熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合電極鍋爐深度調(diào)峰性能試驗(yàn)研究

徐斌，崔海林

（寧夏電力投資集團(tuán)銀川熱電有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

隨著國家“碳達(dá)峰，碳中和”“30，60”目標(biāo)的提出，可再生能源發(fā)電在能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷提高[1-3]，傳統(tǒng)燃煤電廠將逐漸由發(fā)電供給側(cè)主力轉(zhuǎn)變?yōu)榫S持電網(wǎng)穩(wěn)定平衡的關(guān)鍵電源點(diǎn)，隨著并網(wǎng)新能源場站的持續(xù)增多，新能源滲透率不斷增大，如何安全、平穩(wěn)地提高新能源利用率，降低棄風(fēng)棄光率，最大程度地解決新能源消納問題，需要電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)持續(xù)探索[4-6]。

傳統(tǒng)火力發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組采用深度調(diào)峰技術(shù)參與電力輔助服務(wù)市場，為電網(wǎng)提供調(diào)峰輔助服務(wù)[7]，獲取調(diào)峰收益，促進(jìn)新能源消納，是傳統(tǒng)能源企業(yè)實(shí)現(xiàn)雙贏的一種運(yùn)行方式。文獻(xiàn)[8]以參與風(fēng)電調(diào)峰為出發(fā)點(diǎn)，提出多種熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組參與深度調(diào)峰的可行性方案。文獻(xiàn)[9]提出一種供熱機(jī)組以熱定電調(diào)峰的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[10]建立基于雙層優(yōu)化的電鍋爐和儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量優(yōu)化模型，分析了熱電廠配置電鍋爐和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最優(yōu)配置模式。文獻(xiàn)[11]以東北地區(qū)為例，研究東北地區(qū)電網(wǎng)典型熱電機(jī)組在不同場景下的經(jīng)濟(jì)性，并提出了降低電鍋爐調(diào)峰項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)的可行方案。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一種直流式固體蓄熱電鍋爐，并對其性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究其蓄熱和放熱的功率損耗。文獻(xiàn)[13]研究了通過增設(shè)蓄熱水罐輔助熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組提高其深度調(diào)峰靈活性的方法。上述研究多為傳統(tǒng)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰建模分析或經(jīng)濟(jì)性研究，較少涉及電極鍋爐聯(lián)合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰運(yùn)行工況的實(shí)際運(yùn)行性能研究，本文以某200 MW熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組為例，研究了熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合電極鍋爐實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的機(jī)理，并試驗(yàn)驗(yàn)證其調(diào)峰響應(yīng)速度性能。

1 系統(tǒng)描述

本文研究的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合電極鍋爐系統(tǒng)如圖1所示，其主要由鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電極鍋爐、板式換熱器、熱網(wǎng)加熱器組成。

圖1 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合電極鍋爐系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要原理是通過電加熱代替汽輪機(jī)抽汽加熱，電極鍋爐用電量來自機(jī)組發(fā)電，電氣主接線如圖2所示。電極鍋爐消耗了機(jī)組發(fā)電量，降低了機(jī)組的上網(wǎng)功率，同時(shí)因電加熱替代了原抽汽加熱，機(jī)組供熱抽汽量減少，可進(jìn)一步降低機(jī)組發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)在上網(wǎng)功率很低的工況下仍能保證熱負(fù)荷供應(yīng)的熱電解耦模式，提高機(jī)組調(diào)峰深度。

圖2 電氣主接線

2 計(jì)及電極鍋爐的熱電聯(lián)產(chǎn)深度調(diào)峰系統(tǒng)模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

所研究的熱電聯(lián)產(chǎn)深度調(diào)峰系統(tǒng)含有電極鍋爐，其快速啟動(dòng)響應(yīng)特性對機(jī)組深度調(diào)峰的性能，尤其是對自動(dòng)發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）調(diào)節(jié)速率的性能均有顯著影響。為驗(yàn)證本系統(tǒng)的調(diào)峰性能，系統(tǒng)模型通過調(diào)峰功率、電極鍋爐調(diào)節(jié)速率和AGC調(diào)節(jié)速率三個(gè)指標(biāo)表征，即由調(diào)峰功率反映系統(tǒng)能達(dá)到的調(diào)峰深度，由電極鍋爐調(diào)節(jié)速率反映電極鍋爐單體運(yùn)行調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，由AGC調(diào)節(jié)速率反映系統(tǒng)深度調(diào)峰響應(yīng)速度[14]。

