热电联产机组联合电极锅炉深度调峰性能试验研究
2022-11-10徐斌崔海林
徐斌，崔海林
（宁夏电力投资集团银川热电有限公司，宁夏 银川 750021）
0 引言
随着国家“碳达峰，碳中和”“30，60”目标的提出，可再生能源发电在能源结构中的占比不断提高[1-3]，传统燃煤电厂将逐渐由发电供给侧主力转变为维持电网稳定平衡的关键电源点，随着并网新能源场站的持续增多，新能源渗透率不断增大，如何安全、平稳地提高新能源利用率，降低弃风弃光率，最大程度地解决新能源消纳问题，需要电网和发电企业持续探索[4-6]。
传统火力发电热电联产机组采用深度调峰技术参与电力辅助服务市场，为电网提供调峰辅助服务[7]，获取调峰收益，促进新能源消纳，是传统能源企业实现双赢的一种运行方式。文献[8]以参与风电调峰为出发点，提出多种热电联产机组参与深度调峰的可行性方案。文献[9]提出一种供热机组以热定电调峰的数学模型，并验证了模型的准确性。文献[10]建立基于双层优化的电锅炉和储热系统容量优化模型，分析了热电厂配置电锅炉和储热系统的最优配置模式。文献[11]以东北地区为例，研究东北地区电网典型热电机组在不同场景下的经济性，并提出了降低电锅炉调峰项目投资风险的可行方案。文献[12]设计了一种直流式固体蓄热电锅炉，并对其性能进行试验，通过试验数据研究其蓄热和放热的功率损耗。文献[13]研究了通过增设蓄热水罐辅助热电联产机组提高其深度调峰灵活性的方法。上述研究多为传统热电联产机组深度调峰建模分析或经济性研究，较少涉及电极锅炉联合热电联产机组实现深度调峰运行工况的实际运行性能研究，本文以某200 MW热电联产机组为例，研究了热电联产机组联合电极锅炉实现深度调峰的机理，并试验验证其调峰响应速度性能。
1 系统描述
本文研究的热电联产机组联合电极锅炉系统如图1所示，其主要由锅炉、汽轮机、发电机、电极锅炉、板式换热器、热网加热器组成。
图1 热电联产机组联合电极锅炉系统
该系统的主要原理是通过电加热代替汽轮机抽汽加热，电极锅炉用电量来自机组发电，电气主接线如图2所示。电极锅炉消耗了机组发电量，降低了机组的上网功率，同时因电加热替代了原抽汽加热，机组供热抽汽量减少，可进一步降低机组发电功率，实现在上网功率很低的工况下仍能保证热负荷供应的热电解耦模式，提高机组调峰深度。
图2 电气主接线
2 计及电极锅炉的热电联产深度调峰系统模型
2.1 目标函数
所研究的热电联产深度调峰系统含有电极锅炉，其快速启动响应特性对机组深度调峰的性能，尤其是对自动发电控制（automatic generation control，AGC）调节速率的性能均有显著影响。为验证本系统的调峰性能，系统模型通过调峰功率、电极锅炉调节速率和AGC调节速率三个指标表征，即由调峰功率反映系统能达到的调峰深度，由电极锅炉调节速率反映电极锅炉单体运行调节响应速度，由AGC调节速率反映系统深度调峰响应速度[14]。
2.1.1 调峰功率
本文系统的调峰功率指经电极锅炉投入运行抵减机组发电功率后的系统整体上网功率，即系统调峰运行的实际输出功率，可表示为
式中：Pdpr(t)为t时刻电厂发电机组经电极锅炉递减后实际深度调峰上网功率；∑PGn(t)为t时刻电厂机组总有功功率之和；Peb(t)为t时刻投入运行的电极锅炉功率；Pf(t)为t时刻厂用负荷有功功率。
2.1.2 电极锅炉调节速率
电极锅炉单体容量通常为10～60 MW，用于深度调峰运行时，其调节速率直接影响到整体系统的响应速度。电极锅炉调节速率可表示为
式中：εeb为电极锅炉调节速率；Δt为时间步长，本文取5 min。
2.1.3 AGC调节速率
