基于新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組深度調(diào)峰技術(shù)

長(zhǎng)安益陽(yáng)發(fā)電有限公司 黃 超

部分發(fā)電機(jī)組在對(duì)新能源進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)，需將參數(shù)調(diào)整至額定負(fù)荷的30%至40%，以此高效使用更多新能源。進(jìn)行調(diào)峰的某電廠發(fā)電機(jī)組采取超臨界參數(shù)設(shè)計(jì)方法，機(jī)組運(yùn)行功率的頂峰臨界值為630MW，在566℃條件下主蒸汽壓力為24.2MPa，再熱蒸汽時(shí)溫度不變、壓力調(diào)整為3.59MPa。機(jī)組參數(shù)如下：額定功率630MW、再熱蒸汽溫度566℃、額定主蒸汽壓力24.2MPa、排汽壓力5.4kPa、額定主蒸汽溫度566℃、回?zé)峒?jí)數(shù)級(jí)8、再熱蒸汽壓力3.59MPa、給水溫度273.7℃。

1 機(jī)組運(yùn)行分析

1.1 機(jī)組出現(xiàn)的問(wèn)題

設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。該廠發(fā)電機(jī)組處于長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷工況，燃燒穩(wěn)定性不足，出現(xiàn)管壁受熱失衡、鍋爐受熱區(qū)域溫度較高等現(xiàn)象。在鍋爐尾部位置煙道積灰較多，設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕問(wèn)題。空氣預(yù)熱設(shè)備出口位置的煙氣溫度變動(dòng)量較大，冷端處于快速降溫狀態(tài)，由此增加了硫酸氫銨出現(xiàn)堵塞、腐蝕的概率；污染物較多。機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷不高時(shí)，脫硝傳送口煙氣溫度會(huì)發(fā)生快速下滑，改變催化劑活躍性，致使機(jī)組難以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，致使氮氧化物排放濃度超出正常范圍，間接增加了污染物。燃燒穩(wěn)定性不足。采取深度調(diào)峰技術(shù)調(diào)控機(jī)組性能時(shí)，燃燒溫度下降速度較快，風(fēng)量明顯變少，會(huì)間接降低火焰剛度、有礙煤粉充分燃燒，使鍋爐未能傳出火檢信號(hào)，引起氣泡水位發(fā)生較大幅度變動(dòng)、爐膛負(fù)壓穩(wěn)定性變差等各類(lèi)不利問(wèn)題，連帶導(dǎo)致主燃料程序發(fā)生跳閘，致使機(jī)組不再進(jìn)行深調(diào)[1]。DCS 協(xié)調(diào)及控制不到位。初期運(yùn)行的DCS 調(diào)控程序時(shí)設(shè)定的控制策略不全面，無(wú)法有效調(diào)節(jié)機(jī)組主體。系統(tǒng)調(diào)節(jié)狀態(tài)欠佳，尤其在鍋爐燃燒設(shè)備技術(shù)優(yōu)化后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果更為不理想。DCS 調(diào)控的技術(shù)分析具體如下：在電廠負(fù)荷變動(dòng)量不大時(shí)主汽壓力變動(dòng)幅度較大。負(fù)荷改變時(shí)主汽壓力形成的誤差不小于1MPa，誤差最大值為1.7MPa。此種超壓工況無(wú)法獲得有效調(diào)控，對(duì)于機(jī)組運(yùn)行構(gòu)成了威脅，需要利用INFIT 技術(shù)完善控制方案，以此維持系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

2 基于新型電力系統(tǒng)規(guī)劃的深度調(diào)峰技術(shù)方案

2.1 某廠新型電力系統(tǒng)規(guī)劃

2.1.1 設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)安全級(jí)別

在電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要合理設(shè)計(jì)電網(wǎng)安全等級(jí)：規(guī)劃層設(shè)計(jì)3個(gè)并列的模塊→規(guī)劃層公共層→EMS層、參數(shù)設(shè)計(jì)層→公共層。在設(shè)計(jì)電力平臺(tái)的安全級(jí)別時(shí)需充分考量電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，在明確電壓級(jí)別前需全面采集一個(gè)區(qū)域的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確把握區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃的各項(xiàng)特點(diǎn)，開(kāi)展有效的技術(shù)分析，保證電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。參照采集的數(shù)據(jù)資料，全面分析四周的變電站、供電信息等內(nèi)容，用作甄選電壓級(jí)別的參考資料。在進(jìn)行電網(wǎng)選擇時(shí)需密切關(guān)注電網(wǎng)動(dòng)態(tài)，動(dòng)態(tài)更新電網(wǎng)數(shù)據(jù)，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。動(dòng)態(tài)獲取電網(wǎng)區(qū)域的負(fù)荷參數(shù)，全面管理電網(wǎng)的變電站、線路等各類(lèi)設(shè)施。在掌握各類(lèi)基礎(chǔ)信息后，準(zhǔn)確設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓級(jí)別，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，以此減少電網(wǎng)故障。

