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1000MW機組要供熱 還要滿足一次調頻 如何控?

2020-04-22 10:19:03 來源:《上海節能》

1000MW機組經過熱網系統的改造后,需要更大的抽汽量被供熱使用,低壓缸負荷調節幅度及響應速度降低,導致機組響應一次調頻能力減弱。結合電廠實際運行情況,對供熱調門進行適當優化,作為一次調頻能力的補充手段,為機組安全經濟運行提供了保障。

原文發表于《上海節能》 2019年第8期,標題為:淺析1000MW機組供熱一次調頻控制應用

作者:韓崗 陳梁 徐曉輝 上海上電漕涇發電有限公司

0 前言

上海漕涇發電有限公司(以下簡稱“漕涇電廠”)位于上海化工區西側,裝機容量為2×1 000MW超超臨界壓力機組,鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的SG-2956/27.46-M534超超臨界壓力的直流鍋爐,汽輪機為上海汽輪機廠生產的單軸四缸四排汽凝汽式汽輪發電機組。為減少節流損失,機組采用CTF運行方式,即滑壓運行。隨著漕涇化工區內拜耳、巴斯夫、英國石油化工等數十家大型跨國化工企業的入駐,用熱需求不斷增加。為了開拓供熱市場,漕涇電廠對供熱系統進行了改造。由于汽機抽汽蓄熱的使用,供熱抽汽量增大時,調頻閥位指令能得到更大的高中壓缸調頻負荷,但低壓缸負荷調節幅度及響應速度降低,不利于機組一次調頻功能對負荷需求的快速有效響應,尤其是機組#0抽汽改造完成后,導致原設計的汽輪機補汽閥一次調頻加負荷功能與#0抽汽供熱不能同時使用。

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圖1 供熱系統改造圖

1 供熱系統簡介

漕涇電廠在克服各項邊界條件的限制后完成了供熱系統的綜合改造,使兩臺機組都具備抽汽供熱系統。抽氣供熱分為高壓抽汽供熱和中壓抽汽供熱系統,分別引至高壓供汽管網及中壓供汽管網。為了保證機組在低負荷情況下能安全、穩定對外進行高壓供熱,從汽輪機補氣閥前將蒸汽引出經減溫減壓后作為高壓供熱汽源的補充。供熱系統示意圖見圖1。

2 供熱系統參與調頻方案設計

2.1 過載補汽閥的適時投用

漕涇電廠完成#0抽汽供熱改造并投用供熱后,如果汽輪機過載補汽閥打開,主蒸汽會直接進入到#0抽汽供熱管道,導致供熱蒸汽超溫超壓,影響供汽品質。因此,在#0抽汽供熱投用情況下,對補汽閥進行閉鎖,導致機組在此工況下一次調頻的部分功能缺失。在#0抽汽不投用的情況下,可以重新投用補汽閥參與一次調頻。

2.2 供熱系統快速加負荷的方案設計

上海市一次調頻考核主要判斷在60秒內機組能夠貢獻的積分電量增值。在此情況下,可利用機組發電過程中存儲于熱力系統中的能量補充燃料響應的慣性和遲延。燃料量調節負荷存在大慣性大遲延,而利用機組熱網具有的蓄熱能量,當電網出現低頻故障時,借助前饋控制快速、準確的優點,快速關小高壓或中壓供熱調門的方式來響應一次調頻動作,利用減少汽輪機的抽汽量,為機組貢獻負荷。同時由于供熱管網的蓄熱作用,關小供熱調壓閥門短時間內對熱網影響不大。一般情況下,一次調頻發生的持續時間較短,這段時間內減少抽汽量對整個供熱系統的壓力和溫度的影響不大,從而實現機組的供熱系統蒸汽參數在熱網許可的變化范圍內,進行抽汽供熱參與一次調頻。

雖然熱網儲能兼具容量大和負荷調節速度快的優點,但其容量有限,與鍋爐儲能相同,最終仍需要燃料能量來補充。因此,利用熱網儲能快速增加負荷的方案,必須實現能量在不同尺度上的配合。快速增加負荷響應方面,借助前饋控制,將一次調頻加負荷指令分別作為燃料、給水和供熱調門的前饋,形成多尺度前饋控制方案。

2.3 供熱系統的經濟運行

漕涇電廠供熱運行使用一抽或冷再供汽時,如因負荷較低而不能滿足熱網要求,可適時切換至壓力高一等級的抽汽供汽(如:冷再切至一抽,一抽切至#0抽),在滿足供熱要求的情況下,應盡量使用低壓力的抽汽供汽,從而達到機組經濟運行的效果。因此,當一次調頻低頻動作,要求加負荷時盡量選擇相對參數較高的供熱汽源進行優先切除,同時增加了高、中壓缸的做功效率。

