袁雪峰, 馬 進(jìn), 張 芹, 莫榮超
(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003)
我國(guó)“三北”地區(qū)電源以煤電為主,且因供熱需求,供熱機(jī)組占煤電機(jī)組比例很高。《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)》中第七條重點(diǎn)任務(wù)是加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè),提高系統(tǒng)靈活性。文中要求:“全面推動(dòng)煤電機(jī)組靈活性改造。實(shí)施煤電機(jī)組調(diào)峰能力提升工程,充分借鑒國(guó)際火電靈活性相關(guān)經(jīng)驗(yàn),加快推動(dòng)北方地區(qū)熱電機(jī)組儲(chǔ)熱改造和純凝機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)示范及推廣應(yīng)用[1]。某發(fā)電集團(tuán)關(guān)于火電靈活性要求:“研究機(jī)組寬負(fù)荷范圍下的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù);研究機(jī)組快速啟動(dòng)、快速升降和快速變負(fù)荷技術(shù)……”。
供熱機(jī)組“以熱定電”的約束使電功率較高,系統(tǒng)調(diào)峰困難。火電機(jī)組通過(guò)改變?nèi)剂狭縼?lái)調(diào)節(jié)負(fù)荷的速率通常較慢,通過(guò)配置大型電鍋爐可快速調(diào)整電功耗降低熱電廠的強(qiáng)迫出力和上網(wǎng)負(fù)荷,達(dá)到快速變負(fù)荷的目的[2~7]。降低熱電機(jī)組出力同時(shí),開(kāi)啟電鍋爐,既可以快速降低上網(wǎng)電負(fù)荷,又可以利用電鍋爐供熱來(lái)彌補(bǔ)減少的供熱量,增寬機(jī)組負(fù)荷變化范圍,顯著提高熱電機(jī)組的靈活性。利用電極浸入式鍋爐數(shù)學(xué)模型與供熱機(jī)組簡(jiǎn)化模型,分別研究其動(dòng)態(tài)特性,并對(duì)電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組快速、寬范圍降負(fù)荷進(jìn)行理論研究。
電極式鍋爐具有啟停速度快、生產(chǎn)效率高、安裝空間小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。電極浸入式鍋爐本體主要有內(nèi)筒、外筒、三相電極、循環(huán)泵和給水泵構(gòu)成,通過(guò)以高壓電極加熱內(nèi)筒帶有電導(dǎo)率的爐水產(chǎn)生蒸汽,循環(huán)泵將外筒水補(bǔ)充到內(nèi)筒以調(diào)節(jié)電功率,給水泵補(bǔ)充總水量。電鍋爐具有快速啟動(dòng)、電功率較大且產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽的特性,理論上能提高供熱機(jī)組靈活性。電極式鍋爐的基本工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,將三相電極插入內(nèi)筒具有一定電導(dǎo)率的水中,將水作為電阻。電流流過(guò)導(dǎo)電的水中產(chǎn)生熱量加熱水。電鍋爐結(jié)構(gòu)上主要由兩部分環(huán)節(jié)組成。
圖1 電極浸入式鍋爐原理圖
(1)內(nèi)筒:電鍋爐內(nèi)筒是產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備,三相電極浸沒(méi)在具有一定電導(dǎo)率的爐水中,爐水相當(dāng)于電阻,在滿足啟動(dòng)條件時(shí)通以10 kV電壓用于加熱爐水產(chǎn)生蒸汽。鍋爐通過(guò)循環(huán)水泵補(bǔ)充內(nèi)筒水量維持水位,并通過(guò)內(nèi)筒排水閥將高電導(dǎo)率的水排到外筒。鍋爐內(nèi)筒水位主要用來(lái)調(diào)節(jié)電鍋爐功率,通過(guò)電功率與設(shè)定值偏差來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)泵補(bǔ)水閥門(mén),總水量則通過(guò)計(jì)算內(nèi)外筒水質(zhì)量之和來(lái)調(diào)節(jié)給水閥。
(2)外筒:鍋爐正常運(yùn)行時(shí)鍋爐內(nèi)外筒水量恒定,因此需要通過(guò)控制給水泵出口閥門(mén)補(bǔ)水維持電鍋爐內(nèi)總水量恒定。爐水為磷酸三鈉溶液,通過(guò)加藥泵將藥液與給水混合成稀濃度具有一定電導(dǎo)率的溶液通往外筒,循環(huán)泵將外筒溶液通往內(nèi)筒補(bǔ)充內(nèi)筒蒸發(fā)的水量。
