范慶偉，雒 青，常東鋒，兀鵬越，王 偉

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聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提升機(jī)組快速爬坡能力研究

范慶偉1，雒 青2，常東鋒1，兀鵬越1，王 偉2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054）

針對(duì)“火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目”目標(biāo)要求的提升機(jī)組爬坡能力開展研究。首先，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析了現(xiàn)有火電機(jī)組具備的AGC響應(yīng)能力，其與預(yù)期目標(biāo)之間仍存在一定的差距。在對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)、基于機(jī)組自身蓄能的負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)和基于儲(chǔ)能的負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行分析論述的基礎(chǔ)上，提出利用聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提升機(jī)組AGC響應(yīng)能力，并對(duì)其運(yùn)行特點(diǎn)、熱力特性、項(xiàng)目投資等進(jìn)行了分析。聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與純電池儲(chǔ)能方案接近的調(diào)節(jié)品質(zhì)，具有投資較低、安全性更高等特點(diǎn)，值得推廣。

聯(lián)合儲(chǔ)能；火電靈活性；AGC響應(yīng)；機(jī)組爬坡能力；電池儲(chǔ)能；試驗(yàn)研究

火電機(jī)組運(yùn)行靈活性改造主要圍繞深度調(diào)峰運(yùn)行、快速爬坡能力及快速啟停3個(gè)方面進(jìn)行。前期試點(diǎn)機(jī)組以深度調(diào)峰運(yùn)行為主開展工作，如北方聯(lián)合電力有限責(zé)任公司臨河熱電廠1號(hào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)25%BMCR（鍋爐最大出力工況）穩(wěn)定運(yùn)行，國(guó)電大渡河流域水電開發(fā)有限公司2號(hào)機(jī)組實(shí)現(xiàn)33%BMCR穩(wěn)定運(yùn)行，華能曲阜熱電有限公司2號(hào)機(jī)組35%BMCR穩(wěn)定運(yùn)行，華能國(guó)際電力股份有限公司南通電廠1號(hào)機(jī)組30%BMCR穩(wěn)定運(yùn)行，華能國(guó)際電力股份有限公司丹東電廠20%BMCR穩(wěn)定運(yùn)行等。除深度調(diào)峰研究外，北方地區(qū)的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在熱電解耦方面的研究也獲得了廣泛關(guān)注，如高背壓供熱、汽輪機(jī)低壓缸零出力、汽輪機(jī)旁路供熱、水罐儲(chǔ)能供熱、電鍋爐調(diào)峰儲(chǔ)能供熱等。

近期，針對(duì)機(jī)組快速爬坡能力（AGC調(diào)節(jié)能力提升）的研究受到關(guān)注，電網(wǎng)公司也開始對(duì)機(jī)組提出更為快速、準(zhǔn)確的AGC響應(yīng)速率的要求，機(jī)組靈活性改造進(jìn)入第2階段目標(biāo)的實(shí)施階段。

1 提升機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制技術(shù)

隨著電力企業(yè)工業(yè)化與信息化建設(shè)的推進(jìn)，數(shù)字化和智能化電廠的概念被廣泛接受，提升機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制水平是智能電廠建設(shè)的重要環(huán)節(jié)[1-5]。針對(duì)國(guó)內(nèi)火電機(jī)組普遍存在的運(yùn)行負(fù)荷率低、燃煤品質(zhì)波動(dòng)大等突出問題，基于智能算法的鍋爐+汽輪機(jī)+輔助車間控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制品質(zhì)的提升對(duì)于提高其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力將起到積極的作用。西門子和GE公司在機(jī)組協(xié)調(diào)控制品質(zhì)方面進(jìn)行了相應(yīng)的探索。國(guó)內(nèi)的各大研究單位及高校也在進(jìn)行這方面的深入研究與實(shí)踐。

1.2 基于機(jī)組自身蓄能的調(diào)節(jié)技術(shù)

單純依靠調(diào)整燃料量來改變機(jī)組負(fù)荷的過程非常緩慢，為提高機(jī)組AGC調(diào)節(jié)速率，必須合理利用機(jī)組自身的蓄能。目前，廣泛使用的火電機(jī)組蓄能及利用方法包括主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流、減溫水量調(diào)節(jié)、開啟補(bǔ)汽閥調(diào)節(jié)、開啟汽輪機(jī)旁路調(diào)節(jié)、高壓加熱器（高加）旁路調(diào)節(jié)、抽汽節(jié)流調(diào)節(jié)、凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)等[6-9]。

