燃氣輪機快速變負荷在調(diào)頻市場中的研究與實踐

潘志明，薛志敏

(中山嘉明電力有限公司,廣東 中山 528403)

高比例新能源接電網(wǎng)系統(tǒng)將帶來發(fā)電側(cè)的隨機性、波動性和間歇性供電等問題[1]，電網(wǎng)在持續(xù)可靠、安全穩(wěn)定等方面面臨重大挑戰(zhàn)。這些都對電網(wǎng)的調(diào)頻控制和機組的調(diào)頻性能提出了更高的要求[2]。一方面，發(fā)電機組一次調(diào)頻因機組特性不同，調(diào)整量有限。以廣東電網(wǎng)為例，交直流混聯(lián)運行導(dǎo)致系統(tǒng)安穩(wěn)特性復(fù)雜，最大日負荷峰谷差超過46 GW，廣東省內(nèi)1/3的用電量由西部省區(qū)的清潔能源供給，且省內(nèi)缺少調(diào)節(jié)性能好的水電機組[3]。另一方面，恢復(fù)電網(wǎng)頻率的二次調(diào)頻，包括通過自動發(fā)電控制裝置(automatic generation control,AGC)實現(xiàn)自動響應(yīng)電網(wǎng)系統(tǒng)負荷隨機性波動，也包括人為根據(jù)電網(wǎng)頻率高低調(diào)整機組負荷，最終實現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率偏差控制在目標±0.10 Hz范圍內(nèi)[3]。因此，為解決高比例風電、光電接入電網(wǎng)帶來的調(diào)峰、調(diào)頻問題，以發(fā)電側(cè)和需求側(cè)為代表的調(diào)頻技術(shù)大力發(fā)展，文獻[4]對儲能參與電力系統(tǒng)調(diào)頻的技術(shù)特性進行了總結(jié)；文獻[5]提出在風電場配置儲能裝置實現(xiàn)風儲聯(lián)合系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻的控制策略；文獻[6]論證了大規(guī)模風電并網(wǎng)條件下電源參與電網(wǎng)調(diào)頻必要性；文獻[7]提出一種基于分布式計算技術(shù)的火電廠輔助調(diào)頻儲能系統(tǒng)容量和功率規(guī)劃方法；文獻[8] 研究了各類型電動汽車參與電力系統(tǒng)調(diào)頻；文獻[9]對電極式鍋爐參與電網(wǎng)調(diào)頻服務(wù)下供熱系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度進行研究。其中，燃氣輪機機組因啟停快、升負荷快、能靈活跟蹤負荷及迅速響應(yīng)負荷變化的優(yōu)點[10]，廣泛應(yīng)用于調(diào)峰、調(diào)頻。

此外，為了運用市場手段鼓勵更多調(diào)頻性能好的機組參與調(diào)頻，南方(以廣東起步)調(diào)頻輔助服務(wù)市場于2018年進入正式結(jié)算運行，2021年推進廣東、廣西、海南三省(區(qū))的南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場(以下簡稱“區(qū)域調(diào)頻市場”)試運行工作。調(diào)頻輔助服務(wù)市場通過市場化優(yōu)化手段實現(xiàn)了調(diào)頻資源的市場化調(diào)用和補償機制[11]。調(diào)頻輔助服務(wù)市場可以很好地激勵各類電源側(cè)資源參與市場獲利，調(diào)頻性能優(yōu)良的燃氣機組在系統(tǒng)負荷需求高峰時期，日均的調(diào)頻收益達25 萬元。

