火電機組單機直供負(fù)載可行性仿真研究

王國冠,李秀琴，馬 驍

(1.遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 711783; 2.國家能源集團神東熱電公司，陜西 神木 719300;3.國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究有限公司，北京 102209)

0 前言

近些年，由于電解鋁產(chǎn)業(yè)能耗較高，電解鋁企業(yè)紛紛建設(shè)自備電廠，既可節(jié)約資源，提升利用效率，又有良好的經(jīng)濟效益[1]。一般情況下，電廠發(fā)電遵循自發(fā)自用原則，發(fā)電直供機組與電解鋁負(fù)荷以及供電線路，共同構(gòu)成一體——孤網(wǎng)系統(tǒng)。孤網(wǎng)運行與公網(wǎng)運行模式存在較大區(qū)別，由于負(fù)載變化的影響將全部反映到直供機組中，且孤網(wǎng)運行復(fù)雜性較高，控制策略較公網(wǎng)運行難，這對于直供機組的運行需求將更加嚴(yán)格。由于企業(yè)自備電廠容量較小，孤網(wǎng)運行系統(tǒng)穩(wěn)定性差，網(wǎng)頻率波動幅度大，超速保護動作頻繁。如果孤網(wǎng)內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致電廠解列，電網(wǎng)系統(tǒng)會受到很大沖擊且穩(wěn)定性下降，嚴(yán)重時甚至?xí)鹜C、停電等嚴(yán)重事故[2]。而在電解鋁生產(chǎn)過程中，若停電3h以上將造成重大的經(jīng)濟損失。因此，對于孤網(wǎng)運行中存在的問題需要進(jìn)行深入研究并探究其可行性，尤其是供電系統(tǒng)的控制策略，利用優(yōu)化手段對相應(yīng)設(shè)備和控制方式進(jìn)行優(yōu)化，對提升孤網(wǎng)運行機組的安全性和經(jīng)濟性具有重大現(xiàn)實意義。

本文以某電解鋁自備電廠運行為例，建立了該系統(tǒng)相應(yīng)的模型，并在此基礎(chǔ)上分析了直供機組在孤網(wǎng)條件下運行可能出現(xiàn)的問題，針對問題存在的本質(zhì)原因分別設(shè)計優(yōu)化策略，最終對優(yōu)化效果進(jìn)行了仿真分析，驗證了措施的有效性與可行性。

1 基本情況介紹及主要問題分析

1.1 機組基本情況介紹

某孤網(wǎng)火電機組單機直供負(fù)載系統(tǒng)中，火電機組裝機容量為350 MW，負(fù)載為電解鋁廠，350 KA電解系列直流供電由6臺整流機組組成，直流電壓1 148 V，電流370 KA，總交流負(fù)荷約430 MW。由于自備電廠功率不足，因此采用孤網(wǎng)/公網(wǎng)聯(lián)合運行方式，即4臺整流機組與孤網(wǎng)機組直連，另外2臺整流機組與公網(wǎng)連接。

1.2 單機直供負(fù)載關(guān)鍵問題研究

本文研究的孤網(wǎng)系統(tǒng)與公網(wǎng)運行的主要差異體現(xiàn)在：

(1)較公網(wǎng)運行，孤網(wǎng)運行負(fù)荷波動明顯增大；

(2)公網(wǎng)運行的負(fù)荷由多臺機組共同承擔(dān)，多臺機組之間分配負(fù)荷，而孤網(wǎng)運行的機組發(fā)電功率與負(fù)荷需要直接平衡；

(3)鋁廠六臺整流機組由完全依靠電網(wǎng)供電，變成兩臺機組公網(wǎng)供電和其余四臺機組孤網(wǎng)供電兩網(wǎng)聯(lián)合運行。

相對于大電網(wǎng)而言，孤網(wǎng)電力系統(tǒng)中，其功率平衡(有功功率平衡和無功功率平衡)的控制方法由大電網(wǎng)的功率分配變成孤網(wǎng)的直接平衡(頻率控制和電壓控制)，在發(fā)生較大范圍的變負(fù)荷后，孤網(wǎng)內(nèi)功率平衡被打破，可能導(dǎo)致孤網(wǎng)內(nèi)頻率發(fā)生較大范圍變化引起安全事故。同時由于孤網(wǎng)系統(tǒng)中整流系統(tǒng)的存在，會產(chǎn)生諧波問題，對孤網(wǎng)穩(wěn)定運行具有危害[3]。因此，本文針對孤網(wǎng)穩(wěn)定運行問題分析主要從以下三個方向進(jìn)行分析研究：有功功率平衡、無功功率平衡以及整流機組諧波。

