采用電極式鍋爐提高供熱機(jī)組運(yùn)行靈活性的研究

袁雪峰， 馬 進(jìn)， 張 芹， 莫榮超

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

我國“三北”地區(qū)電源以煤電為主，且因供熱需求，供熱機(jī)組占煤電機(jī)組比例很高?！峨娏Πl(fā)展“十三五”規(guī)劃(2016—2020年)》中第七條重點(diǎn)任務(wù)是加強(qiáng)調(diào)峰能力建設(shè)，提高系統(tǒng)靈活性。文中要求：“全面推動煤電機(jī)組靈活性改造。實(shí)施煤電機(jī)組調(diào)峰能力提升工程，充分借鑒國際火電靈活性相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，加快推動北方地區(qū)熱電機(jī)組儲熱改造和純凝機(jī)組靈活性改造試點(diǎn)示范及推廣應(yīng)用[1]。某發(fā)電集團(tuán)關(guān)于火電靈活性要求：“研究機(jī)組寬負(fù)荷范圍下的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)；研究機(jī)組快速啟動、快速升降和快速變負(fù)荷技術(shù)……”。

供熱機(jī)組“以熱定電”的約束使電功率較高，系統(tǒng)調(diào)峰困難?；痣姍C(jī)組通過改變?nèi)剂狭縼碚{(diào)節(jié)負(fù)荷的速率通常較慢，通過配置大型電鍋爐可快速調(diào)整電功耗降低熱電廠的強(qiáng)迫出力和上網(wǎng)負(fù)荷，達(dá)到快速變負(fù)荷的目的[2～7]。降低熱電機(jī)組出力同時(shí)，開啟電鍋爐，既可以快速降低上網(wǎng)電負(fù)荷，又可以利用電鍋爐供熱來彌補(bǔ)減少的供熱量，增寬機(jī)組負(fù)荷變化范圍，顯著提高熱電機(jī)組的靈活性。利用電極浸入式鍋爐數(shù)學(xué)模型與供熱機(jī)組簡化模型，分別研究其動態(tài)特性，并對電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組快速、寬范圍降負(fù)荷進(jìn)行理論研究。

1 參考模型

1.1 電鍋爐模型

電極式鍋爐具有啟停速度快、生產(chǎn)效率高、安裝空間小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。電極浸入式鍋爐本體主要有內(nèi)筒、外筒、三相電極、循環(huán)泵和給水泵構(gòu)成，通過以高壓電極加熱內(nèi)筒帶有電導(dǎo)率的爐水產(chǎn)生蒸汽，循環(huán)泵將外筒水補(bǔ)充到內(nèi)筒以調(diào)節(jié)電功率，給水泵補(bǔ)充總水量。電鍋爐具有快速啟動、電功率較大且產(chǎn)生高品質(zhì)蒸汽的特性，理論上能提高供熱機(jī)組靈活性。電極式鍋爐的基本工作原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，將三相電極插入內(nèi)筒具有一定電導(dǎo)率的水中，將水作為電阻。電流流過導(dǎo)電的水中產(chǎn)生熱量加熱水。電鍋爐結(jié)構(gòu)上主要由兩部分環(huán)節(jié)組成。

圖1 電極浸入式鍋爐原理圖

(1)內(nèi)筒：電鍋爐內(nèi)筒是產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備，三相電極浸沒在具有一定電導(dǎo)率的爐水中，爐水相當(dāng)于電阻，在滿足啟動條件時(shí)通以10 kV電壓用于加熱爐水產(chǎn)生蒸汽。鍋爐通過循環(huán)水泵補(bǔ)充內(nèi)筒水量維持水位，并通過內(nèi)筒排水閥將高電導(dǎo)率的水排到外筒。鍋爐內(nèi)筒水位主要用來調(diào)節(jié)電鍋爐功率，通過電功率與設(shè)定值偏差來調(diào)節(jié)循環(huán)泵補(bǔ)水閥門，總水量則通過計(jì)算內(nèi)外筒水質(zhì)量之和來調(diào)節(jié)給水閥。

(2)外筒:鍋爐正常運(yùn)行時(shí)鍋爐內(nèi)外筒水量恒定，因此需要通過控制給水泵出口閥門補(bǔ)水維持電鍋爐內(nèi)總水量恒定。爐水為磷酸三鈉溶液，通過加藥泵將藥液與給水混合成稀濃度具有一定電導(dǎo)率的溶液通往外筒，循環(huán)泵將外筒溶液通往內(nèi)筒補(bǔ)充內(nèi)筒蒸發(fā)的水量。

