熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的控制優(yōu)化策略研究

葉 晨，李紅軍，唐志東，崔雙喜，孫 凱

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安市洪澤區(qū)供電分公司，江蘇 淮安 223100；2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司，安徽 合肥 230000；3.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

中國“三北”地區(qū)冬季是風(fēng)電高發(fā)季節(jié)。當(dāng)前，為滿足冬季供暖增長的需要，電力系統(tǒng)中熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的容量逐年上升，占比越來越大[1]。為做好冬季風(fēng)電消納工作，增加電網(wǎng)調(diào)峰容量，熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組必須在負(fù)荷允許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)參與電網(wǎng)調(diào)峰。當(dāng)前，集中供熱系統(tǒng)熱力工況控制大部分只考慮穩(wěn)態(tài)情況，即由當(dāng)前的戶外溫度及當(dāng)天統(tǒng)計的日平均供、回水溫度來調(diào)節(jié)供熱系統(tǒng)穩(wěn)定運行，以此達(dá)到供熱的穩(wěn)定性[2]。但此種方法無法反映供熱系統(tǒng)運行的動態(tài)特性。一般情況下，一天中熱網(wǎng)負(fù)荷趨于穩(wěn)定導(dǎo)致熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的輸出功率在一天中的變化不太明顯[3]。這就是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組(承供熱負(fù)荷)難以參與電網(wǎng)調(diào)峰的主要瓶頸。

此外，由于電力系統(tǒng)和熱力系統(tǒng)的特性不同，電能的“發(fā)、輸、配、用”具有瞬時性，而熱力系統(tǒng)由于自身介質(zhì)的傳輸特性(熱量的變化具有時間效應(yīng))且管網(wǎng)具有一定的儲熱特征，所以，對于熱力系統(tǒng)而言，其時間的相關(guān)性比較強(qiáng)[4]。通過分析供熱工況，可以發(fā)現(xiàn)：供熱量(這里為供熱水溫差)經(jīng)過突變再恢復(fù)到原有狀態(tài)時對室溫的影響并不明顯，表明集中供熱系統(tǒng)蓄熱能力很強(qiáng)。正是由于供熱系統(tǒng)這種蓄熱特性(熱慣性)，當(dāng)負(fù)荷在較短時間增加或減少，并不影響供熱用戶的取暖體驗[5]。這樣，供熱機(jī)組可以利用這部分儲能應(yīng)付短時間內(nèi)的負(fù)荷變化，從而使熱電廠參與電力調(diào)峰成為可能。

下面研究工作的核心是利用熱網(wǎng)儲能，使供熱機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰并提高其負(fù)荷響應(yīng)速度的問題。

1 常規(guī)的控制方法

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組是一個多輸入、多輸出的被控對象。輸入有鍋爐燃料量、抽汽蝶閥開度、汽輪機(jī)高調(diào)門開度；輸出有汽輪機(jī)中壓缸排汽壓力、汽輪機(jī)機(jī)前壓力、機(jī)組發(fā)電負(fù)荷。當(dāng)前普遍采用的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制方法為鍋爐燃料量控制汽輪機(jī)前壓力；汽輪機(jī)高調(diào)門開度控制機(jī)組發(fā)電負(fù)荷；汽輪機(jī)中壓缸壓力由調(diào)節(jié)蝶閥來調(diào)整[6]。常規(guī)控制方法的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)控制方法的結(jié)構(gòu)

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組額定發(fā)電負(fù)荷指令(AGC)通過速率約束后即為實際發(fā)電指令，一般發(fā)電負(fù)荷指令設(shè)定為每分鐘調(diào)節(jié)1.5%Pe(Pe為額定負(fù)荷)，對于300 MW機(jī)組，通過計算可知其發(fā)電負(fù)荷速率約為4.5 MW/min。供熱回路汽輪機(jī)抽汽壓力經(jīng)調(diào)整調(diào)節(jié)蝶閥開度來控制。鍋爐主控輸出到控制燃燒系統(tǒng)：為響應(yīng)鍋爐主控輸出變化，相應(yīng)的鍋爐給煤量也要隨之調(diào)整，一次風(fēng)量、二次風(fēng)量均需乘以一不同系數(shù)進(jìn)行修正以適應(yīng)鍋爐主控輸出變化，在此選擇一階慣性環(huán)節(jié)1/(10s+1)來描述；汽輪機(jī)同樣也選擇一階慣性環(huán)節(jié)1/(10s+1)；對于抽汽蝶閥開度的變化速率，控制系統(tǒng)一般采用慣性或者限速環(huán)節(jié)來約束，這里也用一階慣性環(huán)節(jié)1/(10s+1)來描述。下面對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組在不同工況下的運行特性進(jìn)行分析，首先看一下常規(guī)控制系統(tǒng)在額定發(fā)電負(fù)荷工況、額定供熱負(fù)荷工況下的運行性能。

