燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷在調(diào)頻市場(chǎng)中的研究與實(shí)踐

潘志明，薛志敏

(中山嘉明電力有限公司,廣東 中山 528403)

高比例新能源接電網(wǎng)系統(tǒng)將帶來(lái)發(fā)電側(cè)的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性供電等問(wèn)題[1]，電網(wǎng)在持續(xù)可靠、安全穩(wěn)定等方面面臨重大挑戰(zhàn)。這些都對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻控制和機(jī)組的調(diào)頻性能提出了更高的要求[2]。一方面，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻因機(jī)組特性不同，調(diào)整量有限。以廣東電網(wǎng)為例，交直流混聯(lián)運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)安穩(wěn)特性復(fù)雜，最大日負(fù)荷峰谷差超過(guò)46 GW，廣東省內(nèi)1/3的用電量由西部省區(qū)的清潔能源供給，且省內(nèi)缺少調(diào)節(jié)性能好的水電機(jī)組[3]。另一方面，恢復(fù)電網(wǎng)頻率的二次調(diào)頻，包括通過(guò)自動(dòng)發(fā)電控制裝置(automatic generation control,AGC)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)響應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷隨機(jī)性波動(dòng)，也包括人為根據(jù)電網(wǎng)頻率高低調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差控制在目標(biāo)±0.10 Hz范圍內(nèi)[3]。因此，為解決高比例風(fēng)電、光電接入電網(wǎng)帶來(lái)的調(diào)峰、調(diào)頻問(wèn)題，以發(fā)電側(cè)和需求側(cè)為代表的調(diào)頻技術(shù)大力發(fā)展，文獻(xiàn)[4]對(duì)儲(chǔ)能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)特性進(jìn)行了總結(jié)；文獻(xiàn)[5]提出在風(fēng)電場(chǎng)配置儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略；文獻(xiàn)[6]論證了大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件下電源參與電網(wǎng)調(diào)頻必要性；文獻(xiàn)[7]提出一種基于分布式計(jì)算技術(shù)的火電廠輔助調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和功率規(guī)劃方法；文獻(xiàn)[8] 研究了各類型電動(dòng)汽車參與電力系統(tǒng)調(diào)頻；文獻(xiàn)[9]對(duì)電極式鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)下供熱系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究。其中，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組因啟停快、升負(fù)荷快、能靈活跟蹤負(fù)荷及迅速響應(yīng)負(fù)荷變化的優(yōu)點(diǎn)[10]，廣泛應(yīng)用于調(diào)峰、調(diào)頻。

此外，為了運(yùn)用市場(chǎng)手段鼓勵(lì)更多調(diào)頻性能好的機(jī)組參與調(diào)頻，南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)于2018年進(jìn)入正式結(jié)算運(yùn)行，2021年推進(jìn)廣東、廣西、海南三省(區(qū))的南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱“區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)”)試運(yùn)行工作。調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)通過(guò)市場(chǎng)化優(yōu)化手段實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻資源的市場(chǎng)化調(diào)用和補(bǔ)償機(jī)制[11]。調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)可以很好地激勵(lì)各類電源側(cè)資源參與市場(chǎng)獲利，調(diào)頻性能優(yōu)良的燃?xì)鈾C(jī)組在系統(tǒng)負(fù)荷需求高峰時(shí)期，日均的調(diào)頻收益達(dá)25 萬(wàn)元。

