淺析1000MW機(jī)組供熱一次調(diào)頻控制應(yīng)用

韓 崗 陳 梁 徐曉輝

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

0 前言

圖1 供熱系統(tǒng)改造圖

1 供熱系統(tǒng)簡介

漕涇電廠在克服各項(xiàng)邊界條件的限制后完成了供熱系統(tǒng)的綜合改造，使兩臺(tái)機(jī)組都具備抽汽供熱系統(tǒng)。抽氣供熱分為高壓抽汽供熱和中壓抽汽供熱系統(tǒng)，分別引至高壓供汽管網(wǎng)及中壓供汽管網(wǎng)。為了保證機(jī)組在低負(fù)荷情況下能安全、穩(wěn)定對(duì)外進(jìn)行高壓供熱，從汽輪機(jī)補(bǔ)氣閥前將蒸汽引出經(jīng)減溫減壓后作為高壓供熱汽源的補(bǔ)充。供熱系統(tǒng)示意圖見圖1。

2 供熱系統(tǒng)參與調(diào)頻方案設(shè)計(jì)

2.1 過載補(bǔ)汽閥的適時(shí)投用

漕涇電廠完成#0抽汽供熱改造并投用供熱后，如果汽輪機(jī)過載補(bǔ)汽閥打開，主蒸汽會(huì)直接進(jìn)入到#0抽汽供熱管道，導(dǎo)致供熱蒸汽超溫超壓，影響供汽品質(zhì)。因此，在#0抽汽供熱投用情況下，對(duì)補(bǔ)汽閥進(jìn)行閉鎖，導(dǎo)致機(jī)組在此工況下一次調(diào)頻的部分功能缺失。在#0抽汽不投用的情況下，可以重新投用補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻。

2.2 供熱系統(tǒng)快速加負(fù)荷的方案設(shè)計(jì)

上海市一次調(diào)頻考核主要判斷在60秒內(nèi)機(jī)組能夠貢獻(xiàn)的積分電量增值。在此情況下，可利用機(jī)組發(fā)電過程中存儲(chǔ)于熱力系統(tǒng)中的能量補(bǔ)充燃料響應(yīng)的慣性和遲延。燃料量調(diào)節(jié)負(fù)荷存在大慣性大遲延，而利用機(jī)組熱網(wǎng)具有的蓄熱能量，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)低頻故障時(shí)，借助前饋控制快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，快速關(guān)小高壓或中壓供熱調(diào)門的方式來響應(yīng)一次調(diào)頻動(dòng)作，利用減少汽輪機(jī)的抽汽量，為機(jī)組貢獻(xiàn)負(fù)荷。同時(shí)由于供熱管網(wǎng)的蓄熱作用，關(guān)小供熱調(diào)壓閥門短時(shí)間內(nèi)對(duì)熱網(wǎng)影響不大。一般情況下，一次調(diào)頻發(fā)生的持續(xù)時(shí)間較短，這段時(shí)間內(nèi)減少抽汽量對(duì)整個(gè)供熱系統(tǒng)的壓力和溫度的影響不大，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的供熱系統(tǒng)蒸汽參數(shù)在熱網(wǎng)許可的變化范圍內(nèi)，進(jìn)行抽汽供熱參與一次調(diào)頻。

雖然熱網(wǎng)儲(chǔ)能兼具容量大和負(fù)荷調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，但其容量有限，與鍋爐儲(chǔ)能相同，最終仍需要燃料能量來補(bǔ)充。因此，利用熱網(wǎng)儲(chǔ)能快速增加負(fù)荷的方案，必須實(shí)現(xiàn)能量在不同尺度上的配合?？焖僭黾迂?fù)荷響應(yīng)方面，借助前饋控制，將一次調(diào)頻加負(fù)荷指令分別作為燃料、給水和供熱調(diào)門的前饋，形成多尺度前饋控制方案。

2.3 供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

漕涇電廠供熱運(yùn)行使用一抽或冷再供汽時(shí)，如因負(fù)荷較低而不能滿足熱網(wǎng)要求，可適時(shí)切換至壓力高一等級(jí)的抽汽供汽（如：冷再切至一抽，一抽切至#0抽），在滿足供熱要求的情況下，應(yīng)盡量使用低壓力的抽汽供汽，從而達(dá)到機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的效果。因此，當(dāng)一次調(diào)頻低頻動(dòng)作，要求加負(fù)荷時(shí)盡量選擇相對(duì)參數(shù)較高的供熱汽源進(jìn)行優(yōu)先切除，同時(shí)增加了高、中壓缸的做功效率。

