聯合儲能系統提升機組快速爬坡能力研究

范慶偉，雒 青，常東鋒，兀鵬越，王 偉

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聯合儲能系統提升機組快速爬坡能力研究

范慶偉1，雒 青2，常東鋒1，兀鵬越1，王 偉2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.西安西熱節能技術有限公司，陜西 西安 710054）

針對“火電靈活性改造試點項目”目標要求的提升機組爬坡能力開展研究。首先，結合試驗結果分析了現有火電機組具備的AGC響應能力，其與預期目標之間仍存在一定的差距。在對機組協調優化控制技術、基于機組自身蓄能的負荷調節技術和基于儲能的負荷調節技術進行分析論述的基礎上，提出利用聯合儲能系統提升機組AGC響應能力，并對其運行特點、熱力特性、項目投資等進行了分析。聯合儲能系統可實現與純電池儲能方案接近的調節品質，具有投資較低、安全性更高等特點，值得推廣。

聯合儲能；火電靈活性；AGC響應；機組爬坡能力；電池儲能；試驗研究

火電機組運行靈活性改造主要圍繞深度調峰運行、快速爬坡能力及快速啟停3個方面進行。前期試點機組以深度調峰運行為主開展工作，如北方聯合電力有限責任公司臨河熱電廠1號機組實現25%BMCR（鍋爐最大出力工況）穩定運行，國電大渡河流域水電開發有限公司2號機組實現33%BMCR穩定運行，華能曲阜熱電有限公司2號機組35%BMCR穩定運行，華能國際電力股份有限公司南通電廠1號機組30%BMCR穩定運行，華能國際電力股份有限公司丹東電廠20%BMCR穩定運行等。除深度調峰研究外，北方地區的熱電聯產機組在熱電解耦方面的研究也獲得了廣泛關注，如高背壓供熱、汽輪機低壓缸零出力、汽輪機旁路供熱、水罐儲能供熱、電鍋爐調峰儲能供熱等。

近期，針對機組快速爬坡能力（AGC調節能力提升）的研究受到關注，電網公司也開始對機組提出更為快速、準確的AGC響應速率的要求，機組靈活性改造進入第2階段目標的實施階段。

1 提升機組AGC調節能力技術現狀

1.1 機組協調優化控制技術

隨著電力企業工業化與信息化建設的推進，數字化和智能化電廠的概念被廣泛接受，提升機組協調優化控制水平是智能電廠建設的重要環節[1-5]。針對國內火電機組普遍存在的運行負荷率低、燃煤品質波動大等突出問題，基于智能算法的鍋爐+汽輪機+輔助車間控制系統的協調控制品質的提升對于提高其負荷調節能力將起到積極的作用。西門子和GE公司在機組協調控制品質方面進行了相應的探索。國內的各大研究單位及高校也在進行這方面的深入研究與實踐。

1.2 基于機組自身蓄能的調節技術

單純依靠調整燃料量來改變機組負荷的過程非常緩慢，為提高機組AGC調節速率，必須合理利用機組自身的蓄能。目前，廣泛使用的火電機組蓄能及利用方法包括主蒸汽調節閥節流、減溫水量調節、開啟補汽閥調節、開啟汽輪機旁路調節、高壓加熱器（高加）旁路調節、抽汽節流調節、凝結水節流調節等[6-9]。

由于涉及機組安全、經濟方面的問題，個別技術不具備推廣性。目前，國內絕大多數機組使用主蒸汽調節閥節流作為主調節手段，部分機組增加了凝結水節流調節或給水旁路調節等輔助調節手段。

1.3 基于儲能的調節技術

儲能技術的研究與應用由來已久。儲能裝置能夠實時吸收或釋放功率，低儲高發，有效減少系統輸電網絡損耗，實現削峰填谷，獲取經濟效益[10-15]。

儲能技術按其技術原理劃分為物理儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能四大類。其中，物理儲能又包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能，化學儲能包括鋰電池、鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池和金屬空氣電池，電磁儲能包括超導磁儲能技術、超級電容器儲能技術。

在各種儲能技術中，物理儲能由于容量大，適應于大區域內電網整體層面的峰谷調節；化學儲能靈活方便，既適用于電網整體層面的峰谷調節，也可應用于單臺機組的峰谷調節；相變儲能并非直接儲存電能、需二次轉化，因此較適用于基于現有機組的大幅峰谷調節。