2.1.2 容量比計(jì)算

電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要準(zhǔn)確計(jì)算電網(wǎng)負(fù)荷率。在電網(wǎng)運(yùn)行分析中，主要從容量、負(fù)載比等參數(shù)方面給出客觀評(píng)價(jià)結(jié)果。在獲取容量負(fù)載速率時(shí)應(yīng)選擇最小值，確保參數(shù)選用的代表性。在容量比計(jì)算時(shí)，變電信息會(huì)準(zhǔn)確傳入計(jì)算機(jī)平臺(tái)，準(zhǔn)確獲取容量比率。系統(tǒng)支持自主測(cè)定容量大小的功能，對(duì)于線路能力、導(dǎo)線容量分別進(jìn)行測(cè)定。采取從高到低的排序形式列出容量比結(jié)果，計(jì)算各類(lèi)線路功率比值。針對(duì)導(dǎo)線、線路等多種設(shè)備開(kāi)展需求分析，給出電容率算法，全面分析全網(wǎng)電流情況，測(cè)定各個(gè)線路、發(fā)電設(shè)備的性能。容量比率的算式如下：式中：L表示變電能力，Ua表示網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的綜合能力，Qi表示系統(tǒng)檢測(cè)的負(fù)載率，Ai表示容量比率。在容量比例增加時(shí)系統(tǒng)變電能力會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)，使系統(tǒng)運(yùn)行更具安全性。

2.1.3 安全運(yùn)行計(jì)劃

參照電網(wǎng)運(yùn)行需求、電網(wǎng)容量比例等多種因素，借助負(fù)載控制技術(shù)切實(shí)保持電網(wǎng)安全。在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)時(shí)，主要從網(wǎng)損、有功損耗兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)；在測(cè)定系統(tǒng)運(yùn)行技術(shù)性能時(shí)，從短路電流、電壓安全、電壓越限三個(gè)方面給出評(píng)價(jià)；在系統(tǒng)穩(wěn)定分析時(shí)，從負(fù)載率、供電量?jī)蓚€(gè)視角進(jìn)行分析；在負(fù)荷分析時(shí)，會(huì)借助分布式功率控制設(shè)備，合理設(shè)計(jì)負(fù)載參數(shù)。計(jì)算方法如下：式中：Df表示負(fù)荷調(diào)控參數(shù)，yc表示真實(shí)測(cè)得的負(fù)荷值，xg表示前期設(shè)計(jì)的負(fù)荷值，i表示測(cè)定負(fù)荷的位置，e表示網(wǎng)絡(luò)能夠承受的負(fù)荷量，o表示計(jì)算的分析方向，此算式中o為“無(wú)方向”。

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行期間，電力負(fù)荷高于前期設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)會(huì)有警報(bào)提示，引導(dǎo)用戶在負(fù)荷降至標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)方可繼續(xù)用電。采取自主關(guān)閉設(shè)備、控制負(fù)荷等方式，以此測(cè)定單位時(shí)段內(nèi)的電力負(fù)荷。線路過(guò)流量的測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 線路過(guò)流監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1是完成控制的線路過(guò)流測(cè)定情況。借助此種控制方法，電網(wǎng)進(jìn)行裝置運(yùn)行狀態(tài)，能夠達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控的要求，精確操控超標(biāo)線路、異常設(shè)備。在高峰用電時(shí)段，利用此裝置自主切斷一定量的電氣設(shè)備，以此維持電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。以控制用電負(fù)荷為目標(biāo)引入智能控制設(shè)備，設(shè)定單片機(jī)、數(shù)據(jù)處理為主要技術(shù)，全面獲取電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在頻率值不高的情況下切斷負(fù)荷，以此控制電網(wǎng)頻率，減少運(yùn)維問(wèn)題，達(dá)到電力系統(tǒng)安全規(guī)劃的效果[2]。

2.2 整改某廠機(jī)組問(wèn)題

2.2.1 控制設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)