由于涉及機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)方面的問題，個(gè)別技術(shù)不具備推廣性。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)機(jī)組使用主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流作為主調(diào)節(jié)手段，部分機(jī)組增加了凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)或給水旁路調(diào)節(jié)等輔助調(diào)節(jié)手段。

1.3 基于儲(chǔ)能的調(diào)節(jié)技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)的研究與應(yīng)用由來已久。儲(chǔ)能裝置能夠?qū)崟r(shí)吸收或釋放功率，低儲(chǔ)高發(fā)，有效減少系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)損耗，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，獲取經(jīng)濟(jì)效益[10-15]。

儲(chǔ)能技術(shù)按其技術(shù)原理劃分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四大類。其中，物理儲(chǔ)能又包括抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能，化學(xué)儲(chǔ)能包括鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池和金屬空氣電池，電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)。

在各種儲(chǔ)能技術(shù)中，物理儲(chǔ)能由于容量大，適應(yīng)于大區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)整體層面的峰谷調(diào)節(jié)；化學(xué)儲(chǔ)能靈活方便，既適用于電網(wǎng)整體層面的峰谷調(diào)節(jié)，也可應(yīng)用于單臺(tái)機(jī)組的峰谷調(diào)節(jié)；相變儲(chǔ)能并非直接儲(chǔ)存電能、需二次轉(zhuǎn)化，因此較適用于基于現(xiàn)有機(jī)組的大幅峰谷調(diào)節(jié)。

1.4 3種廣泛應(yīng)用的AGC調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的提升單機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力的輔助技術(shù)主要包括凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)、給水旁路調(diào)節(jié)和電池儲(chǔ)能調(diào)節(jié)。圖1為凝結(jié)水流量與機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果。正常運(yùn)行狀態(tài)下，通過凝結(jié)水節(jié)流使低壓加熱器（低加）的用汽量減少，從而增加低壓缸做功蒸汽總量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的目的。通常，100 t/h凝結(jié)節(jié)流可使機(jī)組負(fù)荷增加1~ 2 MW。凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)雖可快速增加機(jī)組的負(fù)荷，但受限于除氧器、凝汽器安全運(yùn)行方面的考慮，其調(diào)節(jié)時(shí)間一般控制在2 min左右。

給水旁路調(diào)節(jié)技術(shù)的原理與凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)一致，通過旁路一部分給水減少高加抽汽量，實(shí)現(xiàn)增加機(jī)組出力目的。單位質(zhì)量高加抽汽的做功能力比低加抽汽強(qiáng)，因此給水旁路調(diào)節(jié)能力也比凝結(jié)水節(jié)流強(qiáng)。與凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)不同的是，給水旁路會(huì)短時(shí)間降低鍋爐的給水溫度，其在后續(xù)調(diào)節(jié)階段會(huì)削弱燃料增加帶來的負(fù)荷增量。

電池儲(chǔ)能輔助AGC調(diào)節(jié)目前已成功應(yīng)用到多個(gè)工程項(xiàng)目中，包括：北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠、山西京玉發(fā)電有限責(zé)任公司、山西陽光發(fā)電有限責(zé)任公司、山西漳電同達(dá)熱電有限公司、內(nèi)蒙古上都發(fā)電有限責(zé)任公司等。其中北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠已于2014年關(guān)停，另外還有多個(gè)項(xiàng)目在建[16]。電池儲(chǔ)能最大的特點(diǎn)在于響應(yīng)速度快（1 s以內(nèi)即可響應(yīng)），快速滿足電網(wǎng)負(fù)荷指令。圖2所示為電池儲(chǔ)能響應(yīng)負(fù)荷特性。

凝結(jié)水節(jié)流、給水旁路技術(shù)與電池儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比見表1。凝結(jié)水節(jié)流與給水旁路系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于改造費(fèi)用低、系統(tǒng)安全可靠，但響應(yīng)時(shí)間略長(zhǎng)；而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)剛好與之相反。單獨(dú)采用三者中的任何一種技術(shù)均存在較為顯著的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖2 電池儲(chǔ)能跟蹤AGC指令響應(yīng)特性（容量20 MW）

