姜英偉 莊 偉 張寅卯 張勇飛 康 磊 曹大偉

（1.內(nèi)蒙古京寧熱電有限責(zé)任公司，烏蘭察布 012000；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200220）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國年均用電量逐年增加，使得電網(wǎng)的負(fù)荷不斷增長。2019年，某省電網(wǎng)最大負(fù)荷達(dá)到了42 560 MW。電網(wǎng)系統(tǒng)自身具有季節(jié)性等特點(diǎn)，如夏季負(fù)荷最高，且電網(wǎng)負(fù)荷的時(shí)差性較強(qiáng)，使得電網(wǎng)系統(tǒng)會產(chǎn)生較大的峰谷差，因此需要開發(fā)和建設(shè)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的機(jī)組[1]。目前，已經(jīng)研發(fā)的600 MW超臨界火電機(jī)組作為主力調(diào)峰機(jī)組現(xiàn)已投產(chǎn)使用，能夠滿足多數(shù)企業(yè)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)。為了充分發(fā)揮超臨界機(jī)組的各項(xiàng)性能，滿足電網(wǎng)系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，確保電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰安全進(jìn)行，企業(yè)需對機(jī)組進(jìn)行改造并調(diào)整燃燒參數(shù)，優(yōu)化汽輪機(jī)滑壓曲線。超臨界機(jī)組在運(yùn)行時(shí)需要達(dá)到一定的自動化水平，以應(yīng)對不斷變化的工況。此外，機(jī)組包含的容量較大，運(yùn)行時(shí)需要控制多個(gè)參數(shù)，因此需要強(qiáng)大的系統(tǒng)[2]。由于特高壓的接入，超臨界機(jī)組所具備的調(diào)峰能力不能夠滿足要求，需要增加自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）深度調(diào)峰的能力。一般情況下，機(jī)組設(shè)置為50%額定負(fù)荷進(jìn)行AGC運(yùn)行。雖然運(yùn)行負(fù)荷較低，但能夠滿足各輔機(jī)的運(yùn)行。對于超臨界機(jī)組來說，鍋爐水冷壁流量存在著本生流量。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至很低、給水流量接近本生流量后，必須轉(zhuǎn)為濕態(tài)運(yùn)行[3]。因此，本文以某超臨界火電機(jī)組為基礎(chǔ)，分析超臨界機(jī)組參與深度調(diào)峰需要的優(yōu)化邏輯，提出主蒸汽溫度滑參數(shù)運(yùn)行方法，使機(jī)組在干態(tài)協(xié)調(diào)模式下能夠運(yùn)行至較低的負(fù)荷。

1 超臨界機(jī)組的深度調(diào)峰背景

據(jù)調(diào)查，隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，各行業(yè)用電需求不斷增大，電網(wǎng)系統(tǒng)機(jī)組負(fù)荷逐年增加且峰谷差逐年增大，因此對機(jī)組設(shè)備要求也在不斷提升，使得電網(wǎng)調(diào)峰壓力逐年加大。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，對我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)造成了巨大影響，使得各行業(yè)平均用電量不斷增加。用電高峰期與低峰期呈現(xiàn)一定的規(guī)律，導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐漸增大，加劇了電網(wǎng)調(diào)峰壓力。此外，居民生活水平不斷提升，平均用電量不斷增加，也給電網(wǎng)調(diào)峰帶來了壓力。另外，由于自然資源日益短缺，國家制定政策鼓勵(lì)開發(fā)清潔能源，如光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電以及潮汐發(fā)電等[4]。目前，通過清潔能源產(chǎn)生的電量使得裝機(jī)容量不斷增長，也在一定程度上造成了電網(wǎng)調(diào)峰壓力的增大。以上為電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰壓力增大的主要原因。

2 系統(tǒng)概述

某項(xiàng)工程建設(shè)兩臺600 MW超臨界燃煤機(jī)組，同時(shí)建設(shè)了處理煙塵靜電的全脫硫裝置。該裝置用海水為鍋爐提供補(bǔ)給水，同時(shí)對鍋爐進(jìn)行冷卻。在為鍋爐提供補(bǔ)給水時(shí)，裝置需將海水淡化，避免海水腐蝕鍋爐，從而成功將機(jī)組產(chǎn)生的電能以兩回500 kV電壓等級線路接入城市電網(wǎng)。鍋爐型號HG-1950/25.4-YM3，為600 MW超臨界本生直流鍋爐。它的運(yùn)行方式為一次中間再熱、變壓運(yùn)行，帶內(nèi)置式循環(huán)泵啟動系統(tǒng)，前后墻對沖燃燒。汽輪機(jī)型號CLN600-24.2/566/566，為超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、反動凝汽式汽輪機(jī)，采用數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH）。