在處理機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，在機(jī)組內(nèi)部超溫頻率較高的位置增設(shè)溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，運(yùn)行燃燒器調(diào)整機(jī)組運(yùn)行的溫度。有效調(diào)整機(jī)組的風(fēng)量、風(fēng)溫各類(lèi)參數(shù)，必要時(shí)優(yōu)化燃燒器的技術(shù)方案。全面核實(shí)低負(fù)荷冷端的參數(shù)設(shè)計(jì)情況，增大空氣預(yù)熱設(shè)備吹灰力度，有效檢查吹灰氣源，合理調(diào)節(jié)空氣預(yù)熱設(shè)備的入風(fēng)溫度參數(shù)，制定差壓運(yùn)行方案。使用磨煤機(jī)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)化煤粉爐的組成。運(yùn)行動(dòng)態(tài)分離設(shè)備，有效提高煤粉細(xì)度，以此順應(yīng)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行需求，使機(jī)組燃燒更具穩(wěn)定性。

2.2.2 有效減少污染物

使用先進(jìn)性更強(qiáng)的智能控制計(jì)算方法精準(zhǔn)預(yù)判機(jī)組工況，利用先進(jìn)控制技術(shù)替代原有的PID 控制方法。從制粉傳送點(diǎn)、鍋爐燃燒點(diǎn)、選擇性催化還原程序等多個(gè)環(huán)節(jié)，分析參數(shù)與傳入氮氧化物濃度之間的相互關(guān)系，創(chuàng)建深度神經(jīng)分析的預(yù)測(cè)方式，客觀預(yù)算氮氧化物傳輸濃度。如現(xiàn)在采用的由某研究單位開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型，具有周期性數(shù)據(jù)更新能力，表現(xiàn)出較強(qiáng)的超前控制能力。噴氮閥門(mén)的開(kāi)合角度變化量，相比實(shí)際監(jiān)測(cè)設(shè)備入口氮氧化物濃度變量值的時(shí)間會(huì)提前80～100s，以此保證系統(tǒng)控制效果[3]。

2.2.3 維持燃燒穩(wěn)定性

低負(fù)荷工況下單組磨煤機(jī)運(yùn)行出力系數(shù)較大，能夠傳輸更小的磨出力，以此提高風(fēng)煤比，提高機(jī)組穩(wěn)燃能力。針對(duì)各類(lèi)風(fēng)門(mén)擋板開(kāi)展必要的運(yùn)維、參數(shù)校準(zhǔn)等處理，正確標(biāo)定風(fēng)量、氧量各類(lèi)參數(shù)。必要時(shí)可添加一氧化碳、爐膛溫度等多種參數(shù)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，以此全面獲取低負(fù)荷燃燒情況，便于更好地進(jìn)行深度調(diào)峰[4]。

2.2.4 INFIT 控制分析，解決DCS 控制問(wèn)題

負(fù)荷值控制在50%至100%以內(nèi)時(shí)INFIT 控制的技術(shù)效果。在一般負(fù)荷條件下，機(jī)組協(xié)同控制時(shí)會(huì)依照40%至100%的壓力階段、干濕轉(zhuǎn)換負(fù)荷的兩種方案向40%負(fù)荷段進(jìn)行改進(jìn)。在壓力階段進(jìn)行協(xié)調(diào)時(shí)，主要從主控制、給水調(diào)控、水煤比監(jiān)控三種回路進(jìn)行精確調(diào)整，參照滑壓曲線改進(jìn)方案、煤質(zhì)校準(zhǔn)規(guī)則，保持機(jī)組運(yùn)行的平穩(wěn)性。當(dāng)壓力不足40%Pe 時(shí)負(fù)荷會(huì)出現(xiàn)持續(xù)降低的情況，給煤、給水的用量會(huì)處于穩(wěn)燃負(fù)荷的最小值，是干態(tài)工況的最下限級(jí)別。此時(shí)項(xiàng)目的機(jī)組調(diào)整裕量會(huì)持續(xù)變小，直至為零。

負(fù)荷控制。機(jī)組參照前期設(shè)計(jì)的負(fù)荷變化速度，整體負(fù)荷變動(dòng)較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大振蕩問(wèn)題，過(guò)調(diào)量不大；主汽壓力控制。有效控制主汽壓力產(chǎn)生的偏差，將其控制在0.3MPa 以內(nèi)，不會(huì)發(fā)生較大振蕩問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)較為平穩(wěn)。在變負(fù)荷階段偏差控制值設(shè)計(jì)為0.6MPa，切實(shí)解決了DCS 控制問(wèn)題，能夠達(dá)到負(fù)荷偏差的控制要求。

