劉 科,楊興森,董信光,張利孟,田春曉
(1.山東電力研究院,山東 濟南 250003;2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟南 250003)
風(fēng)電、光伏等清潔能源在國家補貼和稅收優(yōu)惠政策下發(fā)展迅速,裝機容量不斷增大,但由于風(fēng)電、光伏等發(fā)電具有波動性、間歇性,對接入電網(wǎng)消納造成困難,而且目前電力需求增長放緩,外電入魯規(guī)模不斷增大的新形勢下,可再生能源消納面臨更大壓力。同時,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)模不斷擴大和綠色配額制正式實施,對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、主輔機設(shè)備運行狀態(tài)、環(huán)境溫度等都有關(guān)系[2]。運行中的機組由于環(huán)境參數(shù)不會發(fā)生突變,影響機組最大出力的是煤質(zhì)和主輔機的設(shè)備運行狀態(tài),其中,制粉系統(tǒng)和風(fēng)煙系統(tǒng)異常是導(dǎo)致機組發(fā)生降出力事件最多的兩大系統(tǒng)[3]。據(jù)統(tǒng)計,空氣預(yù)熱器(簡稱空預(yù)器)煙氣側(cè)差壓過高是導(dǎo)致機組降出力的主要原因之一[4-5]??疹A(yù)器煙氣側(cè)差壓增大導(dǎo)致機組降出力主要是兩方面原因,一是煙道阻力增大,風(fēng)機出力達(dá)到上限導(dǎo)致機組無法繼續(xù)提升出力;二是空預(yù)器差壓過高,說明空預(yù)器可能由局部堵灰,堵塞部分交替經(jīng)過煙氣倉、一次風(fēng)倉、二次風(fēng)倉,會造成一次風(fēng)壓、二次風(fēng)壓、爐膛負(fù)壓的周期性波動,嚴(yán)重影響鍋爐安全穩(wěn)定運行,為保證機組安全運行,只能提出降出力申請。
燃煤含硫量較高、脫硝系統(tǒng)噴氨過量等因素都會導(dǎo)致空預(yù)器的狀態(tài)發(fā)生復(fù)雜變化[6-8],因此煤硫分的實時檢測預(yù)警裝置在實際應(yīng)用過程中并不順利。但這些因素最終都會體現(xiàn)在空預(yù)器煙氣側(cè)差壓這一數(shù)據(jù)中,通過監(jiān)測分析空預(yù)器各個負(fù)荷下的煙氣側(cè)差壓數(shù)據(jù)及其變化趨勢,可以對空預(yù)器的設(shè)備狀態(tài)做出客觀評價,并進(jìn)一步判斷空預(yù)器會不會成為機組繼續(xù)提升出力的限制因素。通過分析空預(yù)器煙氣側(cè)差壓與機組負(fù)荷的關(guān)系,建立二者的影響模型,最終通過實時監(jiān)測空預(yù)器差壓狀態(tài),評估預(yù)測機組最大出力。
依托山東省網(wǎng)源監(jiān)督服務(wù)平臺的海量數(shù)據(jù),分析山東省典型600 MW等級機組,以HD電廠1號、RZ電廠1號、FD電廠1號、FD電廠2號這3個電廠4臺機組為例,研究空預(yù)器差壓與機組出力的相關(guān)性。4臺機組的空預(yù)器均為三分倉回轉(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。
為排除機組供汽供熱的影響,以鍋爐蒸發(fā)量代表鍋爐實際出力,圖1 所示為2020 年4 月,RZ、HD、FD 3 個電廠的空預(yù)器A、B 側(cè)煙氣差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對應(yīng)散點圖。圖2 是FD 電廠1 號機組連續(xù)3 個月無降出力情況下空預(yù)器煙氣側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系。4月份,RZ 電廠1號機組、HD 電廠1號機組、FD 電廠1 號機組均未出現(xiàn)空預(yù)器差壓引發(fā)的機組降出力事件,F(xiàn)D 電廠2 號機組發(fā)生了多次空預(yù)器差壓導(dǎo)致的機組降出力事件。由圖1可知,前3臺機組的空預(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,其對應(yīng)關(guān)系與圖2 所展示的對應(yīng)關(guān)系是一致的??梢?,空預(yù)器狀態(tài)正常時,煙氣側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系在不同機組不同時間段內(nèi)是一致的。
圖1 4月不同機組空預(yù)器差壓與鍋爐蒸發(fā)量的關(guān)系
圖2 FD電廠1號機組2020年5—7月空預(yù)器差壓與鍋爐蒸發(fā)量的對應(yīng)關(guān)系
FD 電廠2 號機組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)器差壓過高導(dǎo)致機組降出力后,機組進(jìn)行了停機解包沖洗,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號機組空預(yù)器B側(cè)煙氣差壓與鍋爐蒸發(fā)量關(guān)系與6 月、7 月的對應(yīng)關(guān)系整體趨勢相似,但在部分負(fù)荷點對應(yīng)的空預(yù)器差壓有明顯偏高的數(shù)據(jù)。
圖3 FD電廠2號機組2020年4—7月空預(yù)器B側(cè)差壓與鍋爐蒸發(fā)量對應(yīng)關(guān)系
