利用机组供热管道蓄能参与负荷调节的技术

利用机组供热管道蓄能参与负荷调节的技术

任国丰 李磊

国电双维内蒙古上海庙能源有限公司 内蒙古 016200

当前，为了快速响应电网的负荷需求，火电机组大都采用CBF协调控制方式。当负荷需求变化时，例如要求加负荷，汽机调门快速开大（即首先利用锅炉蓄热快速响应负荷），同时锅炉燃烧率增加，及时补充被利用的机组蓄能，并维持机组能量与负荷需求间新的平衡。但随着一批600/1000 MW等级的超（超）临界火电机组的投运，机组大都全程滑压运行，汽机调门的节流很小，电网快速变化的负荷需求与机组较小的蓄热之间的矛盾越来越突出。虽然火电机组可以利用锅炉汽水系统蓄热，提高负荷响应速率，或采用凝结水节流技术利用辅汽热力系统中原本用于加热凝结水的热量瞬间改变发电负荷，但随着电网要求的逐步提高，受蓄热总量的限制，这些方法的潜力已经发挥到了极致。而供热机组可以利用供热管道中较大容量的蓄热，瞬间改变发电负荷，提高机组负荷响应速率。

300MW供热机组的供热管道蓄热负荷调节速率可达26MW/min，为额定负荷的8.6%。其它容量供热机组的供热管道蓄热负荷调节能力依此类推，具体数据还要依据现场试验确定。

一、利用机组供热管道蓄热进行负荷调节的基本原理

大型供热机组以抽汽式供热机组为主，其主要热力系统结构是在汽轮机中压缸至低压缸连通管道内低压缸侧安装供热抽汽调节蝶阀，在蝶阀前通过三通管道将一部分汽轮机中压缸排汽引至热网加热器，蒸汽在热网加热器内同热网循环水交换热量后冷却为热网疏水，再由热网疏水泵送至除氧器。热网循环水经过热网循环泵升压后进入热网加热器，吸收热量后提供供热热源。

当机组发电负荷指令增加时，可以先开大供热抽汽调节蝶阀开度，将原本用于供热的蒸汽引入汽轮机低压缸内做功，迅速提高机组发电功率。然后机组在协调控制系统作用下，依靠增加燃料量使机组总功率缓慢增加后，在逐渐关小供热抽汽调节蝶阀开度，恢复供热热源的稳定。由于供热热网管道具有非常大的热惯性，这一过程导致的供热热源不稳定不会反映到用户端。这是本技术方案的基本理论依据所在。

利用供热管道蓄热进行负荷调节，首先要将供热管道抽汽蝶阀更换成可频繁调整的调节蝶阀，以保证抽汽调节阀的自动控制功能完善；其次还要对调节蝶阀进行全开全关试验，确定全开全关时间以及负荷响应幅值和速率。

二、利用机组供热管道蓄热进行负荷调节的控制功能设计

利用供热管道蓄热进行负荷调节的控制回路功能设计如下：

1. 协调控制回路的重新设计

本技术引入发电负荷、机前压力、抽汽流量三个参数作为协调控制系统的被控量，协调控制系统控制机组发电负荷和汽轮机机前压力，通过改变供热抽汽调节蝶阀开度控制供热抽汽流量。

图1 引入供热蝶阀开度负荷调节的协调控制系统原理框图

图1所示协调控制系统是一3×3系统，但是单纯应用该方框图作为控制方案的设计有明显弊端。首先，负荷指令不是一个常量，通常情况下由高频量和低频量叠加构成，会对蝶阀开度指令造成频繁动作，减小执行机构寿命。其次，蝶阀开度的变化对于原有的协调控制系统本身就是一种扰动。

改进后供热机组控制系统结构如图2所示，其中发电负荷指令进入非线性滤波器，被分解为稳态负荷指令和暂态负荷指令两部分。稳态负荷指令进入机组原协调控制系统，暂态负荷指令一方面经过惯性环节与原供热抽汽调节蝶阀开度指令相加后对蝶阀开度实施控制，另一方面经过蝶阀开度对发电负荷的传递函数后反向与发电负荷信号相加，替代原来发电负荷反馈信号进入原协调控制系统。