因機組在調(diào)頻輔助服務(wù)市場能夠獲得不菲收益，輔助服務(wù)補償機制調(diào)動了電廠提供調(diào)頻輔助服務(wù)的積極性[8]，刺激電廠對機組進行調(diào)頻性能改造。儲能具備響應(yīng)快、調(diào)節(jié)精度高、短時功率吞吐力強等優(yōu)點[4]，電力系統(tǒng)新能源配套調(diào)峰、調(diào)頻、需求側(cè)響應(yīng)的工程實踐中常有應(yīng)用[12-14]。儲能可與常規(guī)調(diào)頻技術(shù)相結(jié)合,作為電網(wǎng)調(diào)頻輔助有效手段，以煤電機組和燃氣輪機機組為例，廣東某300 MW燃煤機組成功應(yīng)用儲能9 MW/4.5 MW·h系統(tǒng)，組成聯(lián)合系統(tǒng)參與調(diào)頻服務(wù)市場，綜合調(diào)頻性能指標和調(diào)頻輔助市場競爭力得以提升[15]。國內(nèi)首臺增加儲能系統(tǒng)的9F級聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機機組完成改造，成為首個9F級聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機運用大容量儲能系統(tǒng)成功實現(xiàn)黑啟動的項目，機組調(diào)頻性能提升[16]。隨著儲能電池成本逐漸降低，特別是功率型儲能的成本降低到能規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的條件[17]，電池儲能結(jié)合常規(guī)機組參與電網(wǎng)調(diào)頻應(yīng)用將更廣泛。此外，儲熱技術(shù)應(yīng)用在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機組，可有效解決新能源消納和調(diào)峰等問題[18]。太陽能槽式集熱器與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)組成的一體化太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)增大了機組的調(diào)峰范圍，增強了機組在較高熱負荷運行時的調(diào)峰能力[19]。

綜上所述，調(diào)頻輔助服務(wù)市場下，常規(guī)機組結(jié)合儲能、儲熱等方式提升調(diào)頻性能相關(guān)研究已非常廣泛，因而對具備良好調(diào)峰能力的燃氣輪機機組快速變負荷技術(shù)研究很有必要，但這方面研究并不多，尤其是目前國內(nèi)9F級燃氣輪機采用快速變負荷技術(shù)參與調(diào)頻市場的工程案例很少。

因此本文分析了9F級燃氣輪機采用快速變負荷提升調(diào)頻性能的作用和收益，提出快速變負荷改造方案，總結(jié)國內(nèi)首批9F級燃氣輪機采用快速變負荷技術(shù)的工程應(yīng)用實踐，為9F級燃氣輪機提升調(diào)頻性能提供可靠的參考方向。

1 輔助調(diào)頻市場

1.1 輔助調(diào)頻市場關(guān)鍵指標

1.1.1 綜合調(diào)頻性能指標[20]

自動發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)在確定的區(qū)域內(nèi)，當電力系統(tǒng)頻率或聯(lián)絡(luò)線功率發(fā)生變化時，通過遠程調(diào)節(jié)發(fā)電機組的有功功率，以維持系統(tǒng)頻率或確保區(qū)域之間預(yù)定的交換功率。根據(jù)《南方區(qū)域調(diào)頻輔助服務(wù)市場交易規(guī)則(征求意見稿)》，綜合調(diào)頻性能指標k是衡量調(diào)頻控制區(qū)發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令的綜合性能體現(xiàn)，其計算式為：

k=λ1×k1+λ2×k2+λ3×k3

(1)

式中：調(diào)節(jié)速率k1指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的速率；響應(yīng)時間k2指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的時間延遲；調(diào)節(jié)精度k3指發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令的精準度；λ1、λ2、λ3為對應(yīng)的調(diào)頻性能指標k1、k2、k3在綜合調(diào)頻指標k的權(quán)重系數(shù)，分別為0.5、0.25、0.25。

調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時間k2、調(diào)節(jié)精度k3的計算式分別為：

k1=v/V

(2)

k2=1-t1/t2

(3)

k3=1-ΔW/ΔP

(4)