3 供熱調門控制邏輯設計

根據一次調頻低頻故障快速響應負荷和漕涇電廠供熱運行規程,兩臺機組并列向同一母管供熱時,控制兩機供熱調門后壓力、流量相近,單機供熱流量擬大于30t/h,便于減溫水的調節,在供熱調門控制上達到快切慢回的控制效果。

根據上文2.2節的方案預想,采用多尺度--前饋控制(詳見圖2),即利用前饋控制把供熱閥位快速、準確的關至預設定位置,從而快速增加機組負荷;再通過函數,把一次調頻加負荷指令分解,增加燃料量、給水量,從而補充系統內的能量,達到一次調頻的控制要求。

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圖2 供熱調門多尺度-前饋控制框圖

為了緩慢恢復到一次調頻前工況,在控制邏輯中,引入記錄當時調頻前歷史供熱工況機制,保留供熱調門切除前的反饋位置,變為恢復供熱的目標值,此過程跟蹤實際供熱壓力,為了減少供熱調門自調頻恢復狀態到自動調壓過程后的系統擾動,從而達到一次調頻信號消失后,逐步恢復,緩慢提高蒸汽流量。

結合以上兩點,如發生電網低頻事故,把供熱調門快速關閉至20%左右(保留單機供熱量至30t/h以上)。當一次調頻低頻差信號消失,在2分鐘內,以勻速的速率把供熱調門恢復至記憶的目標閥位。同時把調節閥在2分鐘恢復后的蒸汽壓力,與壓力目標值的偏差寫入到供熱調節偏置中,由運行人員手動進行微調,從而避免可能出現的控制系統大幅擾動的問題。

供熱系統參與一次調頻控制過程中,引入一次調頻功能退出機制,如果發生供熱溫度及供熱壓力偏差大,或者運行人員手動干預,退出該供熱調閥并退出一次調頻調節。重新投入自動后恢復原調壓方式。

4 高壓抽汽供熱、中壓抽汽供熱一次調頻低負荷試驗

4.1 高壓供熱抽汽系統擾動試驗

圖3為機組負荷825MW時進行高壓供熱調門快速關小時機組負荷的變化情況。

如圖3所示,高壓供熱調門從65%降至20%,供熱流量減少約68 t/h左右,機組在60秒內增加的負荷約10.5MW,整個過程中最大增加約15.4MW。由于供熱調門后有減溫水調溫閥,能根據供熱量進行自動調節,因此供熱擾動過程中供廠外計量站的供熱溫度下降2℃。供熱量快速變化時,供熱壓力變化較小,至計量站的供熱壓力僅下降0.19MPa。高壓供熱調門在不同擾動下負荷響應及計量站溫度壓力變化情況見表1。

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圖3 高壓供汽擾動約66t/h時負荷變化情況

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表1 高壓供熱調門擾動試驗相關統計數據

從表1統計數據可以看出,高壓供熱調門擾動下,機組在增加一定負荷的同時,對廠外計量站供汽壓力及供汽溫度的影響較小。

4.2 中壓供熱抽汽系統擾動試驗圖4為機組負荷940MW時中壓供熱調門快速關小時與機組負荷的變化情況。

由圖4可見,中壓供熱調門由70%降至30%,供熱流量快速減至71t/h,機組負荷在60s內增大11MW,整個過程負荷最大增加14.1MW。中壓供熱調門擾動過程中,廠外計量站出口溫度基本維持穩定,但供熱壓力有明顯下降。當供熱量擾動70 t/h時,供熱閥后壓力下降了0.7MPa,至計量站時供熱壓力下降約0.66MPa。中壓供熱調門在不同擾動下負荷響應及計量站溫度壓力變化情況見表2。

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圖4 中壓供熱擾動約70 t/h時負荷變化情況

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表2 中壓供熱調門擾動試驗相關數據統計

由表2統計數據可見,相比較于高壓供熱調門擾動,中壓供熱調門擾動下,計量站供熱壓力波動較大。

4.3 試驗結果分析

與漕涇電廠對接(計量站出口)的化工區熱網參數為:高壓蒸汽壓力范圍在4.9 MPa~5.4MPa,溫度330℃~345℃;中壓蒸汽壓力范圍在3.0 MPa~3.7MPa,溫度290℃~295℃。高壓供熱蒸汽壓力下降了0.19MPa,中壓供熱蒸汽壓力下降了0.66MPa,對熱網供應系統影響較小。溫度指標基本保持不變,高壓供熱擾動試驗調節效果優于中壓供熱。

