蔡靈娟

(浙能阿克蘇熱電有限公司 設(shè)備管理部, 新疆 阿克蘇 843000)

燃煤發(fā)電機(jī)組是當(dāng)今發(fā)電行業(yè)發(fā)電機(jī)組的主要形式,其中燃煤直流鍋爐應(yīng)用最為普遍。目前直流鍋爐協(xié)調(diào)控制模式大多運(yùn)用典型的間接能量平衡原理。當(dāng)燃煤發(fā)電機(jī)組處于正常協(xié)調(diào)運(yùn)行方式時(shí),汽輪機(jī)、鍋爐均接收負(fù)荷指令信號及主汽壓力指令信號,共同完成機(jī)組負(fù)荷和主汽壓力調(diào)節(jié),保證發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。

浙能阿克蘇熱電有限公司擁有2臺燃煤熱電聯(lián)供發(fā)電機(jī)組,采用超臨界變壓運(yùn)行單爐膛,一次再熱,四角切圓燃燒方式的螺旋管圈直流鍋爐。汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)公司生產(chǎn)的2×350 MW超臨界、一次中間再熱、單軸、高中壓分缸,三缸雙排汽,直接空冷、雙抽汽凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)組鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽通過2個(gè)高壓主汽閥和4個(gè)高壓調(diào)閥進(jìn)入高壓缸,4個(gè)高壓調(diào)閥采用單閥或順序閥配汽方式。供熱系統(tǒng)由工業(yè)用抽汽和采暖系統(tǒng)兩部分組成。工業(yè)用抽汽從中壓缸第5級后抽出供給工業(yè)供汽管網(wǎng)(常年供給)。采暖系統(tǒng)抽汽從中壓缸排汽抽出供給熱網(wǎng)系統(tǒng)(冬季供給)。

該公司2臺熱電聯(lián)供機(jī)組的協(xié)調(diào)控制按典型直流鍋爐協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行設(shè)計(jì),沒有考慮機(jī)組供熱系統(tǒng)投用對汽輪機(jī)和鍋爐的影響,因此2臺機(jī)組自從供熱系統(tǒng)投運(yùn)以來均出現(xiàn)主蒸汽壓力偏低、汽機(jī)的高壓調(diào)閥開度過大的問題,嚴(yán)重影響了機(jī)組變負(fù)荷及一次調(diào)頻的響應(yīng)速度。

針對上述問題,本文結(jié)合直流鍋爐常用的典型協(xié)調(diào)控制模式以及供熱機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn),探討了解決問題的方法和技術(shù)措施,并對機(jī)組協(xié)調(diào)控制進(jìn)行優(yōu)化,以期有效提高機(jī)組變負(fù)荷能力及一次調(diào)頻的響應(yīng)速度。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)節(jié)原理

燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)主要是根據(jù)機(jī)組的能量平衡原理。能量平衡式為[2-3]

Qr=Dex+Pgen

(1)

式中:Qr——鍋爐釋放的總熱量;

Dex——機(jī)組熱負(fù)荷,即抽汽量;

Pgen——機(jī)組電負(fù)荷,即發(fā)電有功功率 。

由式(1)可知,鍋爐釋放的總熱量應(yīng)包括機(jī)組電負(fù)荷和機(jī)組熱負(fù)荷,只有當(dāng)汽輪機(jī)和鍋爐負(fù)荷達(dá)到平衡時(shí)才能既保證機(jī)組電負(fù)荷又保證機(jī)組熱負(fù)荷,從而使機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí),當(dāng)鍋爐提供的總熱量一定時(shí),機(jī)組電負(fù)荷與機(jī)組熱負(fù)荷之間存在一定的耦合關(guān)系,具體表現(xiàn)為,當(dāng)機(jī)組發(fā)電功率改變時(shí)會引起抽汽壓力波動進(jìn)而影響到抽汽量,反之,當(dāng)抽汽量變化時(shí)又會影響機(jī)組發(fā)電功率的穩(wěn)定性。即Pgen隨著Dex的增加而減小;反之,Pgen隨著Dex的減小而增加[4-5]。

2 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制存在的問題

目前,浙能阿克蘇熱電有限公司擁有的2臺燃煤熱電聯(lián)供發(fā)電機(jī)組采用的協(xié)調(diào)控制模式如圖1所示。

圖1 機(jī)組的協(xié)調(diào)控制模式

圖1中,N0為機(jī)組電負(fù)荷指令,Ne為機(jī)組實(shí)際電負(fù)荷,ps為主蒸汽壓力設(shè)定值,pt為主蒸汽壓力實(shí)際值,wT1和wT2為PID運(yùn)算,UT為汽輪機(jī)主控指令,BID為鍋爐主控指令。根據(jù)圖1可以得出,機(jī)組總協(xié)調(diào)的方式是鍋爐控制主蒸汽壓力,同時(shí)兼顧機(jī)組負(fù)荷的控制;汽輪機(jī)控制機(jī)組電負(fù)荷,同時(shí)兼顧維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定。但這些協(xié)調(diào)控制只考慮了機(jī)組電負(fù)荷,并未考慮機(jī)組熱負(fù)荷,也沒考慮機(jī)組電負(fù)荷與機(jī)組熱負(fù)荷之間的耦合關(guān)系。

