深度調峰模式下超臨界機組控制策略研究

姜英偉 莊 偉 張寅卯 張勇飛 康 磊 曹大偉

（1.內蒙古京寧熱電有限責任公司，烏蘭察布 012000；2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200220）

隨著我國經濟的不斷發展，我國年均用電量逐年增加，使得電網的負荷不斷增長。2019年，某省電網最大負荷達到了42 560 MW。電網系統自身具有季節性等特點，如夏季負荷最高，且電網負荷的時差性較強，使得電網系統會產生較大的峰谷差，因此需要開發和建設負荷調節能力更強的機組[1]。目前，已經研發的600 MW超臨界火電機組作為主力調峰機組現已投產使用，能夠滿足多數企業電網負荷調節。為了充分發揮超臨界機組的各項性能，滿足電網系統的統一調度，確保電網系統調峰安全進行，企業需對機組進行改造并調整燃燒參數，優化汽輪機滑壓曲線。超臨界機組在運行時需要達到一定的自動化水平，以應對不斷變化的工況。此外，機組包含的容量較大，運行時需要控制多個參數，因此需要強大的系統[2]。由于特高壓的接入，超臨界機組所具備的調峰能力不能夠滿足要求，需要增加自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）深度調峰的能力。一般情況下，機組設置為50%額定負荷進行AGC運行。雖然運行負荷較低，但能夠滿足各輔機的運行。對于超臨界機組來說，鍋爐水冷壁流量存在著本生流量。當機組負荷降至很低、給水流量接近本生流量后，必須轉為濕態運行[3]。因此，本文以某超臨界火電機組為基礎，分析超臨界機組參與深度調峰需要的優化邏輯，提出主蒸汽溫度滑參數運行方法，使機組在干態協調模式下能夠運行至較低的負荷。

1 超臨界機組的深度調峰背景

據調查，隨著現代社會的快速發展，各行業用電需求不斷增大，電網系統機組負荷逐年增加且峰谷差逐年增大，因此對機組設備要求也在不斷提升，使得電網調峰壓力逐年加大。隨著社會經濟的不斷發展，產業結構發生了較大變化，對我國電網結構造成了巨大影響，使得各行業平均用電量不斷增加。用電高峰期與低峰期呈現一定的規律，導致電網負荷峰谷差逐漸增大，加劇了電網調峰壓力。此外，居民生活水平不斷提升，平均用電量不斷增加，也給電網調峰帶來了壓力。另外，由于自然資源日益短缺，國家制定政策鼓勵開發清潔能源，如光伏發電、風能發電以及潮汐發電等[4]。目前，通過清潔能源產生的電量使得裝機容量不斷增長，也在一定程度上造成了電網調峰壓力的增大。以上為電網系統調峰壓力增大的主要原因。

2 系統概述

某項工程建設兩臺600 MW超臨界燃煤機組，同時建設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給水，同時對鍋爐進行冷卻。在為鍋爐提供補給水時，裝置需將海水淡化，避免海水腐蝕鍋爐，從而成功將機組產生的電能以兩回500 kV電壓等級線路接入城市電網。鍋爐型號HG-1950/25.4-YM3，為600 MW超臨界本生直流鍋爐。它的運行方式為一次中間再熱、變壓運行，帶內置式循環泵啟動系統，前后墻對沖燃燒。汽輪機型號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，采用數字式電液調節系統（Digital Electro-Hydraulic Control System，DEH）。

3 邏輯及參數優化

3.1 給水泵再循環閥邏輯優化

給水泵的安全運行對整個電網系統影響較大，甚至關系到整個機組設備的安全，因此需要采取相關措施確保機組給水泵能夠安全運行。給水泵運行過程中，再循環閥可以自動控制，不需要人為干涉就能夠進行自我調節工作，可降低事故發生頻率。給水泵日常工作時采用PID控制系統，很難滿足實際需求，無法達到自動控制的目的，因此需要設計能夠滿足再循環閥自動控制工作的系統[5]。

本項目采用雙線控制系統控制再循環閥安全工作，一條線控制開啟線路，一條線控制關閉線路。兩條線路循環工作，進而實現自動控制的目的。線路控制如圖1所示，再循環閥雙折線曲線如圖2所示，其中曲線f(x2)控制閥門的開啟，曲線f(x1)控制閥門的關閉。采用此控制線路可在開啟閥門與關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，進而確保給水泵能夠安全運行。通常情況下，閥門在開度較小時會對設備產生沖刷，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，需要優化閥門開度，減少小開度引起的沖刷。采取的主要措施：當閥門從大開度減小為小開度時，閥門的開度小于10%時保持10%開度，小于0.1%后關下；當閥門由0%開大，開度小于10%時保持0%開度，大于9.9%后開至10%后再線性開啟。