機組滑壓運行,在不同的負荷、主汽壓力不同,相同頻差擾動下,調頻能力差別很大。隨主汽壓力升高,調頻能力增加。從不同負荷下高、中壓調門擾動試驗看,825MW負荷,切除供熱蒸汽流量68t/h,60s負荷變化量為10.5MW,940MW負荷,切除供熱蒸汽流量70t/h,60s負荷變化量為11MW。參考祁偉《不同抽汽工況對供熱機組調頻能力影響分析》中的機組在不同主汽壓下調頻能力的仿真試驗,當機組處于較高主汽壓力時,調頻能力大,有利于提高電網對頻率調節的精度;當機組處于較低主汽壓力時,調頻能力小不一定能滿足電網的要求(漕涇電廠機組滑壓運行,負荷越高主汽壓力越高),由此得知,機組負荷下降的同時,調頻能力也在下降,故在機組低負荷階段(80%負荷以下)減少相應抽汽量,增加高中壓缸作功比例,提升一次調頻能力。

5 供熱切除經濟性選擇

根據漕涇電廠實際熱網運行情況,冷段抽汽在900MW以上供高壓蒸汽,700MW~900MW供中壓蒸汽,抽汽量均為100t/h。一級抽汽可以在660MW以上供高壓蒸汽,500MW以上供中壓蒸汽,抽汽量均為100t/h。500MW~900MW由一級抽汽向外供汽。采用一級抽汽向外供熱,作為低負荷時冷段供汽的備用,可以改善冷段供熱的可靠性和穩定性的不足(冷段和一級抽汽不考慮同時對外供蒸汽)。為了提高機組的經濟性且在滿足供熱的情況下,制定了三處抽汽口協調控制的策略,詳見表3。

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表3 三個抽汽口協調控制的策略

在同一負荷工況下,低參數抽汽口供汽相對經濟,其原因是這部分蒸汽在高壓缸內作功多了,對汽輪機的效率越有利。由于#0抽汽的壓力、溫度參數比#1抽汽高;#1抽汽的壓力、溫度參數比冷段高。故得出冷端供汽的經濟性大于#1抽,#1抽供汽的經濟性大于#0抽,詳見表4。為了提高機組的經濟性且在滿足供熱的情況下,可以制定優先保留低參數抽汽口供汽策略。

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表4 三個抽汽口蒸汽參數表

6 調頻加負荷方案選擇

綜合高、中壓供熱抽汽的系統擾動試驗,從高壓及中壓供汽閥門擾動情況,結合供熱網絡特性在壓力波動允許的范圍情況確定,利用合適的抽汽供熱蓄能利用量,參與電網一次調頻低頻動作,快速增加負荷是可行的,高壓供汽調節效果相對較好。同時,結合三處抽汽口利用供熱系統經濟性,去除蒸汽品質參數高越經濟的方案,優先切除蒸汽品質高的氣源,有利于汽輪機的效率,保障了機組的經濟運行。

當電網低頻差大于4轉時,負荷工況大于70%,且0#抽汽供熱未投用情況下,優先使用補汽閥進行一次調頻,電網低頻差大于5轉時,切除供熱氣源作為調頻功能的輔助手段。電網低頻差大于4轉時,負荷工況小于70%,且0#抽汽供熱投用情況下,補汽閥調頻功能閉鎖,優先切除供熱的0#抽的供熱汽源。出現較大低偏差(大于5轉)時,再切除其他供熱汽源。

根據試驗分析的結論,低負荷情況下,在主蒸汽壓力低的情況下,一次調頻的能力會有所減弱,再減少供熱抽汽量,在80%負荷以下多切一路供熱汽源,從而提高一次調頻加負荷性能。具體方案見表5。

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表5 不同負荷工況下的一次調頻方案

在#0抽不投用情況下,以補汽閥調節為主,在#0抽投用情況下,切除#0抽為主,在低負荷階段(80%負荷以下),加大減少抽汽量的使用,再把切除#1抽或冷再作為大頻差調節輔助手段從而形成供熱機組一次調頻低頻差加負荷方案的一個有效補充。

7 小結

對于供熱改造完成的超超臨界機組,尤其是#0抽投用后,在此工況下失去了繼續開大補汽閥,快速增加負荷的一個手段。結合機組特點對高、中壓抽汽供熱蓄能利用進行試驗和分析,總結出一套較完整的方案,能實現電網低頻下快速增加負荷的一次調頻功能,滿足一次調頻的性能要求。供熱調節閥被切除后,在恢復階段,由于熱網工況有所波動,暫時不能實現過程全自動控制,這將是今后的研究方向。

參考文獻:略

注:原文發表于《上海節能》 2019年第8期,標題為:淺析1000MW機組供熱一次調頻控制應用

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