機(jī)組自供熱系統(tǒng)投入后,為了滿足熱用戶的需求,不斷增大抽汽量,汽輪機(jī)由于蒸汽量減少導(dǎo)致瞬時(shí)電負(fù)荷下降。但在機(jī)組協(xié)調(diào)控制模式作用下,為了維持機(jī)組電負(fù)荷,汽輪機(jī)側(cè)增大調(diào)門開度,此時(shí)主蒸汽壓力明顯下降,鍋爐側(cè)通過負(fù)荷偏差和壓力偏差對BID的修正以此來調(diào)整給煤量,提高鍋爐出力。這個(gè)過程中BID的修正十分緩慢,往往導(dǎo)致電負(fù)荷難以快速恢復(fù)到達(dá)調(diào)度指令,同時(shí)BID的上調(diào)是有上限的,不能無限制增加,且調(diào)閥存在凸輪效應(yīng),當(dāng)調(diào)節(jié)閥的閥門開度過大時(shí),在機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻以及變負(fù)荷工況時(shí)就會出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的閥門開度來回大幅度波動的情況,對調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行狀況十分不利。機(jī)組在270 MW負(fù)荷運(yùn)行工況條件下的一次調(diào)頻如圖2所示。

圖2 機(jī)組在270 MW負(fù)荷運(yùn)行工況下的一次調(diào)頻

機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí),高壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度一般維持在40%以上,在響應(yīng)低頻動作時(shí),高壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度將達(dá)到95%,當(dāng)一次調(diào)頻消失時(shí),閥門開度又將回復(fù)至40%左右。因此,隨著外界對負(fù)荷要求的不斷變化,機(jī)組高壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度隨之產(chǎn)生大幅度動作。這對高壓調(diào)節(jié)閥的安全以及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行都將產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。尤其當(dāng)機(jī)爐負(fù)荷存在嚴(yán)重不匹配時(shí),高壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度將處在不理想低效率的運(yùn)行狀態(tài),從而導(dǎo)致機(jī)組在響應(yīng)變負(fù)荷以及一次調(diào)頻時(shí)高壓調(diào)節(jié)閥的閥門開度出現(xiàn)大幅度晃動,嚴(yán)重危及機(jī)組的運(yùn)行安全。

3 協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法

根據(jù)上述研究分析,目前2臺燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行的根本問題是機(jī)爐協(xié)調(diào)不匹配。解決這一問題的措施是采取協(xié)調(diào)優(yōu)化技術(shù)。針對機(jī)組運(yùn)行的實(shí)際工況,引入了新的前置控制量Nex(機(jī)組熱負(fù)荷),改進(jìn)后的機(jī)組協(xié)調(diào)控制模式如圖3所示。在引入機(jī)組熱負(fù)荷的條件下,熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在協(xié)調(diào)工況下運(yùn)行時(shí),鍋爐主控指令預(yù)先增加了機(jī)組熱負(fù)荷,即用機(jī)組電負(fù)荷指令疊加機(jī)組熱負(fù)荷作為機(jī)組總負(fù)荷指令,對其進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制,這時(shí)汽輪機(jī)主控部分由于增加了熱負(fù)荷變化量作為前饋,從而能夠加快汽輪機(jī)對機(jī)組熱負(fù)荷變化的響應(yīng)速度,以此減少熱負(fù)荷變化對機(jī)組電負(fù)荷的影響。

圖3 改進(jìn)后的機(jī)組協(xié)調(diào)控制模式

根據(jù)有關(guān)理論分析,機(jī)組熱負(fù)荷可以通過蒸汽流量、壓力、溫度等狀態(tài)參數(shù)以及各級汽輪機(jī)的作功情況進(jìn)行計(jì)算,但是在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),流量測量與實(shí)際的供汽量存在一定的誤差,不能完全通過理論的計(jì)算方法來表征機(jī)組熱負(fù)荷。本文中機(jī)組熱負(fù)荷的表征如下[6-8]

Dex=(Q1-Q)K

(2)

(3)

式中:Q1——機(jī)組供熱運(yùn)行時(shí)的實(shí)際主蒸汽流量;

Q——機(jī)組電負(fù)荷不供熱運(yùn)行時(shí)對應(yīng)的主蒸汽流量。

根據(jù)式(2)和式(3),機(jī)組熱負(fù)荷計(jì)算框圖如圖4所示。機(jī)組在不供熱條件下運(yùn)行時(shí),其電負(fù)荷、流量以及K值等的變化規(guī)律如表1所示。依據(jù)表1中的數(shù)據(jù),通過數(shù)學(xué)分析可以得出不同負(fù)荷條件下,對應(yīng)的蒸汽流量Q的函數(shù)關(guān)系式f1(x)以及K的函數(shù)關(guān)系式f2(x)。