表1 3種負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)比

Tab.1 Comparison of three types of load adjustment method

2 機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力現(xiàn)狀及提升措施

2.1 機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)研究

為了解現(xiàn)役火電機(jī)組AGC調(diào)節(jié)能力現(xiàn)狀，選取典型亞臨界600 MW機(jī)組進(jìn)行AGC調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3a)、圖3b)可見：前期，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷基本能夠跟隨目標(biāo)指令；但時(shí)間越長(zhǎng)跟隨性越差，接近目標(biāo)值時(shí)出現(xiàn)明顯偏離，負(fù)荷調(diào)節(jié)速率越快，偏離情況越嚴(yán)重。試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組在無輔助調(diào)節(jié)手段的情況下，實(shí)際的AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)能力并不理想，與靈活性改造目標(biāo)的要求有一定距離。

由圖3c)可見：降負(fù)荷過程中，機(jī)組約在5 min時(shí)刻開始降負(fù)荷，中途在300 MW負(fù)荷穩(wěn)定4 min，之后開始緩慢降低，整個(gè)過程持續(xù)55 min，平均調(diào)節(jié)速率為0.28%Pe/min；升負(fù)荷速率相比降負(fù)荷速率要快，約10 min開始升負(fù)荷，中途在252 MW負(fù)荷穩(wěn)定3 min，之后近似勻速升負(fù)荷，整個(gè)過程耗時(shí)25 min，調(diào)節(jié)速率約為0.61%Pe/min。試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組低負(fù)荷工況的AGC調(diào)節(jié)能力將大幅下降。

電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)對(duì)于機(jī)組響應(yīng)時(shí)間也有要求。圖4為AGC指令發(fā)出2 min內(nèi)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性。由圖4可見：2種不同升負(fù)荷速率時(shí)2 min內(nèi)機(jī)組實(shí)際升負(fù)荷速率接近；對(duì)于1.5%Pe/min工況，實(shí)際負(fù)荷略低于目標(biāo)負(fù)荷，且約在指令發(fā)出20~40 s內(nèi)機(jī)組實(shí)際負(fù)荷開始響應(yīng)；而對(duì)于3.0%Pe/min工況，實(shí)際負(fù)荷低于目標(biāo)值的偏差明顯增加，且機(jī)組55 s后才開始響應(yīng)。可見，現(xiàn)有機(jī)組在升負(fù)荷初期的響應(yīng)特性非常差，距離靈活性要求的差距更大。

圖4 2 min內(nèi)AGC負(fù)荷調(diào)節(jié)特性

2.2 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)

按現(xiàn)有的技術(shù)措施，若進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流或給水旁路改造，則系統(tǒng)投資較低，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間周期較短；若采用電池儲(chǔ)能調(diào)節(jié)，則系統(tǒng)初投資大幅增加，但可以較好滿足電網(wǎng)的需求。綜合上述技術(shù)措施的優(yōu)點(diǎn)，將凝結(jié)水節(jié)流與電池儲(chǔ)能聯(lián)合，前期使用電池系統(tǒng)快速響應(yīng)的特性，滿足機(jī)組快速調(diào)整的需要；后期使用凝結(jié)水節(jié)流安全、穩(wěn)定的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)的負(fù)荷調(diào)整。按此思路，可大幅削減電池儲(chǔ)能的容量，進(jìn)而降低系統(tǒng)投資，減小系統(tǒng)的安全隱患。此外，為增加凝結(jié)水節(jié)流的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間，增設(shè)一套凝結(jié)水儲(chǔ)能系統(tǒng)。綜合上述思路，本文提出了聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

以600 MW等級(jí)機(jī)組為例，目前電池儲(chǔ)能的設(shè)計(jì)規(guī)模為18 MW/9 MW·h。對(duì)于聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)而言，電池容量可設(shè)計(jì)為9 MW/1.5 MW·h，由于增加了充放倍率，電池種類也需進(jìn)行調(diào)整。

按凝結(jié)水節(jié)流100 t/h對(duì)應(yīng)1.5 MW負(fù)荷關(guān)系估算，凝結(jié)水節(jié)流量為1 333 t/h。按常規(guī)水罐設(shè)計(jì)原則，取水罐有效容積系數(shù)0.8，儲(chǔ)水罐采用單罐結(jié)構(gòu)，高徑比為1.3，則水罐內(nèi)徑為12 m，高度為16 m，容積為1 800 m3。