根據(jù)機(jī)理建模方法,利用質(zhì)量能量守恒對(duì)額定功率15 MW電極浸入式鍋爐物理過(guò)程建立模型,如式(1)~(11)。
(1)
式中:MU為內(nèi)筒存液量,kg;WEcir為循環(huán)泵流量,kg/h;Wsu為內(nèi)筒蒸發(fā)流量,kg/h;WIcir為內(nèi)筒下泄流量,kg/h;WUevap為內(nèi)筒動(dòng)態(tài)蒸發(fā)流量,kg/h。
(2)
式中:HU為內(nèi)筒水焓值,kJ/kg;HG為飽和水焓值,kJ/kg;HB為外筒水焓值,kJ/kg;Q為電極加熱量,kJ。
(3)
式中:LU為內(nèi)筒液位,mm;ρU為內(nèi)筒爐水密度,kg/m3。
WUevap=Ke(HU-HG)
(4)
式中:Ke為動(dòng)態(tài)蒸發(fā)系數(shù)。
(5)
式中:Wfw為內(nèi)筒蒸汽蒸發(fā)量;WBevap為外筒動(dòng)態(tài)蒸發(fā)量。
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
式中:Λm摩爾電導(dǎo)率,S·m2·mol-1;c為溶液摩爾濃度,mol/m3。
(11)
式中:L為圓柱電極在水中的長(zhǎng)度,m;ρ為水的電阻率,Ω·m;P為三相水阻總功率,kW;UΦ為相電壓,kV;b為電極軸心與中心距離,m;d為電極橫截面直徑,m;R為圓筒容器半徑,m。
此模型中,式(1)~(4)描述內(nèi)筒質(zhì)量、能量平衡過(guò)程,式(5)~(8)描述外筒、能量平衡過(guò)程,式(9)描述蒸汽區(qū)質(zhì)量平衡過(guò)程,式(10)(11)描述電導(dǎo)率及功率模型。此模型能夠復(fù)現(xiàn)電極浸入式鍋爐全過(guò)程主要?jiǎng)討B(tài)特性。
供熱機(jī)組以背壓式和抽汽式為主,且近年來(lái)新建300~600 MW機(jī)組多為抽汽式機(jī)組[5]。典型的抽汽式供熱機(jī)組供熱抽汽來(lái)自中壓缸,一部分經(jīng)調(diào)節(jié)蝶閥流入低壓缸做功,另一部分經(jīng)止逆閥、快開(kāi)閥、隔離閥進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器提供供熱熱源,冷卻后經(jīng)熱網(wǎng)疏水泵送往除氧器[6]。熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后由熱網(wǎng)管道送至各個(gè)二級(jí)換熱站,釋放熱量后返回?zé)峋W(wǎng)加熱器。抽汽式機(jī)組具備供熱負(fù)荷與發(fā)電負(fù)荷獨(dú)立調(diào)節(jié)手段,在保證熱網(wǎng)出口水溫和汽輪機(jī)低壓缸最小流量指標(biāo)下,具備在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)電負(fù)荷的能力[7]。
對(duì)于供熱機(jī)組模型,根據(jù)文獻(xiàn)[11,12]將直吹式制粉系統(tǒng)純凝汽式300~600 MW汽包鍋爐單元機(jī)組的負(fù)荷—壓力動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)化為三輸入三輸出多變量系統(tǒng),如式(12)~(17)。
rM=uB(t-τ)
(12)
式中:rM為磨煤機(jī)實(shí)際煤量,kg/s;uB為燃料量,kg/s。
TfdrB/dt=-rB+rM
(13)
式中:Tf為制粉慣性時(shí)間;rM為磨煤機(jī)實(shí)際煤量,kg/s;rB為鍋爐燃燒效率,%。
CbdpB/dt=-K3pTuT+K1rB
(14)
式中:Cb為鍋爐蓄熱系數(shù);PB為汽包壓力參數(shù),MPa;PT為汽輪機(jī)前壓力,MPa;uT為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度,%。
(15)
式中:Tt為汽輪機(jī)動(dòng)態(tài)時(shí)間;NE為機(jī)組發(fā)電負(fù)荷,MW;uH為調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度,%。
pT=pB-K2(K1rB)1.5
(16)
p1=0.01pTuT
(17)
模型包含4個(gè)靜態(tài)參數(shù):K1為燃料增益,K2為過(guò)熱器阻力系數(shù),K3為汽輪機(jī)增益,K4為調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度折算發(fā)電負(fù)荷的系數(shù),K4(100-uH)NE為供熱抽汽流量。此模型已經(jīng)被驗(yàn)證能夠復(fù)現(xiàn)大負(fù)荷范圍內(nèi)純凝汽式機(jī)組負(fù)荷—壓力對(duì)象的主要?jiǎng)討B(tài)特性和非線性特性。