根據(jù)機(jī)理建模方法，利用質(zhì)量能量守恒對額定功率15 MW電極浸入式鍋爐物理過程建立模型，如式(1)～(11)。

(1)

式中：MU為內(nèi)筒存液量，kg；WEcir為循環(huán)泵流量,kg/h；Wsu為內(nèi)筒蒸發(fā)流量，kg/h；WIcir為內(nèi)筒下泄流量，kg/h；WUevap為內(nèi)筒動態(tài)蒸發(fā)流量，kg/h。

(2)

式中：HU為內(nèi)筒水焓值，kJ/kg；HG為飽和水焓值，kJ/kg；HB為外筒水焓值，kJ/kg；Q為電極加熱量，kJ。

(3)

式中：LU為內(nèi)筒液位，mm；ρU為內(nèi)筒爐水密度，kg/m3。

WUevap=Ke(HU-HG)

(4)

式中：Ke為動態(tài)蒸發(fā)系數(shù)。

(5)

式中：Wfw為內(nèi)筒蒸汽蒸發(fā)量；WBevap為外筒動態(tài)蒸發(fā)量。

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Λm摩爾電導(dǎo)率，S·m2·mol-1；c為溶液摩爾濃度，mol/m3。

(11)

式中：L為圓柱電極在水中的長度，m；ρ為水的電阻率，Ω·m；P為三相水阻總功率，kW；UΦ為相電壓，kV；b為電極軸心與中心距離,m；d為電極橫截面直徑，m；R為圓筒容器半徑，m。

此模型中，式(1)～(4)描述內(nèi)筒質(zhì)量、能量平衡過程，式(5)～(8)描述外筒、能量平衡過程，式(9)描述蒸汽區(qū)質(zhì)量平衡過程，式(10)(11)描述電導(dǎo)率及功率模型。此模型能夠復(fù)現(xiàn)電極浸入式鍋爐全過程主要?jiǎng)討B(tài)特性。

1.2 供熱機(jī)組模型

供熱機(jī)組以背壓式和抽汽式為主，且近年來新建300～600 MW機(jī)組多為抽汽式機(jī)組[5]。典型的抽汽式供熱機(jī)組供熱抽汽來自中壓缸，一部分經(jīng)調(diào)節(jié)蝶閥流入低壓缸做功，另一部分經(jīng)止逆閥、快開閥、隔離閥進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器提供供熱熱源，冷卻后經(jīng)熱網(wǎng)疏水泵送往除氧器[6]。熱網(wǎng)循環(huán)水經(jīng)熱網(wǎng)循環(huán)泵升壓后由熱網(wǎng)管道送至各個(gè)二級換熱站，釋放熱量后返回?zé)峋W(wǎng)加熱器。抽汽式機(jī)組具備供熱負(fù)荷與發(fā)電負(fù)荷獨(dú)立調(diào)節(jié)手段，在保證熱網(wǎng)出口水溫和汽輪機(jī)低壓缸最小流量指標(biāo)下，具備在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)電負(fù)荷的能力[7]。

對于供熱機(jī)組模型，根據(jù)文獻(xiàn)[11,12]將直吹式制粉系統(tǒng)純凝汽式300～600 MW汽包鍋爐單元機(jī)組的負(fù)荷—壓力動態(tài)模型簡化為三輸入三輸出多變量系統(tǒng)，如式(12)～(17)。

rM=uB(t-τ)

(12)

式中：rM為磨煤機(jī)實(shí)際煤量，kg/s；uB為燃料量，kg/s。

TfdrB/dt=-rB+rM

(13)

式中：Tf為制粉慣性時(shí)間；rM為磨煤機(jī)實(shí)際煤量，kg/s；rB為鍋爐燃燒效率，%。

CbdpB/dt=-K3pTuT+K1rB

(14)

式中：Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)；PB為汽包壓力參數(shù)，MPa；PT為汽輪機(jī)前壓力，MPa；uT為汽輪機(jī)調(diào)門開度，%。

(15)

式中：Tt為汽輪機(jī)動態(tài)時(shí)間；NE為機(jī)組發(fā)電負(fù)荷，MW；uH為調(diào)節(jié)蝶閥開度，%。

pT=pB-K2(K1rB)1.5

(16)

p1=0.01pTuT

(17)