式中：v為發(fā)電單元實測負荷調(diào)節(jié)速率，MW/min；V為調(diào)頻控制區(qū)內(nèi)AGC發(fā)電單元平均標準調(diào)節(jié)速率，MW/min；t1為發(fā)電單元AGC響應(yīng)與發(fā)電單元接收AGC指令的延遲時間，min；t2為允許響應(yīng)延遲時間，目前取為5 min；ΔW為發(fā)電單元調(diào)節(jié)誤差，是指發(fā)電單元響應(yīng)AGC 指令后實際出力值與指令值的偏差量，MW；ΔP為發(fā)電單元調(diào)節(jié)允許誤差，目前取值A(chǔ)GC單元額定出力的1.5%，MW。

為避免發(fā)電單元響應(yīng)AGC指令時過調(diào)節(jié)或超調(diào)節(jié)，目前設(shè)置k1最大值不超過3；由式(3)、式(4)可知k2、k3的最大值為1、1。根據(jù)k1、k2、k3的最大值可知k最大值為2，據(jù)南方區(qū)域調(diào)頻市場不完全統(tǒng)計，9F級燃氣輪機k值平均值取0.94。

為更好地對比發(fā)電單元調(diào)頻性能，對發(fā)電單元綜合調(diào)頻性能指標k進行歸一化處理，歸一化綜合調(diào)頻性能指標P的計算式為：

P=k/kmax

(5)

式中：k為前面所述發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標；kmax為南方電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)頻控制區(qū)內(nèi)所有發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標最大值。

調(diào)頻里程排序價格B′的計算式為：

B′=B/P

(6)

式中：B為各發(fā)電單元的調(diào)頻里程報價，元/MW；P為歸一化綜合調(diào)頻性能指標。

調(diào)頻輔助市場按照各發(fā)電單元的調(diào)頻里程排序價格從低到高依次進行出清成交，直到總中標調(diào)頻容量滿足系統(tǒng)總調(diào)頻需求為止，將最后一臺調(diào)頻中標發(fā)電單元的調(diào)頻里程排序價格作為統(tǒng)一出清價格[3]。

1.1.2 調(diào)頻里程

調(diào)頻里程是指發(fā)電單元每次響應(yīng)相鄰兩點AGC調(diào)頻控制指令出力值之差的絕對值，簡單說就是負荷波動絕對值的總和，反映了發(fā)電單元參與調(diào)頻的實際貢獻量。某時間段內(nèi)總的調(diào)頻里程為該時段發(fā)電單元響應(yīng)AGC控制指令的調(diào)頻里程之和，其計算式為：

(7)

式中：Di為發(fā)電單元第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程，MW；f為調(diào)節(jié)次數(shù)。

1.1.3 調(diào)頻里程補償[20]

中標發(fā)電單元在調(diào)頻市場上提供調(diào)頻服務(wù)可以獲得相應(yīng)的調(diào)頻里程補償，調(diào)頻里程補償按日統(tǒng)計、按月結(jié)算，并根據(jù)交易周期內(nèi)發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標平均值與1比較進行數(shù)學(xué)處理計算，其計算式為：

(8)

(9)

式中：Rm,i為第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程補償，元；Rm為當月的調(diào)頻里程補償，元；n為每月調(diào)頻市場總的交易周期數(shù)；Di為第i次調(diào)節(jié)的調(diào)頻里程，MW；Qi為第i次調(diào)節(jié)的出清價格，元/MW；ki為第i次調(diào)節(jié)的綜合調(diào)頻性能指標；m為自市場進入結(jié)算試運行起的自然年數(shù)，市場進入結(jié)算試運行當年m取0。

發(fā)電單元的綜合調(diào)頻性能指標既影響調(diào)頻中標概率又影響調(diào)頻里程補償。由式(8)可知，調(diào)頻里程越長、里程結(jié)算價格越高、綜合調(diào)頻性能指標越大，調(diào)頻里程補償就越高。k值經(jīng)過數(shù)學(xué)處理后，如圖1所示。從圖1可知，綜合調(diào)頻性能指標k越高，進入試運行結(jié)算的前2年數(shù)學(xué)處理后綜合調(diào)頻性能指標下降程度越大，在里程結(jié)算價格、調(diào)頻里程不變時，獲得的調(diào)頻里程補償下降越大；進入試運行結(jié)算6年后，調(diào)頻性能下降程度隨著時間的推移變化不大，獲得的調(diào)頻里程補償變化也不大。

