基于火電機組響應(yīng)狀態(tài)的“啟動-并網(wǎng)'時長預(yù)測方法研究

中圖分類號：TK114 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-4026（2025）04-0130-09

Abstract：With therapid increase in thescale of new energyinstalations，theroleof thermal powerunitsin grid peak regulation has become crucial.Swiftandprecise predictionof the duration of the“startup-grid connection”processfor thermalpowerunits is esentialfordispatchers topromptlyadjust gridoperation status.Toaddress thecurrntrelianceon human experiencefor predicting the durationof the“startup-grid connection”process，this paper proposes amethod for predicting the durationof this processfor thermalpowerunits.First，thestartup-gridconnection processof thermal power units isanalyzedtoidentifykeyoperational parametersateach stage.Then，logicalcalculationsare leveragedto predict the duration of the“startup-grid connection”process.Resultsofapilot testonatypicaluniton the“Net-Source platform” indicate thatthe proposedmodel canaccurately monitor the response stateof theunitsduringthe“startup-grid connection”process and succesfully predictis duration.This method provides timely decision support for dispatchers， helping to ensure the safety and stability of grid operations.

Key words ： thermal power units；monitoring model; response state； logical calculation； duration prediction

積極推動新能源發(fā)展，加速我國電力向低碳、清潔、綠色方向轉(zhuǎn)型，是響應(yīng)國家“碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵舉措[1]。當(dāng)前我國的資源結(jié)構(gòu)決定了火力發(fā)電仍然是最重要的電力來源[2-3]，盡管大規(guī)模引人新能源可以有效的降低火力發(fā)電領(lǐng)域 CO₂ 的排放量，但也給我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了挑戰(zhàn)[4]：風(fēng)電并網(wǎng)中風(fēng)速的不確定性[5]、太陽能光伏并網(wǎng)中頻率波動的增加[]等問題都將導(dǎo)致電網(wǎng)面臨的調(diào)峰壓力與日俱增。隨著省新能源和核電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，加之外電入魯規(guī)模不斷擴(kuò)大和綠色配額制度的正式實施，截至2023 年12月31日，電網(wǎng)新能源裝機容量已突破8000 萬千瓦[7-8]。與此同時，電網(wǎng)新能源用電高峰期主要集中在春季（3—5月）、秋末（10—11月）和冬季（農(nóng)歷小年至供暖期結(jié)束）3個時段，與全年負(fù)荷低谷時段高度吻合。近幾年電網(wǎng)新能源裝機容量迅速增加，但電網(wǎng)調(diào)峰主要還是依靠火電機組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰來實現(xiàn)，與之相應(yīng)的是電網(wǎng)調(diào)峰問題將在未來幾年進(jìn)一步加深[9-10]。從現(xiàn)階段及長期來看，火電機組承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰的作用會愈加顯現(xiàn)，啟停調(diào)峰及停機備用會成為火電機組新常態(tài)[11-12]。

在火電機組的啟停調(diào)峰過程中，機組能否按時啟動并實現(xiàn)并網(wǎng)是一個關(guān)鍵問題。調(diào)控人員目前難以準(zhǔn)確掌握這一過程進(jìn)度，只能依靠已有經(jīng)驗進(jìn)行預(yù)估。若對“啟動-并網(wǎng)”過程時長預(yù)估過短可能導(dǎo)致無法在規(guī)定時間并網(wǎng);而預(yù)估過長則可能會導(dǎo)致機組空轉(zhuǎn)等待并網(wǎng)，造成資源的浪費。為確保火電機組啟停調(diào)峰的安全性和可靠性，目前國內(nèi)一般采用程序自動啟停技術(shù)（automatic procedure startup/shutdown，APS），該技術(shù)有助于減輕調(diào)度人員在啟停過程中的操作負(fù)擔(dān)，減少失誤的發(fā)生，但也存在包括APS 啟停邏輯框架設(shè)計不合理以及自動控制系統(tǒng)不能全程投入使用等問題[13]。因此，準(zhǔn)確估計火電機組的“啟動-并網(wǎng)”過程時長是一個至關(guān)重要的問題。

針對上述問題，提出了一種基于火電機組響應(yīng)狀態(tài)的“啟動-并網(wǎng)”時長預(yù)測方法。該方法首先全面分析火電機組“啟動-并網(wǎng)”過程，確定各階段的關(guān)鍵運行參數(shù)。其次，通過建立監(jiān)測模型，判斷機組響應(yīng)狀態(tài)。最后，通過邏輯計算，實現(xiàn)對機組“啟動-并網(wǎng)”過程時長的預(yù)測。這一方法對于確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行有重大意義。