因機(jī)組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)能夠獲得不菲收益，輔助服務(wù)補(bǔ)償機(jī)制調(diào)動(dòng)了電廠提供調(diào)頻輔助服務(wù)的積極性[8]，刺激電廠對(duì)機(jī)組進(jìn)行調(diào)頻性能改造。儲(chǔ)能具備響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、短時(shí)功率吞吐力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，電力系統(tǒng)新能源配套調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)的工程實(shí)踐中常有應(yīng)用[12-14]。儲(chǔ)能可與常規(guī)調(diào)頻技術(shù)相結(jié)合,作為電網(wǎng)調(diào)頻輔助有效手段，以煤電機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組為例，廣東某300 MW燃煤機(jī)組成功應(yīng)用儲(chǔ)能9 MW/4.5 MW·h系統(tǒng)，組成聯(lián)合系統(tǒng)參與調(diào)頻服務(wù)市場(chǎng)，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)和調(diào)頻輔助市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力得以提升[15]。國(guó)內(nèi)首臺(tái)增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組完成改造，成為首個(gè)9F級(jí)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)用大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的項(xiàng)目，機(jī)組調(diào)頻性能提升[16]。隨著儲(chǔ)能電池成本逐漸降低，特別是功率型儲(chǔ)能的成本降低到能規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用的條件[17]，電池儲(chǔ)能結(jié)合常規(guī)機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用將更廣泛。此外，儲(chǔ)熱技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，可有效解決新能源消納和調(diào)峰等問(wèn)題[18]。太陽(yáng)能槽式集熱器與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)組成的一體化太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)增大了機(jī)組的調(diào)峰范圍，增強(qiáng)了機(jī)組在較高熱負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的調(diào)峰能力[19]。

綜上所述，調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)下，常規(guī)機(jī)組結(jié)合儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱等方式提升調(diào)頻性能相關(guān)研究已非常廣泛，因而對(duì)具備良好調(diào)峰能力的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組快速變負(fù)荷技術(shù)研究很有必要，但這方面研究并不多，尤其是目前國(guó)內(nèi)9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用快速變負(fù)荷技術(shù)參與調(diào)頻市場(chǎng)的工程案例很少。

因此本文分析了9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用快速變負(fù)荷提升調(diào)頻性能的作用和收益，提出快速變負(fù)荷改造方案，總結(jié)國(guó)內(nèi)首批9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用快速變負(fù)荷技術(shù)的工程應(yīng)用實(shí)踐，為9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)提升調(diào)頻性能提供可靠的參考方向。

1 輔助調(diào)頻市場(chǎng)

1.1 輔助調(diào)頻市場(chǎng)關(guān)鍵指標(biāo)

1.1.1 綜合調(diào)頻性能指標(biāo)[20]

自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)在確定的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)電力系統(tǒng)頻率或聯(lián)絡(luò)線功率發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的有功功率，以維持系統(tǒng)頻率或確保區(qū)域之間預(yù)定的交換功率。根據(jù)《南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)交易規(guī)則(征求意見(jiàn)稿)》，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k是衡量調(diào)頻控制區(qū)發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令的綜合性能體現(xiàn)，其計(jì)算式為：

k=λ1×k1+λ2×k2+λ3×k3

(1)

式中：調(diào)節(jié)速率k1指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的速率；響應(yīng)時(shí)間k2指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的時(shí)間延遲；調(diào)節(jié)精度k3指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的精準(zhǔn)度；λ1、λ2、λ3為對(duì)應(yīng)的調(diào)頻性能指標(biāo)k1、k2、k3在綜合調(diào)頻指標(biāo)k的權(quán)重系數(shù)，分別為0.5、0.25、0.25。

調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時(shí)間k2、調(diào)節(jié)精度k3的計(jì)算式分別為：

k1=v/V

(2)

k2=1-t1/t2

(3)

k3=1-ΔW/ΔP

(4)

式中：v為發(fā)電單元實(shí)測(cè)負(fù)荷調(diào)節(jié)速率，MW/min；V為調(diào)頻控制區(qū)內(nèi)AGC發(fā)電單元平均標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)速率，MW/min；t1為發(fā)電單元AGC響應(yīng)與發(fā)電單元接收AGC指令的延遲時(shí)間，min；t2為允許響應(yīng)延遲時(shí)間，目前取為5 min；ΔW為發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差，是指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 指令后實(shí)際出力值與指令值的偏差量，MW；ΔP為發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差，目前取值A(chǔ)GC單元額定出力的1.5%，MW。

為避免發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令時(shí)過(guò)調(diào)節(jié)或超調(diào)節(jié)，目前設(shè)置k1最大值不超過(guò)3；由式(3)、式(4)可知k2、k3的最大值為1、1。根據(jù)k1、k2、k3的最大值可知k最大值為2，據(jù)南方區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)不完全統(tǒng)計(jì)，9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)k值平均值取0.94。

為更好地對(duì)比發(fā)電單元調(diào)頻性能，對(duì)發(fā)電單元綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k進(jìn)行歸一化處理，歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)P的計(jì)算式為：

