李全全，李 揚，賈海軍

（內(nèi)蒙古京寧熱電有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

0 引言

為實現(xiàn)我國“碳達峰、碳中和”能源發(fā)展戰(zhàn)略目標，以風電、光伏為代表的可再生能源發(fā)電仍將持續(xù)高速發(fā)展，最終取代火力發(fā)電成為我國主要的發(fā)電方式，由火電為其提供容量支撐。相對于水電、燃氣發(fā)電機組，燃煤發(fā)電機組并不適合頻繁快速調(diào)峰運行，但受限于我國一次能源的格局，需要由燃煤機組承擔電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的主要任務，如何確保在機組安全、穩(wěn)定、清潔運行的前提下提高機組運行靈活性，成為當前理論和工程的研究熱點。本文通過對比分析，確定了350 MW 超臨界供熱機組利用熱網(wǎng)蓄熱補償發(fā)電負荷擾動的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，包括熱網(wǎng)蓄熱核算、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化、供熱控制回路優(yōu)化等幾個部分。

1 350 MW 供熱機組動態(tài)特性分析

機組為350 MW 超臨界抽汽式供熱機組，并入蒙西電網(wǎng)，目前蒙西電網(wǎng)常見的自動增益控制AGC（automatic generation control）指令變化如圖1 所示。由圖1 可以看出，AGC 指令中存在大量短期正反向變化部分。超臨界直流鍋爐蓄熱容量小于同等級汽包鍋爐，依靠蓄熱消納這部分指令會導致汽輪機前蒸汽壓力和過熱度大幅波動，影響機組安全運行；依靠燃料量動態(tài)過調(diào)來消除，又會對鍋爐制粉和燃燒過程造成劇烈的擾動，同樣影響機組安全運行；若利用熱網(wǎng)蓄熱消除AGC 指令擾動即可避免以上影響。調(diào)節(jié)過程是：當AGC 指令增加時，減小部分供熱負荷，原本用于供熱的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電功率；當AGC 指令降低時過程與之相反。

圖1 蒙西電網(wǎng)常見AGC 指令變化方式

單純依靠鍋爐蓄熱補償發(fā)電負荷擾動，AGC 速率為7 MW/min 時，發(fā)電負荷變化20 MW 即會導致壓力偏差達到1 MPa、過熱度偏差達到10 ℃。

供熱管道內(nèi)儲能容量計算公式為

其中：Qh為供熱管道的儲能，J；cw為水比熱容，J/（kg·℃）；ρw為水密度，kg/m3；Vhn為供熱管網(wǎng)總水容積，m3；Δt 為供熱管網(wǎng)平均溫度降低值，℃。

熱電廠距離最近的二級換熱站直線距離為10.5 km，利用式（1）可以計算出熱網(wǎng)循環(huán)水平均溫度變化1 ℃，僅這段范圍內(nèi)供熱管道可吸收或釋放大概20 GJ 的熱量。

2 控制系統(tǒng)設計及仿真

某電廠350 MW 亞臨界機組，在100%熱耗率驗收工況THA（turbine heat acceptance）（汽耗考核）工況點，利用機組穩(wěn)定工況運行參數(shù)計算模型靜態(tài)參數(shù)，利用燃料量擾動實驗確定制粉過程動態(tài)參數(shù)，利用鍋爐汽水容積設計數(shù)據(jù)計算蓄熱系數(shù)，得到的實際機組模型如式（2）—式（11）所示。

燃料量、CV 開度、EV 開度擾動響應曲線（圖略）顯示了燃料量擾動下和CV、EV 開度擾動下主要參數(shù)的變化趨勢，其結果與機組實際情況相符。

機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用爐跟機、煤跟水為基礎的協(xié)調(diào)控制方案，汽輪機高調(diào)閥控制發(fā)電負荷、給水流量控制中間點溫度、燃料量控制汽輪機前蒸汽壓力，同時發(fā)電負荷指令作為前饋信號對給水流量和燃料量進行粗調(diào)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不區(qū)分純凝工況和供熱工況，供熱工況下CV、EV1、EV2 均采用手動控制。如果將供熱側投入自動，實現(xiàn)方法是：CV、EV1、EV2 的基準開度指令由運行人員手動給出，在基準開度指令基礎上疊加供熱補償控制邏輯輸出的CV、EV1、EV2 的偏置開度指令構成CV、EV1、EV2 的實際開度指令。投入供熱補償控制功能后，偏置開度指令在一定范圍內(nèi)正負變化。

供熱補償控制邏輯[2]主要包括AGC 指令分解邏輯和閥門非線性修正邏輯。AGC 指令分解邏輯原理如圖2 所示。通過限速環(huán)節(jié)，將AGC 指令分解為高速率變化部分和低速率變化部分。將高速率變化部分作為前饋信號，得到CV、EV1、EV2 供熱補償開度指令信號。