1 研究方法

該研究方法的主要流程如下： ① 對火電機組的“啟動-并網(wǎng)”過程進(jìn)行全面分析，確定了機組“啟動-并網(wǎng)”過程關(guān)鍵階段，獲取機組在不同啟動方式下各階段的用時分析統(tǒng)計，在此基礎(chǔ)上，完成了對典型機組啟動曲線的繪制，確定了影響各階段運行狀態(tài)的關(guān)鍵運行參數(shù)； ② 根據(jù)確定的關(guān)鍵運行參數(shù)，將機組的各階段劃分為幾個狀態(tài)，并由此建立判斷機組響應(yīng)狀態(tài)的模型判斷條件，用于構(gòu)建監(jiān)測模型； ③ 基于上述監(jiān)測模型判斷出機組響應(yīng)狀態(tài)，根據(jù)用時分析統(tǒng)計確定機組各階段設(shè)計時長，加以一定的邏輯計算，實現(xiàn)了對機組“啟動-并網(wǎng)”過程時長的預(yù)測和異常情況的判斷。研究方法整體流程如圖1所示。

圖1研究方法整體框架圖

Fig.1Overall framework of the proposed method

由此可見，本研究基于對火電機組“啟動-并網(wǎng)”過程的全面系統(tǒng)分析，建立了合理的監(jiān)測模型和邏輯計算方法，實現(xiàn)對機組響應(yīng)狀態(tài)的判斷和“啟動-并網(wǎng)”時長的準(zhǔn)確預(yù)測，這為保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行提供了可靠的決策支持。

2 “啟動-并網(wǎng)”過程分析

2.1 機組啟動曲線的繪制

火電機組啟動可按不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分：按沖轉(zhuǎn)時汽輪機的進(jìn)汽方式不同，可分為中壓缸啟動、高壓缸啟動、高中壓缸聯(lián)合啟動;按解列時間的長短，可將亞臨界火電機組分為冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動;按停機、停爐時間的長短，可將超臨界及以上等級火電機組分為全冷態(tài)啟動、冷態(tài)啟動、溫態(tài)啟動、熱態(tài)啟動、極熱態(tài)啟動。

以亞臨界300MW等級火電機組（辛店#5機組）為例，若選擇冷態(tài)啟動，對應(yīng)的“啟動-并網(wǎng)”過程包含鍋爐上水階段、鍋爐（吹掃）點火階段、鍋爐升溫升壓階段、汽機沖轉(zhuǎn)階段、機組并網(wǎng)階段。若選擇溫態(tài)、熱態(tài)、極熱態(tài)啟動時，對應(yīng)的“啟動-并網(wǎng)”過程包含鍋爐（吹掃）點火階段、鍋爐升溫升壓階段、汽機沖轉(zhuǎn)階段、機組并網(wǎng)階段、機組升負(fù)荷。需要注意的是一般機組啟動曲線是從鍋爐點火階段開始，不包含鍋爐上水、鍋爐吹掃等階段，亞臨界 300MW 等級火電機組不同啟動方式下的啟動曲線見OSID開放科學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖1。

超臨界及以上等級火電機組的啟動過程與亞臨界火電機組基本相似，主要包括鍋爐上水、鍋爐（吹掃）點火、鍋爐升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)、機組升負(fù)荷幾個關(guān)鍵階段。值得注意的是，在機組全冷態(tài)或冷態(tài)啟動時，才需要進(jìn)行鍋爐上水階段。超臨界680MW等級火電機組不同啟動方式下的啟動曲線見OSID開放科學(xué)數(shù)據(jù)與內(nèi)容附圖2。

2.2 用時分析統(tǒng)計

由上述介紹可知，火電機組的“啟動-并網(wǎng)\"過程主要包括鍋爐（吹掃）點火、鍋爐升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)、機組升負(fù)荷幾個階段。根據(jù)繪制的不同啟動方式下機組的啟動曲線，我們對機組“啟動-并網(wǎng)”過程中各階段時長進(jìn)行了統(tǒng)計，并采用各階段所需平均時間作為設(shè)計時長。其中，設(shè)計時長包括啟動前準(zhǔn)備時長（ ）、鍋爐上水時長（ t₂ ）、鍋爐（吹掃）點火時長（ t₃ ）、鍋爐升溫升壓時長（ ）汽機沖轉(zhuǎn)時長（ χ_t5 ）機組并網(wǎng)時長 （Φ_t6） 、機組升負(fù)荷至 50% 額定容量（ Pe 時長 （Φ_t7） ，不同容量、等級火電機組極冷態(tài)、冷態(tài)啟動和溫態(tài)啟動的用時分析統(tǒng)計如表1、2所示。

