duì)整個(gè)變負(fù)荷瞬態(tài)過程中給煤速率、輸出功率等主要參數(shù)進(jìn)行積分求和并求其平均值,進(jìn)而得到瞬態(tài)過程中平均標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電煤耗率。機(jī)組在變負(fù)荷過程中的總發(fā)電量如圖10所示。隨著變負(fù)荷速率的增加,機(jī)組越快地從一個(gè)負(fù)荷變化到另一個(gè)負(fù)荷,瞬態(tài)過程持續(xù)的時(shí)間會(huì)越短,機(jī)組在瞬態(tài)過程的總發(fā)電量會(huì)越少。相同變負(fù)荷速率下,升負(fù)荷過程中CFW控制方式下機(jī)組的總發(fā)電量較WFC略多,當(dāng)Ve從6 MW·min-1增大到18 MW·min-1時(shí),Wtotal差值從0.3 MW·h增加到0.9 MW·h。降負(fù)荷過程中,機(jī)組的總發(fā)電量亦隨變負(fù)荷速率的增大而減少,CFW控制方式下機(jī)組的發(fā)電量較WFC少。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖11 變負(fù)荷過程中的平均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增量

根據(jù)式(7),可得機(jī)組變負(fù)荷機(jī)組在WFC和CFW兩種控制方式下的Δ(Δbs)。如圖12所示,隨著變負(fù)荷速率的增大,Δ(Δbs)逐漸增大,最大值為0.69 g·kW-1·h-1。

(a)升負(fù)荷過程

(b)降負(fù)荷過程圖12 變負(fù)荷過程中的平均標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增量差

4 結(jié) 論

本文利用基于GSE仿真平臺(tái)搭建的660 MW超臨界燃煤機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真模型,研究了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用兩種水煤比控制策略以不同的變負(fù)荷速率升、降負(fù)荷過程中,機(jī)組主要參數(shù)的累計(jì)偏差量以及機(jī)組瞬態(tài)過程的能耗特性,得到了以下結(jié)論。

(1)機(jī)組變負(fù)荷過程中,采用CFW控制方式較WFC控制方式的主汽壓力累計(jì)偏差更小,主汽溫度累計(jì)偏差更大。

(2)變負(fù)荷過程中,升負(fù)荷瞬態(tài)過程的主汽壓力累計(jì)偏差較降負(fù)荷時(shí)小,主汽溫度累計(jì)偏差略小。

(3)采用CFW控制方式,變負(fù)荷瞬態(tài)過程具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率。變負(fù)荷瞬態(tài)過程中,隨著變負(fù)荷速率的增加,采用WFC控制方式較CFW控制方式的平均發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率增量最大相差0.69 g·kW-1·h-1。