3 供熱調(diào)門控制邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)一次調(diào)頻低頻故障快速響應(yīng)負(fù)荷和漕涇電廠供熱運(yùn)行規(guī)程，兩臺(tái)機(jī)組并列向同一母管供熱時(shí)，控制兩機(jī)供熱調(diào)門后壓力、流量相近，單機(jī)供熱流量擬大于30t/h，便于減溫水的調(diào)節(jié)，在供熱調(diào)門控制上達(dá)到快切慢回的控制效果。

根據(jù)上文2．2節(jié)的方案預(yù)想，采用多尺度--前饋控制（詳見圖2），即利用前饋控制把供熱閥位快速、準(zhǔn)確的關(guān)至預(yù)設(shè)定位置，從而快速增加機(jī)組負(fù)荷；再通過函數(shù)，把一次調(diào)頻加負(fù)荷指令分解，增加燃料量、給水量，從而補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)的能量，達(dá)到一次調(diào)頻的控制要求。

圖2 供熱調(diào)門多尺度-前饋控制框圖

為了緩慢恢復(fù)到一次調(diào)頻前工況，在控制邏輯中，引入記錄當(dāng)時(shí)調(diào)頻前歷史供熱工況機(jī)制，保留供熱調(diào)門切除前的反饋位置，變?yōu)榛謴?fù)供熱的目標(biāo)值，此過程跟蹤實(shí)際供熱壓力，為了減少供熱調(diào)門自調(diào)頻恢復(fù)狀態(tài)到自動(dòng)調(diào)壓過程后的系統(tǒng)擾動(dòng)，從而達(dá)到一次調(diào)頻信號(hào)消失后，逐步恢復(fù)，緩慢提高蒸汽流量。

6.有些學(xué)者對(duì)各種視角進(jìn)行歸納總結(jié)，從綜合視角定義區(qū)塊鏈。比如，王元地等學(xué)者認(rèn)為區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N計(jì)算機(jī)技術(shù)在價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的創(chuàng)新應(yīng)用模式，是數(shù)據(jù)庫、密碼學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)整合集成的結(jié)果。

結(jié)合以上兩點(diǎn)，如發(fā)生電網(wǎng)低頻事故，把供熱調(diào)門快速關(guān)閉至20%左右（保留單機(jī)供熱量至30t/h以上）。當(dāng)一次調(diào)頻低頻差信號(hào)消失，在2分鐘內(nèi)，以勻速的速率把供熱調(diào)門恢復(fù)至記憶的目標(biāo)閥位。同時(shí)把調(diào)節(jié)閥在2分鐘恢復(fù)后的蒸汽壓力，與壓力目標(biāo)值的偏差寫入到供熱調(diào)節(jié)偏置中，由運(yùn)行人員手動(dòng)進(jìn)行微調(diào)，從而避免可能出現(xiàn)的控制系統(tǒng)大幅擾動(dòng)的問題。

供熱系統(tǒng)參與一次調(diào)頻控制過程中，引入一次調(diào)頻功能退出機(jī)制，如果發(fā)生供熱溫度及供熱壓力偏差大，或者運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)，退出該供熱調(diào)閥并退出一次調(diào)頻調(diào)節(jié)。重新投入自動(dòng)后恢復(fù)原調(diào)壓方式。

4 高壓抽汽供熱、中壓抽汽供熱一次調(diào)頻低負(fù)荷試驗(yàn)

4.1 高壓供熱抽汽系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)

圖3為機(jī)組負(fù)荷825MW時(shí)進(jìn)行高壓供熱調(diào)門快速關(guān)小時(shí)機(jī)組負(fù)荷的變化情況。

如圖3所示，高壓供熱調(diào)門從65%降至20%，供熱流量減少約68 t/h左右，機(jī)組在60秒內(nèi)增加的負(fù)荷約10．5MW，整個(gè)過程中最大增加約15．4MW。由于供熱調(diào)門后有減溫水調(diào)溫閥，能根據(jù)供熱量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此供熱擾動(dòng)過程中供廠外計(jì)量站的供熱溫度下降2℃。供熱量快速變化時(shí)，供熱壓力變化較小，至計(jì)量站的供熱壓力僅下降0．19MPa。高壓供熱調(diào)門在不同擾動(dòng)下負(fù)荷響應(yīng)及計(jì)量站溫度壓力變化情況見表1。