P=k/kmax

(5)

式中：k為前面所述發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；kmax為南方電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)頻控制區(qū)內(nèi)所有發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)最大值。

調(diào)頻里程排序價(jià)格B′的計(jì)算式為：

B′=B/P

(6)

式中：B為各發(fā)電單元的調(diào)頻里程報(bào)價(jià)，元/MW；P為歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)。

調(diào)頻輔助市場(chǎng)按照各發(fā)電單元的調(diào)頻里程排序價(jià)格從低到高依次進(jìn)行出清成交，直到總中標(biāo)調(diào)頻容量滿足系統(tǒng)總調(diào)頻需求為止，將最后一臺(tái)調(diào)頻中標(biāo)發(fā)電單元的調(diào)頻里程排序價(jià)格作為統(tǒng)一出清價(jià)格[3]。

1.1.2 調(diào)頻里程

調(diào)頻里程是指發(fā)電單元每次響應(yīng)相鄰兩點(diǎn)AGC調(diào)頻控制指令出力值之差的絕對(duì)值，簡(jiǎn)單說(shuō)就是負(fù)荷波動(dòng)絕對(duì)值的總和，反映了發(fā)電單元參與調(diào)頻的實(shí)際貢獻(xiàn)量。某時(shí)間段內(nèi)總的調(diào)頻里程為該時(shí)段發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令的調(diào)頻里程之和，其計(jì)算式為：

(7)

式中：Di為發(fā)電單元第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程，MW；f為調(diào)節(jié)次數(shù)。

1.1.3 調(diào)頻里程補(bǔ)償[20]

中標(biāo)發(fā)電單元在調(diào)頻市場(chǎng)上提供調(diào)頻服務(wù)可以獲得相應(yīng)的調(diào)頻里程補(bǔ)償，調(diào)頻里程補(bǔ)償按日統(tǒng)計(jì)、按月結(jié)算，并根據(jù)交易周期內(nèi)發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)平均值與1比較進(jìn)行數(shù)學(xué)處理計(jì)算，其計(jì)算式為：

(8)

(9)

式中：Rm,i為第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程補(bǔ)償，元；Rm為當(dāng)月的調(diào)頻里程補(bǔ)償，元；n為每月調(diào)頻市場(chǎng)總的交易周期數(shù)；Di為第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程，MW；Qi為第i次調(diào)節(jié)的出清價(jià)格，元/MW；ki為第i次調(diào)節(jié)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)；m為自市場(chǎng)進(jìn)入結(jié)算試運(yùn)行起的自然年數(shù)，市場(chǎng)進(jìn)入結(jié)算試運(yùn)行當(dāng)年m取0。

發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)既影響調(diào)頻中標(biāo)概率又影響調(diào)頻里程補(bǔ)償。由式(8)可知，調(diào)頻里程越長(zhǎng)、里程結(jié)算價(jià)格越高、綜合調(diào)頻性能指標(biāo)越大，調(diào)頻里程補(bǔ)償就越高。k值經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)處理后，如圖1所示。從圖1可知，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k越高，進(jìn)入試運(yùn)行結(jié)算的前2年數(shù)學(xué)處理后綜合調(diào)頻性能指標(biāo)下降程度越大，在里程結(jié)算價(jià)格、調(diào)頻里程不變時(shí)，獲得的調(diào)頻里程補(bǔ)償下降越大；進(jìn)入試運(yùn)行結(jié)算6年后，調(diào)頻性能下降程度隨著時(shí)間的推移變化不大，獲得的調(diào)頻里程補(bǔ)償變化也不大。

圖1 區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)調(diào)頻性能變化

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)頻現(xiàn)狀

某電廠9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)蒸汽輪機(jī)、一臺(tái)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)余熱鍋爐組成，燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)采用同軸布置。