1.3 仿真模型建立

本文主要針對孤網(wǎng)系統(tǒng)運行下，直供機組調(diào)頻控制策略的優(yōu)化研究，采用模塊化建模方式，主要的模型有機組主汽輪機系統(tǒng)、鍋爐運行系統(tǒng)、整流機組以及鋁廠的負(fù)荷系統(tǒng)，并整合上述模型系統(tǒng)。下文對基本建模方法進(jìn)行簡要敘述。

1.3.1 主汽輪機系統(tǒng)模型

本研究中利用的汽輪機模型借鑒于達(dá)仁[4-5]等建立的模型，主要包含以下主要模塊：汽輪機高調(diào)門模型、考慮容積效應(yīng)的各缸及回?zé)?、再熱系統(tǒng)模型、汽輪機轉(zhuǎn)子模型、冷端凝汽器及空冷島模型、DCS與DEH相關(guān)控制系統(tǒng)模型等。

1.3.2 鍋爐系統(tǒng)模型

案例機組的鍋爐為超臨界參數(shù)滑壓運行螺旋管圈直流爐。由于給水在進(jìn)入鍋爐后，水的加熱、蒸發(fā)和水蒸氣功的過熱，都是在受熱面中連續(xù)進(jìn)行的，不需要進(jìn)行汽水分離，因此它沒有自然循環(huán)的汽包。建立鍋爐模型時考慮主要模塊以符合自身動態(tài)特性，包含燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)等。

鍋爐燃燒系統(tǒng)可以近似看成一個帶延遲的一階慣性環(huán)節(jié)[6]

(1)

式中μB——燃燒率指令；

Qr——燃料燃燒時的放熱量；

τ——燃燒通道的純時延時間；

T1——燃燒通道的時間常數(shù)。

對螺旋管圈以及過熱器內(nèi)工質(zhì)建模時，綜合運用質(zhì)量守恒與能量守恒定律，建立微分方程式完善鍋爐模型。

1.3.3 鋁廠負(fù)荷系統(tǒng)模型

該鋁廠的電解負(fù)荷系統(tǒng)有288個電解槽，采用串聯(lián)方式，每個電解槽可看作原電池，具有反電勢和槽電阻。每一個電解槽系列利用整流機組進(jìn)行供電，供給電解鋁生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)共包括 6個整流機組，根據(jù)電解鋁系列負(fù)載特性，選擇4臺機組與孤網(wǎng)機組連接，2臺機組直接與公網(wǎng)連接。

圖1 孤網(wǎng)電力系統(tǒng)模型系統(tǒng)圖

根據(jù)上述對于孤網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備的分析，在MATLAB中建立基本的單機直供負(fù)載模型。

2 有功功率平衡仿真分析及優(yōu)化

利用上述模型對負(fù)荷側(cè)突甩負(fù)荷25%情況進(jìn)行仿真分析，對于機組功率變化的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 汽功率隨時間變化放大圖

分析結(jié)果圖，當(dāng)負(fù)載側(cè)負(fù)荷下降時，汽輪機的轉(zhuǎn)速首先出現(xiàn)快速上升，導(dǎo)致一次調(diào)頻動作出現(xiàn)，控制系統(tǒng)控制閥門減小開度，抑制汽機轉(zhuǎn)速的上升趨勢。但是由于一次調(diào)頻幅度有限，無法對轉(zhuǎn)速進(jìn)行有效控制，造成汽輪機的轉(zhuǎn)速快速到達(dá)103%額定轉(zhuǎn)速并觸發(fā)OPC動作。此時由于負(fù)載側(cè)負(fù)荷依然處于較高水平，汽輪機旋轉(zhuǎn)備用被迅速消耗并導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低。3 s后OPC復(fù)位，此時主調(diào)門的開度保持高位，而鍋爐慣性較強導(dǎo)致壓力未發(fā)生較大變化，因此汽機轉(zhuǎn)速又快速上升，直到再次觸發(fā)OPC動作，如此循環(huán)。在此情況下，電機端的電壓和電流受汽輪機影響變化劇烈，為保證輸出功率穩(wěn)定，勵磁電動勢變化頻繁?？偨Y(jié)分析結(jié)果，暴露了幾個孤網(wǎng)運行中存在的問題：

(1)一次調(diào)頻限幅的存在，限制了調(diào)節(jié)能力，引發(fā)汽輪機超速；

(2)OPC動作中，延遲3 s復(fù)位時間太長，此時發(fā)電機所帶負(fù)載較大，汽機轉(zhuǎn)速迅速下降，3 s后復(fù)位，汽機轉(zhuǎn)速已嚴(yán)重偏離3 000 r/min；

