基于負(fù)荷響應(yīng)率的火電機(jī)組蓄熱利用技術(shù)研究與應(yīng)用

陳 盼

（國家電投江西電力工程有限公司貴溪分公司，江西 貴溪 335400）

0 引言

近年來，伴隨著特高壓輸電的穩(wěn)步接入以及清潔能源的大規(guī)模并網(wǎng)，煤電機(jī)組在電力系統(tǒng)中的定位將逐漸由提供電力電量的主體能源往提供可靠電力與調(diào)頻調(diào)峰能力的基礎(chǔ)性能源轉(zhuǎn)變，電網(wǎng)對火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻性能以及品質(zhì)的要求日益增高[1-2]。目前火力發(fā)電節(jié)能減排形勢日趨嚴(yán)峻，且多數(shù)火電機(jī)組的運(yùn)行特性暫未達(dá)到網(wǎng)源協(xié)調(diào)安全以及電站經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行要求[3-4]，在調(diào)峰運(yùn)行中往往存在一次調(diào)頻響應(yīng)能力差、調(diào)節(jié)閥偏離合理經(jīng)濟(jì)區(qū)域或是忽視機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)安全等故障及隱患。同時(shí)，為了能夠快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求，部分火電機(jī)組通過鍋爐與汽輪機(jī)的協(xié)調(diào)控制[5]，依靠增、減燃料以及調(diào)節(jié)汽輪機(jī)閥門來控制負(fù)荷響應(yīng)率，但調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢且無法保證火電機(jī)組滿功率運(yùn)行，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失。

對于火電廠來說，熱力系統(tǒng)中的壓力容器含有大量未能得到有效利用的調(diào)頻蓄能[6]，且與傳統(tǒng)的汽輪機(jī)閥門節(jié)流方式相比，鍋爐蓄熱調(diào)頻能以短時(shí)段的機(jī)組蓄能損代替長時(shí)段的調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻能損，在保障電網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的同時(shí)能夠兼顧火電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。文中針對火電廠統(tǒng)調(diào)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)率較低的問題，采用了基于火電機(jī)組蓄熱利用技術(shù)的一次調(diào)頻方式，既可保證機(jī)組的調(diào)頻出力又能降低調(diào)頻成本，同時(shí)結(jié)合某火電廠汽輪機(jī)組的運(yùn)行方式提出了火電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力提升方案，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了提升方案的可行性與有效性。

1 火電機(jī)組蓄能利用技術(shù)

火電機(jī)組蓄能利用調(diào)頻機(jī)理如圖1 所示，通過對回?zé)嵯到y(tǒng)、供熱系統(tǒng)蓄能調(diào)頻以及過熱器減溫水系統(tǒng)蓄能調(diào)頻等在不同機(jī)組負(fù)荷下的調(diào)頻時(shí)間延遲量、調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間以及調(diào)頻響應(yīng)功率等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取不同蓄能調(diào)頻方式的動(dòng)態(tài)特征，進(jìn)而確定應(yīng)對不同負(fù)荷響應(yīng)需求的系統(tǒng)蓄能控制策略。

圖1 火電機(jī)組蓄能調(diào)頻機(jī)理圖

1.1 回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能調(diào)頻

回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能調(diào)頻為利用火電廠汽輪機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)低壓加熱器、高壓加熱器以及除氧器內(nèi)部蓄能進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻，按照“四低三高一除氧”方式進(jìn)行布置，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的蓄能利用。

1.1.1 低壓回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能利用

低壓回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能利用方法可分為低壓加熱器切除調(diào)頻與凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻。對于汽輪機(jī)組低壓加熱器，按照熱力參數(shù)從高到低以1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)進(jìn)行編號(hào)，依據(jù)典型1 000 MW 機(jī)組的熱力平衡圖[7]，可以計(jì)算出低壓加熱器全切時(shí)負(fù)荷增加量的理論值，如表1 所示。可見低壓回?zé)嵯到y(tǒng)的蓄能大小與負(fù)荷增減量成正比，當(dāng)負(fù)荷降低至500 MW 時(shí)系統(tǒng)蓄能只能達(dá)到額定工況下的37.94%。

