空氣預(yù)熱器差壓引起機(jī)組降出力的預(yù)測(cè)研究

劉 科，楊興森，董信光，張利孟，田春曉

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

風(fēng)電、光伏等清潔能源在國(guó)家補(bǔ)貼和稅收優(yōu)惠政策下發(fā)展迅速，裝機(jī)容量不斷增大，但由于風(fēng)電、光伏等發(fā)電具有波動(dòng)性、間歇性，對(duì)接入電網(wǎng)消納造成困難，而且目前電力需求增長(zhǎng)放緩，外電入魯規(guī)模不斷增大的新形勢(shì)下，可再生能源消納面臨更大壓力。同時(shí)，隨著山東省新能源發(fā)展的再次提速、核電產(chǎn)業(yè)的加速轉(zhuǎn)型，加上外電入魯規(guī)模不斷擴(kuò)大和綠色配額制正式實(shí)施，對(duì)山東省可再生能源消納提出更嚴(yán)格要求，電網(wǎng)調(diào)峰難題日益凸顯［1］。

并網(wǎng)火電機(jī)組逐漸向承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)、提供輔助服務(wù)轉(zhuǎn)型，但火電機(jī)組并不是完全可調(diào)的，其負(fù)荷調(diào)整范圍與煤質(zhì)情況、主輔機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境溫度等都有關(guān)系［2］。運(yùn)行中的機(jī)組由于環(huán)境參數(shù)不會(huì)發(fā)生突變，影響機(jī)組最大出力的是煤質(zhì)和主輔機(jī)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，其中，制粉系統(tǒng)和風(fēng)煙系統(tǒng)異常是導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生降出力事件最多的兩大系統(tǒng)［3］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，空氣預(yù)熱器（簡(jiǎn)稱空預(yù)器）煙氣側(cè)差壓過(guò)高是導(dǎo)致機(jī)組降出力的主要原因之一［4-5］。空預(yù)器煙氣側(cè)差壓增大導(dǎo)致機(jī)組降出力主要是兩方面原因，一是煙道阻力增大，風(fēng)機(jī)出力達(dá)到上限導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法繼續(xù)提升出力；二是空預(yù)器差壓過(guò)高，說(shuō)明空預(yù)器可能由局部堵灰，堵塞部分交替經(jīng)過(guò)煙氣倉(cāng)、一次風(fēng)倉(cāng)、二次風(fēng)倉(cāng)，會(huì)造成一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓、爐膛負(fù)壓的周期性波動(dòng)，嚴(yán)重影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，為保證機(jī)組安全運(yùn)行，只能提出降出力申請(qǐng)。

燃煤含硫量較高、脫硝系統(tǒng)噴氨過(guò)量等因素都會(huì)導(dǎo)致空預(yù)器的狀態(tài)發(fā)生復(fù)雜變化［6-8］，因此煤硫分的實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)警裝置在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中并不順利。但這些因素最終都會(huì)體現(xiàn)在空預(yù)器煙氣側(cè)差壓這一數(shù)據(jù)中，通過(guò)監(jiān)測(cè)分析空預(yù)器各個(gè)負(fù)荷下的煙氣側(cè)差壓數(shù)據(jù)及其變化趨勢(shì)，可以對(duì)空預(yù)器的設(shè)備狀態(tài)做出客觀評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步判斷空預(yù)器會(huì)不會(huì)成為機(jī)組繼續(xù)提升出力的限制因素。通過(guò)分析空預(yù)器煙氣側(cè)差壓與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系，建立二者的影響模型，最終通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空預(yù)器差壓狀態(tài)，評(píng)估預(yù)測(cè)機(jī)組最大出力。