(3)鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)滯后。

根據(jù)上述仿真結(jié)果分析，找出了現(xiàn)有控制方式存在的問題，提出了針對孤網(wǎng)運行的優(yōu)化手段，具體優(yōu)化方式如下：

在實施上述優(yōu)化手段后，通過鋁側(cè)突甩負(fù)荷25%情況下進(jìn)行仿真對比分析。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)頻率被穩(wěn)定控制在48.5～51.5 Hz，其中超出49.5～50.5 Hz范圍的時間約5 s，各項指標(biāo)均滿足機組安全運行要求。具體仿真結(jié)果如圖3至圖5所示。

表1 優(yōu)化策略對比

圖3 發(fā)電頻率變化曲線

圖4 汽功率變化曲線

圖5 OPC信號變化曲線

3 無功功率平衡仿真分析及優(yōu)化

在電網(wǎng)中許多非線性裝置在工作時會消耗大量的無功功率，在相關(guān)設(shè)備工作時基波電流會滯后于電網(wǎng)電壓，造成無功功率的消耗。另外在二極管整流電路中也會存在著明顯的諧波電流，同時造成無功功率的消耗[7]。除此之外，逆變器和直流斬波器等裝置也有很嚴(yán)重的諧波和無功功率問題。

無功功率會對系統(tǒng)產(chǎn)生以下負(fù)面影響：

(1)成本增大。無功功率造成電網(wǎng)總電流增加，在有功功率一定時，會使得設(shè)備損耗增加，電壓損失增加。用戶內(nèi)部的各種設(shè)備規(guī)格增大，因而使成本增大。

(2)對電網(wǎng)電壓造成影響。無功容量不足時，會出現(xiàn)負(fù)載側(cè)的電壓不穩(wěn)定，影響設(shè)備運行安全性；而如果無功容量過大，則會造成負(fù)載側(cè)電壓過高并出現(xiàn)大幅波動，同樣影響用電設(shè)備安全。

(3)造成電能損耗增加，當(dāng)功率因數(shù)下降時，電能損耗會逐倍增加。

(4)造成發(fā)電設(shè)備無功電流增大，導(dǎo)致汽輪機轉(zhuǎn)子去磁效應(yīng)增加，電壓降低。

根據(jù)上述分析，目前電力系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)最有效的方式是采用靜止無功補償裝置，因此，本文也采用該裝置對鋁側(cè)進(jìn)行無功補償[8]。帶線路負(fù)載以及補償裝置模型如圖6所示。

圖6 加入SVC的孤網(wǎng)電路模型

針對無功功率問題，通過開展仿真分析，得到如下結(jié)論。

表2 無功功率仿真分析結(jié)果

(1)在絕大多數(shù)情況下(包括電廠RB)均能實現(xiàn)機端電壓穩(wěn)定控制在19.85～20.19 kV范圍內(nèi)，過電壓倍數(shù)為1.01；突甩負(fù)荷25%，實現(xiàn)機端電壓穩(wěn)定在19.98～20.81 kV范圍內(nèi)，過電壓倍數(shù)為1.04；突甩負(fù)荷超過25%，機端電壓最低為19.7 kV，最高為25.22 kV，過電壓倍數(shù)為1.26。滿足工頻過電壓要求。

(2)#3發(fā)電機對空載線路全段充電方式操作過電壓倍數(shù)為1.15，分段充電方式操作過電壓倍數(shù)為1.23，均滿足要求，建議優(yōu)先選用全段充電方式。

4 整流機組諧波分析

4.1 諧波問題

化工電解所需要的大電流直流電源是由交流電通過整流裝置所得。整流裝置在接入正弦電壓的電網(wǎng)運行時，各相線圈中的電流波形并不是完整的正弦波。這種波形含有各次諧波電流。各次諧波的存在會使諧波放大，并且增加旋轉(zhuǎn)電機、變壓器的損耗，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，最終可能損壞電力系統(tǒng)設(shè)備。除使用頻率和電壓這兩個常用的指標(biāo)外，諧波成為了評價電能質(zhì)量的另一項重要指標(biāo)[9]。因此，為了保證電力系統(tǒng)安全運行以及負(fù)載側(cè)用電設(shè)備正常工作，都應(yīng)采取有效措施消除諧波帶來的負(fù)面影響。

諧波含量是周期性電氣量中含有的各次諧波分量有效值的方均根值，總諧波畸變率是指諧波含量的方均根值與基波的方均根值之比。在本文研究中利用上述指標(biāo)對諧波量大小進(jìn)行量化評價[10]。