在同一鍋爐蒸發(fā)量下,空預(yù)器的煙氣側(cè)差壓是一個范圍,但只有最大值才會對空預(yù)器的設(shè)備評價有意義,因此,為明確空預(yù)器差壓與鍋爐出力對應(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、2 號機組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,由于每個負(fù)荷下正常的差壓是一個范圍,但只有正常運行狀態(tài)下的最大值才能代表空預(yù)器的差壓狀態(tài),因此保留每個負(fù)荷節(jié)點下的最大差壓數(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、2 號機組6月、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系見圖4、圖5,可以認(rèn)為正常狀態(tài)下,鍋爐蒸發(fā)量對應(yīng)的最大空預(yù)器差壓符合對數(shù)關(guān)系。
圖4 數(shù)據(jù)切片清洗后FD電廠1號機組2020年6月、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系
FD 電廠2 號機組4 月份多次出現(xiàn)因空預(yù)器差壓過高導(dǎo)致的機組降出力事件,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FD 電廠2 號機組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 個蒸發(fā)量節(jié)點下相對偏高的差壓數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合,數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系如圖6 所示,擬合后R2>0.9,可見,空預(yù)器阻力升高后的差壓數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量同樣也符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系。
圖5 數(shù)據(jù)切片清洗后FD電廠2號機組6、7月差壓與蒸發(fā)量的擬合關(guān)系
圖6 FD電廠2號機組2020年4月份差壓異常偏高數(shù)據(jù)擬合圖
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,在不停機的情況下很難逆轉(zhuǎn),因此此時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,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)測的鍋爐最大蒸發(fā)量,t/h;ΔPmax0為空預(yù)器差壓的報警值,kPa。
最大出力模型判斷步驟如圖7所示。
為保證模型的準(zhǔn)確性,對建模所需的空預(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,且在各個蒸發(fā)量節(jié)點下都應(yīng)有足夠多的數(shù)據(jù)點,至少要有100 組差壓數(shù)據(jù);2)由于空預(yù)器阻力會隨時間發(fā)生變化,需要定期對f1(G)函數(shù)進(jìn)行修正。
利用上述分析和建模方法,對FD 電廠2 號機組建模驗證通過后,將模型推廣到網(wǎng)源平臺20 余臺數(shù)據(jù)質(zhì)量符合要求的機組上,并將模型預(yù)測結(jié)果接入網(wǎng)源平臺。實現(xiàn)了通過監(jiān)測機組空預(yù)器差壓,預(yù)測機組因預(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)平臺監(jiān)測結(jié)果,配合遠(yuǎn)程最大出力試驗進(jìn)行模型驗證。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果共挑選24 臺機組進(jìn)行遠(yuǎn)程最大出力試驗,其中模型顯示差壓受限的機組的4臺,差壓顯示正常的機組20臺,分別對它們進(jìn)行遠(yuǎn)程最大出力試驗。試驗結(jié)果如表1 所示,有3 臺機組未能達(dá)到最大出力提出降出力,1 臺機組在經(jīng)過一段時間調(diào)整后達(dá)到最大出力;另外20 臺差壓正常的機組有19 臺順利達(dá)到最大出力,有1 臺機組因磨煤機跳機未能達(dá)到最大出力。成功預(yù)測的3 起降出力事件,預(yù)測結(jié)果與實際降出力情況十分接近。其中8月5日預(yù)測LD電廠7號機組(額定容量140 MW)最大出力為129.0 MW,實際最大出力128.7 MW;8 月7 日預(yù)測LY 電廠7 號機組最大出力為137.7 MW,實際最大出力136.1 MW;8 月11 日,預(yù)測FD 電廠2 號機組(額定容量650 MW)最大出力為589.1 MW,實際最大出力601.1 MW,電廠提交的降出力原因是帶工業(yè)抽汽,但實際上機組在接近600 MW時已經(jīng)將工業(yè)抽汽轉(zhuǎn)移到其他機組,降出力原因是空預(yù)器差壓高。說明該模型能夠預(yù)測預(yù)熱器壓差引起的降出力事件,但是無法預(yù)測其他類型降出力事件。
表1 模型預(yù)測與遠(yuǎn)程最大出力試驗結(jié)果對比
通過分析大量數(shù)據(jù)明確了空預(yù)器差壓與機組出力之間的函數(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)差壓對機組出力之間的影響規(guī)律,建立了基于監(jiān)測空預(yù)器差壓數(shù)據(jù),實時評估預(yù)測機組最大出力的模型,模型驗證結(jié)果較好,能有效預(yù)測因預(yù)熱器差壓高導(dǎo)致的機組降出力事件的發(fā)生。機組此類降出力情況的提前預(yù)測,能夠幫助調(diào)度人員及時掌握機組的真實出力情況,為合理安排機組參與應(yīng)急調(diào)度提供了依據(jù),提高了機組完成調(diào)度任務(wù)的成功率,有效保障了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。