表1 不同負(fù)荷下低壓加熱器切除時(shí)負(fù)荷增加計(jì)算值

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻通過改變凝泵出口調(diào)門的開度與凝結(jié)水流量，進(jìn)而獲得或釋放一部分機(jī)組的負(fù)荷，如圖2 所示。利用凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻技術(shù)能夠在水位正常的情況下保持機(jī)組正常的熱力循環(huán)，同時(shí)由于增減負(fù)荷過程中機(jī)組的抽氣量維持平衡，能夠避免抽汽閥門節(jié)流帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

圖2 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻示意圖

由于凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻時(shí)對凝結(jié)水泵有最低的流量需求，考慮到電網(wǎng)大頻率差下的特殊性，通過切除低壓加熱器將凝結(jié)水流量全部關(guān)閉，同時(shí)凝結(jié)水泵再循環(huán)門開啟確保凝泵安全運(yùn)行，能夠最大限度的利用低壓加熱器回?zé)岢槠钅?，進(jìn)而取得更好的負(fù)荷響應(yīng)效果。

1.1.2 高壓回?zé)嵯到y(tǒng)蓄能利用

按照熱力參數(shù)從高到低，對汽輪機(jī)組高壓加熱器分別編5 號(hào)、6 號(hào)、7 號(hào)，依據(jù)典型1 000 MW 機(jī)組的熱力平衡圖，可以計(jì)算出高壓加熱器全切時(shí)負(fù)荷增加量的理論值，如表2所示。在低負(fù)荷下高壓加熱器抽汽蓄能下降較快，當(dāng)負(fù)荷降低至500 MW 時(shí)系統(tǒng)蓄能只能達(dá)到額定工況下的36.65%。

表2 不同負(fù)荷下高壓加熱器切除時(shí)負(fù)荷增加計(jì)算值

高壓回?zé)嵯到y(tǒng)受到鍋爐側(cè)限制無法自由改變給水量，故無法采用凝結(jié)水節(jié)流方式進(jìn)行蓄能利用，可通過水側(cè)大旁路切除某一組高壓加熱器，或是調(diào)整某個(gè)高壓加熱器的抽汽量來部分利用高壓加熱器的抽汽蓄能。

1.2 供熱系統(tǒng)蓄能調(diào)頻

考慮到某些機(jī)組具有抽汽供熱系統(tǒng)，便可通過快速調(diào)節(jié)關(guān)小抽汽閥門的方式，利用供熱系統(tǒng)的蓄能參與系統(tǒng)的一次調(diào)頻。此時(shí)由于熱網(wǎng)系統(tǒng)具有一定量的蓄熱量，短時(shí)間內(nèi)減少抽汽量對整個(gè)熱網(wǎng)壓力的影響不大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在熱網(wǎng)壓力變化許可的范圍內(nèi)進(jìn)行供熱系統(tǒng)蓄能調(diào)頻。

以某臺(tái)1 000 MW機(jī)組為例，在機(jī)組負(fù)荷為825 MW時(shí)快速關(guān)小高壓供熱抽汽閥門，當(dāng)供汽流量減少約66 t/h時(shí)，機(jī)組在60 s內(nèi)負(fù)荷增加了約11 MW，負(fù)荷最大增長量約15 MW，如圖3所示。整個(gè)過程供汽溫度尤其是下游計(jì)量站的供汽溫度基本維持穩(wěn)定，結(jié)合合適的抽汽供熱蓄能調(diào)頻能夠?qū)崿F(xiàn)快速的系統(tǒng)負(fù)荷增長。