1 空預(yù)器差壓與鍋爐出力相關(guān)性分析

1.1 山東省600 MW 典型機(jī)組空預(yù)器差壓與鍋爐出力對(duì)應(yīng)關(guān)系

依托山東省網(wǎng)源監(jiān)督服務(wù)平臺(tái)的海量數(shù)據(jù)，分析山東省典型600 MW等級(jí)機(jī)組，以HD電廠1號(hào)、RZ電廠1號(hào)、FD電廠1號(hào)、FD電廠2號(hào)這3個(gè)電廠4臺(tái)機(jī)組為例，研究空預(yù)器差壓與機(jī)組出力的相關(guān)性。4臺(tái)機(jī)組的空預(yù)器均為三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，鍋爐BMCR工況最大蒸發(fā)量分別為2 102 t/h、1 960 t/h、1 960 t/h。

為排除機(jī)組供汽供熱的影響，以鍋爐蒸發(fā)量代表鍋爐實(shí)際出力，圖1 所示為2020 年4 月，RZ、HD、FD 3 個(gè)電廠的空預(yù)器A、B 側(cè)煙氣差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖。圖2 是FD 電廠1 號(hào)機(jī)組連續(xù)3 個(gè)月無(wú)降出力情況下空預(yù)器煙氣側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。4月份，RZ 電廠1號(hào)機(jī)組、HD 電廠1號(hào)機(jī)組、FD 電廠1 號(hào)機(jī)組均未出現(xiàn)空預(yù)器差壓引發(fā)的機(jī)組降出力事件，F(xiàn)D 電廠2 號(hào)機(jī)組發(fā)生了多次空預(yù)器差壓導(dǎo)致的機(jī)組降出力事件。由圖1可知，前3臺(tái)機(jī)組的空預(yù)器差壓與鍋爐蒸發(fā)量存在明顯且相似的正相關(guān)關(guān)系，其對(duì)應(yīng)關(guān)系與圖2 所展示的對(duì)應(yīng)關(guān)系是一致的?？梢?jiàn)，空預(yù)器狀態(tài)正常時(shí)，煙氣側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系在不同機(jī)組不同時(shí)間段內(nèi)是一致的。

圖1 4月不同機(jī)組空預(yù)器差壓與鍋爐蒸發(fā)量的關(guān)系

圖2 FD電廠1號(hào)機(jī)組2020年5—7月空預(yù)器差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

FD 電廠2 號(hào)機(jī)組2020 年4—7 月B 側(cè)空預(yù)器差壓與蒸發(fā)量關(guān)系，如圖3所示。4月、5月連續(xù)出現(xiàn)空預(yù)器差壓過(guò)高導(dǎo)致機(jī)組降出力后，機(jī)組進(jìn)行了停機(jī)解包沖洗，6月、7月的差壓數(shù)據(jù)明顯降低。由圖3可以看到，4月FD電廠2號(hào)機(jī)組空預(yù)器B側(cè)煙氣差壓與鍋爐蒸發(fā)量關(guān)系與6 月、7 月的對(duì)應(yīng)關(guān)系整體趨勢(shì)相似，但在部分負(fù)荷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空預(yù)器差壓有明顯偏高的數(shù)據(jù)。

圖3 FD電廠2號(hào)機(jī)組2020年4—7月空預(yù)器B側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 數(shù)據(jù)清洗后空預(yù)器差壓與鍋爐出力對(duì)應(yīng)關(guān)系分析

在同一鍋爐蒸發(fā)量下，空預(yù)器的煙氣側(cè)差壓是一個(gè)范圍，但只有最大值才會(huì)對(duì)空預(yù)器的設(shè)備評(píng)價(jià)有意義，因此，為明確空預(yù)器差壓與鍋爐出力對(duì)應(yīng)關(guān)系，從空預(yù)器正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)入手，以FD 電廠1號(hào)、2 號(hào)機(jī)組2020 年6 月、7 月數(shù)據(jù)為例進(jìn)行數(shù)據(jù)切片清洗，以100%最大蒸發(fā)量、95%最大蒸發(fā)量、90%最大蒸發(fā)量、80%最大蒸發(fā)量、75%最大蒸發(fā)量、70%最大蒸發(fā)量、65%最大蒸發(fā)量、60%最大蒸發(fā)量、55%最大蒸發(fā)量、50%最大蒸發(fā)量、45%最大蒸發(fā)量、42%最大蒸發(fā)量為節(jié)點(diǎn)，由于每個(gè)負(fù)荷下正常的差壓是一個(gè)范圍，但只有正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大值才能代表空預(yù)器的差壓狀態(tài)，因此保留每個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)下的最大差壓數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在切片清洗后，進(jìn)行函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)對(duì)數(shù)函數(shù)擬合的R2大于0.95，擬合效果較好。數(shù)據(jù)切片清洗后FD 電廠1 號(hào)、2 號(hào)機(jī)組6月、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系見(jiàn)圖4、圖5，可以認(rèn)為正常狀態(tài)下，鍋爐蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)的最大空預(yù)器差壓符合對(duì)數(shù)關(guān)系。