圖1 區(qū)域調(diào)頻市場調(diào)頻性能變化

1.2 燃氣輪機調(diào)頻現(xiàn)狀

某電廠9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由一臺燃氣輪機、一臺蒸汽輪機、一臺發(fā)電機和一臺余熱鍋爐組成，燃氣輪機、蒸汽輪機、發(fā)電機采用同軸布置。

ISO工況下，聯(lián)合循環(huán)機組額定出力為390.93 MW，簡單循環(huán)額定出力為255.6 MW。9F級燃氣輪機變負荷速率通常固定在標準的“12分鐘速率”，即ISO規(guī)定負荷變化率為21.3 MW/min。該聯(lián)合循環(huán)機組參與調(diào)頻輔助服務(wù)市場的綜合調(diào)頻性能指標如表1所示。在廣東調(diào)頻市場和區(qū)域調(diào)頻市場的歸一化綜合調(diào)頻性能指標分別為0.61、0.51。在廣東調(diào)頻市場中，聯(lián)合循環(huán)機組憑借其較好的調(diào)頻性能且通過調(diào)整報價策略可基本保證調(diào)頻中標獲取調(diào)頻里程補償。然而“區(qū)域調(diào)頻市場”試運行以來，隨著煤機儲能聯(lián)合系統(tǒng)和水電進入調(diào)頻市場，中標機組平均綜合調(diào)頻性能指標為0.85，最大綜合調(diào)頻性能指標為1.85，大部分機組綜合調(diào)頻性能指標介于0.4～1.2之間。燃氣輪機平均綜合調(diào)頻性能指標為0.94，歸一化綜合調(diào)頻性能指標僅為0.51，僅略高于市場準入門檻(0.3)，從而出現(xiàn)燃氣輪機因調(diào)頻性能差未中標的現(xiàn)象，進一步壓縮燃氣機組在調(diào)頻市場的收益空間。該聯(lián)合循環(huán)機組的日調(diào)頻收益情況如表2所示。機組進入?yún)^(qū)域調(diào)頻市場后，出清價格由15.75 元/MW下降至12.82 元/MW，調(diào)頻里程變化不大，而每天的調(diào)頻里程補償由82 362元下降至38 623元，大大影響電廠的收益。

表1 9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組綜合調(diào)頻性能指標

表2 機組日調(diào)頻收益情況

燃氣輪機機組在區(qū)域調(diào)頻市場獲取調(diào)頻里程補償大幅縮水，刺激電廠研究9F級燃氣輪機快速變負荷技術(shù)以提升調(diào)頻收益。

2 快速變負荷對調(diào)頻性能指標的影響

快速變負荷是指電站燃氣輪機采用新的控制軟件，以實現(xiàn)燃氣輪機靈活的負荷變化率，比標準負荷變化率更高，并維持低NOx排放?？焖僮冐摵蓪θ細廨啓C綜合調(diào)頻性能有大幅提升。

2.1 快速變負荷對調(diào)頻性能的提升

根據(jù)式(1)可知，可以通過對調(diào)節(jié)速率k1、響應(yīng)時間k2和調(diào)節(jié)精度k3這3個影響因子的提升達到提升燃氣輪機綜合調(diào)頻性能指標的目的?？焖僮冐摵筛脑鞂θ細廨啓C響應(yīng)時間k2、燃氣輪機調(diào)節(jié)精度k3無影響；燃氣輪機調(diào)節(jié)速率k1約為1.15，有較大的提升空間，快速變負荷改造使燃氣輪機在變負荷階段負荷調(diào)節(jié)速率增大，從而增大k1，進而增大綜合調(diào)頻性能指標k。