圖3 機(jī)組供汽流量減少66 t/h時(shí)負(fù)荷變化曲線

1.3 過熱器減溫水蓄能調(diào)頻

在火電機(jī)組的發(fā)電過程中，鍋爐側(cè)過熱器換熱管道中包含有大量未被利用的儲(chǔ)能，通過優(yōu)化控制系統(tǒng)合理利用該部分儲(chǔ)能，可以顯著提升火電機(jī)組變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)能力，減少燃料超調(diào)并保證主蒸汽壓力的穩(wěn)定。

過熱器系統(tǒng)減溫水蓄能實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)鍋爐給水流量在水冷壁和過熱器之間的分配比例，無論減溫噴水量如何變化，進(jìn)入鍋爐的總給水量未發(fā)生改變，主蒸汽流量也不會(huì)發(fā)生改變。因此，改變減溫水量無法參與調(diào)節(jié)負(fù)荷和主蒸汽壓力，對于亞臨界鍋爐而言，不論負(fù)荷、燃燒率如何變化，鍋爐內(nèi)各受熱面的大小是固定不變的，故調(diào)節(jié)過熱器入口管道上布置的一級(jí)減溫器噴水量以改變過熱器管道中的金屬蓄熱，使得進(jìn)入汽輪機(jī)的主蒸汽流量發(fā)生改變，可以短時(shí)間改變機(jī)組功率和主蒸汽壓力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷的快速響應(yīng)。

2 火電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力提升方案

以某火電廠1 000 MW 超臨界火電機(jī)組為例，機(jī)組正常帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，當(dāng)運(yùn)行負(fù)荷達(dá)到額定工況70%以上時(shí)，汽輪機(jī)高調(diào)門接近全開狀態(tài)，此時(shí)增負(fù)荷裕度很小，導(dǎo)致機(jī)組無法滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻基本要求。

由于機(jī)組主汽壓力和負(fù)荷在正常運(yùn)行過程中波動(dòng)較大，存在由于主汽壓力波動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組帶負(fù)荷調(diào)節(jié)性能較差的問題。同時(shí)機(jī)組一次調(diào)頻控制未設(shè)計(jì)完善一次調(diào)頻與協(xié)調(diào)控制聯(lián)動(dòng)的控制策略，調(diào)頻信號(hào)的精度與時(shí)效性都不能滿足負(fù)荷響應(yīng)需求。

2.1 凝結(jié)水一次調(diào)頻優(yōu)化方案

考慮到某火電廠一次調(diào)頻面臨的最大問題是負(fù)荷調(diào)節(jié)裕度低，因此需要在現(xiàn)有設(shè)備狀態(tài)下設(shè)計(jì)新型的機(jī)組蓄熱調(diào)頻手段，可采用通過改變凝結(jié)水流量來改變低壓抽汽量來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的快速響應(yīng)。

結(jié)合圖2 凝結(jié)水調(diào)頻原理，通過改變凝結(jié)水流量引起低壓加熱器抽汽流量的改變，進(jìn)而改變汽輪機(jī)的做功大小。整個(gè)優(yōu)化過程可通過凝結(jié)水流量調(diào)頻控制策略設(shè)計(jì)及調(diào)試、凝結(jié)水系統(tǒng)相關(guān)的控制系統(tǒng)在調(diào)頻過程的安全控制優(yōu)化等工作來解決某火電廠負(fù)荷響應(yīng)能力不足的問題，凝結(jié)水調(diào)頻原理流程如圖4所示。