圖4 機(jī)組熱負(fù)荷計(jì)算框圖

Pgen/MWQ/(t·h-1)K703090.226 51054200.250 01405210.268 71756200.282 22609100.286 03201 1150.287 03401 1670.290 03501 1700.299 0

通過理論分析對機(jī)組的協(xié)調(diào)邏輯進(jìn)行必要的修改和優(yōu)化:首先,在鍋爐主控生成回路中,用機(jī)組總負(fù)荷指令取代原來的機(jī)組電負(fù)荷指令,使鍋爐負(fù)荷與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷能夠較好地匹配,保證機(jī)組各參數(shù)運(yùn)行在規(guī)定的正常范圍之內(nèi);其次,在主蒸汽壓力的回路中,同樣采用機(jī)組總負(fù)荷指令代替原來的機(jī)組電負(fù)荷指令,保證機(jī)組主蒸汽壓力設(shè)定值與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷相匹配,使汽輪機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥開度運(yùn)行在一個(gè)合適的開度范圍,從而保證機(jī)組具有良好的經(jīng)濟(jì)性、快速響應(yīng)負(fù)荷的適應(yīng)性和一次調(diào)頻效果的有效性;最后,在汽輪機(jī)主控回路中,增加機(jī)組熱負(fù)荷變化的前饋量,以減少機(jī)組熱負(fù)荷變化對機(jī)組電負(fù)荷的影響,即對機(jī)組電負(fù)荷和機(jī)組熱負(fù)荷進(jìn)行解耦,減少兩者之間的相互干擾和影響,有效維持機(jī)組的正常穩(wěn)定運(yùn)行[9-10]。

4 實(shí)施效果

針對燃煤熱電機(jī)組存在的問題,采用協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法,修改協(xié)調(diào)邏輯后機(jī)組投運(yùn)效果如下。

(1) 當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行,且負(fù)荷為200 MW時(shí),運(yùn)行工況如圖5所示。調(diào)節(jié)閥的閥門開度維持在35%～38%,主蒸汽壓力偏差滿足要求,機(jī)組整體協(xié)調(diào)控制性能良好,具有良好的一次調(diào)頻和變負(fù)荷能力。

圖5 機(jī)組在200 MW負(fù)荷運(yùn)行工況下的一次調(diào)頻

(2) 當(dāng)機(jī)組在高負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行,且負(fù)荷為300 MW時(shí),運(yùn)行工況如圖6所示。一般情況下,調(diào)節(jié)閥的閥門開度能較好地控制在50%以下。當(dāng)一次調(diào)頻頻繁動作時(shí),機(jī)組不僅能很好響應(yīng)一次調(diào)頻,還能將調(diào)節(jié)閥的閥門開度控制在55%以下,保證了機(jī)組在高負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)能快速響應(yīng)一次調(diào)頻,調(diào)節(jié)閥也不會因凸輪效應(yīng)而造成大幅度的波動。

圖6 機(jī)組在300 MW負(fù)荷運(yùn)行工況下的一次調(diào)頻

(3) 由于在優(yōu)化過程中針對供熱量的變化在鍋爐主控回路引入了熱負(fù)荷動態(tài)前饋,因此當(dāng)外界熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),鍋爐能夠快速響應(yīng)外界熱負(fù)荷的變化加減負(fù)荷,使得主蒸汽壓力變化比較平穩(wěn)。

(4) 由于在汽輪機(jī)主控部分中引入了熱負(fù)荷變化的動態(tài)前饋后,所以當(dāng)外界熱負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),汽輪機(jī)主控部分能夠快速響應(yīng)外界熱負(fù)荷的變化，及時(shí)開關(guān)調(diào)節(jié)閥,從而保持了機(jī)組電負(fù)荷的相對穩(wěn)定,并減弱了機(jī)組電負(fù)荷與機(jī)組熱負(fù)荷之間的耦合關(guān)系。

5 結(jié) 語

通過增加機(jī)組熱負(fù)荷這一負(fù)荷前饋量,使得汽輪機(jī)和鍋爐能夠快速響應(yīng)熱負(fù)荷變化的要求,這樣既能保證熱用戶對蒸汽量的需求,又能保證電負(fù)荷滿足AGC要求。同時(shí),通過優(yōu)化,汽輪機(jī)和鍋爐真正達(dá)到能量平衡,使機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行在一個(gè)合適開度下,不僅保證了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性,而且保證了機(jī)組具有快速響應(yīng)一次調(diào)頻及變負(fù)荷的能力,提高了電網(wǎng)頻率穩(wěn)定運(yùn)行水平,改善了電網(wǎng)頻率動態(tài)品質(zhì)。

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