燃煤系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動運行控制技術(shù)探討

王金星，吳盈盈，陳江濤

（1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.鄭州電力高等專科學(xué)校能源與動力工程學(xué)院，鄭州 450000）

0 引言

隨著我國“雙碳”政策的實施，風(fēng)電和光伏等新能源電力得到了長足發(fā)展，為構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系提供了條件[1]。然而，由于光伏發(fā)電受光照條件的制約，風(fēng)電具有一定的周期性和隨機性，原有的燃煤機組為新能源電力并網(wǎng)提供負荷空間的同時也增加了自身調(diào)節(jié)的難度[2]。為此，探究新能源-燃煤機組綜合系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。文獻[3]提出了太陽能光熱與燃煤發(fā)電耦合系統(tǒng)，通過系統(tǒng)仿真模擬對耦合系統(tǒng)性能進行評估，為耦合系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的燃煤發(fā)電節(jié)能減排方案重點在于探索其穩(wěn)態(tài)運行工況[4]，然而在實際生產(chǎn)過程中系統(tǒng)很難維持某一具體工況運行。一般來說，瞬態(tài)調(diào)節(jié)目標會與實際需求存在一定的偏離，這將造成系統(tǒng)能耗增大以及負荷速率不足等問題。隨著智慧電廠概念的推廣[5]，人工智能以及大數(shù)據(jù)等新一代建模手段為提高系統(tǒng)協(xié)同性開辟了新的思路。系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控是運行策略指導(dǎo)生產(chǎn)的最終目標，尤其是耦合脫碳等輔助設(shè)備更有必要探索其系統(tǒng)的協(xié)同性[6]。本文從燃煤系統(tǒng)低碳化方案等方面闡述了協(xié)同調(diào)控系統(tǒng)的特征，進一步從穩(wěn)態(tài)熱力平衡和響應(yīng)控制策略兩方面介紹了系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化方法，最后結(jié)合數(shù)學(xué)建模分析方法，提出了未來燃煤系統(tǒng)運行控制技術(shù)的潛在發(fā)展方向，期望為其工業(yè)化推廣提供參考。

1 燃煤系統(tǒng)低碳化方案

燃煤系統(tǒng)低碳化涉及新能源電力嵌入、儲能調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)旁路改造等多個方面，如圖1 所示。首先，風(fēng)電和光伏等新能源電力高比例嵌入能夠降低原有燃煤機組的功率需求，新能源電力自身的匹配性是深入研究的重點。文獻[7]提出了一種基于風(fēng)電、燃煤機組以及天然氣等混合電源的調(diào)度策略，認為該調(diào)度策略能夠通過遺傳算法中的分層互動提高系統(tǒng)間的配合，實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)保的多目標優(yōu)化。文獻[8]在進行風(fēng)電、光伏、燃煤機組以及蓄電池綜合系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電和光伏容量占比優(yōu)化能夠大大降低對蓄電池的調(diào)節(jié)需求。其次，儲能系統(tǒng)通過跨時空調(diào)節(jié)“源-荷”間的匹配性，有利于新能源電力并網(wǎng)。文獻[9]針對600 MW燃煤機組提出了熔鹽儲熱輔助調(diào)峰方案，該方案儲熱時發(fā)電機輸出電能直接加熱熔鹽，釋熱時熔鹽加熱旁路給水，可獲得最大調(diào)峰容量，調(diào)峰深度可達17.83%。文獻[10]針對集熱電聯(lián)產(chǎn)、風(fēng)電、儲能為一體的區(qū)域能源系統(tǒng)提出了一種協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略，仿真結(jié)果證實了儲能系統(tǒng)能夠降低高頻棄風(fēng)量，有利于提高其調(diào)峰能力和爬坡能力。與此同時，氨儲存等儲能系統(tǒng)也能在多時間尺度儲能系統(tǒng)設(shè)計中發(fā)揮一定的作用[11]。最后，在不增加外部設(shè)備的前提下提升系統(tǒng)的靈活性是低成本改造方案之一，例如，給水旁路調(diào)節(jié)能夠充分挖掘系統(tǒng)的蓄能潛力。文獻[12]提出了一種基于給水旁通和抽汽節(jié)流的負荷調(diào)節(jié)方法，仿真結(jié)果的相對誤差約為7%，其優(yōu)化的本質(zhì)是從負荷響應(yīng)時間方面深度挖掘系統(tǒng)自身的蓄能潛力。相應(yīng)地，凝結(jié)水的節(jié)流調(diào)節(jié)和動態(tài)控制能夠使調(diào)節(jié)過程更為精準化[13-14]。此外，太陽能熱利用也是新能源嵌入燃煤系統(tǒng)的方式之一。文獻[15]提出將太陽能集熱器分別并聯(lián)在機組回?zé)嵯到y(tǒng)、高壓加熱器、低壓加熱器等多種輔助形式，從提高燃煤機組的熱經(jīng)濟性、減少燃煤量以及降低CO2排放量等方面對方案進行優(yōu)選。系統(tǒng)的溫度范圍和太陽能輻射強度也是優(yōu)選方案的重要方面[16-17]。