按已實(shí)施項(xiàng)目的價(jià)格估算，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的電池部分投資約為1 800萬元；凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造費(fèi)用為120萬元，儲(chǔ)水罐系統(tǒng)投資約380萬元。因此，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)總投資為2 300萬元。

目前在建的18 MW/9 MW·h純電池儲(chǔ)能系統(tǒng)初投資為4 800萬。相比而言，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)初投資降低幅度超過50%。

2.3 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方式模擬

由于電池儲(chǔ)能部分容量降低，聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)較純電池方案略有降低。圖6為聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性模擬。為了更好地表現(xiàn)系統(tǒng)的特性，在整個(gè)負(fù)荷調(diào)節(jié)期間暫不考慮鍋爐燃料增加對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)的影響。在調(diào)節(jié)期結(jié)束后，鍋爐的負(fù)荷調(diào)整能力與凝結(jié)水節(jié)流的調(diào)節(jié)能力互換。

圖6 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行特性分析

由圖6可見：機(jī)組AGC升負(fù)荷指令發(fā)出后，瞬間電池響應(yīng)AGC指令，提供9 MW負(fù)荷增量；25 s時(shí)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)開始響應(yīng)，此后電池快速退出，此時(shí)AGC負(fù)荷指令全部由凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)；至5 min負(fù)荷指令結(jié)束時(shí)，假定鍋爐開始響應(yīng)，此后，凝結(jié)水節(jié)流的負(fù)荷調(diào)整增量逐漸過渡到鍋爐響應(yīng)。實(shí)際過程中，鍋爐在2 min左右已有響應(yīng)，各調(diào)節(jié)方式必然會(huì)存在時(shí)間維度的重疊區(qū)，由于重疊區(qū)域由控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)且有益于實(shí)際運(yùn)行方式，本次模擬暫不考慮。整個(gè)AGC指令響應(yīng)階段，前期電池系統(tǒng)提供AGC指令50%的負(fù)荷增量，后期機(jī)組按AGC目標(biāo)增量持續(xù)運(yùn)行。

3 結(jié) 論

1）現(xiàn)役典型機(jī)組的AGC升降負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力與靈活性改造的目標(biāo)仍存在一定的差距。

2）本文提出的聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)電池系統(tǒng)功率可做到純電池方案的1/2，容量可減小到純電池方案的約1/6左右，與純電池方案相比總投資降低幅度超過50%，可實(shí)現(xiàn)與純電池方案幾乎一致的調(diào)節(jié)能力。

3）聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)可大幅降低系統(tǒng)投資，實(shí)現(xiàn)快速負(fù)荷調(diào)節(jié)，可廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組靈活性改造工程。

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Improvement of power plants’ flexibility of fast ramp-up ability using united energy storage system

FAN Qingwei1, LUO Qing2, CHANG Dongfeng1, WU Pengyue1, WANG Wei2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

This paper focuses on increasing power plants’ flexibility of fast ramp-up ability. At first, combining with the experimental results, the actual AGC response ability of the current thermal power units are analyzed, it finds out that there is still a certain gap between the existing thermal power units and the expected targets. On the basis of discussing the coordinated optimal control technology, the load regulation technology based on the unit’s self energy storage ability, and the load regulation technology based on energy storage, a united energy storage system is proposed to enhance the AGC response ability of the units. Moreover, the running property, thermal characteristics and project investment are analyzed in detail. The results show that the united energy storage system can realize the regulation quality close to the pure battery energy storage scheme, and has the characteristics of lower investment and higher safety, so it has a strong promotion significance.

united energy storage, power plant flexibility, AGC response, fast ramp-up ability, battery energy storage, experimental study

TM621

B

10.19666/j.rlfd.201809212

范慶偉, 雒青, 常東鋒, 等. 聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)提升機(jī)組快速爬坡能力研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 84-88. FAN Qingwei, LUO Qing, CHANG Dongfeng, et al. Improvement of power plants’ flexibility of fast ramp-up ability using united energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 84-88.

2018-09-29

中國(guó)華能集團(tuán)有限公司總部科技項(xiàng)目(HNKJ17-H13)

Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ17-H13)

范慶偉(1981—)，男，工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娬惧仩t節(jié)能減排新技術(shù)，fanqingwei@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 劉永強(qiáng)）