電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組主要體現(xiàn)在維持供熱量基本不變的前提下,在供熱機(jī)組原有變負(fù)荷速率基礎(chǔ)上,通過(guò)開(kāi)啟電鍋爐,電鍋爐消耗發(fā)電機(jī)出口功率,增大變負(fù)荷速率,使上網(wǎng)負(fù)荷快速變化。當(dāng)供熱機(jī)組達(dá)到原來(lái)的最小出力,由于電鍋爐又產(chǎn)生供熱蒸汽,可解耦“熱電耦合”,可進(jìn)一步降低供熱機(jī)組強(qiáng)制出力,從而參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰。
電鍋爐消耗電能來(lái)自于供熱機(jī)組發(fā)電機(jī)出口,開(kāi)啟電鍋爐就可減少上網(wǎng)功率,電鍋爐接線形式如圖2所示。
圖2 電鍋爐用電接線形式
其中功率守恒的公式為:
Pg=Pc+PMTHP+ΔP
(18)
Pg=Peb+Pc+PMTHP+ΔP
(19)
其中(18)式為不帶電鍋爐的情況,(19)式為加裝電鍋爐的情況,式中:Pg代表火電單元機(jī)組發(fā)出的有功功率;Peb為電極式鍋爐消耗的有功功率;Pc代表發(fā)電廠廠用電負(fù)荷;PMTHP為主變高壓側(cè)有功功率(即送入電網(wǎng)的有功功率);ΔP為有功功率損耗。對(duì)于供熱機(jī)組,廠用電率(廠用電占發(fā)電機(jī)出口百分比)約為8.6%[13]。因此,實(shí)際上網(wǎng)功率為PMTHP=Pg(1-0.086 )-Peb。
上網(wǎng)有功功率的實(shí)時(shí)負(fù)荷變化率由式(20)求出。
0.914·|ΔPg|+|ΔPeb|
(20)
式中:t1、t2為兩個(gè)相鄰時(shí)刻,MW/min。其中,0.914 ·|ΔPg|為供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率。
由式(20)可知,電鍋爐可改變供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率,因此采用電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組的方法要根據(jù)電鍋爐和機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率分配調(diào)節(jié)負(fù)荷量。例如,供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率為8.23 MW/min,電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率為3 MW/min,當(dāng)要求發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化20 MW時(shí),對(duì)應(yīng)上網(wǎng)負(fù)荷變化18.28 MW,應(yīng)按比例分配給供熱機(jī)組降低上網(wǎng)負(fù)荷13.4 MW,折合發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低14.66 MW;分配給電鍋爐提高負(fù)荷4.88 MW,維持負(fù)荷變化量一定。電鍋爐和供熱機(jī)組負(fù)荷變化量可按式(21)計(jì)算。
(21)
式中:ΔPseb為電鍋爐負(fù)荷變化量,MW;Kpeb為電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率,MW/min;ΔPseb為電鍋爐負(fù)荷變化量,MW;Kpg為電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率,MW/min;ΔPsg為電鍋爐負(fù)荷變化量,MW。
抽汽式供熱機(jī)組中壓缸排氣分為兩部分,一部分通過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功,一部分通往換熱器進(jìn)行供熱,通過(guò)調(diào)節(jié)蝶閥可控制中壓缸供汽壓力,進(jìn)而調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度。由于供熱機(jī)組進(jìn)入熱網(wǎng)壓力較高,電鍋爐蒸汽出口壓力較小,因此供熱機(jī)組供熱抽汽與電鍋爐蒸汽出口采用不同的換熱器。利用熱網(wǎng)慣性較大這一特點(diǎn),在啟動(dòng)電鍋爐短時(shí)間內(nèi)供熱波動(dòng)對(duì)熱網(wǎng)供熱品質(zhì)影響較小。
根據(jù)某電廠實(shí)際安裝的電鍋爐為依據(jù),選擇額定功率15 MW電鍋爐為研究對(duì)象。其結(jié)構(gòu)參數(shù)及對(duì)象本身特征參數(shù)如表1所示。