3 邏輯及參數(shù)優(yōu)化

3.1 給水泵再循環(huán)閥邏輯優(yōu)化

給水泵的安全運(yùn)行對整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)影響較大，甚至關(guān)系到整個(gè)機(jī)組設(shè)備的安全，因此需要采取相關(guān)措施確保機(jī)組給水泵能夠安全運(yùn)行。給水泵運(yùn)行過程中，再循環(huán)閥可以自動控制，不需要人為干涉就能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)工作，可降低事故發(fā)生頻率。給水泵日常工作時(shí)采用PID控制系統(tǒng)，很難滿足實(shí)際需求，無法達(dá)到自動控制的目的，因此需要設(shè)計(jì)能夠滿足再循環(huán)閥自動控制工作的系統(tǒng)[5]。

本項(xiàng)目采用雙線控制系統(tǒng)控制再循環(huán)閥安全工作，一條線控制開啟線路，一條線控制關(guān)閉線路。兩條線路循環(huán)工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動控制的目的。線路控制如圖1所示，再循環(huán)閥雙折線曲線如圖2所示，其中曲線f(x2)控制閥門的開啟，曲線f(x1)控制閥門的關(guān)閉。采用此控制線路可在開啟閥門與關(guān)閉閥門之間留出一定的空間，減小閥門之間的水流波動幅度，保障給水泵出口水流平穩(wěn)，進(jìn)而確保給水泵能夠安全運(yùn)行。通常情況下，閥門在開度較小時(shí)會對設(shè)備產(chǎn)生沖刷，會腐蝕閥門而影響閥門的完整性，降低了閥門的工作效率。因此，需要優(yōu)化閥門開度，減少小開度引起的沖刷。采取的主要措施：當(dāng)閥門從大開度減小為小開度時(shí)，閥門的開度小于10%時(shí)保持10%開度，小于0.1%后關(guān)下；當(dāng)閥門由0%開大，開度小于10%時(shí)保持0%開度，大于9.9%后開至10%后再線性開啟。

圖1 再循環(huán)閥線路控制圖

3.2 負(fù)荷速率變參數(shù)優(yōu)化

機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煤與水含量減少到最低，會對機(jī)組造成影響。微分前饋不能過大，所以需要放慢負(fù)荷速率。負(fù)荷變速率優(yōu)化邏輯如圖3所示。f(x)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 再循環(huán)閥雙折線曲線圖

圖3 變負(fù)荷速率優(yōu)化邏輯

表1 圖3中f(x)參數(shù)設(shè)置

3.3 煤量基準(zhǔn)線優(yōu)化

機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為了機(jī)組工作正常，需要將煤量基準(zhǔn)線向下延伸，具體參數(shù)如表2所示。煤量基準(zhǔn)線優(yōu)化前后的對比曲線如圖4所示。

表2 優(yōu)化后煤量基準(zhǔn)數(shù)據(jù)

3.4 滑壓曲線優(yōu)化

機(jī)組處于低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，為了確保運(yùn)行過程中各項(xiàng)參數(shù)互相對應(yīng)，需要向下延伸滑壓曲線，具體的參數(shù)設(shè)置如表3所示。

圖4 煤量基準(zhǔn)線優(yōu)化前后對比圖

表3 優(yōu)化后滑壓曲線數(shù)據(jù)

3.5 溫度滑參數(shù)曲線設(shè)計(jì)

機(jī)組處于深度調(diào)峰狀態(tài)時(shí)，機(jī)組為非常態(tài)運(yùn)行，需保證鍋爐水冷壁流量始終大于本生流量。它主要的溫度參數(shù)如表4所示。

表4 溫度滑參數(shù)數(shù)據(jù)

3.6 濕態(tài)時(shí)給水曲線設(shè)計(jì)