ISO工況下，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組額定出力為390.93 MW，簡(jiǎn)單循環(huán)額定出力為255.6 MW。9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)變負(fù)荷速率通常固定在標(biāo)準(zhǔn)的“12分鐘速率”，即ISO規(guī)定負(fù)荷變化率為21.3 MW/min。該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)如表1所示。在廣東調(diào)頻市場(chǎng)和區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)的歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)分別為0.61、0.51。在廣東調(diào)頻市場(chǎng)中，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組憑借其較好的調(diào)頻性能且通過(guò)調(diào)整報(bào)價(jià)策略可基本保證調(diào)頻中標(biāo)獲取調(diào)頻里程補(bǔ)償。然而“區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)”試運(yùn)行以來(lái)，隨著煤機(jī)儲(chǔ)能聯(lián)合系統(tǒng)和水電進(jìn)入調(diào)頻市場(chǎng)，中標(biāo)機(jī)組平均綜合調(diào)頻性能指標(biāo)為0.85，最大綜合調(diào)頻性能指標(biāo)為1.85，大部分機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)介于0.4～1.2之間。燃?xì)廨啓C(jī)平均綜合調(diào)頻性能指標(biāo)為0.94，歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)僅為0.51，僅略高于市場(chǎng)準(zhǔn)入門(mén)檻(0.3)，從而出現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)因調(diào)頻性能差未中標(biāo)的現(xiàn)象，進(jìn)一步壓縮燃?xì)鈾C(jī)組在調(diào)頻市場(chǎng)的收益空間。該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的日調(diào)頻收益情況如表2所示。機(jī)組進(jìn)入?yún)^(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)后，出清價(jià)格由15.75 元/MW下降至12.82 元/MW，調(diào)頻里程變化不大，而每天的調(diào)頻里程補(bǔ)償由82 362元下降至38 623元，大大影響電廠的收益。

表1 9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)

表2 機(jī)組日調(diào)頻收益情況

燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組在區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)獲取調(diào)頻里程補(bǔ)償大幅縮水，刺激電廠研究9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷技術(shù)以提升調(diào)頻收益。

2 快速變負(fù)荷對(duì)調(diào)頻性能指標(biāo)的影響

快速變負(fù)荷是指電站燃?xì)廨啓C(jī)采用新的控制軟件，以實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)靈活的負(fù)荷變化率，比標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷變化率更高，并維持低NOx排放。快速變負(fù)荷對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)綜合調(diào)頻性能有大幅提升。

2.1 快速變負(fù)荷對(duì)調(diào)頻性能的提升

根據(jù)式(1)可知，可以通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時(shí)間k2和調(diào)節(jié)精度k3這3個(gè)影響因子的提升達(dá)到提升燃?xì)廨啓C(jī)綜合調(diào)頻性能指標(biāo)的目的。快速變負(fù)荷改造對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)響應(yīng)時(shí)間k2、燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)精度k3無(wú)影響；燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)節(jié)速率k1約為1.15，有較大的提升空間，快速變負(fù)荷改造使燃?xì)廨啓C(jī)在變負(fù)荷階段負(fù)荷調(diào)節(jié)速率增大，從而增大k1，進(jìn)而增大綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k。

2.2 提升調(diào)頻性能的意義

快速變負(fù)荷對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)頻性能有明顯提升作用，提升調(diào)頻性能指標(biāo)有三個(gè)意義：

(1) 提高中標(biāo)概率。根據(jù)式(6)可知，在相同報(bào)價(jià)下，機(jī)組調(diào)頻性能越好，調(diào)頻里程排序價(jià)格越低，其在調(diào)頻市場(chǎng)出清排序中越靠前，并且當(dāng)發(fā)電單元排序價(jià)格相同時(shí)，優(yōu)先出清歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)P值高的發(fā)電單元；當(dāng)發(fā)電單元?dú)w一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)P值相同時(shí)，優(yōu)先出清綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k值高的發(fā)電單元。因此，機(jī)組調(diào)頻性能越好中標(biāo)概率越高。

(2) 增加調(diào)頻里程。在同一調(diào)頻中標(biāo)時(shí)段，綜合調(diào)頻性能越好的機(jī)組，能快速響應(yīng)AGC指令，能獲得更多的調(diào)頻里程。

(3) 增加調(diào)頻里程補(bǔ)償。由式(8)可知，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k越高，調(diào)頻里程補(bǔ)償也越高。