2.2 提升調(diào)頻性能的意義

快速變負荷對燃氣輪機調(diào)頻性能有明顯提升作用，提升調(diào)頻性能指標有三個意義：

(1) 提高中標概率。根據(jù)式(6)可知，在相同報價下，機組調(diào)頻性能越好，調(diào)頻里程排序價格越低，其在調(diào)頻市場出清排序中越靠前，并且當發(fā)電單元排序價格相同時，優(yōu)先出清歸一化綜合調(diào)頻性能指標P值高的發(fā)電單元；當發(fā)電單元歸一化綜合調(diào)頻性能指標P值相同時，優(yōu)先出清綜合調(diào)頻性能指標k值高的發(fā)電單元。因此，機組調(diào)頻性能越好中標概率越高。

(2) 增加調(diào)頻里程。在同一調(diào)頻中標時段，綜合調(diào)頻性能越好的機組，能快速響應(yīng)AGC指令，能獲得更多的調(diào)頻里程。

(3) 增加調(diào)頻里程補償。由式(8)可知，綜合調(diào)頻性能指標k越高，調(diào)頻里程補償也越高。

2.3 快速變負荷的預(yù)測收益

某電廠兩套9F級燃氣輪機從2018年南方電網(wǎng)(廣東起步)輔助調(diào)頻市場啟動以來的運營數(shù)據(jù)如下：兩套機組年調(diào)頻里程約 1 500 000 MW，里程結(jié)算價格約15元/MW。根據(jù)工程經(jīng)驗，采用快速變負荷改造僅需升級控制軟件，成本約550萬元～800 萬元，綜合調(diào)頻性能指標k約為1.55。

考慮到儲能項目和調(diào)頻更優(yōu)的水電進入調(diào)頻市場后會占用一定的調(diào)頻里程資源，快速變負荷改造后會提高中標概率和增加調(diào)頻里程，按照保守估算改造前后年平均調(diào)頻里程分別為1 000 000 MW、1 080 000 MW。快速變負荷改造的調(diào)頻里程補償和相對收益結(jié)果如表3所示?？梢姡捎每焖僮冐摵筛脑炷暾{(diào)頻里程補償隨著自然年增加而接近，以10年計，快速變負荷改造相對收益為2 318萬元。

表3 燃氣輪機快速變負荷改造前后收益對比

綜上所述，燃氣輪機快速變負荷改造具有以下優(yōu)點：改造工期短，只需升級控制軟件而不需新增使用土地、設(shè)備及運維人員，綜合調(diào)頻性能優(yōu)，投資少，以10年計相對收益約2 318 萬元。

3 快速變負荷解決方案

快速變負荷允許用戶定義負荷速率且可以高于標準速率。但并非所有9F級燃氣輪機都能滿足快速變負荷改造的要求，除滿足主設(shè)備廠家規(guī)定的天然氣燃料、燃燒室、壓氣機、控制系統(tǒng)等基本條件外，還需考慮對部件限制、機組運行和余熱鍋爐的影響。

3.1 快速變負荷控制策略

3.1.1 運行負荷

采用快速變負荷的燃氣輪機，需考慮快速變負荷時是否滿足排放要求。采用OPFlex Turndown控制技術(shù)的燃氣輪機燃燒模式進入6.3預(yù)混模式后投入高級模型控制算法、自動燃燒調(diào)整算法，能滿足排放要求且燃燒穩(wěn)定性較好，此階段燃氣輪機的運行負荷為30%額定負荷以上。該聯(lián)合循環(huán)機組投入AGC運行的負荷范圍為260～390 MW，因此快速變負荷運行負荷為260～390 MW。

3.1.2 變負荷速率

燃氣輪機在并網(wǎng)后采用轉(zhuǎn)速控制模式，通過負荷增減指令來改變轉(zhuǎn)速基準TNR，從而達到改變?nèi)細廨啓C燃料行程基準FSR的輸出值來進行負荷調(diào)節(jié)，燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制燃料行程基準FSRN與轉(zhuǎn)速基準TNR的關(guān)系式為：