4.2 諧波仿真分析

在考慮實際分配方式，即孤網(wǎng)四臺機組、公網(wǎng)兩臺機組的實際組合條件下，對不同公網(wǎng)/孤網(wǎng)移相角組合方式進(jìn)行綜合對比分析，最終發(fā)現(xiàn)在公網(wǎng)側(cè)運行的整流機組移相角相差15°時，僅在23、25次諧波中存在較小分量，其余頻次諧波包括影響最大的低次諧波分量為0，總諧波畸變率最小，不會對發(fā)電機運行等產(chǎn)生影響。具體實施方式如：公網(wǎng)兩臺機組移相角分別為+2.5°與-12.5°，孤網(wǎng)側(cè)四臺機組移相角分別為-2.5°、-7.5°、7.5°、12.5°。

因此在移相角分配合理的條件下，單機直供負(fù)載使孤網(wǎng)/公網(wǎng)總畸變率以及低頻次諧波量均滿足運行要求。

表3 公網(wǎng)移相角相差15°網(wǎng)側(cè)母線諧波分量

5 實際運行效果

將上述優(yōu)化后的控制策略應(yīng)用到案例電廠運行過程中，并利用實際工況對效果進(jìn)行驗證。在帶有鋁側(cè)負(fù)荷的情況下，對整流機組進(jìn)行倒換操作，從實際數(shù)據(jù)看出，汽機主汽壓力由初始的15.35 MPa上升到15.63 MPa，隨后經(jīng)過一超調(diào)過程恢復(fù)至15.35 MPa，波動范圍較小且穩(wěn)定時間較快。有功功率的大小由151 MW降至120 MW后恢復(fù)到正常值151 MW。一次調(diào)頻由于微分作用超前動作及時抑制轉(zhuǎn)速大幅度波動。二次調(diào)頻是無差調(diào)節(jié)使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定維持在3 000 r/min。實際現(xiàn)場控制效果如圖7所示。

圖7 鋁側(cè)倒換整流機組典型工況實際現(xiàn)場控制效果

6 結(jié)論

針對某電解鋁保安供電線路工程的特殊性，從發(fā)電-輸電-用電的角度出發(fā)需首先評估孤網(wǎng)運行條件下發(fā)電和用電的平衡問題，然后在此基礎(chǔ)上針對孤網(wǎng)運行所帶來的整流機組、廠用電系統(tǒng)等工作條件的變化進(jìn)行評估。針對上述問題，經(jīng)過建模、仿真分析和優(yōu)化控制，得到主要結(jié)論如下：

(1)在絕大多數(shù)情況下均能實現(xiàn)頻率的穩(wěn)定控制在49.5～50.5 Hz范圍內(nèi)；在負(fù)載側(cè)負(fù)荷突甩25%情況下，仍然能實現(xiàn)頻率穩(wěn)定控制在48.5～51.5 Hz，其中超過49.5～50.5 Hz范圍的時間僅為5 s；

(2)在絕大多數(shù)情況下均能實現(xiàn)機端電壓穩(wěn)定控制在19.85～20.19 kV范圍內(nèi)，過電壓倍數(shù)為1.01；突甩負(fù)荷25%能實現(xiàn)機端電壓穩(wěn)定控制在19.98～20.81 kV范圍內(nèi)，過電壓倍數(shù)為1.04；突甩負(fù)荷超過25%，機端電壓最低為19.7 kV，最高為25.22 kV，過電壓倍數(shù)為1.26，滿足工頻過電壓要求。

(3)#3發(fā)電機對空載線路全段充電方式操作過電壓倍數(shù)為1.15，分段充電方式操作過電壓倍數(shù)為1.23，均滿足要求，建議優(yōu)先選用全段充電方式。

(4)孤網(wǎng)四臺機組、公網(wǎng)兩臺機組相比于六臺機組全部由公網(wǎng)供電，總畸變率增加較多，但仍能較好地滿足諧波量要求；將公網(wǎng)的兩臺機組置于相位角相差15°的位置，所產(chǎn)生的諧波量是各種組合方式下最??；孤網(wǎng)四臺機組、公網(wǎng)兩臺機組運行，23次以下的諧波量很小幾乎不存在，不會對系統(tǒng)運行等產(chǎn)生影響。

本文針對孤網(wǎng)運行機組運行中存在的三類典型問題進(jìn)行了建模仿真分析，分析仿真結(jié)果中存在的問題及其本質(zhì)原因，并給出了響應(yīng)的優(yōu)化策略。孤網(wǎng)系統(tǒng)投運后實際運行效果驗證了提出優(yōu)化方法的可行性。本研究為后續(xù)孤網(wǎng)運行機組提供了重要的工程借鑒意義。