模型包含4個(gè)靜態(tài)參數(shù)：K1為燃料增益，K2為過熱器阻力系數(shù)，K3為汽輪機(jī)增益，K4為調(diào)節(jié)蝶閥開度折算發(fā)電負(fù)荷的系數(shù)，K4(100-uH)NE為供熱抽汽流量。此模型已經(jīng)被驗(yàn)證能夠復(fù)現(xiàn)大負(fù)荷范圍內(nèi)純凝汽式機(jī)組負(fù)荷—壓力對象的主要?jiǎng)討B(tài)特性和非線性特性。

2 聯(lián)合模型機(jī)理分析

2.1 電鍋爐接線分析

電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組主要體現(xiàn)在維持供熱量基本不變的前提下，在供熱機(jī)組原有變負(fù)荷速率基礎(chǔ)上，通過開啟電鍋爐，電鍋爐消耗發(fā)電機(jī)出口功率，增大變負(fù)荷速率，使上網(wǎng)負(fù)荷快速變化。當(dāng)供熱機(jī)組達(dá)到原來的最小出力，由于電鍋爐又產(chǎn)生供熱蒸汽，可解耦“熱電耦合”，可進(jìn)一步降低供熱機(jī)組強(qiáng)制出力，從而參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰。

電鍋爐消耗電能來自于供熱機(jī)組發(fā)電機(jī)出口，開啟電鍋爐就可減少上網(wǎng)功率，電鍋爐接線形式如圖2所示。

圖2 電鍋爐用電接線形式

其中功率守恒的公式為：

Pg=Pc+PMTHP+ΔP

(18)

Pg=Peb+Pc+PMTHP+ΔP

(19)

其中(18)式為不帶電鍋爐的情況，(19)式為加裝電鍋爐的情況，式中：Pg代表火電單元機(jī)組發(fā)出的有功功率；Peb為電極式鍋爐消耗的有功功率；Pc代表發(fā)電廠廠用電負(fù)荷；PMTHP為主變高壓側(cè)有功功率(即送入電網(wǎng)的有功功率)；ΔP為有功功率損耗。對于供熱機(jī)組，廠用電率(廠用電占發(fā)電機(jī)出口百分比)約為8.6%[13]。因此，實(shí)際上網(wǎng)功率為PMTHP=Pg(1-0.086 )-Peb。

上網(wǎng)有功功率的實(shí)時(shí)負(fù)荷變化率由式(20)求出。

0.914·|ΔPg|+|ΔPeb|

(20)

式中：t1、t2為兩個(gè)相鄰時(shí)刻，MW/min。其中，0.914 ·|ΔPg|為供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率。

由式(20)可知，電鍋爐可改變供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率，因此采用電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組的方法要根據(jù)電鍋爐和機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率分配調(diào)節(jié)負(fù)荷量。例如，供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷變化率為8.23 MW/min，電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率為3 MW/min，當(dāng)要求發(fā)電機(jī)負(fù)荷變化20 MW時(shí)，對應(yīng)上網(wǎng)負(fù)荷變化18.28 MW，應(yīng)按比例分配給供熱機(jī)組降低上網(wǎng)負(fù)荷13.4 MW，折合發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低14.66 MW；分配給電鍋爐提高負(fù)荷4.88 MW，維持負(fù)荷變化量一定。電鍋爐和供熱機(jī)組負(fù)荷變化量可按式(21)計(jì)算。

(21)

式中：ΔPseb為電鍋爐負(fù)荷變化量，MW；Kpeb為電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率，MW/min；ΔPseb為電鍋爐負(fù)荷變化量，MW；Kpg為電鍋爐上網(wǎng)負(fù)荷變化率，MW/min；ΔPsg為電鍋爐負(fù)荷變化量，MW。

2.2 供熱量分析

抽汽式供熱機(jī)組中壓缸排氣分為兩部分，一部分通過調(diào)節(jié)蝶閥進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功，一部分通往換熱器進(jìn)行供熱，通過調(diào)節(jié)蝶閥可控制中壓缸供汽壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)熱網(wǎng)循環(huán)水出水溫度。由于供熱機(jī)組進(jìn)入熱網(wǎng)壓力較高，電鍋爐蒸汽出口壓力較小，因此供熱機(jī)組供熱抽汽與電鍋爐蒸汽出口采用不同的換熱器。利用熱網(wǎng)慣性較大這一特點(diǎn)，在啟動電鍋爐短時(shí)間內(nèi)供熱波動對熱網(wǎng)供熱品質(zhì)影響較小。

2.3 模型實(shí)例

根據(jù)某電廠實(shí)際安裝的電鍋爐為依據(jù)，選擇額定功率15 MW電鍋爐為研究對象。其結(jié)構(gòu)參數(shù)及對象本身特征參數(shù)如表1所示。

