供熱機(jī)組利用熱網(wǎng)蓄熱提高變負(fù)荷運(yùn)行速率的研究

李全全，李 揚(yáng)，賈海軍

（內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)我國“碳達(dá)峰、碳中和”能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，以風(fēng)電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電仍將持續(xù)高速發(fā)展，最終取代火力發(fā)電成為我國主要的發(fā)電方式，由火電為其提供容量支撐。相對于水電、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，燃煤發(fā)電機(jī)組并不適合頻繁快速調(diào)峰運(yùn)行，但受限于我國一次能源的格局，需要由燃煤機(jī)組承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的主要任務(wù)，如何確保在機(jī)組安全、穩(wěn)定、清潔運(yùn)行的前提下提高機(jī)組運(yùn)行靈活性，成為當(dāng)前理論和工程的研究熱點(diǎn)。本文通過對比分析，確定了350 MW 超臨界供熱機(jī)組利用熱網(wǎng)蓄熱補(bǔ)償發(fā)電負(fù)荷擾動的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，包括熱網(wǎng)蓄熱核算、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化、供熱控制回路優(yōu)化等幾個部分。

1 350 MW 供熱機(jī)組動態(tài)特性分析

機(jī)組為350 MW 超臨界抽汽式供熱機(jī)組，并入蒙西電網(wǎng)，目前蒙西電網(wǎng)常見的自動增益控制AGC（automatic generation control）指令變化如圖1 所示。由圖1 可以看出，AGC 指令中存在大量短期正反向變化部分。超臨界直流鍋爐蓄熱容量小于同等級汽包鍋爐，依靠蓄熱消納這部分指令會導(dǎo)致汽輪機(jī)前蒸汽壓力和過熱度大幅波動，影響機(jī)組安全運(yùn)行；依靠燃料量動態(tài)過調(diào)來消除，又會對鍋爐制粉和燃燒過程造成劇烈的擾動，同樣影響機(jī)組安全運(yùn)行；若利用熱網(wǎng)蓄熱消除AGC 指令擾動即可避免以上影響。調(diào)節(jié)過程是：當(dāng)AGC 指令增加時，減小部分供熱負(fù)荷，原本用于供熱的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電功率；當(dāng)AGC 指令降低時過程與之相反。

圖1 蒙西電網(wǎng)常見AGC 指令變化方式

單純依靠鍋爐蓄熱補(bǔ)償發(fā)電負(fù)荷擾動，AGC 速率為7 MW/min 時，發(fā)電負(fù)荷變化20 MW 即會導(dǎo)致壓力偏差達(dá)到1 MPa、過熱度偏差達(dá)到10 ℃。

供熱管道內(nèi)儲能容量計(jì)算公式為

其中：Qh為供熱管道的儲能，J；cw為水比熱容，J/（kg·℃）；ρw為水密度，kg/m3；Vhn為供熱管網(wǎng)總水容積，m3；Δt 為供熱管網(wǎng)平均溫度降低值，℃。

熱電廠距離最近的二級換熱站直線距離為10.5 km，利用式（1）可以計(jì)算出熱網(wǎng)循環(huán)水平均溫度變化1 ℃，僅這段范圍內(nèi)供熱管道可吸收或釋放大概20 GJ 的熱量。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

某電廠350 MW 亞臨界機(jī)組，在100%熱耗率驗(yàn)收工況THA（turbine heat acceptance）（汽耗考核）工況點(diǎn)，利用機(jī)組穩(wěn)定工況運(yùn)行參數(shù)計(jì)算模型靜態(tài)參數(shù)，利用燃料量擾動實(shí)驗(yàn)確定制粉過程動態(tài)參數(shù)，利用鍋爐汽水容積設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算蓄熱系數(shù)，得到的實(shí)際機(jī)組模型如式（2）—式（11）所示。

燃料量、CV 開度、EV 開度擾動響應(yīng)曲線（圖略）顯示了燃料量擾動下和CV、EV 開度擾動下主要參數(shù)的變化趨勢，其結(jié)果與機(jī)組實(shí)際情況相符。

機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用爐跟機(jī)、煤跟水為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方案，汽輪機(jī)高調(diào)閥控制發(fā)電負(fù)荷、給水流量控制中間點(diǎn)溫度、燃料量控制汽輪機(jī)前蒸汽壓力，同時發(fā)電負(fù)荷指令作為前饋信號對給水流量和燃料量進(jìn)行粗調(diào)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不區(qū)分純凝工況和供熱工況，供熱工況下CV、EV1、EV2 均采用手動控制。如果將供熱側(cè)投入自動，實(shí)現(xiàn)方法是：CV、EV1、EV2 的基準(zhǔn)開度指令由運(yùn)行人員手動給出，在基準(zhǔn)開度指令基礎(chǔ)上疊加供熱補(bǔ)償控制邏輯輸出的CV、EV1、EV2 的偏置開度指令構(gòu)成CV、EV1、EV2 的實(shí)際開度指令。投入供熱補(bǔ)償控制功能后，偏置開度指令在一定范圍內(nèi)正負(fù)變化。

供熱補(bǔ)償控制邏輯[2]主要包括AGC 指令分解邏輯和閥門非線性修正邏輯。AGC 指令分解邏輯原理如圖2 所示。通過限速環(huán)節(jié)，將AGC 指令分解為高速率變化部分和低速率變化部分。將高速率變化部分作為前饋信號，得到CV、EV1、EV2 供熱補(bǔ)償開度指令信號。