圖3 高壓供汽擾動(dòng)約66t/h時(shí)負(fù)荷變化情況

表1 高壓供熱調(diào)門擾動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從表1統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，高壓供熱調(diào)門擾動(dòng)下，機(jī)組在增加一定負(fù)荷的同時(shí)，對(duì)廠外計(jì)量站供汽壓力及供汽溫度的影響較小。

4.2 中壓供熱抽汽系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)

圖4為機(jī)組負(fù)荷940MW時(shí)中壓供熱調(diào)門快速關(guān)小時(shí)與機(jī)組負(fù)荷的變化情況。

由圖4可見，中壓供熱調(diào)門由70%降至30%，供熱流量快速減至71t/h,機(jī)組負(fù)荷在60s內(nèi)增大11MW，整個(gè)過程負(fù)荷最大增加14．1MW。中壓供熱調(diào)門擾動(dòng)過程中，廠外計(jì)量站出口溫度基本維持穩(wěn)定，但供熱壓力有明顯下降。當(dāng)供熱量擾動(dòng)70 t/h時(shí)，供熱閥后壓力下降了0．7MPa，至計(jì)量站時(shí)供熱壓力下降約0．66MPa。中壓供熱調(diào)門在不同擾動(dòng)下負(fù)荷響應(yīng)及計(jì)量站溫度壓力變化情況見表2。

圖4 中壓供熱擾動(dòng)約70 t/h時(shí)負(fù)荷變化情況

表2 中壓供熱調(diào)門擾動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可見，相比較于高壓供熱調(diào)門擾動(dòng)，中壓供熱調(diào)門擾動(dòng)下，計(jì)量站供熱壓力波動(dòng)較大。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

與漕涇電廠對(duì)接（計(jì)量站出口）的化工區(qū)熱網(wǎng)參數(shù)為：高壓蒸汽壓力范圍在4．9 MPa～5．4MPa，溫度330℃～345℃；中壓蒸汽壓力范圍在3．0 MPa～3．7MPa，溫度290℃～295℃。高壓供熱蒸汽壓力下降了0．19MPa，中壓供熱蒸汽壓力下降了0．66MPa，對(duì)熱網(wǎng)供應(yīng)系統(tǒng)影響較小。溫度指標(biāo)基本保持不變，高壓供熱擾動(dòng)試驗(yàn)調(diào)節(jié)效果優(yōu)于中壓供熱。

機(jī)組滑壓運(yùn)行，在不同的負(fù)荷、主汽壓力不同，相同頻差擾動(dòng)下，調(diào)頻能力差別很大。隨主汽壓力升高，調(diào)頻能力增加。從不同負(fù)荷下高、中壓調(diào)門擾動(dòng)試驗(yàn)看，825MW負(fù)荷，切除供熱蒸汽流量68t/h,60s負(fù)荷變化量為10．5MW，940MW負(fù)荷，切除供熱蒸汽流量70t/h,60s負(fù)荷變化量為11MW。參考祁偉《不同抽汽工況對(duì)供熱機(jī)組調(diào)頻能力影響分析》中的機(jī)組在不同主汽壓下調(diào)頻能力的仿真試驗(yàn)，當(dāng)機(jī)組處于較高主汽壓力時(shí)，調(diào)頻能力大，有利于提高電網(wǎng)對(duì)頻率調(diào)節(jié)的精度；當(dāng)機(jī)組處于較低主汽壓力時(shí)，調(diào)頻能力小不一定能滿足電網(wǎng)的要求(漕涇電廠機(jī)組滑壓運(yùn)行，負(fù)荷越高主汽壓力越高),由此得知，機(jī)組負(fù)荷下降的同時(shí)，調(diào)頻能力也在下降，故在機(jī)組低負(fù)荷階段（80%負(fù)荷以下）減少相應(yīng)抽汽量，增加高中壓缸作功比例，提升一次調(diào)頻能力。

5 供熱切除經(jīng)濟(jì)性選擇

根據(jù)漕涇電廠實(shí)際熱網(wǎng)運(yùn)行情況，冷段抽汽在900MW以上供高壓蒸汽，700MW～900MW供中壓蒸汽，抽汽量均為100t/h。一級(jí)抽汽可以在660MW以上供高壓蒸汽，500MW以上供中壓蒸汽，抽汽量均為100t/h。500MW～900MW由一級(jí)抽汽向外供汽。采用一級(jí)抽汽向外供熱，作為低負(fù)荷時(shí)冷段供汽的備用，可以改善冷段供熱的可靠性和穩(wěn)定性的不足（冷段和一級(jí)抽汽不考慮同時(shí)對(duì)外供蒸汽）。為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性且在滿足供熱的情況下，制定了三處抽汽口協(xié)調(diào)控制的策略，詳見表3。