2.3 快速變負(fù)荷的預(yù)測(cè)收益

某電廠兩套9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)從2018年南方電網(wǎng)(廣東起步)輔助調(diào)頻市場(chǎng)啟動(dòng)以來(lái)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)如下：兩套機(jī)組年調(diào)頻里程約 1 500 000 MW，里程結(jié)算價(jià)格約15元/MW。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采用快速變負(fù)荷改造僅需升級(jí)控制軟件，成本約550萬(wàn)元～800 萬(wàn)元，綜合調(diào)頻性能指標(biāo)k約為1.55。

考慮到儲(chǔ)能項(xiàng)目和調(diào)頻更優(yōu)的水電進(jìn)入調(diào)頻市場(chǎng)后會(huì)占用一定的調(diào)頻里程資源，快速變負(fù)荷改造后會(huì)提高中標(biāo)概率和增加調(diào)頻里程，按照保守估算改造前后年平均調(diào)頻里程分別為1 000 000 MW、1 080 000 MW。快速變負(fù)荷改造的調(diào)頻里程補(bǔ)償和相對(duì)收益結(jié)果如表3所示。可見(jiàn)，采用快速變負(fù)荷改造年調(diào)頻里程補(bǔ)償隨著自然年增加而接近，以10年計(jì)，快速變負(fù)荷改造相對(duì)收益為2 318萬(wàn)元。

表3 燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造前后收益對(duì)比

綜上所述，燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造具有以下優(yōu)點(diǎn)：改造工期短，只需升級(jí)控制軟件而不需新增使用土地、設(shè)備及運(yùn)維人員，綜合調(diào)頻性能優(yōu)，投資少，以10年計(jì)相對(duì)收益約2 318 萬(wàn)元。

3 快速變負(fù)荷解決方案

快速變負(fù)荷允許用戶定義負(fù)荷速率且可以高于標(biāo)準(zhǔn)速率。但并非所有9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)都能滿足快速變負(fù)荷改造的要求，除滿足主設(shè)備廠家規(guī)定的天然氣燃料、燃燒室、壓氣機(jī)、控制系統(tǒng)等基本條件外，還需考慮對(duì)部件限制、機(jī)組運(yùn)行和余熱鍋爐的影響。

3.1 快速變負(fù)荷控制策略

3.1.1 運(yùn)行負(fù)荷

采用快速變負(fù)荷的燃?xì)廨啓C(jī)，需考慮快速變負(fù)荷時(shí)是否滿足排放要求。采用OPFlex Turndown控制技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒模式進(jìn)入6.3預(yù)混模式后投入高級(jí)模型控制算法、自動(dòng)燃燒調(diào)整算法，能滿足排放要求且燃燒穩(wěn)定性較好，此階段燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行負(fù)荷為30%額定負(fù)荷以上。該聯(lián)合循環(huán)機(jī)組投入AGC運(yùn)行的負(fù)荷范圍為260～390 MW，因此快速變負(fù)荷運(yùn)行負(fù)荷為260～390 MW。

3.1.2 變負(fù)荷速率

燃?xì)廨啓C(jī)在并網(wǎng)后采用轉(zhuǎn)速控制模式，通過(guò)負(fù)荷增減指令來(lái)改變轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)TNR，從而達(dá)到改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)燃料行程基準(zhǔn)FSR的輸出值來(lái)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制燃料行程基準(zhǔn)FSRN與轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)TNR的關(guān)系式為：

FSRN=(TNR-TNH)×FSKRN2+FSKRN1

(10)

式中：FSRN為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)速控制燃料行程基準(zhǔn)FSR，%；TNH為燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，%；FSKRN1為燃?xì)廨啓C(jī)全速空載時(shí)的FSR值，取20.566 7%；FSKRN2為決定有差轉(zhuǎn)速控制不等率的控制常數(shù)，取14.469 7%。

燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速為100%額定轉(zhuǎn)速，變化不大。由式(10)可知，燃?xì)廨啓C(jī)變負(fù)荷速率可轉(zhuǎn)換為調(diào)整轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)TNR的變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.3 汽輪機(jī)負(fù)荷速率限制