在測井響應(yīng)中，高角度裂縫顯示的開度往往很小，其在縱向上的延伸度很大。裂縫的累積延伸長度也是裂縫有效性好壞的一個重要指標(biāo)。在其他情況相同時，縱向累積延伸越長，裂縫有效性越好［8］。

圖2 AGC 指令分解環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

CV、EV1、EV2 開度與流量之間存在強(qiáng)非線性。如果不進(jìn)行補(bǔ)償，在不同的基準(zhǔn)開度下，供熱補(bǔ)償控制輸出的偏置開度引起的蒸汽流量和發(fā)電功率變化是不同的，會出現(xiàn)欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償?shù)那闆r。當(dāng)介質(zhì)為可壓縮流體時，蝶閥的流量特性函數(shù)為

其中，G 為蝶閥流量，t/h；μα為臨界流量系數(shù)；μG為流量系數(shù)；p0為閥門進(jìn)口壓力，kg/cm2；K 為等熵過程指數(shù)；α 為蝶閥轉(zhuǎn)角，（°）；Dy為閥門公稱直徑，cm；Fy為閥門通流面積，cm2。

根據(jù)式（12）繪制得蝶閥流量特性曲線如圖3所示。圖3 顯示：蝶閥開度較小與開度較大時，流量變化較??；蝶閥開度在15°～40°之間變化時，流量變化較大。實(shí)際控制中，這會給控制品質(zhì)帶來較大影響，所以需要進(jìn)行蝶閥流量非線性補(bǔ)償。

圖3 蝶閥流量特性曲線

對式（13）求導(dǎo)數(shù)后得到閥門在不同基準(zhǔn)開度下的增益情況如表1 所示。分別將CV、EV1、EV2的基準(zhǔn)開度指令作為輸入，通過多點(diǎn)折線函數(shù)得到增益修正系數(shù)，以乘積的方式修正供熱補(bǔ)償開度指令，可以得到CV、EV1、EV2 的偏置開度指令。

表1 不同開度下的流量補(bǔ)償系數(shù)

3 現(xiàn)場調(diào)試

將AGC 指令用如圖3 所示的邏輯進(jìn)行非線性分解，利用指令的高頻分量對CV 開度和EV 開度指令進(jìn)行補(bǔ)償，優(yōu)化后負(fù)荷指令小幅變化時機(jī)組CV 開度、EV 開度和主汽壓力反饋值響應(yīng)曲線如圖4 所示。圖4 中，AGC 指令波動幅度小于10 MW，為小幅正反向波動。當(dāng)機(jī)組改變發(fā)電負(fù)荷時，若主要依靠汽輪機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)門調(diào)節(jié)，則會導(dǎo)致機(jī)前壓力產(chǎn)生較大幅度的波動。對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，升負(fù)荷期間CV 開度增加、EV 開度減小，使低壓缸進(jìn)汽流量增加，機(jī)組負(fù)荷快速上升，變負(fù)荷速率由之前的7 MW/min 提升至12 MW/min；同時機(jī)前壓力的波動幅度由1 MPa 降低至0.8 MPa 以內(nèi)。

圖4 負(fù)荷指令小幅變化時控制方案響應(yīng)曲線

負(fù)荷指令大幅變化時機(jī)組CV 開度、EV 開度和主汽壓力反饋值響應(yīng)曲線如圖5 所示。圖5 中AGC 降低幅度超過50 MW，為大范圍降負(fù)荷指令。當(dāng)機(jī)組需要降低負(fù)荷時，需要關(guān)小高壓缸進(jìn)汽調(diào)門，引起機(jī)前壓力的升高。對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，通過減小CV 開度、增大EV 開度使機(jī)組負(fù)荷降低，可以將主汽壓力的波動幅度控制在0.8 MPa 以內(nèi)，變負(fù)荷運(yùn)行速率達(dá)到9 MW/min。

圖5 負(fù)荷指令大幅變化時控制方案響應(yīng)曲線

“兩個細(xì)則”考核下AGC 調(diào)節(jié)性能綜合評判指標(biāo)Kp由式（14）定義。

其中：K1為調(diào)節(jié)速率；K2為調(diào)節(jié)精度；K3為響應(yīng)精度。對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，Kp值可以達(dá)到4.8～5.0，在蒙西電網(wǎng)中位列前三名。

4 結(jié)論

a）對熱網(wǎng)蓄熱計(jì)算，與350 MW 超臨界供熱機(jī)組蓄熱進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)蓄熱遠(yuǎn)大于鍋爐蓄熱，提出利用熱網(wǎng)蓄熱提升機(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行能力的優(yōu)化方案。

b）對AGC 指令進(jìn)行非線性分解，結(jié)合蝶閥在不同開度下的增益系數(shù)，利用分解得到的高頻分量對CV、EV1 和EV2 開度進(jìn)行補(bǔ)償，輔助高壓缸進(jìn)汽調(diào)門調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷。

c）現(xiàn)場試驗(yàn)表明，優(yōu)化方案可以顯著減小主汽壓力的波動范圍。在負(fù)荷指令小幅變化時，機(jī)組的變負(fù)荷速率達(dá)到12 MW/min；在負(fù)荷指令大幅變化時，變負(fù)荷速率達(dá)到9 MW/min。