表3 三個(gè)抽汽口協(xié)調(diào)控制的策略

在同一負(fù)荷工況下，低參數(shù)抽汽口供汽相對(duì)經(jīng)濟(jì)，其原因是這部分蒸汽在高壓缸內(nèi)作功多了，對(duì)汽輪機(jī)的效率越有利。由于#0抽汽的壓力、溫度參數(shù)比#1抽汽高；#1抽汽的壓力、溫度參數(shù)比冷段高。故得出冷端供汽的經(jīng)濟(jì)性大于#1抽，#1抽供汽的經(jīng)濟(jì)性大于#0抽,詳見表4。為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性且在滿足供熱的情況下，可以制定優(yōu)先保留低參數(shù)抽汽口供汽策略。

表4 三個(gè)抽汽口蒸汽參數(shù)表

6 調(diào)頻加負(fù)荷方案選擇

綜合高、中壓供熱抽汽的系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)，從高壓及中壓供汽閥門擾動(dòng)情況，結(jié)合供熱網(wǎng)絡(luò)特性在壓力波動(dòng)允許的范圍情況確定，利用合適的抽汽供熱蓄能利用量，參與電網(wǎng)一次調(diào)頻低頻動(dòng)作，快速增加負(fù)荷是可行的，高壓供汽調(diào)節(jié)效果相對(duì)較好。同時(shí)，結(jié)合三處抽汽口利用供熱系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，去除蒸汽品質(zhì)參數(shù)高越經(jīng)濟(jì)的方案，優(yōu)先切除蒸汽品質(zhì)高的氣源，有利于汽輪機(jī)的效率，保障了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

當(dāng)電網(wǎng)低頻差大于4轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)荷工況大于70%，且0#抽汽供熱未投用情況下，優(yōu)先使用補(bǔ)汽閥進(jìn)行一次調(diào)頻，電網(wǎng)低頻差大于5轉(zhuǎn)時(shí)，切除供熱氣源作為調(diào)頻功能的輔助手段。電網(wǎng)低頻差大于4轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)荷工況小于70%，且0#抽汽供熱投用情況下，補(bǔ)汽閥調(diào)頻功能閉鎖,優(yōu)先切除供熱的0#抽的供熱汽源。出現(xiàn)較大低偏差（大于5轉(zhuǎn)）時(shí)，再切除其他供熱汽源。

根據(jù)試驗(yàn)分析的結(jié)論，低負(fù)荷情況下，在主蒸汽壓力低的情況下，一次調(diào)頻的能力會(huì)有所減弱，再減少供熱抽汽量，在80%負(fù)荷以下多切一路供熱汽源,從而提高一次調(diào)頻加負(fù)荷性能。具體方案見表5。

表5 不同負(fù)荷工況下的一次調(diào)頻方案

在#0抽不投用情況下，以補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)為主，在#0抽投用情況下，切除#0抽為主，在低負(fù)荷階段（80%負(fù)荷以下），加大減少抽汽量的使用，再把切除#1抽或冷再作為大頻差調(diào)節(jié)輔助手段從而形成供熱機(jī)組一次調(diào)頻低頻差加負(fù)荷方案的一個(gè)有效補(bǔ)充。

7 小結(jié)

對(duì)于供熱改造完成的超超臨界機(jī)組，尤其是#0抽投用后，在此工況下失去了繼續(xù)開大補(bǔ)汽閥，快速增加負(fù)荷的一個(gè)手段。結(jié)合機(jī)組特點(diǎn)對(duì)高、中壓抽汽供熱蓄能利用進(jìn)行試驗(yàn)和分析，總結(jié)出一套較完整的方案，能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)低頻下快速增加負(fù)荷的一次調(diào)頻功能，滿足一次調(diào)頻的性能要求。供熱調(diào)節(jié)閥被切除后，在恢復(fù)階段，由于熱網(wǎng)工況有所波動(dòng)，暫時(shí)不能實(shí)現(xiàn)過程全自動(dòng)控制，這將是今后的研究方向。