2.3 深度調(diào)峰能耗分析

機(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰時(shí)，需要研究在超臨界機(jī)組狀態(tài)下分析深度調(diào)峰會(huì)產(chǎn)生的能量消耗問(wèn)題。在深度調(diào)峰時(shí)，機(jī)組產(chǎn)生的熱量耗量率q算式為：q=Vhd，式中：q表示機(jī)組深度調(diào)峰時(shí)產(chǎn)生的熱量損耗率，（單位，kW/h）；Vh是主氣焓與含水焓相減的計(jì)算結(jié)果，（單位，kj/kg）；d表示機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽損耗比例，（單位，kg/（kWh））。在供電工況調(diào)整時(shí)，用煤量B 的計(jì)算方法如下：

B=q/q0×1/（ηglηgd（1-φ））

式中：q是公式q=Vhd的計(jì)算結(jié)果，q0表示機(jī)組投用標(biāo)煤產(chǎn)生的熱量，此次取值為29305kJ/kg；ηgl表示機(jī)組運(yùn)行時(shí)的能量轉(zhuǎn)換比例，（單位，%）；ηgd表示機(jī)組管線能力的傳輸能力，（單位，%），φ表示電廠用電比例，（單位，%）。

2.4 深度調(diào)峰參數(shù)設(shè)計(jì)

在深度調(diào)峰期間，要準(zhǔn)確設(shè)計(jì)機(jī)組管線的參數(shù)。使用標(biāo)準(zhǔn)T 型熱電偶，精確設(shè)計(jì)管線風(fēng)速，算法如下:兩式中：v表示管線風(fēng)速設(shè)計(jì)值，（單位，m/s）；Q表示；機(jī)組的風(fēng)量，（單位，m3/s）；k表示測(cè)定管線風(fēng)速使用的系數(shù)；A表示被測(cè)機(jī)組送風(fēng)管線的截面大小，（單位，m2）；pd表示風(fēng)速引起的氣流動(dòng)壓平均值，（單位，Pa）；c表示管線通過(guò)氣流密度的平均值，（單位，kg/m3）。確定c數(shù)值時(shí)，會(huì)參考標(biāo)準(zhǔn)工況的氣體密度參數(shù)、管線內(nèi)傳出的氣體溫度、單位所在區(qū)域的大氣壓等多個(gè)因素。

2.5 深度調(diào)峰給水流量穩(wěn)定控制分析

在深度調(diào)峰期間，在水冷壁內(nèi)傳入的水主要來(lái)自儲(chǔ)水箱，以此形成流動(dòng)循環(huán)機(jī)制。在調(diào)控儲(chǔ)水箱水位時(shí)，若液位較高應(yīng)運(yùn)行循環(huán)泵，主動(dòng)開(kāi)啟調(diào)節(jié)閥的保護(hù)裝置[5]，使用水位偏差帶的調(diào)控方式，此保證控制質(zhì)量。在偏差帶范圍內(nèi)合理控制水位過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)參照蒸汽流量合理確定儲(chǔ)水箱的供水值。在水位大于偏差帶時(shí)，水流量增大時(shí)蒸汽流量會(huì)逐漸變小。在實(shí)際控制中，蒸汽流量數(shù)值參照水位控制量，主要從負(fù)荷指令中獲取。在系統(tǒng)超臨界狀態(tài)下，進(jìn)行深度調(diào)峰期間有效控制給水流量，在前饋機(jī)制下得出水位偏差量。借助偏差帶雙折線，對(duì)于較大幅度波動(dòng)的水位進(jìn)行有效控制。當(dāng)機(jī)組蒸發(fā)量、給水量均處于合理范圍內(nèi)，再控制水位波動(dòng)量[6]。

綜上所述，針對(duì)超臨界機(jī)組引入深度調(diào)峰技術(shù)后，能夠解決系統(tǒng)控制的諸多問(wèn)題，從能耗、給水等方面進(jìn)行有效控制。在實(shí)踐中，深度調(diào)峰改變系統(tǒng)負(fù)荷時(shí)機(jī)組灰渣熱損為0，固體未燃燒量逐漸減少，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)燃燒狀態(tài)較好，能夠減少不充分燃燒帶來(lái)的問(wèn)題，顯著降低機(jī)組運(yùn)行成本。