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

長安益陽發(fā)電有限公司 黃 超

部分發(fā)電機組在對新能源進行深度調(diào)峰時，需將參數(shù)調(diào)整至額定負荷的30%至40%，以此高效使用更多新能源。進行調(diào)峰的某電廠發(fā)電機組采取超臨界參數(shù)設(shè)計方法，機組運行功率的頂峰臨界值為630MW，在566℃條件下主蒸汽壓力為24.2MPa，再熱蒸汽時溫度不變、壓力調(diào)整為3.59MPa。機組參數(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)峒墧?shù)級8、再熱蒸汽壓力3.59MPa、給水溫度273.7℃。

1 機組運行分析

1.1 機組出現(xiàn)的問題

設(shè)備運行風(fēng)險。該廠發(fā)電機組處于長時間低負荷工況，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)嚴重腐蝕問題。空氣預(yù)熱設(shè)備出口位置的煙氣溫度變動量較大，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。機組運行負荷不高時，脫硝傳送口煙氣溫度會發(fā)生快速下滑，改變催化劑活躍性，致使機組難以正常運轉(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)控機組性能時，燃燒溫度下降速度較快，風(fēng)量明顯變少，會間接降低火焰剛度、有礙煤粉充分燃燒，使鍋爐未能傳出火檢信號，引起氣泡水位發(fā)生較大幅度變動、爐膛負壓穩(wěn)定性變差等各類不利問題，連帶導(dǎo)致主燃料程序發(fā)生跳閘，致使機組不再進行深調(diào)[1]。DCS 協(xié)調(diào)及控制不到位。初期運行的DCS 調(diào)控程序時設(shè)定的控制策略不全面，無法有效調(diào)節(jié)機組主體。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：在電廠負荷變動量不大時主汽壓力變動幅度較大。負荷改變時主汽壓力形成的誤差不小于1MPa，誤差最大值為1.7MPa。此種超壓工況無法獲得有效調(diào)控，對于機組運行構(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)計電力系統(tǒng)安全級別

在電網(wǎng)運行時需要合理設(shè)計電網(wǎng)安全等級：規(guī)劃層設(shè)計3個并列的模塊→規(guī)劃層公共層→EMS層、參數(shù)設(shè)計層→公共層。在設(shè)計電力平臺的安全級別時需充分考量電網(wǎng)運行狀態(tài)，在明確電壓級別前需全面采集一個區(qū)域的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，準確把握區(qū)域電網(wǎng)規(guī)劃的各項特點，開展有效的技術(shù)分析，保證電網(wǎng)運行質(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，用作甄選電壓級別的參考資料。在進行電網(wǎng)選擇時需密切關(guān)注電網(wǎng)動態(tài)，動態(tài)更新電網(wǎng)數(shù)據(jù)，確保各項數(shù)據(jù)的真實性。動態(tài)獲取電網(wǎng)區(qū)域的負荷參數(shù)，全面管理電網(wǎng)的變電站、線路等各類設(shè)施。在掌握各類基礎(chǔ)信息后，準確設(shè)計電網(wǎng)電壓級別，保證電網(wǎng)安全運行，以此減少電網(wǎng)故障。

2.1.2 容量比計算

電網(wǎng)運行時需要準確計算電網(wǎng)負荷率。在電網(wǎng)運行分析中，主要從容量、負載比等參數(shù)方面給出客觀評價結(jié)果。在獲取容量負載速率時應(yīng)選擇最小值，確保參數(shù)選用的代表性。在容量比計算時，變電信息會準確傳入計算機平臺，準確獲取容量比率。系統(tǒng)支持自主測定容量大小的功能，對于線路能力、導(dǎo)線容量分別進行測定。采取從高到低的排序形式列出容量比結(jié)果，計算各類線路功率比值。針對導(dǎo)線、線路等多種設(shè)備開展需求分析，給出電容率算法，全面分析全網(wǎng)電流情況，測定各個線路、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)檢測的負載率，Ai表示容量比率。在容量比例增加時系統(tǒng)變電能力會相應(yīng)增強，使系統(tǒng)運行更具安全性。

2.1.3 安全運行計劃

參照電網(wǎng)運行需求、電網(wǎng)容量比例等多種因素，借助負載控制技術(shù)切實保持電網(wǎng)安全。在進行經(jīng)濟性評價時，主要從網(wǎng)損、有功損耗兩個方面進行評價；在測定系統(tǒng)運行技術(shù)性能時，從短路電流、電壓安全、電壓越限三個方面給出評價；在系統(tǒng)穩(wěn)定分析時，從負載率、供電量兩個視角進行分析；在負荷分析時，會借助分布式功率控制設(shè)備，合理設(shè)計負載參數(shù)。計算方法如下：式中：Df表示負荷調(diào)控參數(shù)，yc表示真實測得的負荷值，xg表示前期設(shè)計的負荷值，i表示測定負荷的位置，e表示網(wǎng)絡(luò)能夠承受的負荷量，o表示計算的分析方向，此算式中o為“無方向”。

在電網(wǎng)實際運行期間，電力負荷高于前期設(shè)計參數(shù)時會有警報提示，引導(dǎo)用戶在負荷降至標準范圍時方可繼續(xù)用電。采取自主關(guān)閉設(shè)備、控制負荷等方式，以此測定單位時段內(nèi)的電力負荷。線路過流量的測定結(jié)果如表1所示。