FSRN=(TNR-TNH)×FSKRN2+FSKRN1

(10)

式中：FSRN為燃氣輪機轉(zhuǎn)速控制燃料行程基準FSR，%；TNH為燃氣輪機運行轉(zhuǎn)速，%；FSKRN1為燃氣輪機全速空載時的FSR值，取20.566 7%；FSKRN2為決定有差轉(zhuǎn)速控制不等率的控制常數(shù)，取14.469 7%。

燃氣輪機并網(wǎng)正常運行轉(zhuǎn)速為100%額定轉(zhuǎn)速，變化不大。由式(10)可知，燃氣輪機變負荷速率可轉(zhuǎn)換為調(diào)整轉(zhuǎn)速基準TNR的變化率來實現(xiàn)。

3.1.3 汽輪機負荷速率限制

在聯(lián)合循環(huán)機組標準設(shè)計中，燃氣輪機因汽輪機應(yīng)力控制，需要限制最大的負荷速率為23 MW/min。經(jīng)評估，當燃氣輪機滿足快速變負荷條件時，汽輪機處于全周進汽且變負荷過程中主、再熱蒸汽溫度變化不大，產(chǎn)生較低的熱應(yīng)力。因此，在投入快速變負荷功能時將燃氣輪機因汽輪機應(yīng)力控制限制的最大負荷速率改為55 MW/min，以解除快速變負荷過程中汽輪機負荷速率限制。

3.1.4 自動解除快速變負荷的策略

燃氣輪機在投入快速變負荷的運行過程中，若出現(xiàn)任何降負荷的保護都將自動解除快速變負荷功能，負荷由自動控制切換至手動控制。當保護信號復(fù)位后，需重新預(yù)選負荷和重新投入快速變負荷并設(shè)定變負荷速率值。

3.2 部件限制影響

對于設(shè)計上未考慮快速變負荷的9F級燃氣輪機來說，執(zhí)行快速變負荷改造需考慮燃氣輪機各部件的限制影響并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

3.2.1 燃燒室后缸

燃燒室后缸對快速變負荷改造的限制因素有：

(1) 冷態(tài)轉(zhuǎn)子全速運行時間<45 min可能導(dǎo)致軸承振動升高；

(2) 對于較老燃燒室后缸，軸承振動超過設(shè)計值時有產(chǎn)生裂紋風險；

(3) 快速變負荷時會加速裂紋的擴展。

電廠針對燃燒室后缸對快速變負荷改造的限制影響因素執(zhí)行如下的預(yù)防措施：

(1) 機組執(zhí)行快速變負荷前至少有45 min的全速運行；

(2) 升級燃燒室后缸；若不升級燃燒室后缸則必須嚴格根據(jù)主設(shè)備廠家規(guī)范要求定期檢查燃燒室后缸。

3.2.2 壓氣機

壓氣機對快速變負荷改造的限制因素有：

(1) 對于已有裂紋，無論標準速率還是快速變負荷均可能助長裂紋；

(2) 快速變負荷提供的附加運行靈活性可能導(dǎo)致負荷的變化更加頻繁，從而導(dǎo)致現(xiàn)有燕尾槽裂紋的擴大。

電廠針對壓氣機對快速變負荷改造的限制影響因素執(zhí)行的預(yù)防措施是根據(jù)主設(shè)備廠家規(guī)范要求定期檢查壓氣機。

3.3 機組運行影響

(1) 快速變負荷只是影響燃氣輪機變負荷速率，不影響燃氣輪機基本負荷的性能?？紤]到余熱鍋爐和汽輪機的滯后性，調(diào)頻機組在相同平均負荷、不同變負荷速率運行的性能會略有不同。