供熱機(jī)組以型號為HG-1025/17.5-YM11，汽輪機(jī)型號為C300/235-16.7/537/537。在額定負(fù)荷下機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，汽輪機(jī)高調(diào)門開度根據(jù)汽輪機(jī)一級壓力與汽輪機(jī)前壓力比值計(jì)算得到，調(diào)節(jié)蝶閥開度按照汽輪機(jī)低壓缸進(jìn)氣流量與汽輪機(jī)中壓缸排氣流量比值計(jì)算得到[10]。

表1 鍋爐性能參數(shù)

表2 額定負(fù)荷供熱機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3 電鍋爐及供熱機(jī)組特性分析

3.1 電鍋爐特性分析

一般大型電極浸入式電鍋爐輸入電功率控制主要采用反向模式，通過調(diào)節(jié)液位、水質(zhì)和溫度間接控制電功率。電功率與熱功率成線性比例關(guān)系，調(diào)節(jié)范圍達(dá)到了1%～100%(0.15～ 15 MW)[14～16]。電鍋爐電功率和熱功率基本一致，散熱很少。

電極浸入式電鍋爐主要加熱方式是高壓電極加熱，在外筒裝有電加熱管使電鍋爐處于熱備用狀態(tài)。鍋爐采用內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，調(diào)高了加熱效率，充分利用了內(nèi)筒散發(fā)熱量。為防止鍋爐升溫過快導(dǎo)致內(nèi)部陶瓷絕緣件發(fā)生斷裂，溫升速率應(yīng)控制在3 ℃/min，最大負(fù)荷變化率不超過4.3 MW/min。采用PID控制器，內(nèi)筒液位控制電功率，蒸汽出口閥門控制蒸汽壓力，在額定工況下調(diào)整控制器參數(shù)。圖3給出了在發(fā)電負(fù)荷指令擾動下的控制品質(zhì)，電鍋爐電功率負(fù)荷指令以3 MW/min的速率由13 MW升至15 MW、蒸汽溫度維持145 ℃時(shí)各輸出的變化情況。

圖3 電鍋爐響應(yīng)曲線

3.2 供熱機(jī)組特性分析

對于300～600 MW亞臨界純凝汽式機(jī)組在非供熱工況下，調(diào)節(jié)蝶閥為100%。供熱工況下，供熱負(fù)荷隨調(diào)節(jié)蝶閥減小而增大，機(jī)組最小發(fā)電負(fù)荷取決于保證低壓缸最小流量的發(fā)電負(fù)荷。由于“以熱定電”限制的存在，供熱機(jī)組為保證抽汽量，發(fā)電負(fù)荷范圍減小，如圖4所示不同抽汽流量對應(yīng)發(fā)電負(fù)荷。對于文中300 MW機(jī)組在額定供熱負(fù)荷下，發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍為180～235 MW。圖5陰影部分為某300 MW供熱機(jī)組在不同調(diào)節(jié)蝶閥開度下發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。

圖4 供熱機(jī)組發(fā)電負(fù)荷與抽汽量關(guān)系圖

圖5 調(diào)節(jié)蝶閥開度與發(fā)電負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍關(guān)系圖

供熱機(jī)組控制系統(tǒng)文中采用最常用的爐跟機(jī)方案分析機(jī)組特性，鍋爐給煤量控制機(jī)前壓力，汽機(jī)調(diào)門開度控制發(fā)電負(fù)荷，抽汽調(diào)節(jié)閥控制汽輪機(jī)抽汽壓力。爐側(cè)和機(jī)側(cè)均采用PID控制器。圖6給出了供熱抽汽流量受控工況下(維持供熱量不變)，其他輸入不變，機(jī)組負(fù)荷指令由235 MW以9 MW/min的速率降低至225 MW時(shí)，機(jī)前壓力、機(jī)組發(fā)電負(fù)荷和抽汽流量響應(yīng)曲線。

圖6 供熱機(jī)組響應(yīng)曲線

4 提高供熱機(jī)組靈活性

4.1 可行性分析

新能源大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)對供熱機(jī)組的調(diào)頻調(diào)峰能力提出了更高的要求。主要體現(xiàn)在自動發(fā)電控制(AGC)要求變負(fù)荷速率和范圍的增加。以電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組能夠顯著提高變負(fù)荷速率和增大變負(fù)荷寬度，提高機(jī)組靈活性。基本思路是當(dāng)AGC指令需要供熱機(jī)組降負(fù)荷時(shí)，機(jī)組降負(fù)荷的同時(shí)開啟電鍋爐，一方面消耗部分發(fā)出的電量，增大變負(fù)荷速率；另一方面產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行供熱，解耦機(jī)組部分必發(fā)電量，降低發(fā)電負(fù)荷下限，對二次調(diào)頻性能有較大提升。