2.1.1 調(diào)峰功率

本文系統(tǒng)的調(diào)峰功率指經(jīng)電極鍋爐投入運(yùn)行抵減機(jī)組發(fā)電功率后的系統(tǒng)整體上網(wǎng)功率，即系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行的實(shí)際輸出功率，可表示為

式中：Pdpr(t)為t時(shí)刻電廠發(fā)電機(jī)組經(jīng)電極鍋爐遞減后實(shí)際深度調(diào)峰上網(wǎng)功率；∑PGn(t)為t時(shí)刻電廠機(jī)組總有功功率之和；Peb(t)為t時(shí)刻投入運(yùn)行的電極鍋爐功率；Pf(t)為t時(shí)刻廠用負(fù)荷有功功率。

2.1.2 電極鍋爐調(diào)節(jié)速率

電極鍋爐單體容量通常為10～60 MW，用于深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，其調(diào)節(jié)速率直接影響到整體系統(tǒng)的響應(yīng)速度。電極鍋爐調(diào)節(jié)速率可表示為

式中：εeb為電極鍋爐調(diào)節(jié)速率；Δt為時(shí)間步長，本文取5 min。

2.1.3 AGC調(diào)節(jié)速率

AGC調(diào)節(jié)速率作為對并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組提供AGC服務(wù)的考核內(nèi)容[15]，其計(jì)算方式是選取負(fù)荷變化至AGC負(fù)荷指令目標(biāo)變化幅度10%～90%的兩個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，其斜率連線的絕對值可表示為

式中：εAGC為AGC平均調(diào)節(jié)速率；Pt0為機(jī)組初始時(shí)刻實(shí)際發(fā)電功率;Paim為機(jī)組目標(biāo)發(fā)電功率;T10%為機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到M10%的時(shí)間；T90%為機(jī)組發(fā)電功率達(dá)到M90%的時(shí)間；M10%為AGC負(fù)荷10%變化幅度下機(jī)組發(fā)電實(shí)際功率；M90%為AGC負(fù)荷90%變化幅度下機(jī)組發(fā)電實(shí)際功率。

2.2 約束條件

機(jī)組參與深度調(diào)峰的起始發(fā)電功率為額定出力的50%，聯(lián)合電極鍋爐深度調(diào)峰期間為不影響電網(wǎng)潮流運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)保證功率平衡，且部分地區(qū)出于電網(wǎng)運(yùn)行安全的考慮要求深度調(diào)峰開始后機(jī)組總送出功率不小于機(jī)組額定功率的10%[16]，因此其約束條件表示為

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

某熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的鍋爐型號(hào)為DG670/13.7-21型一次中間再熱超高壓自然循環(huán)汽包爐。汽輪機(jī)型號(hào)為C200/140-12.75/0.245/535/535型超高壓、單軸、三缸雙排汽、工業(yè)用不可調(diào)整抽汽、采暖用可調(diào)整抽汽、一次中間再熱抽汽凝汽式汽輪機(jī)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-210-2。電極鍋爐配置5臺(tái)40 MW，總功率200 MW，電壓等級(jí)10 kV，出水溫度130℃。

試驗(yàn)前需具備以下條件：

1）機(jī)組AGC功能投入，發(fā)電功率分別大于125 MW；

2）熱網(wǎng)加熱器均投運(yùn)，循環(huán)水總量≥10 000 t/h，供水壓力≤1.0 MPa，供水溫度≤110℃，回水壓力≥0.20 MPa，回水溫度≤62℃。

3.2 試驗(yàn)過程

1）試驗(yàn)過程中，調(diào)整熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和電極鍋爐功率以滿足公式（6）的約束條件。