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組常規(guī)控制系統(tǒng)方案原理如圖2所示。

圖2 常規(guī)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制系統(tǒng)原理

下面對常規(guī)控制方法分別在熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組額定發(fā)電負(fù)荷、額定供熱工況下對其仿真分析。

1)額定發(fā)電負(fù)荷工況

在額定發(fā)電負(fù)荷工況下，常規(guī)控制系統(tǒng)的相關(guān)波形如圖3至圖9所示。

圖3 額定發(fā)電負(fù)荷工況下AGC波形

圖4 額定發(fā)電負(fù)荷工況下機(jī)前壓力波形

圖5 額定發(fā)電負(fù)荷工況下一級壓力波形

圖6 額定發(fā)電負(fù)荷工況下發(fā)電功率波形

圖7 額定發(fā)電負(fù)荷工況下抽汽壓力波形

圖8 額定發(fā)電負(fù)荷工況下抽汽流量波形

圖9 額定發(fā)電負(fù)荷工況AGC給定及實際發(fā)電功率波形

整個系統(tǒng)仿真時間設(shè)置為6000 s，仿真算法采用ode45，汽輪機(jī)前壓力定值保持在16.67 MPa，AGC指令在3000 s時令以每分鐘1.5%Pe的變化速率由300 MW下降到270 MW，整個下降時間用了400 s。為了獲得最好的控制效果，系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)均采用枚舉尋優(yōu)法進(jìn)行整定。由圖3和圖9可以看到，常規(guī)控制方案中機(jī)前壓力波動并不大，在3480 s時，壓力偏差為0.2 MPa，但發(fā)電負(fù)荷在3600 h下降到270 MW給定負(fù)荷，存在大約200 s的延遲，并且隨后又波動了500 s左右才穩(wěn)定下來。

2)額定供熱負(fù)荷工況

在額定供熱負(fù)荷工況下，常規(guī)控制系統(tǒng)的相關(guān)波形如圖10至圖16所示。

圖10 額定供熱負(fù)荷工況下AGC波形

圖11 額定供熱負(fù)荷工況下機(jī)前壓力波形

圖12 額定供熱負(fù)荷工況下一級壓力波形

圖13 額定供熱負(fù)荷工況下發(fā)電功率波形

由10至圖16可以看出，在額定供熱負(fù)荷工況下，發(fā)電負(fù)荷指令由235 MW下降到215 MW(每分鐘1.5%Pe的速率)，供熱抽汽壓力定值確定為0.35 MPa，汽輪機(jī)前壓力定值一直處于16.67 MPa。機(jī)前壓力偏差最大約為0.2 MPa，發(fā)電負(fù)荷響應(yīng)依然存在約200 s的延遲。

圖14 額定供熱負(fù)荷工況下抽汽壓力波形

圖15 額定供熱負(fù)荷工況下抽汽流量波形

圖16 額定供熱負(fù)荷工況AGC給定及實際發(fā)電功率波形

2 改進(jìn)后的控制方法

由上述仿真結(jié)果及分析可知，常規(guī)控制方案中機(jī)前壓力波動并不明顯，但存在一個明顯的不足，就是AGC的指令跟隨性能差，延遲時間太長，不能滿足電網(wǎng)快速性響應(yīng)要求，無法實時參與電網(wǎng)調(diào)峰。要解決這一問題，需要考慮新的系統(tǒng)控制方案來提高系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷響應(yīng)能力這一關(guān)鍵性能指標(biāo)的快速性，這里提出一種基于熱慣性的改進(jìn)控制方案來解決這一關(guān)鍵的系統(tǒng)性能指標(biāo)。新的方案利用鍋爐燃料量控制機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，汽輪機(jī)高調(diào)門開度控制汽輪機(jī)機(jī)前壓力，通過改變供熱抽汽調(diào)節(jié)蝶閥開度控制供熱抽汽流量，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)發(fā)電功率能夠快速跟蹤功率指令變化。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖17所示。