2 系統(tǒng)設(shè)計與運行優(yōu)化

穩(wěn)態(tài)熱平衡計算是工程參數(shù)規(guī)律化的基礎(chǔ)，也是建模分析的主要方法之一。目前Ebsilon 軟件已在構(gòu)建熱平衡方面取得了重要的研究成果，模擬的設(shè)備包括燃煤雙機組、換熱器布置以及熔鹽儲熱等（見圖2）。首先，燃煤雙機組的聯(lián)動調(diào)節(jié)會增加設(shè)計的復(fù)雜程度，尤其是對于多機組的綜合熱效率以及能量傳遞計算，利用Ebsilon軟件具有更直觀的效果。文獻[18]通過構(gòu)建200 MW和300 MW雙機組模型，得到了適用于不同熱電負荷需求下的負荷分配曲線，為耦合系統(tǒng)的設(shè)計與運行策略研發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。文獻[19]基于Ebsilon軟件所搭建的變工況運行模型，分別對抽凝供熱、低壓缸零出力供熱、高低壓旁路供熱等方式進行了對比，以320 MW 燃煤機組為例，從機組供熱能力、發(fā)電熱耗和調(diào)峰能力等方面分析了其各自的適用性。其次，爐內(nèi)換熱器的布置調(diào)整是燃煤機組靈活性改造后的主要內(nèi)容之一，這是因為寬負荷的運行將大大改變系統(tǒng)的參數(shù)分布。文獻[20]利用Ebsilon軟件將鍋爐內(nèi)換熱器布置與汽水側(cè)參數(shù)設(shè)計相結(jié)合，為深度調(diào)峰機組旁路改造及寬負荷系統(tǒng)設(shè)計提供了優(yōu)化基礎(chǔ)。最后，熔鹽儲熱等蓄熱設(shè)備主要應(yīng)用于跨時空調(diào)節(jié)，雖然與不同運行負荷帶來的效果相近，但由于蓄熱溫度的差異，所考慮的設(shè)備溫度波動關(guān)鍵點會有明顯區(qū)別。文獻[21]以某350 MW 超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)電廠為例，利用Ebsilon軟件對增設(shè)熔鹽儲熱裝置的參數(shù)進行了分析，結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)仿真計算能夠得到充放電周期內(nèi)負荷的變化規(guī)律以及儲熱裝置的充放功率。值得指出的是，系統(tǒng)參數(shù)范圍和負荷需求能夠部分決定儲熱罐的布置位置[22]。此外，Aspen等熱力軟件以及大數(shù)據(jù)輔助算法也能夠在系統(tǒng)運行策略優(yōu)化方面發(fā)揮著重要作用[23]。

圖2 Ebsilon軟件在燃煤系統(tǒng)改造仿真中的應(yīng)用Fig.2 Application of Ebsilon software in the simulation of coal-fired system transformation

3 響應(yīng)控制策略尋優(yōu)