表1 線路過流監(jiān)測結(jié)果

表1是完成控制的線路過流測定情況。借助此種控制方法，電網(wǎng)進行裝置運行狀態(tài)，能夠達到自動監(jiān)控的要求，精確操控超標線路、異常設(shè)備。在高峰用電時段，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)運行的安全性。以控制用電負荷為目標引入智能控制設(shè)備，設(shè)定單片機、數(shù)據(jù)處理為主要技術(shù)，全面獲取電網(wǎng)運行參數(shù)，對系統(tǒng)進行動態(tài)監(jiān)測。在頻率值不高的情況下切斷負荷，以此控制電網(wǎng)頻率，減少運維問題，達到電力系統(tǒng)安全規(guī)劃的效果[2]。

2.2 整改某廠機組問題

2.2.1 控制設(shè)備運行風(fēng)險

在處理機組運行風(fēng)險時，在機組內(nèi)部超溫頻率較高的位置增設(shè)溫度監(jiān)測設(shè)備，運行燃燒器調(diào)整機組運行的溫度。有效調(diào)整機組的風(fēng)量、風(fēng)溫各類參數(shù)，必要時優(yōu)化燃燒器的技術(shù)方案。全面核實低負荷冷端的參數(shù)設(shè)計情況，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)，制定差壓運行方案。使用磨煤機進行技術(shù)改進，優(yōu)化煤粉爐的組成。運行動態(tài)分離設(shè)備，有效提高煤粉細度，以此順應(yīng)機組低負荷運行需求，使機組燃燒更具穩(wěn)定性。

2.2.2 有效減少污染物

使用先進性更強的智能控制計算方法精準預(yù)判機組工況，利用先進控制技術(shù)替代原有的PID 控制方法。從制粉傳送點、鍋爐燃燒點、選擇性催化還原程序等多個環(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發(fā)的數(shù)據(jù)預(yù)測模型，具有周期性數(shù)據(jù)更新能力，表現(xiàn)出較強的超前控制能力。噴氮閥門的開合角度變化量，相比實際監(jiān)測設(shè)備入口氮氧化物濃度變量值的時間會提前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

低負荷工況下單組磨煤機運行出力系數(shù)較大，能夠傳輸更小的磨出力，以此提高風(fēng)煤比，提高機組穩(wěn)燃能力。針對各類風(fēng)門擋板開展必要的運維、參數(shù)校準等處理，正確標定風(fēng)量、氧量各類參數(shù)。必要時可添加一氧化碳、爐膛溫度等多種參數(shù)的監(jiān)測設(shè)備，以此全面獲取低負荷燃燒情況，便于更好地進行深度調(diào)峰[4]。

2.2.4 INFIT 控制分析，解決DCS 控制問題

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

負荷控制。機組參照前期設(shè)計的負荷變化速度，整體負荷變動較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大振蕩問題，過調(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)，不會發(fā)生較大振蕩問題，系統(tǒng)運行狀態(tài)較為平穩(wěn)。在變負荷階段偏差控制值設(shè)計為0.6MPa，切實解決了DCS 控制問題，能夠達到負荷偏差的控制要求。

2.3 深度調(diào)峰能耗分析

機組進行深度調(diào)峰時，需要研究在超臨界機組狀態(tài)下分析深度調(diào)峰會產(chǎn)生的能量消耗問題。在深度調(diào)峰時，機組產(chǎn)生的熱量耗量率q算式為：q=Vhd，式中：q表示機組深度調(diào)峰時產(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算結(jié)果，（單位，kj/kg）；d表示機組進行調(diào)節(jié)時產(chǎn)生的蒸汽損耗比例，（單位，kg/（kWh））。在供電工況調(diào)整時，用煤量B 的計算方法如下：

B=q/q0×1/（ηglηgd（1-φ））

式中：q是公式q=Vhd的計算結(jié)果，q0表示機組投用標煤產(chǎn)生的熱量，此次取值為29305kJ/kg；ηgl表示機組運行時的能量轉(zhuǎn)換比例，（單位，%）；ηgd表示機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

在深度調(diào)峰期間，要準確設(shè)計機組管線的參數(shù)。使用標準T 型熱電偶，精確設(shè)計管線風(fēng)速，算法如下:兩式中：v表示管線風(fēng)速設(shè)計值，（單位，m/s）；Q表示；機組的風(fēng)量，（單位，m3/s）；k表示測定管線風(fēng)速使用的系數(shù)；A表示被測機組送風(fēng)管線的截面大小，（單位，m2）；pd表示風(fēng)速引起的氣流動壓平均值，（單位，Pa）；c表示管線通過氣流密度的平均值，（單位，kg/m3）。確定c數(shù)值時，會參考標準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)傳入的水主要來自儲水箱，以此形成流動循環(huán)機制。在調(diào)控儲水箱水位時，若液位較高應(yīng)運行循環(huán)泵，主動開啟調(diào)節(jié)閥的保護裝置[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)合理控制水位過程中，系統(tǒng)會參照蒸汽流量合理確定儲水箱的供水值。在水位大于偏差帶時，水流量增大時蒸汽流量會逐漸變小。在實際控制中，蒸汽流量數(shù)值參照水位控制量，主要從負荷指令中獲取。在系統(tǒng)超臨界狀態(tài)下，進行深度調(diào)峰期間有效控制給水流量，在前饋機制下得出水位偏差量。借助偏差帶雙折線，對于較大幅度波動的水位進行有效控制。當機組蒸發(fā)量、給水量均處于合理范圍內(nèi)，再控制水位波動量[6]。

綜上所述，針對超臨界機組引入深度調(diào)峰技術(shù)后，能夠解決系統(tǒng)控制的諸多問題，從能耗、給水等方面進行有效控制。在實踐中，深度調(diào)峰改變系統(tǒng)負荷時機組灰渣熱損為0，固體未燃燒量逐漸減少，說明系統(tǒng)內(nèi)燃燒狀態(tài)較好，能夠減少不充分燃燒帶來的問題，顯著降低機組運行成本。