圖4 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻原理流程圖

2.2 協(xié)調(diào)側(cè)一次調(diào)頻優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)一次調(diào)頻及協(xié)調(diào)控制策略，通過設(shè)計(jì)先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制策略優(yōu)化協(xié)調(diào)控制品質(zhì)，解決主蒸汽壓力與負(fù)荷互擾對一次調(diào)頻性能的影響；優(yōu)化設(shè)計(jì)二次調(diào)頻與一次調(diào)頻調(diào)節(jié)反向閉鎖邏輯、一次調(diào)頻快動(dòng)緩回控制、一次調(diào)頻與協(xié)調(diào)控制聯(lián)動(dòng)控制等控制策略。同時(shí)更換高精度的頻率測量變送器，采用更高精度的頻率測量變送器代替現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速信號(hào)，加速機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)速度，結(jié)合凝結(jié)水輔助一次調(diào)頻設(shè)計(jì)可有效解決因汽輪機(jī)調(diào)門開度大造成的機(jī)組一次調(diào)頻能力差的問題。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在某火電廠1 000 MW 超超臨界火電機(jī)組蓄熱提升技術(shù)改造后，開展現(xiàn)場負(fù)荷調(diào)節(jié)試驗(yàn)。在不同負(fù)荷工況下將機(jī)組及除氧器水位切至手動(dòng)操作狀態(tài)，穩(wěn)定負(fù)荷、壓力、除氧器水位參數(shù)后通過改變變頻轉(zhuǎn)速與凝結(jié)水流量，驗(yàn)證負(fù)荷響應(yīng)率變化情況。

以機(jī)組920 MW 工況下凝結(jié)水流量節(jié)流550 t/h時(shí)負(fù)荷特性試驗(yàn)為例，忽略設(shè)備內(nèi)部硬件因素影響，可見凝汽器與除氧器水位的變化成負(fù)相關(guān)，且兩者的變化速度與凝結(jié)水流量變化成正比，如表3所示。凝結(jié)水節(jié)流一段時(shí)間后，機(jī)組功率上升了13.5 MW，但除氧器水位已接近最低報(bào)警限值。

表3 機(jī)組920 MW工況下凝結(jié)水流量節(jié)流550 t/h時(shí)負(fù)荷響應(yīng)情況

為了避免機(jī)組有效蓄熱量受限于除氧器水位及凝汽器水位，優(yōu)化凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作控制回路，確保凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作前控制回路處于跟蹤狀態(tài)；凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作后，原有的凝結(jié)水泵變頻控制自動(dòng)由除氧器水位控制回路切換至凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路，通過設(shè)定凝結(jié)水泵變頻率指令動(dòng)態(tài)上下限值，即可保證凝結(jié)水泵頻率在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)快速響應(yīng)。

利用節(jié)流技術(shù)開展凝結(jié)水節(jié)流實(shí)驗(yàn)并建立凝結(jié)水流量與機(jī)組功率的模型，如圖5、圖6所示。圖中藍(lán)色曲線為機(jī)組輸出功率；紅色曲線為算法辨識(shí)得到的模型輸出功率；黑色曲線為凝結(jié)水流量變化后的模型輸出功率，可以看出與表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，機(jī)組功率變化的變化量與凝結(jié)水流量的變化量成反比，同時(shí)機(jī)組功率約上升6.57 MW，通過與一次調(diào)頻控制系統(tǒng)配合能夠顯著改善機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)能力。

圖5 凝結(jié)水節(jié)流量增加后機(jī)組功率變化

圖6 凝結(jié)水節(jié)流量減少后機(jī)組功率變化

綜上所述，通過蓄熱利用技術(shù)優(yōu)化提升機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略后，機(jī)組調(diào)峰工況下的一次調(diào)頻響應(yīng)能力及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性得到顯著提升。技術(shù)改造后機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率與一次調(diào)頻合格率大幅提升，滿足電網(wǎng)運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

針對某火電廠機(jī)組開展蓄熱利用改造與負(fù)荷響應(yīng)能力提升工作，通過研究機(jī)組蓄熱調(diào)頻控制技術(shù)，以短時(shí)機(jī)組蓄能損替代長時(shí)調(diào)節(jié)閥門節(jié)流調(diào)頻能損，可以顯著提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力并保證主蒸汽壓力穩(wěn)定。并通過改造后試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)組蓄熱提升策略的可行性，滿足機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)工作要求。