圖4 數(shù)據(jù)切片清洗后FD電廠1號(hào)機(jī)組2020年6月、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系

FD 電廠2 號(hào)機(jī)組4 月份多次出現(xiàn)因空預(yù)器差壓過(guò)高導(dǎo)致的機(jī)組降出力事件，為進(jìn)一步研究空預(yù)器阻力異常狀態(tài)下差壓與蒸發(fā)量的關(guān)系，對(duì)FD 電廠2 號(hào)機(jī)組4 月空預(yù)器差壓及鍋爐蒸發(fā)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行切片清洗，得到11 個(gè)蒸發(fā)量節(jié)點(diǎn)下相對(duì)偏高的差壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合，數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6 所示，擬合后R2>0.9，可見(jiàn)，空預(yù)器阻力升高后的差壓數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量同樣也符合對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

圖5 數(shù)據(jù)切片清洗后FD電廠2號(hào)機(jī)組6、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系

圖6 FD電廠2號(hào)機(jī)組2020年4月份差壓異常偏高數(shù)據(jù)擬合圖

2 模型建立與應(yīng)用

2.1 建模依據(jù)

由1.2部分的分析可知，空預(yù)器正常狀態(tài)下的差壓上限數(shù)據(jù)ΔP與鍋爐蒸發(fā)量符合一定的函數(shù)關(guān)系

空預(yù)器阻力升高后，在不停機(jī)的情況下很難逆轉(zhuǎn)，因此此時(shí)高于正常上限值的空預(yù)器差壓數(shù)據(jù)仍與鍋爐蒸發(fā)量有相似的函數(shù)關(guān)系f2（G），可以認(rèn)為f2（G）能夠反映空預(yù)器阻力狀態(tài)變化后，偏高的差壓值隨蒸發(fā)量G的變化趨勢(shì)，作為判斷鍋爐最大出力的依據(jù)。

同樣由1.2 部分的分析，f2（G）與f1（G）的系數(shù)接近，只是相對(duì)位置不同，可以近似認(rèn)為f2（G）是空預(yù)器之前狀態(tài)下的函數(shù)f1（G）向上平移得到的，即：

式中：G為鍋爐蒸發(fā)量，t/h；ΔPsafe為空預(yù)器正常狀態(tài)下的煙氣側(cè)差壓上限，kPa；ΔPbigger為空預(yù)器狀態(tài)變化后，異常偏高的煙氣側(cè)差壓，kPa。

根據(jù)監(jiān)測(cè)到的異常偏高差壓數(shù)據(jù)得到異常差壓值隨鍋爐蒸發(fā)量的變化規(guī)律f2（G）后，進(jìn)一步根據(jù)規(guī)程規(guī)定的空預(yù)器差壓的報(bào)警值ΔPmax0，求得空預(yù)器此狀態(tài)下所能達(dá)到的鍋爐最大蒸發(fā)量Gmax，即：