(2) 與標準變化率的變負荷過程相比，快速變負荷不影響燃氣輪機主要部件基于啟動次數(shù)的維修系數(shù)。

(3) 當使用快速變負荷功能且負荷變化率大于正常變化率時，燃氣輪機出口排放將保持現(xiàn)有排放保證值范圍以內(nèi)。

(4) 快速變負荷對運行方式的影響有如下幾點：1) 負荷變化率由運行人員或外部信號選擇0到最大值范圍內(nèi)的任何變化率來增減負荷。2) 快速變負荷功能需在排放保證值范圍內(nèi)激活，在排放保證值范圍之外的最大負荷變化率將限制為標準變化率。3) 當機組增負荷到接近基本負荷時加載率會稍微降低，以避免燃燒溫度產(chǎn)生較大的瞬態(tài)沖擊；當機組排放值接近保證值邊界時，降低負荷變化率防止超出邊界。4) 若設(shè)定負荷目標在排放保證值之外，一旦實際負荷超出排放保證值時，則距目標負荷的剩余部分將繼續(xù)以標準變化率進行。

3.4 余熱鍋爐影響

快速變負荷對于基于標準負荷變化率設(shè)計的聯(lián)合循環(huán)余熱鍋爐和輔助系統(tǒng)來說，通常蒸汽溫度、汽包水位會受到影響，若控制不當，可能會造成機組因余熱鍋爐蒸汽溫度超溫甩負荷或汽包水位超限跳閘。因此，在快速變負荷改造前需對余熱鍋爐主蒸汽溫度控制及汽包水位控制進行研究優(yōu)化，并在快速負荷變化運行期間密切監(jiān)視主蒸汽溫度及汽包水位，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

3.4.1 減溫器優(yōu)化控制

燃氣輪機快速變負荷過程中燃氣輪機排氣溫度和排氣流量會快速變化，燃氣輪機排氣溫度和排氣流量表征進入余熱鍋爐的熱量，而余熱鍋爐高壓過熱蒸汽流量存在滯后性，可能出現(xiàn)高壓過熱蒸汽溫度過高影響機組安全運行的情況。這需要我們對高壓過熱減溫器進一步優(yōu)化控制，利用熱交換模型優(yōu)化高壓過熱減溫器控制，如圖2所示。根據(jù)燃氣輪機排氣溫度和排氣流量、高壓過熱蒸汽設(shè)定溫度、高壓過熱蒸汽壓力及高壓過熱蒸汽流量，計算出滿足余熱鍋爐高壓過熱蒸汽溫度要求的減溫器后蒸汽溫度，并向減溫器發(fā)送前饋信號，充分考慮系統(tǒng)熱滯后和儀表響應(yīng)時間，以便更好地控制減溫水量，保證高壓過熱蒸汽溫度在正常范圍內(nèi)，防止超溫事件發(fā)生。

圖2 高壓過熱減溫器優(yōu)化控制

3.4.2 汽包水位優(yōu)化控制

機組負荷瞬變引起的汽包水位超限是導(dǎo)致機組跳閘的常見原因。機組快速變負荷過程中，負荷瞬變會影響蒸汽流量、蒸汽壓力，通過汽包水位優(yōu)化控制可以減少蒸汽壓力及蒸汽流量瞬變引起的汽包水位超限跳閘。通過汽包水位設(shè)定智能控制，對汽包水位進行精準預(yù)測，在蒸汽壓力及蒸汽流量瞬變下保持汽包水位在安全范圍內(nèi)。汽包水位優(yōu)化控制與燃氣輪機快速變負荷、減溫器優(yōu)化控制等功能結(jié)合，能更好地實現(xiàn)快速變負荷。