1.4 3種廣泛應用的AGC調節技術對比

目前，國內廣泛應用的提升單機組AGC調節能力的輔助技術主要包括凝結水節流調節、給水旁路調節和電池儲能調節。圖1為凝結水流量與機組負荷試驗結果。正常運行狀態下，通過凝結水節流使低壓加熱器（低加）的用汽量減少，從而增加低壓缸做功蒸汽總量，進而實現快速調節負荷的目的。通常，100 t/h凝結節流可使機組負荷增加1~ 2 MW。凝結水節流調節雖可快速增加機組的負荷，但受限于除氧器、凝汽器安全運行方面的考慮，其調節時間一般控制在2 min左右。

給水旁路調節技術的原理與凝結水節流調節一致，通過旁路一部分給水減少高加抽汽量，實現增加機組出力目的。單位質量高加抽汽的做功能力比低加抽汽強，因此給水旁路調節能力也比凝結水節流強。與凝結水節流調節不同的是，給水旁路會短時間降低鍋爐的給水溫度，其在后續調節階段會削弱燃料增加帶來的負荷增量。

電池儲能輔助AGC調節目前已成功應用到多個工程項目中，包括：北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠、山西京玉發電有限責任公司、山西陽光發電有限責任公司、山西漳電同達熱電有限公司、內蒙古上都發電有限責任公司等。其中北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠已于2014年關停，另外還有多個項目在建[16]。電池儲能最大的特點在于響應速度快（1 s以內即可響應），快速滿足電網負荷指令。圖2所示為電池儲能響應負荷特性。

凝結水節流、給水旁路技術與電池儲能技術對比見表1。凝結水節流與給水旁路系統的優點在于改造費用低、系統安全可靠，但響應時間略長；而電池儲能系統的優缺點剛好與之相反。單獨采用三者中的任何一種技術均存在較為顯著的優缺點。

圖2 電池儲能跟蹤AGC指令響應特性（容量20 MW）

表1 3種負荷調節技術對比

Tab.1 Comparison of three types of load adjustment method

2 機組AGC調節能力現狀及提升措施

2.1 機組AGC調節能力試驗研究

為了解現役火電機組AGC調節能力現狀，選取典型亞臨界600 MW機組進行AGC調節能力試驗，結果如圖3所示。

由圖3a)、圖3b)可見：前期，機組實際負荷基本能夠跟隨目標指令；但時間越長跟隨性越差，接近目標值時出現明顯偏離，負荷調節速率越快，偏離情況越嚴重。試驗結果表明機組在無輔助調節手段的情況下，實際的AGC負荷調節能力并不理想，與靈活性改造目標的要求有一定距離。

由圖3c)可見：降負荷過程中，機組約在5 min時刻開始降負荷，中途在300 MW負荷穩定4 min，之后開始緩慢降低，整個過程持續55 min，平均調節速率為0.28%Pe/min；升負荷速率相比降負荷速率要快，約10 min開始升負荷，中途在252 MW負荷穩定3 min，之后近似勻速升負荷，整個過程耗時25 min，調節速率約為0.61%Pe/min。試驗結果表明機組低負荷工況的AGC調節能力將大幅下降。

電網AGC調節對于機組響應時間也有要求。圖4為AGC指令發出2 min內機組負荷響應特性。由圖4可見：2種不同升負荷速率時2 min內機組實際升負荷速率接近；對于1.5%Pe/min工況，實際負荷略低于目標負荷，且約在指令發出20~40 s內機組實際負荷開始響應；而對于3.0%Pe/min工況，實際負荷低于目標值的偏差明顯增加，且機組55 s后才開始響應。可見，現有機組在升負荷初期的響應特性非常差，距離靈活性要求的差距更大。

圖4 2 min內AGC負荷調節特性

2.2 聯合儲能系統

按現有的技術措施，若進行凝結水節流或給水旁路改造，則系統投資較低，但響應時間較長，調節時間周期較短；若采用電池儲能調節，則系統初投資大幅增加，但可以較好滿足電網的需求。綜合上述技術措施的優點，將凝結水節流與電池儲能聯合，前期使用電池系統快速響應的特性，滿足機組快速調整的需要；后期使用凝結水節流安全、穩定的特點，實現持續的負荷調整。按此思路，可大幅削減電池儲能的容量，進而降低系統投資，減小系統的安全隱患。此外，為增加凝結水節流的持續運行時間，增設一套凝結水儲能系統。綜合上述思路，本文提出了聯合儲能系統，系統簡圖如圖5所示。