響應(yīng)控制是系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前對于響應(yīng)控制設(shè)備重點為各局部參數(shù)的控制，例如汽包鍋爐、汽輪機、主蒸汽、脫硫設(shè)備等（見圖3）。首先，汽包鍋爐負荷控制重點考慮的是系統(tǒng)的蓄熱能力，其主要目的是提高其跟隨能力。文獻[24]針對600 MW 供熱機組，利用Matlab/Simulink軟件分別構(gòu)建了汽包鍋爐和汽輪機的響應(yīng)模型，進一步對儲能系統(tǒng)的輔助策略進行了優(yōu)化，結(jié)果表明，所采用的模糊控制策略能夠提高系統(tǒng)的功率變化適用性。文獻[25]以2×135 MW汽包爐燃煤機組為例，結(jié)合鍋爐汽輪機特性對控制邏輯進行了優(yōu)化改進。其次，汽輪機壓力和主蒸汽溫度等參數(shù)的響應(yīng)控制重點在于超溫和傳熱惡化等方面的安全性。文獻[26]針對汽溫控制問題提出了一種基于串級與局部Smith預(yù)估的混合控制模型，實現(xiàn)了減溫水與高溫蒸氣混合后流經(jīng)過熱器/再熱器所涉及的傳熱預(yù)測。最后，脫硫設(shè)備等環(huán)保島的響應(yīng)控制主要在于污染物精準脫除，在滿足污染物排放標準的前提下降低吸附劑等成本。文獻[27]分析了1000 MW燃煤機組干式電除塵器通過采用模糊加權(quán)方法實現(xiàn)了濃度設(shè)定值無偏差控制和擾動抑制，為后續(xù)污染物脫除耗材消耗量提供了參考。文獻[28]通過引入補充修正系數(shù)對凈煙氣SO2濃度的供漿量進行信號前反饋改進，提高了石灰石供漿泵自動控制質(zhì)量。提高反饋控制的重點在于保證參數(shù)間信號關(guān)聯(lián)的時效性。文獻[29]對現(xiàn)有瞬態(tài)建模方法進行了評述，重點討論了變負荷速率等對燃煤發(fā)電機組調(diào)峰調(diào)頻的影響，認為控制策略優(yōu)化的本質(zhì)在于充分挖掘燃煤發(fā)電機組的內(nèi)部蓄熱潛力以及實現(xiàn)參數(shù)間的協(xié)同性。由此可見，在保證系統(tǒng)局部參數(shù)安全的前提下，提高系統(tǒng)參數(shù)間的聯(lián)動性能與系統(tǒng)改造方案設(shè)計之間存在著相輔相成的關(guān)系。

圖3 局部參數(shù)響應(yīng)控制模型優(yōu)化Fig.3 Optimization of local parameter response control model

4 系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控技術(shù)

系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控主要包括參數(shù)組合尋優(yōu)過程、多目標尋優(yōu)過程和迭代尋優(yōu)過程三個方面（見圖4）。首先，參數(shù)組合尋優(yōu)重點考慮的是大量工程數(shù)據(jù)的交叉組合，以提高樣本的精度。文獻[30]建立了一種煙氣余熱和水協(xié)同回收的優(yōu)化模型，該模型以330 MW機組為例提出了一種兼顧系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化和變工況特性的全工況調(diào)控策略，計算結(jié)果為，設(shè)計工況下的系統(tǒng)綜合節(jié)水率可達15.34 kg/s，系統(tǒng)綜合節(jié)煤率為4.12 g/kWh。其次，多目標算法主要考慮的是技術(shù)安全性和經(jīng)濟性。文獻[31]以風(fēng)電-抽凝機組耦合系統(tǒng)為例，分別對吸收式熱泵供暖、電熱泵供暖、蓄熱電鍋爐供暖以及其組合供暖展開了研究，通過對比風(fēng)電嵌入比和主蒸汽消耗量獲得不同供暖方案的適用范圍，實現(xiàn)了多目標優(yōu)化。最后，迭代尋優(yōu)算法主要在計算過程中需要設(shè)定未知參數(shù)。文獻[32]提出了一種碳捕集與電轉(zhuǎn)氣的協(xié)同運行模型，由于其需要同時協(xié)調(diào)系統(tǒng)運行經(jīng)濟性與環(huán)境性的關(guān)系，所涉及未知參數(shù)較多，因此采用了局部迭代校準的方法去精準評估，該計算方式有利于對局部參數(shù)的安全性進行實時核查與校準。由此可見，協(xié)同聯(lián)動調(diào)控技術(shù)是針對已有系統(tǒng)實現(xiàn)綜合優(yōu)化的重要方法，盡管對于具體情況仍需進行局部修正與改進，但該方法本身為暫態(tài)不平衡優(yōu)化提供了指導(dǎo)方向。協(xié)同聯(lián)動調(diào)控并不局限于多機組之間，也包括給水系統(tǒng)與給煤系統(tǒng)間的協(xié)同以及CO2循環(huán)與燃煤機組間的耦合協(xié)同[33-34]。