供熱機(jī)組以型號(hào)為HG-1025/17.5-YM11,汽輪機(jī)型號(hào)為C300/235-16.7/537/537。在額定負(fù)荷下機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2,汽輪機(jī)高調(diào)門(mén)開(kāi)度根據(jù)汽輪機(jī)一級(jí)壓力與汽輪機(jī)前壓力比值計(jì)算得到,調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度按照汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)氣流量與汽輪機(jī)中壓缸排氣流量比值計(jì)算得到[10]。
表1 鍋爐性能參數(shù)
表2 額定負(fù)荷供熱機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)
一般大型電極浸入式電鍋爐輸入電功率控制主要采用反向模式,通過(guò)調(diào)節(jié)液位、水質(zhì)和溫度間接控制電功率。電功率與熱功率成線性比例關(guān)系,調(diào)節(jié)范圍達(dá)到了1%~100%(0.15~ 15 MW)[14~16]。電鍋爐電功率和熱功率基本一致,散熱很少。
電極浸入式電鍋爐主要加熱方式是高壓電極加熱,在外筒裝有電加熱管使電鍋爐處于熱備用狀態(tài)。鍋爐采用內(nèi)外筒結(jié)構(gòu),調(diào)高了加熱效率,充分利用了內(nèi)筒散發(fā)熱量。為防止鍋爐升溫過(guò)快導(dǎo)致內(nèi)部陶瓷絕緣件發(fā)生斷裂,溫升速率應(yīng)控制在3 ℃/min,最大負(fù)荷變化率不超過(guò)4.3 MW/min。采用PID控制器,內(nèi)筒液位控制電功率,蒸汽出口閥門(mén)控制蒸汽壓力,在額定工況下調(diào)整控制器參數(shù)。圖3給出了在發(fā)電負(fù)荷指令擾動(dòng)下的控制品質(zhì),電鍋爐電功率負(fù)荷指令以3 MW/min的速率由13 MW升至15 MW、蒸汽溫度維持145 ℃時(shí)各輸出的變化情況。
圖3 電鍋爐響應(yīng)曲線
對(duì)于300~600 MW亞臨界純凝汽式機(jī)組在非供熱工況下,調(diào)節(jié)蝶閥為100%。供熱工況下,供熱負(fù)荷隨調(diào)節(jié)蝶閥減小而增大,機(jī)組最小發(fā)電負(fù)荷取決于保證低壓缸最小流量的發(fā)電負(fù)荷。由于“以熱定電”限制的存在,供熱機(jī)組為保證抽汽量,發(fā)電負(fù)荷范圍減小,如圖4所示不同抽汽流量對(duì)應(yīng)發(fā)電負(fù)荷。對(duì)于文中300 MW機(jī)組在額定供熱負(fù)荷下,發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為180~235 MW。圖5陰影部分為某300 MW供熱機(jī)組在不同調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度下發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。
圖4 供熱機(jī)組發(fā)電負(fù)荷與抽汽量關(guān)系圖
圖5 調(diào)節(jié)蝶閥開(kāi)度與發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍關(guān)系圖
供熱機(jī)組控制系統(tǒng)文中采用最常用的爐跟機(jī)方案分析機(jī)組特性,鍋爐給煤量控制機(jī)前壓力,汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度控制發(fā)電負(fù)荷,抽汽調(diào)節(jié)閥控制汽輪機(jī)抽汽壓力。爐側(cè)和機(jī)側(cè)均采用PID控制器。圖6給出了供熱抽汽流量受控工況下(維持供熱量不變),其他輸入不變,機(jī)組負(fù)荷指令由235 MW以9 MW/min的速率降低至225 MW時(shí),機(jī)前壓力、機(jī)組發(fā)電負(fù)荷和抽汽流量響應(yīng)曲線。
圖6 供熱機(jī)組響應(yīng)曲線
新能源大規(guī)模并網(wǎng),電網(wǎng)對(duì)供熱機(jī)組的調(diào)頻調(diào)峰能力提出了更高的要求。主要體現(xiàn)在自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)要求變負(fù)荷速率和范圍的增加。以電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組能夠顯著提高變負(fù)荷速率和增大變負(fù)荷寬度,提高機(jī)組靈活性?;舅悸肥钱?dāng)AGC指令需要供熱機(jī)組降負(fù)荷時(shí),機(jī)組降負(fù)荷的同時(shí)開(kāi)啟電鍋爐,一方面消耗部分發(fā)出的電量,增大變負(fù)荷速率;另一方面產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行供熱,解耦機(jī)組部分必發(fā)電量,降低發(fā)電負(fù)荷下限,對(duì)二次調(diào)頻性能有較大提升。
