660 MW超临界燃煤发电机组的深度调峰自动控制

张小根,琚 敏,吴可泽,崔庆伟,卢瑶瑶

(1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司,浙江 兰溪 321100;2.北京新叶能源科技有限公司,北京 100180)

0 引言

660 MW超临界燃煤发电机组在调峰期间的大多数情况下处于低负荷运行状态,在低负荷运行工况和调峰工况等不同工况切换过程中极易造成大量的能源消耗。太阳能、风能和水能等可再生资源在能源危机的背景下逐渐被开发、利用。上述能源应用于发电时存在较高的时变性,容易发生弃光和弃风现象[1]。因此,消纳上述新型能源是我国电力行业面临的主要问题。提高能源在发电过程中的稳定性是降低弃光率和弃风率的有效方法。针对太阳能和风能发电过程中存在的问题,一些学者提出了光煤互补[2]、风光互补[3]和压缩空气储能[4]等策略。但上述策略的应用规模较小、技术不成熟且成本较高。提高燃煤发电机组的调峰能力有助于改善太阳能和风能发电效果。针对660 MW超临界燃煤发电机组调峰控制,我国的相关研究较少,目前还处于初期阶段。因此,对燃煤发电机组深度调峰控制方法展开研究和分析具有重要意义。

李玲等[5]建立了燃煤发电机组的动态模型,在深度负荷变化条件下通过激励分析获取燃煤发电机组的参数变化规律,结合比例积分微分(proportional integral differential,PID)方法对参数展开调整,实现燃煤发电机组的调峰控制。该方法无法获得燃煤机组在深度调峰过程中的动态特性,调峰过程中的爬坡速率较低,存在调峰灵活性差的问题。吴爱娟等[6]建立了发电机组的负荷扰动模型。该模型可获取扰动数据,在神经网络中输入负荷扰动以展开数据优化控制,结合奖励函数实现调峰控制。该模型在深度调峰控制过程中存在弃风弃光现象,调峰性能较差。

为解决上述方法中存在的问题,本文提出660 MW超临界燃煤发电机组深度调峰自动控制方法。本文在构建燃煤发电机组变工况模型的基础上,分析深度调峰工况下制粉系统和蒸发系统在燃煤发电机组系统中的动态特性。根据分析结果,本文利用PID控制器从燃烧扰动和减温扰动两个方面实现660 MW超临界燃煤发电机组深度调峰控制。试验结果表明,所提方法具有较好的深度调峰性能,有利于保证660 MW超临界燃煤发电机组的低功耗运行。

1 燃煤发电机组变工况模型

660 MW超临界燃煤发电机组动态模型如式(1)所示。

(1)

式中:eM为发电机组的实际磨煤量,kg;uB为燃煤锅炉耗煤量,kg;t为时间,s;at为汽轮机对应的前蒸汽压力,MPa;v为制粉过程中发电机组的延迟时间,ms;Yf为制粉惯性时间,s;eB为锅炉在工作状态下的燃烧率,%;Vb为蓄热系数;ad为汽包压力,MPa;L1为燃料增益;L3为汽轮机在发电机组中产生的增益;uT为汽轮机高压缸进气调节阀门对应的开度,%;L2为过热器对应的阻力系数;ME为燃煤发电机组的负荷,MW;Yt为汽轮机在燃煤发电机组中的动态时间,s。

汽轮机的相对内效率直接受燃煤发电机组深度调峰的影响,而回热加热器在机组内受到的影响相对较小。所提方法在分析过程中设置回热加热器的上下两端不发生变化,以此建立变工况模型。

汽轮机或发电机组的蒸汽流量在不同工况下存在差异。所提方法通过如式(2)所示的弗留格尔式展开计算:

(2)

通过式(2)可获得汽轮机在燃煤发电机组内的抽气口压力,进而获得变工况下汽轮机的膨胀过程线。

本文将基准环境设置为:温度T0=20 ℃;压力A0=0.01 MPa。通过分析方法分析660 MW超临界燃煤发电机组系统的能效变化情况。下文中,工质代表水或蒸汽。

本文设rx为工质,其表达式为:

rx=j-j0-T0(a-a0)

(3)

式中:j0为在环境参数下工质对应的焓;j为在计算参数下工质对应的焓;a0为在环境参数下凝结水对应的熵;a为在计算参数下凝结水对应的熵。

本文设rf为通过燃料对应的高位发热量计算得到的输入燃煤发电机组锅炉的燃料为锅炉子系统在燃煤发电机组系统中的效率。

(4)

式中:F0为主蒸汽对应的流量,m3/s;rb为过热器出口处在燃煤发电机组内产生的蒸汽比;Fzr为再热蒸汽对应的流量,m3/s;r′rh、r″rh分别为再热器出口和入口在燃煤发电机组内产生的蒸汽比;N为锅炉在运行状态下对应的燃烧量;rfw为锅炉给水对应的比。

(5)

式中:Ae为汽轮发电机组在燃煤发电机组系统中的发电功率,MW。

2 深度调峰下的动态特性分析

根据上述变工况模型,所提方法在深度调峰工况下分析制粉系统和蒸发系统在燃煤发电机组系统中的动态特性,为深度调峰提供依据。

2.1 制粉系统

直吹式制粉系统常用于660 MW超临界燃煤发电机组。经调查,送粉管和给煤机通常具有滞后性[7-8],因此测量磨煤机内部存储煤量的难度较高。660 MW超临界燃煤发电机组利用存在纯延迟的一阶惯性环节描述制粉系统在燃煤发电机组中的动态过程:

(6)

式中:lm为比例系数;Nm为磨煤机的实际出粉量,kg;ε为延迟时间,ms;t′m为燃料指令。

本文设Ww为水冷壁在机组系统内的有效吸热率。

Ww=l1lm

(7)