表1不同容量、等級火電機組極冷態(tài)、冷態(tài)啟動時各階段用時分析統(tǒng)計

Table1Analysis and statistics of durations of extreme cold and cold start stages of thermal power units with different capacities and grades

表2不同容量、等級火電機組溫態(tài)啟動時各階段用時分析統(tǒng)計

Table 2Analysis and statistics of durations of different stages during warm start of thermal power units with different capacities and levels

根據(jù)統(tǒng)計的典型機組在不同啟動方式下各階段設(shè)計時長，我們發(fā)現(xiàn)機組啟動方式和機組容量、等級是決定機組“啟動-并網(wǎng)\"過程時長的關(guān)鍵因素。從極冷態(tài)、冷態(tài)啟動到熱態(tài)啟動，相同容量、等級的機組啟動時

間逐漸縮短。在亞臨界、超臨界機組中，冷態(tài)啟動明顯快于超臨界以上等級機組;而在溫態(tài)啟動時，不同容量、等級的機組啟動時長較為接近。這些結(jié)果為火電機組的設(shè)計和運行提供了重要參考，有助于優(yōu)化“啟動-并網(wǎng)\"過程，提高機組的啟動效率。

2.3 關(guān)鍵運行參數(shù)確定

通過對機組“啟動-并網(wǎng)”過程的分析，以及典型機組在不同啟動方式下各階段的用時分析統(tǒng)計，針對火電機組“啟動-并網(wǎng)”過程的主要操作，結(jié)合“網(wǎng)源平臺\"接入的參數(shù)，確定了反映各階段及響應(yīng)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)。不同階段（包括鍋爐上水、鍋爐（吹掃）點火、鍋爐升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)）所需監(jiān)測的關(guān)鍵運行參數(shù)也不同，具體如表3所示。

表3火電機組“啟動-并網(wǎng)\"過程的關(guān)鍵運行參數(shù)

Table 3 Key operating parameters for the\" startup-grid connection” process of thermal power units

3 時長預(yù)測方法

3.1 監(jiān)測模型的構(gòu)建

通過確定的各階段的關(guān)鍵運行參數(shù)，我們建立一定的模型判斷條件，構(gòu)建監(jiān)測模型，用于判斷機組響應(yīng)狀態(tài)。以亞臨界機組鍋爐升溫升壓階段為例，需要監(jiān)測的關(guān)鍵運行參數(shù)包括送風(fēng)機電流、引風(fēng)機電流、主汽溫度、再熱蒸汽溫度、汽機轉(zhuǎn)速。我們制定了相應(yīng)的模型判斷條件，將該階段分為3個狀態(tài)：升溫升壓開始狀態(tài)、正在升溫升壓狀態(tài)、升溫升壓結(jié)束狀態(tài)。其中升溫升壓開始狀態(tài)的判斷條件為送風(fēng)機、引風(fēng)機電流大于1A，主汽溫或再熱汽溫首次滿足分鐘均值連續(xù) 5min 穩(wěn)步上升且汽機轉(zhuǎn)速 30s 均值不上升并小于 2 990r/min ;正在升溫升壓狀態(tài)的判斷條件為送風(fēng)機、引風(fēng)機電流大于1A，主汽溫或再熱汽溫分鐘均值連續(xù) 5min 穩(wěn)步上升且汽機轉(zhuǎn)速小于 2 990r/min ;升溫升壓結(jié)束狀態(tài)的模型判斷條件為主汽溫或再熱汽溫大于 200^°C 且汽機轉(zhuǎn)速剛好滿足30 s均值穩(wěn)步上升并小于 2990r/min 。