式中：Gmax為預(yù)測(cè)的鍋爐最大蒸發(fā)量，t/h；ΔPmax0為空預(yù)器差壓的報(bào)警值，kPa。

2.2 最大出力模型判斷步驟

最大出力模型判斷步驟如圖7所示。

2.3 模型推廣與結(jié)果分析

為保證模型的準(zhǔn)確性，對(duì)建模所需的空預(yù)器差壓等數(shù)據(jù)有以下要求：1）所選時(shí)間段內(nèi)的差壓數(shù)據(jù)應(yīng)覆蓋45%～100%的鍋爐蒸發(fā)量區(qū)間，且在各個(gè)蒸發(fā)量節(jié)點(diǎn)下都應(yīng)有足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，至少要有100 組差壓數(shù)據(jù)；2）由于空預(yù)器阻力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，需要定期對(duì)f1（G）函數(shù)進(jìn)行修正。

利用上述分析和建模方法，對(duì)FD 電廠2 號(hào)機(jī)組建模驗(yàn)證通過(guò)后，將模型推廣到網(wǎng)源平臺(tái)20 余臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量符合要求的機(jī)組上，并將模型預(yù)測(cè)結(jié)果接入網(wǎng)源平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)組空預(yù)器差壓，預(yù)測(cè)機(jī)組因預(yù)熱器差壓引起的降出力事件。

圖7 最大出力模型判斷

2020 年8 月，根據(jù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)結(jié)果，配合遠(yuǎn)程最大出力試驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果共挑選24 臺(tái)機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程最大出力試驗(yàn)，其中模型顯示差壓受限的機(jī)組的4臺(tái)，差壓顯示正常的機(jī)組20臺(tái)，分別對(duì)它們進(jìn)行遠(yuǎn)程最大出力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，有3 臺(tái)機(jī)組未能達(dá)到最大出力提出降出力，1 臺(tái)機(jī)組在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整后達(dá)到最大出力；另外20 臺(tái)差壓正常的機(jī)組有19 臺(tái)順利達(dá)到最大出力，有1 臺(tái)機(jī)組因磨煤機(jī)跳機(jī)未能達(dá)到最大出力。成功預(yù)測(cè)的3 起降出力事件，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際降出力情況十分接近。其中8月5日預(yù)測(cè)LD電廠7號(hào)機(jī)組（額定容量140 MW）最大出力為129.0 MW，實(shí)際最大出力128.7 MW；8 月7 日預(yù)測(cè)LY 電廠7 號(hào)機(jī)組最大出力為137.7 MW，實(shí)際最大出力136.1 MW；8 月11 日，預(yù)測(cè)FD 電廠2 號(hào)機(jī)組（額定容量650 MW）最大出力為589.1 MW，實(shí)際最大出力601.1 MW，電廠提交的降出力原因是帶工業(yè)抽汽，但實(shí)際上機(jī)組在接近600 MW時(shí)已經(jīng)將工業(yè)抽汽轉(zhuǎn)移到其他機(jī)組，降出力原因是空預(yù)器差壓高。說(shuō)明該模型能夠預(yù)測(cè)預(yù)熱器壓差引起的降出力事件，但是無(wú)法預(yù)測(cè)其他類型降出力事件。

表1 模型預(yù)測(cè)與遠(yuǎn)程最大出力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析大量數(shù)據(jù)明確了空預(yù)器差壓與機(jī)組出力之間的函數(shù)關(guān)系，挖掘空預(yù)器正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下煙氣側(cè)差壓對(duì)機(jī)組出力之間的影響規(guī)律，建立了基于監(jiān)測(cè)空預(yù)器差壓數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估預(yù)測(cè)機(jī)組最大出力的模型，模型驗(yàn)證結(jié)果較好，能有效預(yù)測(cè)因預(yù)熱器差壓高導(dǎo)致的機(jī)組降出力事件的發(fā)生。機(jī)組此類降出力情況的提前預(yù)測(cè)，能夠幫助調(diào)度人員及時(shí)掌握機(jī)組的真實(shí)出力情況，為合理安排機(jī)組參與應(yīng)急調(diào)度提供了依據(jù)，提高了機(jī)組完成調(diào)度任務(wù)的成功率，有效保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。