在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，燃?xì)廨啓C(jī)因汽輪機(jī)應(yīng)力控制，需要限制最大的負(fù)荷速率為23 MW/min。經(jīng)評(píng)估，當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)滿足快速變負(fù)荷條件時(shí)，汽輪機(jī)處于全周進(jìn)汽且變負(fù)荷過(guò)程中主、再熱蒸汽溫度變化不大，產(chǎn)生較低的熱應(yīng)力。因此，在投入快速變負(fù)荷功能時(shí)將燃?xì)廨啓C(jī)因汽輪機(jī)應(yīng)力控制限制的最大負(fù)荷速率改為55 MW/min，以解除快速變負(fù)荷過(guò)程中汽輪機(jī)負(fù)荷速率限制。

3.1.4 自動(dòng)解除快速變負(fù)荷的策略

燃?xì)廨啓C(jī)在投入快速變負(fù)荷的運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)任何降負(fù)荷的保護(hù)都將自動(dòng)解除快速變負(fù)荷功能，負(fù)荷由自動(dòng)控制切換至手動(dòng)控制。當(dāng)保護(hù)信號(hào)復(fù)位后，需重新預(yù)選負(fù)荷和重新投入快速變負(fù)荷并設(shè)定變負(fù)荷速率值。

3.2 部件限制影響

對(duì)于設(shè)計(jì)上未考慮快速變負(fù)荷的9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)說(shuō)，執(zhí)行快速變負(fù)荷改造需考慮燃?xì)廨啓C(jī)各部件的限制影響并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

3.2.1 燃燒室后缸

燃燒室后缸對(duì)快速變負(fù)荷改造的限制因素有：

(1) 冷態(tài)轉(zhuǎn)子全速運(yùn)行時(shí)間<45 min可能導(dǎo)致軸承振動(dòng)升高；

(2) 對(duì)于較老燃燒室后缸，軸承振動(dòng)超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)有產(chǎn)生裂紋風(fēng)險(xiǎn)；

(3) 快速變負(fù)荷時(shí)會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展。

電廠針對(duì)燃燒室后缸對(duì)快速變負(fù)荷改造的限制影響因素執(zhí)行如下的預(yù)防措施：

(1) 機(jī)組執(zhí)行快速變負(fù)荷前至少有45 min的全速運(yùn)行；

(2) 升級(jí)燃燒室后缸；若不升級(jí)燃燒室后缸則必須嚴(yán)格根據(jù)主設(shè)備廠家規(guī)范要求定期檢查燃燒室后缸。

3.2.2 壓氣機(jī)

壓氣機(jī)對(duì)快速變負(fù)荷改造的限制因素有：

(1) 對(duì)于已有裂紋，無(wú)論標(biāo)準(zhǔn)速率還是快速變負(fù)荷均可能助長(zhǎng)裂紋；

(2) 快速變負(fù)荷提供的附加運(yùn)行靈活性可能導(dǎo)致負(fù)荷的變化更加頻繁，從而導(dǎo)致現(xiàn)有燕尾槽裂紋的擴(kuò)大。

電廠針對(duì)壓氣機(jī)對(duì)快速變負(fù)荷改造的限制影響因素執(zhí)行的預(yù)防措施是根據(jù)主設(shè)備廠家規(guī)范要求定期檢查壓氣機(jī)。

3.3 機(jī)組運(yùn)行影響

(1) 快速變負(fù)荷只是影響燃?xì)廨啓C(jī)變負(fù)荷速率，不影響燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷的性能。考慮到余熱鍋爐和汽輪機(jī)的滯后性，調(diào)頻機(jī)組在相同平均負(fù)荷、不同變負(fù)荷速率運(yùn)行的性能會(huì)略有不同。

(2) 與標(biāo)準(zhǔn)變化率的變負(fù)荷過(guò)程相比，快速變負(fù)荷不影響燃?xì)廨啓C(jī)主要部件基于啟動(dòng)次數(shù)的維修系數(shù)。

(3) 當(dāng)使用快速變負(fù)荷功能且負(fù)荷變化率大于正常變化率時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)出口排放將保持現(xiàn)有排放保證值范圍以內(nèi)。