電鍋爐利用廠用電供電，并通過電力市場化交易機(jī)制，將電制暖的耗電量與域內(nèi)風(fēng)企業(yè)進(jìn)行發(fā)電權(quán)替代交易，分配收益。電鍋爐主要在棄風(fēng)時(shí)間段開啟，避免了不經(jīng)濟(jì)的電熱轉(zhuǎn)換。供熱機(jī)組降低發(fā)電負(fù)荷，減少煤量消耗，同時(shí)讓更多風(fēng)電上網(wǎng)，減少了可再生能源的浪費(fèi)。

4.2 采用電鍋爐提高供熱機(jī)組降負(fù)荷速率

供熱機(jī)組配置電鍋爐可在原有的變負(fù)荷速率的基礎(chǔ)上，通過消耗發(fā)電機(jī)出口功率，減少上網(wǎng)負(fù)荷。圖7給出了供熱機(jī)組降負(fù)荷曲線與采用電鍋爐的機(jī)組降負(fù)荷曲線對比，其中供熱機(jī)組供熱流量保持不變、上網(wǎng)負(fù)荷恒定。A線為供熱機(jī)組負(fù)荷指令以9 MW/min速率從235 MW降至215 MW，實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷變化速率為8.23 MW/min；B線為供熱機(jī)組負(fù)荷指令以9 MW/min速率從235 MW降至220.3 MW，電鍋爐功率指令以3 MW/min 從0 MW升至4.88 MW，實(shí)際上網(wǎng)負(fù)荷變化率為11.23 MW/min。從圖7中可以明顯地看出，在保證供熱量基本不變的前提下，利用電鍋爐聯(lián)合供熱機(jī)組可以快速降負(fù)荷，使降負(fù)荷速率提高。

圖7 電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組與供熱機(jī)組響應(yīng)曲線對比

4.3 采用電鍋爐增寬供熱機(jī)組調(diào)負(fù)荷范圍

寬范圍調(diào)整負(fù)荷主要通過兩方面實(shí)現(xiàn)：

(1)電鍋爐產(chǎn)生蒸汽用于供熱，在原供熱機(jī)組供熱抽汽不變前提下加入電鍋爐會增加供熱量。供熱機(jī)組減少的抽汽熱量等于電鍋爐蒸汽供熱量，若電鍋爐以15 MW功率運(yùn)行，即需要減少供熱機(jī)組抽汽流量5.46 kg/s，解耦了部分必發(fā)電量，如圖8保證低壓缸最小流量的工況下，可進(jìn)一步降低發(fā)電負(fù)荷下限11.5 MW。

圖8 電鍋爐降低供熱機(jī)組發(fā)電負(fù)荷下限

(2)電鍋爐通過消耗發(fā)電機(jī)出口功率降低上網(wǎng)負(fù)荷，電鍋爐消耗電量等于少上網(wǎng)電量。圖9給出在供熱機(jī)組額定供熱工況下，配置電鍋爐進(jìn)一步降低上網(wǎng)負(fù)荷下限。

圖9 電鍋爐降低供熱機(jī)組上網(wǎng)負(fù)荷

對于一臺300 MW供熱機(jī)組配置一臺15 MW電鍋爐，在保證額定供熱工況下，利用電鍋爐協(xié)調(diào)供熱機(jī)組可以在原有基礎(chǔ)上增大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，降低發(fā)電負(fù)荷下限和上網(wǎng)負(fù)荷下限。因此，在允許發(fā)電負(fù)荷變化范圍內(nèi)，采用電鍋爐明顯提高供熱機(jī)組靈活性。

5 結(jié)論

(1)以電極浸入式鍋爐和供熱機(jī)組為研究對象，確定了數(shù)學(xué)模型，對電鍋爐和供熱機(jī)組聯(lián)合模型機(jī)理進(jìn)行分析。

(2)通過模型實(shí)例進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，研究了電鍋爐與供熱機(jī)組升降負(fù)荷過程的負(fù)荷變化速率及變化范圍、抽汽流量等參數(shù)特性。

(3)通過對電鍋爐聯(lián)合供熱機(jī)組模型仿真證明：電鍋爐在供熱機(jī)組供熱工況下，可明顯提高供熱機(jī)組變負(fù)荷速率，增大降負(fù)荷范圍，提高供熱機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰能力。