2）機(jī)組AGC投入狀態(tài)，單臺(tái)電極鍋爐開始深度調(diào)峰從0～40 MW逐步升負(fù)荷，記錄電極鍋爐帶至滿負(fù)荷的時(shí)間，考核時(shí)間5 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。電極鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定后，進(jìn)行40～0 MW減負(fù)荷試驗(yàn)，記錄電極鍋爐從滿負(fù)荷至0 MW負(fù)荷時(shí)間，考核時(shí)間5 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。

3）機(jī)組AGC投入狀態(tài)，維持各機(jī)組發(fā)電功率126 MW，熱網(wǎng)供水流量10 000 t/h，電極鍋爐系統(tǒng)從0～100 MW逐步升負(fù)荷，記錄電極鍋爐帶至滿負(fù)荷的時(shí)間，考核時(shí)間5 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。電極鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定后，進(jìn)行100～0 MW減負(fù)荷試驗(yàn)，記錄電極鍋爐從滿負(fù)荷至0 MW負(fù)荷時(shí)間，考核時(shí)間5 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。

4）機(jī)組AGC投入狀態(tài)，維持各機(jī)組發(fā)電功率126 MW，熱網(wǎng)供水流量10 000 t/h，電極鍋爐系統(tǒng)從0～200 MW逐步升負(fù)荷，記錄電極鍋爐帶至滿負(fù)荷的時(shí)間，考核時(shí)間30 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。電極鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定后，進(jìn)行200～0 MW減負(fù)荷試驗(yàn)，記錄電極鍋爐從滿負(fù)荷至0 MW負(fù)荷時(shí)間，考核時(shí)間30 min，計(jì)算調(diào)節(jié)速率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

單臺(tái)電極鍋爐調(diào)節(jié)性能及系統(tǒng)調(diào)峰功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 單臺(tái)電極鍋爐調(diào)節(jié)性能及系統(tǒng)調(diào)峰功率結(jié)果

200 MW電極鍋爐全部投入后配合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。試驗(yàn)期間兩臺(tái)機(jī)組總功率252 MW，廠用電負(fù)荷有功功率穩(wěn)定在30 MW左右。機(jī)組深度調(diào)峰期間，電極鍋爐響應(yīng)調(diào)節(jié)速率變化趨勢見圖3。

圖3 熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰期間電極鍋爐響應(yīng)速率趨勢

由表1分析可知，按照公式（2）計(jì)算熱態(tài)情況下單臺(tái)電鍋爐平均升降負(fù)荷速率為4 MW/min。由表2、圖3分析可知在機(jī)組熱電聯(lián)產(chǎn)供熱期間，電極鍋爐系統(tǒng)參與深度調(diào)峰的平均響應(yīng)速度絕對值為9.45 MW/min，遠(yuǎn)高于直吹式制粉系統(tǒng)的汽包爐火電機(jī)組每分鐘AGC調(diào)節(jié)速率為機(jī)組容量1.5%的要求[20]，說明電極鍋爐具備良好的調(diào)節(jié)性能，能夠較好地匹配熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組深度調(diào)峰工況運(yùn)行下對功率負(fù)荷響應(yīng)速度的需求。

表2 電極鍋爐全功率投入深度調(diào)峰聯(lián)合熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組調(diào)節(jié)性能結(jié)果

4 結(jié)論

熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組聯(lián)合電極鍋爐進(jìn)行深度調(diào)峰的優(yōu)點(diǎn)是可以在保證熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組供熱負(fù)荷不變的前提下，以更深的調(diào)峰深度和極低的上網(wǎng)發(fā)電功率實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰功能。由試驗(yàn)結(jié)果可知，電極鍋爐功率能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)調(diào)整，調(diào)整響應(yīng)速度快。利用電極鍋爐調(diào)峰，對原有機(jī)組的正常運(yùn)行及控制邏輯影響較小。調(diào)峰期間機(jī)組負(fù)荷率較高，不需要考慮對煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用電極鍋爐實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰，為電網(wǎng)消納新能源提供更大的空間，也提高了電網(wǎng)系統(tǒng)和電廠機(jī)組運(yùn)行的靈活性。