貯水箱中的水經(jīng)過冷卻后形成水流循環(huán)，主要依靠鍋爐啟動系統(tǒng)中的爐水循環(huán)泵來控制貯水箱的水位。當(dāng)貯水箱的水位較高時(shí)，爐水循環(huán)泵中的調(diào)節(jié)閥會打開10%的開度，將水位維持在一定的高度。一般情況下會將調(diào)節(jié)閥打開40%～50%的開度。水流處于動態(tài)時(shí)，貯水箱的水位根據(jù)流量的大小進(jìn)行控制。以上方法為水位偏差的常規(guī)閉環(huán)控制法，但是這種控制方法的控制效果不夠好，增加了工作人員的工作量，耗費(fèi)人力。因此，本文優(yōu)化濕態(tài)給水系統(tǒng)，提高了水位控制性能，減輕了工作人員的工作量。具體的，根據(jù)實(shí)際水位是否在偏差范圍內(nèi)來控制給水流量的變化規(guī)律：如果在偏差范圍內(nèi)，則給水流量根據(jù)蒸汽流量變化而變化；如果超出偏差范圍，則給水流量根據(jù)蒸汽流量成比例變化，變化過程如圖5所示。負(fù)荷指令根據(jù)機(jī)組蒸汽流量計(jì)算，經(jīng)過f(x)函數(shù)得出給水流量的靜態(tài)需求，并與水位PID控制器的計(jì)算結(jié)果疊加，共同構(gòu)成給水流量的需求。

4 深度調(diào)峰TOP優(yōu)化試驗(yàn)與仿真

通過此次試驗(yàn)測試優(yōu)化系統(tǒng)的深度調(diào)峰能力。

4.1 試驗(yàn)步驟

第一步，系統(tǒng)調(diào)制自動控制程序。第二步，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的變化情況，投入機(jī)爐協(xié)調(diào)方式，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行趨于穩(wěn)定時(shí)調(diào)整優(yōu)化參數(shù)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)步驟得出負(fù)荷響應(yīng)曲線，如圖6所示。圖6中顯示機(jī)組的運(yùn)行方式屬于干態(tài)協(xié)調(diào)的運(yùn)行方式，負(fù)荷處于變化狀態(tài)，從450 MW降至200 MW，而此時(shí)的水流流量為590 t·h-1，相當(dāng)于鍋爐的本生流量，負(fù)荷也降為干態(tài)最低負(fù)荷。當(dāng)負(fù)荷為220 MW時(shí)，給水泵的再循環(huán)閥處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。為了確保給水泵能夠正常工作，再循環(huán)閥通過自動控制將閥門開啟開度設(shè)置為9.86%。當(dāng)負(fù)荷降至200 MW時(shí)，鍋爐處于干態(tài)最低負(fù)荷。這個(gè)濕態(tài)轉(zhuǎn)換為干態(tài)的過程是通過工作人員手動進(jìn)行的，即打開爐水循環(huán)泵，緩慢調(diào)節(jié)循環(huán)泵的閥門開度，直至閥門開度到達(dá)總開度的1/2時(shí)停止，完成轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)過程中應(yīng)避免電機(jī)出現(xiàn)故障、損壞，且在進(jìn)行試驗(yàn)前先將電機(jī)開關(guān)開到試驗(yàn)位，以防止重復(fù)開啟開關(guān)影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

圖5 水位偏差帶控制原理圖

圖6 機(jī)組干態(tài)協(xié)調(diào)深度調(diào)峰響應(yīng)

5 深度調(diào)峰機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性

深度機(jī)組調(diào)峰的經(jīng)濟(jì)性主要是提高設(shè)備的工作效率，進(jìn)而評估設(shè)備的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如鍋爐的工作效率等。根據(jù)這些評估指標(biāo)來評價(jià)深度調(diào)峰時(shí)機(jī)組的煤耗情況，可為后續(xù)的技術(shù)改進(jìn)提供依據(jù)，從而更好地優(yōu)化機(jī)組。

6 結(jié)語

文章主要介紹超臨界機(jī)組的相關(guān)調(diào)查背景和600 MW超臨界燃煤機(jī)組的相關(guān)信息，分析機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生的問題，并提出了相關(guān)的解決建議。機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，改變機(jī)組的相關(guān)參數(shù)能夠提高機(jī)組的相關(guān)性能和工作效率。