圖4 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化運行邏輯圖Fig.4 Logic diagram of system parameter optimization operation

5 運行控制策略研究展望

燃煤系統(tǒng)運行控制策略不僅需要從整體進行參數(shù)設(shè)計與匹配，也需要穩(wěn)態(tài)平衡和動態(tài)修正等方面的協(xié)同調(diào)控。文獻[35]提出了一種多維近似動態(tài)規(guī)劃的實時調(diào)度算法，將多變量進行聚合，通過多能量集成的高維度計算以保證模型的精準度。對于多燃煤機組或多電源和熱源的情況下，供應(yīng)端需兼顧多種運行策略下的負荷分配。文獻[36]對多能系統(tǒng)進行了分階段需求優(yōu)化研究，結(jié)果表明，能量管理方案的分區(qū)域非線性優(yōu)化有利于降低系統(tǒng)的運行成本。文獻[37]進一步將燃煤機組動態(tài)煤耗修正方法穩(wěn)態(tài)設(shè)計與動態(tài)修正相結(jié)合，為實現(xiàn)燃煤機組智慧供熱與靈活調(diào)峰奠定了理論基礎(chǔ)。以燃煤綜合供暖系統(tǒng)為例（見圖5），負荷分配和響應(yīng)控制等方面已進行了廣泛研究，但復(fù)雜系統(tǒng)的參數(shù)協(xié)同性仍處于理論研究階段（設(shè)定理想情景）。未來運行控制策略研究的方向?qū)⑦M一步探索其綜合系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保、智能高效的運行潛力，其中以負荷分配為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)、響應(yīng)控制為約束邊界，通過參數(shù)協(xié)同化探索實現(xiàn)整個系統(tǒng)的智能運行，并將參數(shù)優(yōu)化結(jié)果二次反饋至負荷分配策略和響應(yīng)控制策略模塊，實現(xiàn)多運行策略的方案重組。最終，通過在線軟件研發(fā)對實際生產(chǎn)進行指導(dǎo)，實現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研技術(shù)落地，

圖5 燃煤系統(tǒng)運行控制策略研究板塊關(guān)聯(lián)圖Fig.5 Correlation diagram of the research section on operational control strategy for coal-fired system

6 結(jié)論

本文進行了燃煤系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控技術(shù)研究進展的分析和總結(jié)，重點討論了燃煤系統(tǒng)低碳化方案、穩(wěn)態(tài)熱平衡構(gòu)建、響應(yīng)控制以及系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控，得出結(jié)論如下：

（1）燃煤系統(tǒng)低碳化方案包括新能源電力嵌入、儲能調(diào)節(jié)以及系統(tǒng)旁路改造等，其作用原理依次為降低原有燃煤機組的功率需求、跨時空調(diào)節(jié)“源-荷”間的匹配性和充分挖掘系統(tǒng)的蓄能潛力。

（2）穩(wěn)態(tài)熱平衡計算、響應(yīng)控制單元以及系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控方法是實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化以及安全控制的重要途徑，其中主要涉及設(shè)備參數(shù)的設(shè)計、局部參數(shù)的動態(tài)控制以及系統(tǒng)模型的總體仿真尋優(yōu)。

（3）運行策略與控制策略的有機結(jié)合以及進一步通過在線可視化軟件研發(fā)是實現(xiàn)協(xié)同聯(lián)動調(diào)控技術(shù)推廣的關(guān)鍵，其中負荷分配為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)、響應(yīng)控制為約束邊界，通過協(xié)同運行策略實現(xiàn)運行控制的策略重組。