圖5 聯合儲能系統簡圖

以600 MW等級機組為例，目前電池儲能的設計規模為18 MW/9 MW·h。對于聯合儲能系統而言，電池容量可設計為9 MW/1.5 MW·h，由于增加了充放倍率，電池種類也需進行調整。

按凝結水節流100 t/h對應1.5 MW負荷關系估算，凝結水節流量為1 333 t/h。按常規水罐設計原則，取水罐有效容積系數0.8，儲水罐采用單罐結構，高徑比為1.3，則水罐內徑為12 m，高度為16 m，容積為1 800 m3。

按已實施項目的價格估算，聯合儲能系統對應的電池部分投資約為1 800萬元；凝結水節流調節系統改造費用為120萬元，儲水罐系統投資約380萬元。因此，聯合儲能系統總投資為2 300萬元。

目前在建的18 MW/9 MW·h純電池儲能系統初投資為4 800萬。相比而言，聯合儲能系統初投資降低幅度超過50%。

2.3 聯合儲能系統運行方式模擬

由于電池儲能部分容量降低，聯合儲能系統的調節品質較純電池方案略有降低。圖6為聯合儲能系統運行特性模擬。為了更好地表現系統的特性，在整個負荷調節期間暫不考慮鍋爐燃料增加對負荷調節的影響。在調節期結束后，鍋爐的負荷調整能力與凝結水節流的調節能力互換。

圖6 儲能系統運行特性分析

由圖6可見：機組AGC升負荷指令發出后，瞬間電池響應AGC指令，提供9 MW負荷增量；25 s時凝結水節流調節開始響應，此后電池快速退出，此時AGC負荷指令全部由凝結水節流響應；至5 min負荷指令結束時，假定鍋爐開始響應，此后，凝結水節流的負荷調整增量逐漸過渡到鍋爐響應。實際過程中，鍋爐在2 min左右已有響應，各調節方式必然會存在時間維度的重疊區，由于重疊區域由控制系統設計且有益于實際運行方式，本次模擬暫不考慮。整個AGC指令響應階段，前期電池系統提供AGC指令50%的負荷增量，后期機組按AGC目標增量持續運行。

3 結 論

1）現役典型機組的AGC升降負荷試驗結果表明，機組的負荷調節能力與靈活性改造的目標仍存在一定的差距。

2）本文提出的聯合儲能系統電池系統功率可做到純電池方案的1/2，容量可減小到純電池方案的約1/6左右，與純電池方案相比總投資降低幅度超過50%，可實現與純電池方案幾乎一致的調節能力。

3）聯合儲能系統可大幅降低系統投資，實現快速負荷調節，可廣泛應用于火電機組靈活性改造工程。

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Improvement of power plants’ flexibility of fast ramp-up ability using united energy storage system

FAN Qingwei1, LUO Qing2, CHANG Dongfeng1, WU Pengyue1, WANG Wei2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

This paper focuses on increasing power plants’ flexibility of fast ramp-up ability. At first, combining with the experimental results, the actual AGC response ability of the current thermal power units are analyzed, it finds out that there is still a certain gap between the existing thermal power units and the expected targets. On the basis of discussing the coordinated optimal control technology, the load regulation technology based on the unit’s self energy storage ability, and the load regulation technology based on energy storage, a united energy storage system is proposed to enhance the AGC response ability of the units. Moreover, the running property, thermal characteristics and project investment are analyzed in detail. The results show that the united energy storage system can realize the regulation quality close to the pure battery energy storage scheme, and has the characteristics of lower investment and higher safety, so it has a strong promotion significance.

united energy storage, power plant flexibility, AGC response, fast ramp-up ability, battery energy storage, experimental study

TM621

B

10.19666/j.rlfd.201809212

范慶偉, 雒青, 常東鋒, 等. 聯合儲能系統提升機組快速爬坡能力研究[J]. 熱力發電, 2019, 48(5): 84-88. FAN Qingwei, LUO Qing, CHANG Dongfeng, et al. Improvement of power plants’ flexibility of fast ramp-up ability using united energy storage system[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 84-88.

2018-09-29

中國華能集團有限公司總部科技項目(HNKJ17-H13)

Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ17-H13)

范慶偉(1981—)，男，工學博士，高級工程師，主要研究方向為電站鍋爐節能減排新技術，fanqingwei@tpri.com.cn。

（責任編輯 劉永強）