式中:l1为比例常数。

2.2 蒸发系统

燃煤发电机组的蒸发系统属于一个循环系统[9],由下降管、水冷壁和汽包等构成。在能量平衡方程和质量平衡方程的基础上,获得蒸发系统在深度调峰下的动态特性为:

(8)

式中:ρs为蒸汽对应的密度,kg/m3;ρw为饱和水的密度,kg/m3;Vst为饱和蒸汽容积,m3;Vwt为饱和水的容积,m3;ws为汽包出口处产生的蒸汽流量,m3/s;wf为给水量,m3;js为蒸汽对应的比焓;jw为饱和水对应的比焓;vt为金属比热容,J/(kg·℃);aD为汽包压力,MPa;mwt为金属壁质量,g;Ywt为金属壁温度,℃;jf为水对应的比焓。

通常情况下,锅炉汽包出口处产生的蒸汽流量ws难以测得。因此,所提方法在燃煤发电机组变工况模型的基础上,通过式(9)获得ws:

(9)

式中:aT为末级过热器出口对应的压力,MPa。

3 燃煤发电机组深度调峰自动控制

根据深度调峰下的动态特性分析结果可知,在660 MW超临界燃煤发电机组深度调峰控制中,需要控制燃烧扰动和减温扰动。为此,所提方法采用PID控制器[10-12]实现深度调峰控制。PID控制器原理如图1所示。

图1 PID控制器原理图

图1所示PID控制器的控制规律为:

(10)

式中:u(t)为调节器输出的信号;KP为比例系数;e(t)为偏差信号;ζD为微分时间常数;ζI为积分时间常数。

根据燃煤发电机组的动态特性分析结果可以设置微分系数KD为34;积分系数KI为0.009 2;比例系数KP为0.42;燃煤发电机组燃烧率改变的响应时间为500 s;仿真时间为1 500 s;滞后时间为20 s。基于上述参数设定,所提方法利用Simulink平台[13-14]建立660 MW超临界燃煤发电机组深度调峰PID控制系统。燃煤发电机组深度调峰PID控制系统结构如图2所示。

图2 燃煤发电机组深度调峰PID控制系统结构图

本文将660 MW超临界燃煤发电机组变工况模型中的锅炉蓄热系数Vb和PID控制器系数输入图2所示的PID控制系统中,完成660 MW超临界燃煤发电机组的深度调峰控制。

4 试验与分析

为了验证所提方法的有效性,本文设计以下测试。

4.1 试验设置

660 MW超临界燃煤发电机组主要参数如下:滤波电感为0.055 H;环境温度为298.20 K;电枢电感为0.008 H;环境压力为1.013×105MPa;定子电阻为0.048 6 Ω;压比为3.2;转速为96 000 r/min;空气流量为0.30 kg/s;燃料流量为0.002 4 kg/s。

本文采用所提方法、文献[5]方法和文献[6]方法对660 MW超临界燃煤发电机组展开深度调峰控制。在测试过程中,本文分别设定工况为向上调峰和向下调峰两种,从调峰需求响应、弃风率和弃光率三个方面验证所提控制方法的有效性。660 MW超临界燃煤发电机组基本发电过程如图3所示。

图3 发电机组基本发电过程

4.2 结果分析

爬坡速率指每分钟调整出力最大值占额定容量的比例。该比例数值越高,表明调峰需求响应效果越好。在试验过程中,本文设定660 MW超临界燃煤发电机组的向上和向下调峰需求,并分析不同调峰深度下的调峰需求响应情况。不同方法向上调峰需求响应如图4所示。

图4 不同方法向上调峰需求响应

不同方法向下调峰需求响应如图5所示。

图5 不同方法向下调峰需求响应

分析图4和图5可知,随着调峰深度的增加,所提方法、文献[5]方法和文献[6]方法的调峰响应逐渐接近设定的调峰需求。与文献[5]方法和文献[6]方法相比,所提方法的调峰响应更能满足660 MW超临界燃煤发电机组向上和向下的调峰需求,与设定的调峰需求之间差距较小。

本文以弃风率和弃光率作为指标,测试所提方法、文献[5]方法和文献[6]方法的调峰性能。不同方法的弃风率和弃光率如表1所示。

表1 不同方法的弃风率和弃光率

由表2可知,燃煤发电机组的弃风率和弃光率随着调峰深度的增加不断减少,两者之间呈反比关系。经对比发现,所提方法在调峰过程中的弃风率和弃光率较低,表明所提方法具有良好的调峰性能。其主要原因是,所提方法针对燃煤机组不同动态特性进行了分析,并根据分析结果设计了PID控制器。这就优化了调峰控制效果,降低了弃风率和弃光率。

本文进一步验证所提方法的深度调峰控制效果。以所提方法控制前后的功率为指标,深度调峰控制效果对比如图6所示。

图6 深度调峰控制效果对比

分析图6可知,所提方法控制后功率有所下降且相对平稳。由此本文验证了所提方法在燃煤发电机组变工况模型的基础上,通过PID控制器完成燃煤发电机组的深度调峰控制,具有较好的深度调峰控制效果。

5 结论

为了提高燃煤发电机组深度调峰灵活性和优化其调峰性能,本文提出660 WM超临界燃煤发电机组深度调峰自动控制方法。该方法在燃煤发电机组变工况模型的基础上分析其动态特性,以此设计PID控制器完成燃煤发电机组的深度调峰控制。试验表明,所提方法在燃煤发电机组深度调峰控制过程中整体有效性高,解决了燃煤发电机组深度调峰存在需求响应较低、弃风率弃光率较高的问题。