電鍋爐利用廠用電供電,并通過(guò)電力市場(chǎng)化交易機(jī)制,將電制暖的耗電量與域內(nèi)風(fēng)企業(yè)進(jìn)行發(fā)電權(quán)替代交易,分配收益。電鍋爐主要在棄風(fēng)時(shí)間段開(kāi)啟,避免了不經(jīng)濟(jì)的電熱轉(zhuǎn)換。供熱機(jī)組降低發(fā)電負(fù)荷,減少煤量消耗,同時(shí)讓更多風(fēng)電上網(wǎng),減少了可再生能源的浪費(fèi)。
供熱機(jī)組配置電鍋爐可在原有的變負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上,通過(guò)消耗發(fā)電機(jī)出口功率,減少上網(wǎng)負(fù)荷。圖7給出了供熱機(jī)組降負(fù)荷曲線與采用電鍋爐的機(jī)組降負(fù)荷曲線對(duì)比,其中供熱機(jī)組供熱流量保持不變、上網(wǎng)負(fù)荷恒定。A線為供熱機(jī)組負(fù)荷指令以9 MW/min速率從235 MW降至215 MW,實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷變化速率為8.23 MW/min;B線為供熱機(jī)組負(fù)荷指令以9 MW/min速率從235 MW降至220.3 MW,電鍋爐功率指令以3 MW/min 從0 MW升至4.88 MW,實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷變化率為11.23 MW/min。從圖7中可以明顯地看出,在保證供熱量基本不變的前提下,利用電鍋爐聯(lián)合供熱機(jī)組可以快速降負(fù)荷,使降負(fù)荷速率提高。
圖7 電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組與供熱機(jī)組響應(yīng)曲線對(duì)比
寬范圍調(diào)整負(fù)荷主要通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn):
(1)電鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于供熱,在原供熱機(jī)組供熱抽汽不變前提下加入電鍋爐會(huì)增加供熱量。供熱機(jī)組減少的抽汽熱量等于電鍋爐蒸汽供熱量,若電鍋爐以15 MW功率運(yùn)行,即需要減少供熱機(jī)組抽汽流量5.46 kg/s,解耦了部分必發(fā)電量,如圖8保證低壓缸最小流量的工況下,可進(jìn)一步降低發(fā)電負(fù)荷下限11.5 MW。
圖8 電鍋爐降低供熱機(jī)組發(fā)電負(fù)荷下限
(2)電鍋爐通過(guò)消耗發(fā)電機(jī)出口功率降低上網(wǎng)負(fù)荷,電鍋爐消耗電量等于少上網(wǎng)電量。圖9給出在供熱機(jī)組額定供熱工況下,配置電鍋爐進(jìn)一步降低上網(wǎng)負(fù)荷下限。
圖9 電鍋爐降低供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷
對(duì)于一臺(tái)300 MW供熱機(jī)組配置一臺(tái)15 MW電鍋爐,在保證額定供熱工況下,利用電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組可以在原有基礎(chǔ)上增大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍,降低發(fā)電負(fù)荷下限和上網(wǎng)負(fù)荷下限。因此,在允許發(fā)電負(fù)荷變化范圍內(nèi),采用電鍋爐明顯提高供熱機(jī)組靈活性。
(1)以電極浸入式鍋爐和供熱機(jī)組為研究對(duì)象,確定了數(shù)學(xué)模型,對(duì)電鍋爐和供熱機(jī)組聯(lián)合模型機(jī)理進(jìn)行分析。
(2)通過(guò)模型實(shí)例進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),研究了電鍋爐與供熱機(jī)組升降負(fù)荷過(guò)程的負(fù)荷變化速率及變化范圍、抽汽流量等參數(shù)特性。
(3)通過(guò)對(duì)電鍋爐聯(lián)合供熱機(jī)組模型仿真證明:電鍋爐在供熱機(jī)組供熱工況下,可明顯提高供熱機(jī)組變負(fù)荷速率,增大降負(fù)荷范圍,提高供熱機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰能力。