圖17 改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制原理如圖18所示，通過引入非線性濾波器，將AGC指令分解成基本負(fù)荷指令和波動負(fù)荷指令兩個部分。其中，基本負(fù)荷指令仍然由常規(guī)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，而將蝶閥開度指令與慣性環(huán)節(jié)疊加之后，由波動負(fù)荷指令對蝶閥開度進(jìn)行控制。

圖18 改進(jìn)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制系統(tǒng)原理

對改進(jìn)后的控制方案在額定發(fā)電負(fù)荷工況下和額定供熱負(fù)荷工況下進(jìn)行仿真分析，觀察系統(tǒng)的相關(guān)運行情況。無論是額定發(fā)電負(fù)荷工況還是額定供熱負(fù)荷工況，整體仿真時間都設(shè)定為3000 s，其中在1000 s時，額定發(fā)電負(fù)荷工況下給定負(fù)荷由300 MW漸變到270 MW；額定供熱負(fù)荷工況下給定負(fù)荷由235 MW漸變到215 MW。相關(guān)的波形如圖19至圖24所示。

圖19 額定發(fā)電負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷波形對比

圖20 額定發(fā)電負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)機(jī)前壓力波形對比

圖21 額定供熱負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷波形對比

圖22 額定供熱負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)機(jī)前壓力波形對比

圖23 額定供熱負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)抽汽壓力波形對比

對比常規(guī)控制方法和改進(jìn)后的控制方法，可以發(fā)現(xiàn)：

1)無論是額定發(fā)電負(fù)荷工況還是額定供熱負(fù)荷工況，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)的機(jī)前壓力波動都要大于常規(guī)控制系統(tǒng)，在額定發(fā)電負(fù)荷工況時，機(jī)前壓力值最大達(dá)到18.5 MPa；在額定供熱負(fù)荷工況時，機(jī)前壓力值最大達(dá)到18 MPa。

圖24 額定供熱負(fù)荷工況下常規(guī)系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)抽汽流量波形對比

2)從圖19和圖21的發(fā)電負(fù)荷波形可以看出，系統(tǒng)無論工作在額定發(fā)電負(fù)荷工況還是額定供熱負(fù)荷工況，改進(jìn)后的系統(tǒng)控制方案中發(fā)電負(fù)荷的控制性能不管在跟隨性還是在穩(wěn)定性上，都要明顯優(yōu)于常規(guī)控制系統(tǒng)。

3)從圖22和圖24的相關(guān)波形可以看出，由于在發(fā)電負(fù)荷的控制性能上，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)控制系統(tǒng)，相應(yīng)地，在額定供熱負(fù)荷工況下，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)的抽汽壓力波形和抽汽流量波形優(yōu)于相應(yīng)的常規(guī)控制系統(tǒng)下的波形。

綜上所述，改進(jìn)后的控制方案優(yōu)于常規(guī)控制方案，特別是改進(jìn)后的控制系統(tǒng)發(fā)電負(fù)荷的跟隨性能優(yōu)異，能滿足熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷控制的快速性要求，而發(fā)電負(fù)荷控制的快速性又是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)峰的先決條件。

3 結(jié) 語

前面對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的常規(guī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并在額定發(fā)電工況和額定供熱工況下對其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明常規(guī)控制系統(tǒng)對發(fā)電負(fù)荷響應(yīng)這一重要指標(biāo)的跟隨性并不理想，存在大約200 s的時間延遲。利用鍋爐燃料量控制機(jī)組發(fā)電負(fù)荷、汽輪機(jī)高調(diào)門開度控制汽輪機(jī)機(jī)前壓力對熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組控制方法進(jìn)行改進(jìn)，并將其與常規(guī)控制方法仿真對比，結(jié)果表明，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)在各種工況下的發(fā)電負(fù)荷響應(yīng)指標(biāo)響應(yīng)快速，跟隨性良好，改進(jìn)后的控制方案的綜合性能優(yōu)于常規(guī)控制方法。