對鍋爐上水階段，由于超臨界及以上等級機組比亞臨界機組多了汽包水位的監(jiān)測，且在監(jiān)測給水流量的數(shù)值方面有差異，所以鍋爐上水階段分成兩個監(jiān)測模型來判斷機組響應(yīng)狀態(tài)，如表4、表5所示。表6、表7是鍋爐（吹掃）點火，以及汽機沖轉(zhuǎn)和機組并網(wǎng)階段的監(jiān)測模型。本文預(yù)測機組“啟動-并網(wǎng)”時長的邏輯方法是基于機組響應(yīng)狀態(tài)開展的，各階段監(jiān)測模型的構(gòu)建讓我們能夠通過關(guān)鍵運行參數(shù)準(zhǔn)確判斷機組響應(yīng)狀態(tài)，在機組“啟動-并網(wǎng)\"過程中為操作人員提供有力的輔助信息，有助于確保機組的穩(wěn)定運行。

表4亞臨界機組“鍋爐上水\"階段監(jiān)測模型

Table 4Monitoring model for the“boiler water supply”stage of subcritical units

表5超臨界及以上等級機組“鍋爐上水\"階段監(jiān)測模型

Table 5Monitoring model for the“boiler water supply” stage of supercritical and above ur

表6鍋爐（吹掃）點火階段監(jiān)測模型

Table 6Monitoring model for boiler（blowing） ignition stage

表7汽機沖轉(zhuǎn)和機組并網(wǎng)階段監(jiān)測模型

Table7Monitoring model for steam turbine impulse startingand unit grid connection stage

3.2 邏輯計算

基于上述模型判斷條件，在“網(wǎng)源平臺\"選中機組后，能夠直接確定機組響應(yīng)狀態(tài)。假設(shè)機組“啟動-并網(wǎng)”過程包括 幾個階段，每個階段又包括 a?b?c?d 幾個狀態(tài)，根據(jù)模型判斷條件確定機組響應(yīng)狀態(tài)后，基于獲取的機組關(guān)鍵階段的用時分析統(tǒng)計，建立了如圖2所示的火電機組“啟動-并網(wǎng)”過程時長的邏輯判斷圖，將時長預(yù)測的邏輯計算方法分為以下三種情況：

（1）當(dāng)判斷出機組處于啟動的“C階段c狀態(tài)”時，我們向前追溯該C階段的開始時刻，計算出C階段剩余的時長（C階段剩余時長 Π=CΠ 階段設(shè)計時長-C階段進(jìn)行到c狀態(tài)時長），C階段剩余時長疊加后續(xù)的“D階段設(shè)計時長”“E階段設(shè)計時長”，作為機組“啟動-并網(wǎng)”時長的預(yù)測值。

（2）當(dāng)判斷出機組處于啟動的“C階段c狀態(tài)”，我們向前追溯2倍的設(shè)計時長后仍未找到C階段的開始時刻，則直接在目前時刻上，疊加后續(xù)的\"D階段設(shè)計時長”“E階段設(shè)計時長”，作為機組“啟動-并網(wǎng)”時長的預(yù)測值，此種情況，標(biāo)記C階段啟動異常。

（3）當(dāng)判斷出機組處于啟動的“C階段c狀態(tài)”，我們向前追溯開始時刻，C階段開始時刻至當(dāng)前狀態(tài)時長若大于“C階段設(shè)計時長”，則設(shè)定C階段剩余時長為0，待C階段結(jié)束后，將

圖2火電機組“啟動-并網(wǎng)\"過程時長的邏輯判斷圖 Fig.2Logic judgment diagram for the duration of the“startup-grid connection”process of thermal power units

C階段設(shè)計時長修正為設(shè)計時長 （現(xiàn)C階段設(shè)計時長 + 原C階段設(shè)計時長），再疊加后續(xù)的“D階段設(shè)計時長\"\"E階段設(shè)計時長”，作為機組“啟動-并網(wǎng)”過程時長的預(yù)測值。旨在通過上述的邏輯判斷，根據(jù)機組響應(yīng)狀態(tài)預(yù)測機組“啟動-并網(wǎng)”過程時長。

3.3 上線應(yīng)用

在將火電機組“啟動-并網(wǎng)”監(jiān)測模型引入“網(wǎng)源平臺”時，監(jiān)測畫面采取“進(jìn)度條”的方式來展現(xiàn)機組當(dāng)前所處啟動階段。機組響應(yīng)狀態(tài)在“進(jìn)度條”中位置的邏輯計算與之前描述的方式相同。假設(shè)系統(tǒng)根據(jù)模型判斷條件判定機組處于“啟動-并網(wǎng)”的\"C 階段”，此時機組響應(yīng)狀態(tài)在“進(jìn)度條”中所處的位置邏輯計算公式為：