在測井響應中，高角度裂縫顯示的開度往往很小，其在縱向上的延伸度很大。裂縫的累積延伸長度也是裂縫有效性好壞的一個重要指標。在其他情況相同時，縱向累積延伸越長，裂縫有效性越好［8］。

圖2 AGC 指令分解環(huán)節(jié)結構圖

CV、EV1、EV2 開度與流量之間存在強非線性。如果不進行補償，在不同的基準開度下，供熱補償控制輸出的偏置開度引起的蒸汽流量和發(fā)電功率變化是不同的，會出現(xiàn)欠補償或過補償?shù)那闆r。當介質(zhì)為可壓縮流體時，蝶閥的流量特性函數(shù)為

其中，G 為蝶閥流量，t/h；μα為臨界流量系數(shù)；μG為流量系數(shù)；p0為閥門進口壓力，kg/cm2；K 為等熵過程指數(shù)；α 為蝶閥轉(zhuǎn)角，（°）；Dy為閥門公稱直徑，cm；Fy為閥門通流面積，cm2。

根據(jù)式（12）繪制得蝶閥流量特性曲線如圖3所示。圖3 顯示：蝶閥開度較小與開度較大時，流量變化較??；蝶閥開度在15°～40°之間變化時，流量變化較大。實際控制中，這會給控制品質(zhì)帶來較大影響，所以需要進行蝶閥流量非線性補償。

圖3 蝶閥流量特性曲線

對式（13）求導數(shù)后得到閥門在不同基準開度下的增益情況如表1 所示。分別將CV、EV1、EV2的基準開度指令作為輸入，通過多點折線函數(shù)得到增益修正系數(shù)，以乘積的方式修正供熱補償開度指令，可以得到CV、EV1、EV2 的偏置開度指令。

表1 不同開度下的流量補償系數(shù)

3 現(xiàn)場調(diào)試

將AGC 指令用如圖3 所示的邏輯進行非線性分解，利用指令的高頻分量對CV 開度和EV 開度指令進行補償，優(yōu)化后負荷指令小幅變化時機組CV 開度、EV 開度和主汽壓力反饋值響應曲線如圖4 所示。圖4 中，AGC 指令波動幅度小于10 MW，為小幅正反向波動。當機組改變發(fā)電負荷時，若主要依靠汽輪機高壓缸進汽調(diào)門調(diào)節(jié)，則會導致機前壓力產(chǎn)生較大幅度的波動。對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化后，升負荷期間CV 開度增加、EV 開度減小，使低壓缸進汽流量增加，機組負荷快速上升，變負荷速率由之前的7 MW/min 提升至12 MW/min；同時機前壓力的波動幅度由1 MPa 降低至0.8 MPa 以內(nèi)。

圖4 負荷指令小幅變化時控制方案響應曲線

負荷指令大幅變化時機組CV 開度、EV 開度和主汽壓力反饋值響應曲線如圖5 所示。圖5 中AGC 降低幅度超過50 MW，為大范圍降負荷指令。當機組需要降低負荷時，需要關小高壓缸進汽調(diào)門，引起機前壓力的升高。對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化后，通過減小CV 開度、增大EV 開度使機組負荷降低，可以將主汽壓力的波動幅度控制在0.8 MPa 以內(nèi)，變負荷運行速率達到9 MW/min。

圖5 負荷指令大幅變化時控制方案響應曲線

“兩個細則”考核下AGC 調(diào)節(jié)性能綜合評判指標Kp由式（14）定義。

其中：K1為調(diào)節(jié)速率；K2為調(diào)節(jié)精度；K3為響應精度。對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化后，Kp值可以達到4.8～5.0，在蒙西電網(wǎng)中位列前三名。

4 結論

a）對熱網(wǎng)蓄熱計算，與350 MW 超臨界供熱機組蓄熱進行對比，發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)蓄熱遠大于鍋爐蓄熱，提出利用熱網(wǎng)蓄熱提升機組變負荷運行能力的優(yōu)化方案。

b）對AGC 指令進行非線性分解，結合蝶閥在不同開度下的增益系數(shù)，利用分解得到的高頻分量對CV、EV1 和EV2 開度進行補償，輔助高壓缸進汽調(diào)門調(diào)節(jié)機組負荷。

c）現(xiàn)場試驗表明，優(yōu)化方案可以顯著減小主汽壓力的波動范圍。在負荷指令小幅變化時，機組的變負荷速率達到12 MW/min；在負荷指令大幅變化時，變負荷速率達到9 MW/min。