圖1 再循環閥線路控制圖

3.2 負荷速率變參數優化

機組處于低負荷運行時，煤與水含量減少到最低，會對機組造成影響。微分前饋不能過大，所以需要放慢負荷速率。負荷變速率優化邏輯如圖3所示。f(x)參數設置如表1所示。

圖2 再循環閥雙折線曲線圖

圖3 變負荷速率優化邏輯

表1 圖3中f(x)參數設置

3.3 煤量基準線優化

機組處于低負荷運行時，為了機組工作正常，需要將煤量基準線向下延伸，具體參數如表2所示。煤量基準線優化前后的對比曲線如圖4所示。

表2 優化后煤量基準數據

3.4 滑壓曲線優化

機組處于低負荷狀態時，為了確保運行過程中各項參數互相對應，需要向下延伸滑壓曲線，具體的參數設置如表3所示。

圖4 煤量基準線優化前后對比圖

表3 優化后滑壓曲線數據

3.5 溫度滑參數曲線設計

機組處于深度調峰狀態時，機組為非常態運行，需保證鍋爐水冷壁流量始終大于本生流量。它主要的溫度參數如表4所示。

表4 溫度滑參數數據

3.6 濕態時給水曲線設計

貯水箱中的水經過冷卻后形成水流循環，主要依靠鍋爐啟動系統中的爐水循環泵來控制貯水箱的水位。當貯水箱的水位較高時，爐水循環泵中的調節閥會打開10%的開度，將水位維持在一定的高度。一般情況下會將調節閥打開40%～50%的開度。水流處于動態時，貯水箱的水位根據流量的大小進行控制。以上方法為水位偏差的常規閉環控制法，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，耗費人力。因此，本文優化濕態給水系統，提高了水位控制性能，減輕了工作人員的工作量。具體的，根據實際水位是否在偏差范圍內來控制給水流量的變化規律：如果在偏差范圍內，則給水流量根據蒸汽流量變化而變化；如果超出偏差范圍，則給水流量根據蒸汽流量成比例變化，變化過程如圖5所示。負荷指令根據機組蒸汽流量計算，經過f(x)函數得出給水流量的靜態需求，并與水位PID控制器的計算結果疊加，共同構成給水流量的需求。

4 深度調峰TOP優化試驗與仿真

通過此次試驗測試優化系統的深度調峰能力。

4.1 試驗步驟

第一步，系統調制自動控制程序。第二步，根據機組負荷的變化情況，投入機爐協調方式，當設備運行趨于穩定時調整優化參數，并記錄試驗結果。

4.2 試驗結果分析

根據試驗步驟得出負荷響應曲線，如圖6所示。圖6中顯示機組的運行方式屬于干態協調的運行方式，負荷處于變化狀態，從450 MW降至200 MW，而此時的水流流量為590 t·h-1，相當于鍋爐的本生流量，負荷也降為干態最低負荷。當負荷為220 MW時，給水泵的再循環閥處于自動調節狀態。為了確保給水泵能夠正常工作，再循環閥通過自動控制將閥門開啟開度設置為9.86%。當負荷降至200 MW時，鍋爐處于干態最低負荷。這個濕態轉換為干態的過程是通過工作人員手動進行的，即打開爐水循環泵，緩慢調節循環泵的閥門開度，直至閥門開度到達總開度的1/2時停止，完成轉換。試驗過程中應避免電機出現故障、損壞，且在進行試驗前先將電機開關開到試驗位，以防止重復開啟開關影響電機的正常運行。

圖5 水位偏差帶控制原理圖

圖6 機組干態協調深度調峰響應

5 深度調峰機組的經濟性

深度機組調峰的經濟性主要是提高設備的工作效率，進而評估設備的各項經濟指標，如鍋爐的工作效率等。根據這些評估指標來評價深度調峰時機組的煤耗情況，可為后續的技術改進提供依據，從而更好地優化機組。

6 結語

文章主要介紹超臨界機組的相關調查背景和600 MW超臨界燃煤機組的相關信息，分析機組運行過程中產生的問題，并提出了相關的解決建議。機組處于低負荷運行時，改變機組的相關參數能夠提高機組的相關性能和工作效率。