式中： T_A 為A階段設(shè)計時長； T_B 為B階段設(shè)計時長； T_D 為 D 階段設(shè)計時長； T_E 為E階段設(shè)計時長； T_?1 為C階段開始時刻至當(dāng)前時刻時長； T₂ 為C 階段剩余時長。

在監(jiān)測狀態(tài)下，系統(tǒng)被設(shè)置為每分鐘刷新一次，持續(xù)記錄各階段關(guān)鍵運行參數(shù)來確定機組響應(yīng)狀態(tài)。在持續(xù)監(jiān)測的過程中，當(dāng)系統(tǒng)抓取到各階段的“實際用時時長”后，將其帶人之前提及的邏輯計算公式，不再使用“設(shè)計時長”進(jìn)行邏輯計算。通過對比“實際用時時長”和“設(shè)計時長”，系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)修正計算，用以診斷機組在啟動過程中的各階段是否存在異常情況。由圖3可以看出，該模型可以同時監(jiān)測多種機組的“啟動-并網(wǎng)\"過程，還可以根據(jù)機組類型及啟動方式，確定機組響應(yīng)狀態(tài)并預(yù)測距離并網(wǎng)時長，再由上述的邏輯計算得到機組響應(yīng)狀態(tài)的并網(wǎng)進(jìn)度。

圖3火電機組“啟動-并網(wǎng)\"進(jìn)度監(jiān)測畫面

Fig.3Monitoring screen for the progress of“startup-grid connection”of thermal power units

圖4所示的是費縣#1機組冷態(tài)啟動用時對比及異常情況分析畫面，以該機組為例，根據(jù)機組用時分析統(tǒng)計確定機組各階段的預(yù)估時長，其鍋爐上水、鍋爐（吹掃）點火、鍋爐升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)階段的預(yù)估時長分別為 120601506830min ，由監(jiān)測模型判斷出機組處于鍋爐（吹掃）點火階段，且當(dāng)前階段已經(jīng)進(jìn)行了 13min ，如圖4所示。由邏輯判斷圖判斷屬于邏輯計算方法的情況（1），則機組“啟動-并網(wǎng)”時長的預(yù)測值的計算分為兩步：① 鍋爐（吹掃）點火階段剩余時長 σ=σ 預(yù)估時長-當(dāng)前階段已經(jīng)進(jìn)行時長 =47min ② 機組“啟動

圖4火電機組各階段用時對比及異常情況分析畫面

Fig.4Comparison of durations and analysis of abnormal situations at different stages of thermal power units

-并網(wǎng)”時長的預(yù)測值 Σ=Σ 鍋爐（吹掃）點火階段剩余時長 + 鍋爐升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)階段的預(yù)估時長=295min 。同時由圖4還可以通過監(jiān)測模型對比機組各階段的實際啟動時長與預(yù)估啟動時長，進(jìn)而判斷機組是否啟動異常。應(yīng)用的結(jié)果表明，該模型能較好的滿足工程應(yīng)用上的需求，對于確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行有重大意義。

4結(jié)論

（1）對火電機組“啟動-并網(wǎng)\"過程進(jìn)行全面分析，完成了典型機組啟動曲線的繪制，獲取機組在不同啟動方式下各階段的用時分析統(tǒng)計，確定了影響各階段運行狀態(tài)的關(guān)鍵運行參數(shù)，為建立機組的監(jiān)測模型奠定基礎(chǔ)。（2）根據(jù)確定的關(guān)鍵運行參數(shù)，將機組的各階段劃分為幾個狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上建立了模型判斷條件，用于構(gòu)建監(jiān)測模型，從而實現(xiàn)對機組“啟動-并網(wǎng)”過程響應(yīng)狀態(tài)的判斷。（3）基于上述監(jiān)測模型判斷出機組響應(yīng)狀態(tài)，根據(jù)用時分析統(tǒng)計確定的機組各階段設(shè)計時長，加以一定的邏輯計算，實現(xiàn)了對機組“啟動-并網(wǎng)\"過程時長的預(yù)測和異常情況的判斷。這一方法在很大程度上解決了目前對于“啟動-并網(wǎng)”過程時長的預(yù)測依賴人為經(jīng)驗預(yù)估的問題，使調(diào)度人員能夠及時對電網(wǎng)運行作出調(diào)整，從而保證電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行。

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