熱控系統對火力發電機組調峰運行的性能影響分析

康 樂

(山西漳電大唐塔山發電有限公司，大同 037000)

0 引 言

在技術創新升級背景下，火力發電廠引進的先進技術越來越多樣，擴大了熱工自動化與熱工保護范圍，加大了熱控系統對火力發電機組調峰運行的性能影響。就此，火力發電廠需明確熱控系統的具體影響原理，采取針對性措施規避其不利影響，保障火力發電機組運行效益。

1 調峰容量對熱經濟性的影響

在技術支持下，火力發電廠的調峰機組容量有較大提升，加大了峰谷差的幅度。就當前的火力發電廠生產參數而言，大于200 MW的機組為火力發電機組中的主力調峰機組，其運行方式以定壓為主，帶基本負荷，配套的輔機遵循MCR原則。為明確調峰容量對熱經濟性的影響，本文以某火力發電廠為例，結合其生產數據分析。該火力發電廠的主力調峰機組為300 MW，設定正平衡煤耗96 h的試驗運行條件，進行影響試驗分析。分析結果顯示，在300 MW機組的運行負荷為120 MW(屬于低負荷)時，機組的供電煤耗比要高于額定負荷，多出50 gce/(kW·h)。就此，對該火力發電廠的300 MW機組開展全面煤耗試驗，分析低負荷運行狀態時，機組的煤耗狀況。試驗結果見表1。

表1 300 MW機組全面煤耗試驗結果表

觀察上表可知，在300 MW機組以低負荷運行時，負荷越低，機組的煤耗越多。就此，在火力發電廠運行期間，需做好機組發電負荷的控制工作，避免負荷降低過多，加大煤耗。

2 系統特性對負荷的影響

在火力發電廠機組運行期間，熱控系統特性對負荷的影響體現在以下兩方面。

2.1 鍋爐延遲響應的影響

在火力發電機組運行期間，鍋爐在接收到熱控系統發送的負荷指令后，存在一定響應時間，用于調節煤量及蒸汽流量，即蒸汽的產生需花費的時間。為明確其影響機理，本文選擇雙入雙出的磨直吹式制粉系統為研究對象，將風量和煤粉細度為鍋爐延遲響應實驗的控制變量，將煤量變化設定為±10%，測定不同機組運行工況下蒸汽的延遲時間。試驗結果顯示，在燃料量投入為80 t/h時，上升工況的延遲時間為71 s、下降工況的延遲時間為171 s；在燃料量投入為61 t/h時，上升工況的延遲時間為242 s、下降工況的延遲時間為157 s；在煤粉細度折向擋板開度為30%時，上升工況的延遲時間為57 s、下降工況的延遲時間為86s；在煤粉細度折向擋板開度為70%時，上升工況的延遲時間為107s、下降工況的延遲時間為128 s，具體的開度與細度參數關系如圖1所示。可見，在鍋爐響應延遲中，延時時間在1～4 min之間，加大一次風量、提高煤粉投入量、擴大煤粉細度等措施，可縮短延遲時間。

2.2 汽機動態變化的影響

在火力發電機組中，汽機動態變化會對主汽壓力產生影響，進而影響機組負荷。為明確汽機動態變化的影響機制，開展鍋爐燃燒率擾動試驗。試驗工設定一下兩種工況：其一，投入主汽壓力自動，主汽壓力固定；其二，汽機調節門手動，開度固定。在鍋爐燃燒率擾動試驗過程中，鍋爐的所有系統均投入自動，運行期間觀察主汽壓力及負荷變化狀況。根據試驗結果(如圖2所示)，汽機負荷變化并未與鍋爐燃燒同步，二者存在延時。在工況二中，擾動涉及機組的蓄熱變化，使負荷變化出現較大的慣性延時。

3 系統運行方式對負荷的影響

在熱控系統運行中，運行方式、控制方式、負荷控制中心均會對負荷產生影響。

3.1 運行方式的影響

常用的熱控系統運行方式為定壓運行與滑壓運行兩種，通過試驗對比，選出最佳運行方式。

在定壓運行方式下，鍋爐燃燒會受負荷影響，燃燒參數與負荷需求一致。如果加大負荷需求，則加大鍋爐燃燒參數，強化鍋爐的蓄熱能力。在負荷需求變化時，鍋爐燃燒參數的變化，會影響火力發電機組的響應速度。通常來說，在火力發電機組運行期間，為保持壓力，在負荷需求降低時，燃燒參數的下降，會使燃燒出現不穩定現象，加大響應延遲[1]。