(4) 快速變負(fù)荷對(duì)運(yùn)行方式的影響有如下幾點(diǎn)：1) 負(fù)荷變化率由運(yùn)行人員或外部信號(hào)選擇0到最大值范圍內(nèi)的任何變化率來(lái)增減負(fù)荷。2) 快速變負(fù)荷功能需在排放保證值范圍內(nèi)激活，在排放保證值范圍之外的最大負(fù)荷變化率將限制為標(biāo)準(zhǔn)變化率。3) 當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷到接近基本負(fù)荷時(shí)加載率會(huì)稍微降低，以避免燃燒溫度產(chǎn)生較大的瞬態(tài)沖擊；當(dāng)機(jī)組排放值接近保證值邊界時(shí)，降低負(fù)荷變化率防止超出邊界。4) 若設(shè)定負(fù)荷目標(biāo)在排放保證值之外，一旦實(shí)際負(fù)荷超出排放保證值時(shí)，則距目標(biāo)負(fù)荷的剩余部分將繼續(xù)以標(biāo)準(zhǔn)變化率進(jìn)行。

3.4 余熱鍋爐影響

快速變負(fù)荷對(duì)于基于標(biāo)準(zhǔn)負(fù)荷變化率設(shè)計(jì)的聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐和輔助系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常蒸汽溫度、汽包水位會(huì)受到影響，若控制不當(dāng)，可能會(huì)造成機(jī)組因余熱鍋爐蒸汽溫度超溫甩負(fù)荷或汽包水位超限跳閘。因此，在快速變負(fù)荷改造前需對(duì)余熱鍋爐主蒸汽溫度控制及汽包水位控制進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，并在快速負(fù)荷變化運(yùn)行期間密切監(jiān)視主蒸汽溫度及汽包水位，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

3.4.1 減溫器優(yōu)化控制

燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷過(guò)程中燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和排氣流量會(huì)快速變化，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和排氣流量表征進(jìn)入余熱鍋爐的熱量，而余熱鍋爐高壓過(guò)熱蒸汽流量存在滯后性，可能出現(xiàn)高壓過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高影響機(jī)組安全運(yùn)行的情況。這需要我們對(duì)高壓過(guò)熱減溫器進(jìn)一步優(yōu)化控制，利用熱交換模型優(yōu)化高壓過(guò)熱減溫器控制，如圖2所示。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度和排氣流量、高壓過(guò)熱蒸汽設(shè)定溫度、高壓過(guò)熱蒸汽壓力及高壓過(guò)熱蒸汽流量，計(jì)算出滿足余熱鍋爐高壓過(guò)熱蒸汽溫度要求的減溫器后蒸汽溫度，并向減溫器發(fā)送前饋信號(hào)，充分考慮系統(tǒng)熱滯后和儀表響應(yīng)時(shí)間，以便更好地控制減溫水量，保證高壓過(guò)熱蒸汽溫度在正常范圍內(nèi)，防止超溫事件發(fā)生。

圖2 高壓過(guò)熱減溫器優(yōu)化控制

3.4.2 汽包水位優(yōu)化控制

機(jī)組負(fù)荷瞬變引起的汽包水位超限是導(dǎo)致機(jī)組跳閘的常見(jiàn)原因。機(jī)組快速變負(fù)荷過(guò)程中，負(fù)荷瞬變會(huì)影響蒸汽流量、蒸汽壓力，通過(guò)汽包水位優(yōu)化控制可以減少蒸汽壓力及蒸汽流量瞬變引起的汽包水位超限跳閘。通過(guò)汽包水位設(shè)定智能控制，對(duì)汽包水位進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，在蒸汽壓力及蒸汽流量瞬變下保持汽包水位在安全范圍內(nèi)。汽包水位優(yōu)化控制與燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷、減溫器優(yōu)化控制等功能結(jié)合，能更好地實(shí)現(xiàn)快速變負(fù)荷。

綜上所述，某電廠兩臺(tái)9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)滿足快速變負(fù)荷改造的條件，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

4 快速變負(fù)荷改造的工程實(shí)踐

4.1 快速變負(fù)荷改造

依托珠三角某電廠兩臺(tái)9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造，成為國(guó)內(nèi)9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)首個(gè)進(jìn)行快速變負(fù)荷改造的實(shí)踐工程。該電廠兩臺(tái)9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)新控制軟件實(shí)現(xiàn)快速變負(fù)荷改造，通過(guò)余熱鍋爐高壓過(guò)熱減溫器及汽包水位優(yōu)化控制，保證快速變負(fù)荷改造后機(jī)組安全運(yùn)行。