綜上所述，某電廠兩臺9F級燃氣輪機滿足快速變負荷改造的條件，安全風險可控。

4 快速變負荷改造的工程實踐

4.1 快速變負荷改造

依托珠三角某電廠兩臺9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組進行燃氣輪機快速變負荷改造，成為國內(nèi)9F級燃氣輪機首個進行快速變負荷改造的實踐工程。該電廠兩臺9F級燃氣輪機通過新控制軟件實現(xiàn)快速變負荷改造，通過余熱鍋爐高壓過熱減溫器及汽包水位優(yōu)化控制，保證快速變負荷改造后機組安全運行。

4.2 變負荷動態(tài)試驗

通過對聯(lián)合循環(huán)機組進行AGC變負荷動態(tài)試驗，從而驗證9F級燃氣輪機快速變負荷改造后聯(lián)合循環(huán)機組在變負荷過程的調(diào)頻性能和安全性。圖3所示為機組快速變負荷改造前后AGC試驗的實際負荷曲線，表4為機組快速變負荷改造前后的性能指標對比?？焖僮冐摵筛脑旌舐?lián)合循環(huán)機組的綜合性能指標較改造前有大幅提升。其中實際出力變化率平均值達46.8 MW/min，遠高于改造前的18.09 MW/min。在AGC試驗過程中，聯(lián)合循環(huán)機組蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等運行參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，表明9F級燃氣輪機快速變負荷改造后能安全運行。

圖3 快速變負荷改造前后AGC試驗

表4 快速變負荷改造前后性能指標對比

4.3 調(diào)頻市場成效

某9F級燃氣輪機快速變負荷改造后，機組綜合調(diào)頻性能指標和歸一化綜合調(diào)頻性能指標分別由0.94、0.522提升至1.55、0.861 1，性能提升程度達64.9%，從而提高了燃氣輪機在調(diào)頻市場中的競爭力。

兩臺9F級燃氣輪機已在2020年4月和6月先后完成快速變負荷改造并投入調(diào)頻市場運行。截至2020年12月底，兩臺機組運行正常，調(diào)頻里程約570 000 MW，里程結(jié)算價格約14.5元/MW。按廣東調(diào)頻市場交易規(guī)則結(jié)算，快速變負荷改造前后的綜合調(diào)頻性能指標分別為1.6、2.66，改造后調(diào)頻里程補償增加約876萬元，快速變負荷改造當年就回收投資成本并增加收益。在區(qū)域調(diào)頻市場試結(jié)算開始后進行快速變負荷改造，按表3預(yù)測，改造后前兩年的相對收益約1 139萬元，可以回收投資成本；但是若試結(jié)算開始5年后進行改造，相對收益很可能為負收益，則需綜合評價調(diào)頻里程、綜合性能指標、里程結(jié)算價格再決策改造項目。

隨著大量新能源接入電網(wǎng)，電網(wǎng)承受調(diào)頻壓力劇增，具備快速變負荷能力的燃氣輪機可以應(yīng)對間歇性可再生能源發(fā)電波動等不確定因素帶來的系統(tǒng)凈負荷短時大幅變化，可根據(jù)調(diào)度指令快速調(diào)整出力，為保障電力系統(tǒng)安全運行作出重要貢獻。

5 結(jié)論

文中分析9F級燃氣輪機采用快速變負荷提升調(diào)頻性能的作用和收益，提出燃氣輪機快速變負荷改造提升調(diào)頻性能的解決方案，包括快速變負荷控制策略、部件限制影響、機組運行影響及余熱鍋爐影響。珠三角兩套9F級燃氣輪機機組快速變負荷改造的工程應(yīng)用實踐表明燃氣輪機通過快速變負荷改造能大幅提升機組的調(diào)頻性能，增強其在調(diào)頻市場中的競爭力，能為電廠帶來良好的經(jīng)濟效益，為燃氣輪機提升調(diào)頻性能提供了優(yōu)秀的模板，為電網(wǎng)提供更好的調(diào)頻手段。未來新建燃氣輪機電廠在考慮主機設(shè)備時應(yīng)將燃氣輪機快速變負荷考慮進去，以滿足機組調(diào)頻能力。