在滑壓運行方式下，鍋爐蓄熱能力會受負荷影響，參數與負荷需求一致。如果加大負荷需求，則鍋爐需吸收部分熱量，提高自身參數，強化蓄熱能力。在負荷需求變化時，參數的變化，會影響火力發電機組的響應速度。以負荷需求降低狀況為例，在負荷降低到定壓和滑壓運行切換對應的數值后，鍋爐參數會降低，釋放一定的蓄熱，用于補充煤量消耗減少的熱量。在該過程中，雖然熱控系統能夠避免煤量繼續消耗，但因延遲影響，并不會使負荷立即出現變化，在熱控系統指令發出后，需延遲2 min左右，才會出現負荷下降現象。

3.2 控制方式的影響

在火力發電廠中，通常選擇DCS控制系統，將CCS控制為核心方式。CCS控制方式的控制功能較為齊全，可結合火力發電機組的運行現狀及生產需求，調節運行方式。本文以某火力發電廠采用的“爐跟機”、“機跟爐”控制方式為例(如圖3所示)，分析其對調峰運行的性能影響。

在“爐跟機”控制方式下，熱控系統通過主控指令調節主汽壓力，通過汽機主控指令調節機組負荷，使機組負荷具備較大的調節空間，但調節質量得不到保障，易使主汽壓力出現較大變化，雖然可為機組調峰運行提供便利，但運行穩定性偏低。針對該問題，該火力發電廠對CCS系統進行改造，在鍋爐主控制回路中引入能量平衡信號，提高控制指令的響應速度；在汽機主控制回路中添加控制邏輯，在主汽壓力超過一定范圍后，將汽機調門引入調節范圍內，提高主汽壓力控制水平，但該改造方式會延長負荷響應時間。

在“機跟爐”控制方式下，熱控系統通過主控器實現鍋爐與汽機的控制。在火力發電機組運行期間，可根據主汽壓力數據，調節負荷，使主汽壓力的調節質量影響機組的運行穩定性。在實際運行中，該控制方式易出現負荷調節質量差的問題，導致負荷響應時間長，影響機組調峰運行性能。同時，該控制方式不支持自動運行工況，僅適用于部分特殊運行狀況[2]。

3.3 負荷控制中心

在調峰控制中，CCS系統通過上位級的負荷、鍋爐與主汽控制器實現。其中，負荷控制器在自動與手動條件下，控制方式不同。在自動控制中，由電網調度指令控制負荷；在手動控制中，由操作人員下達控制指令。在電網調度指令中，按照規范的負荷控制中心運行流程，控制器能夠落實指令中的幅度與速度，并將指令落實效果反饋給調度中心，在保障火力發電機組正常運行的基礎上，強化火力發電機組調峰運行的性能。需要注意的是，該控制方式僅在CCS系統運行，且無RUNBACK工況時發揮作用。

4 系統工況對熱工保護的影響

在火力發電機組運行期間，調峰運行較為頻繁，且調峰幅度較大，在運行工況出現變化后，風量和水位隨之出現變化，對機組運行產生較大擾動。尤其是鍋爐一次風和爐膛位置的差壓保護裝置，易出現誤動現象。就此，火力發電廠需進行相應改造，提高熱工保護的有效性。

以某火力發電廠為例，其機組除氧器的水位保護在運行期間，會將水位低的信號發送給三個水泵設備，但跳閘信號僅配置一只液位開關，保護裝置可靠性偏低，極易出現誤動現象，導致水泵設備跳閘，電動水泵閉鎖，影響正常生產。針對該問題，技術人員將除氧器的水位定值的低Ⅰ和低Ⅱ進行串聯處理，在同時出現水位低和低低信號的狀況下，才會向水泵發送跳閘信號，避免保護出現誤動作。

借鑒上述熱工保護改造經驗，在火力發電機組調峰運行期間，需對熱工保護進行如下改造：確保MFT保護與汽機保護同時運行；為機組的輔機配置保護；為負荷響應特性優異的火力發電機組配置快速甩負荷邏輯；在CCS系統中設置故障自愈功能，通過快速減負荷、負荷迫升或迫降等措施，使汽機負荷轉變至空載狀態，保障機組的安全穩定運行[3]。

5 結束語

綜上所述，在火力發電機組運行期間，熱控系統對火力發電機組調峰運行的性能影響較為復雜。通過本文的分析，火力發電廠可通過縮短負荷響應時間、優化CCS控制系統、完善熱工保護裝置等措施，強化火力發電機組的調峰性能，保障火力發電機組的高效運行，減少火力發電生產的煤耗，實現火力發電廠可持續發展。