4.2 變負(fù)荷動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行AGC變負(fù)荷動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，從而驗(yàn)證9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造后聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在變負(fù)荷過(guò)程的調(diào)頻性能和安全性。圖3所示為機(jī)組快速變負(fù)荷改造前后AGC試驗(yàn)的實(shí)際負(fù)荷曲線，表4為機(jī)組快速變負(fù)荷改造前后的性能指標(biāo)對(duì)比。快速變負(fù)荷改造后聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的綜合性能指標(biāo)較改造前有大幅提升。其中實(shí)際出力變化率平均值達(dá)46.8 MW/min，遠(yuǎn)高于改造前的18.09 MW/min。在AGC試驗(yàn)過(guò)程中，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等運(yùn)行參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，表明9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造后能安全運(yùn)行。

圖3 快速變負(fù)荷改造前后AGC試驗(yàn)

表4 快速變負(fù)荷改造前后性能指標(biāo)對(duì)比

4.3 調(diào)頻市場(chǎng)成效

某9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造后，機(jī)組綜合調(diào)頻性能指標(biāo)和歸一化綜合調(diào)頻性能指標(biāo)分別由0.94、0.522提升至1.55、0.861 1，性能提升程度達(dá)64.9%，從而提高了燃?xì)廨啓C(jī)在調(diào)頻市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

兩臺(tái)9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)已在2020年4月和6月先后完成快速變負(fù)荷改造并投入調(diào)頻市場(chǎng)運(yùn)行。截至2020年12月底，兩臺(tái)機(jī)組運(yùn)行正常，調(diào)頻里程約570 000 MW，里程結(jié)算價(jià)格約14.5元/MW。按廣東調(diào)頻市場(chǎng)交易規(guī)則結(jié)算，快速變負(fù)荷改造前后的綜合調(diào)頻性能指標(biāo)分別為1.6、2.66，改造后調(diào)頻里程補(bǔ)償增加約876萬(wàn)元，快速變負(fù)荷改造當(dāng)年就回收投資成本并增加收益。在區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)試結(jié)算開(kāi)始后進(jìn)行快速變負(fù)荷改造，按表3預(yù)測(cè)，改造后前兩年的相對(duì)收益約1 139萬(wàn)元，可以回收投資成本；但是若試結(jié)算開(kāi)始5年后進(jìn)行改造，相對(duì)收益很可能為負(fù)收益，則需綜合評(píng)價(jià)調(diào)頻里程、綜合性能指標(biāo)、里程結(jié)算價(jià)格再?zèng)Q策改造項(xiàng)目。

隨著大量新能源接入電網(wǎng)，電網(wǎng)承受調(diào)頻壓力劇增，具備快速變負(fù)荷能力的燃?xì)廨啓C(jī)可以應(yīng)對(duì)間歇性可再生能源發(fā)電波動(dòng)等不確定因素帶來(lái)的系統(tǒng)凈負(fù)荷短時(shí)大幅變化，可根據(jù)調(diào)度指令快速調(diào)整出力，為保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行作出重要貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論

文中分析9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用快速變負(fù)荷提升調(diào)頻性能的作用和收益，提出燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷改造提升調(diào)頻性能的解決方案，包括快速變負(fù)荷控制策略、部件限制影響、機(jī)組運(yùn)行影響及余熱鍋爐影響。珠三角兩套9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組快速變負(fù)荷改造的工程應(yīng)用實(shí)踐表明燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)快速變負(fù)荷改造能大幅提升機(jī)組的調(diào)頻性能，增強(qiáng)其在調(diào)頻市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，能為電廠帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，為燃?xì)廨啓C(jī)提升調(diào)頻性能提供了優(yōu)秀的模板，為電網(wǎng)提供更好的調(diào)頻手段。未來(lái)新建燃?xì)廨啓C(jī)電廠在考慮主機(jī)設(shè)備時(shí)應(yīng)將燃?xì)廨啓C(jī)快速變負(fù)荷考慮進(jìn)去，以滿足機(jī)組調(diào)頻能力。