其中，将发电负荷减去蝶阀开度对发电负荷的传递函数输出后，再作为协调控制反馈的目的在于：机组发电负荷信号包含两部分中的暂态负荷迭加到基本发电负荷上对协调控制系统是一种扰动，因此通过增加蝶阀开度对发电负荷的传递函数环节，以前馈方式消除这种扰动。

图2 改进利用供热蓄热负荷调节的协调控制系统原理框图

2. 具体实施方案

(1) 非线性滤波器的设计。输入负荷指令信号经过速率变化限制后得到稳态负荷指令信号，输入负荷指令信号减去稳态负荷信号后得到暂态负荷指令信号。这样，非线性滤波器将负荷指令分解为缓慢变化的低频部分和快速变化的高频部分，并且分解是可逆的，即将稳态负荷指令信号和暂态负荷指令信号求和后，可以得到原负荷指令信号。将缓慢变化的稳态负荷送入协调控制系统，能够减少燃料量和汽轮机高压缸进汽调节门的扰动，有利于机组安全稳定运行；将快速变化的暂态负荷指令叠加到供热抽汽调节蝶阀开度指令上，可以快速改变汽轮机低压缸进汽量从而快速改变机组发电负荷，提高机组响应变负荷能力。

采用非线性滤波器的优势在于：当负荷指令变化量较小时，稳态负荷指令包含较多高频分量，虽然会燃料量和汽轮机高调门的扰动，但由于指令变化量很小，所以扰动幅度不是很大但可以减少供热抽汽蝶阀动作幅度以减少磨损；当负荷指令大幅度变化时，大部分高频分量进入暂态负荷指令，调节蝶阀迅速大幅度动作提高机组发电负荷响应能力。

(2) 惯性环节的设计。采取G(s)=k/(1+T·s)，k为增益，调整k的大小可改变单位暂态负荷指令变化所对应的供热抽汽调节蝶阀开度的变化。K越大，单位暂态负荷指令变化所对应供热抽汽调节蝶阀也越大，导致发电负荷的变化量也越大；T为惯性时间，调整T大小可改变供热抽汽蝶阀动作的速度，调节供热抽汽蝶阀动作导致发电功率变化与协调控制系统动作导致发电功率变化的衔接时间，T越大，供热抽汽蝶阀动作导致发电功率变化的滞后也越大。

3. 逻辑组态与现场调试

(1) 非线性滤波器的构造与调试。工程项目中，通常选择速率变化限制模块作为非线性滤波器，滤除掉信号中快速变化部分后得到稳态负荷指令信号，输入信号减去稳态负荷指令后得到暂态负荷指令信号。机组工作于供热模式后，逐步将非线性滤波器速率限制值调至推荐值，一般正压直吹式制粉系统推荐值取机组额定发电负荷的1%/min~1.5%/min。

(2) 蝶阀-负荷模型的获取。蝶阀开度对发电负荷的传递函数通过供热抽汽调节蝶阀开度阶跃扰动试验获得。具体方法如下：在机组额定供热负荷工况下，保持机组协调控制系统投入运行，待机组发电负荷、机前压力稳定后，手动阶跃增加供热抽汽调节蝶阀开度。这时机组发电负荷增加而供热抽汽流量减小，随着协调控制系统动作，发电负荷会缓慢恢复到初始值，待发电负荷稳定后，分析发电负荷对蝶阀开度扰动的响应曲线，辨识得到对象传递函数。

(3) 惯性环节参数的整定。惯性环节增益设置为0，惯性时间设置为100秒。这时机组发电负荷指令可以不受限制的通过非线性滤波器，而暂态负荷指令为0，相当于没有投入蓄热利用功能，系统工作与原协调控制方式下。通过负荷扰动试验，逐渐增加增益和加快惯性时间，直到负荷响应曲线无“超调”、“欠调”、“回调”现场，以达到设计目的。