AGC调节速率作为对并网发电机组提供AGC服务的考核内容[15]，其计算方式是选取负荷变化至AGC负荷指令目标变化幅度10%～90%的两个负荷点，其斜率连线的绝对值可表示为
式中：εAGC为AGC平均调节速率；Pt0为机组初始时刻实际发电功率;Paim为机组目标发电功率;T10%为机组发电功率达到M10%的时间；T90%为机组发电功率达到M90%的时间；M10%为AGC负荷10%变化幅度下机组发电实际功率；M90%为AGC负荷90%变化幅度下机组发电实际功率。
2.2 约束条件
机组参与深度调峰的起始发电功率为额定出力的50%，联合电极锅炉深度调峰期间为不影响电网潮流运行稳定，应保证功率平衡，且部分地区出于电网运行安全的考虑要求深度调峰开始后机组总送出功率不小于机组额定功率的10%[16]，因此其约束条件表示为
3 现场试验
3.1 试验条件
某热电联产机组的锅炉型号为DG670/13.7-21型一次中间再热超高压自然循环汽包炉。汽轮机型号为C200/140-12.75/0.245/535/535型超高压、单轴、三缸双排汽、工业用不可调整抽汽、采暖用可调整抽汽、一次中间再热抽汽凝汽式汽轮机。发电机型号为QFSN-210-2。电极锅炉配置5台40 MW，总功率200 MW，电压等级10 kV，出水温度130℃。
试验前需具备以下条件：
1）机组AGC功能投入，发电功率分别大于125 MW；
2）热网加热器均投运，循环水总量≥10 000 t/h，供水压力≤1.0 MPa，供水温度≤110℃，回水压力≥0.20 MPa，回水温度≤62℃。
3.2 试验过程
1）试验过程中，调整热电联产机组运行参数和电极锅炉功率以满足公式（6）的约束条件。
2）机组AGC投入状态，单台电极锅炉开始深度调峰从0～40 MW逐步升负荷，记录电极锅炉带至满负荷的时间，考核时间5 min，计算调节速率。电极锅炉负荷稳定后，进行40～0 MW减负荷试验，记录电极锅炉从满负荷至0 MW负荷时间，考核时间5 min，计算调节速率。
3）机组AGC投入状态，维持各机组发电功率126 MW，热网供水流量10 000 t/h，电极锅炉系统从0～100 MW逐步升负荷，记录电极锅炉带至满负荷的时间，考核时间5 min，计算调节速率。电极锅炉负荷稳定后，进行100～0 MW减负荷试验，记录电极锅炉从满负荷至0 MW负荷时间，考核时间5 min，计算调节速率。
4）机组AGC投入状态，维持各机组发电功率126 MW，热网供水流量10 000 t/h，电极锅炉系统从0～200 MW逐步升负荷，记录电极锅炉带至满负荷的时间，考核时间30 min，计算调节速率。电极锅炉负荷稳定后，进行200～0 MW减负荷试验，记录电极锅炉从满负荷至0 MW负荷时间，考核时间30 min，计算调节速率。
3.3 试验结果及分析
单台电极锅炉调节性能及系统调峰功率试验数据见表1。
表1 单台电极锅炉调节性能及系统调峰功率结果
200 MW电极锅炉全部投入后配合热电联产机组实现深度调峰的试验数据如表2所示。试验期间两台机组总功率252 MW，厂用电负荷有功功率稳定在30 MW左右。机组深度调峰期间，电极锅炉响应调节速率变化趋势见图3。
图3 热电联产机组深度调峰期间电极锅炉响应速率趋势
由表1分析可知，按照公式（2）计算热态情况下单台电锅炉平均升降负荷速率为4 MW/min。由表2、图3分析可知在机组热电联产供热期间，电极锅炉系统参与深度调峰的平均响应速度绝对值为9.45 MW/min，远高于直吹式制粉系统的汽包炉火电机组每分钟AGC调节速率为机组容量1.5%的要求[20]，说明电极锅炉具备良好的调节性能，能够较好地匹配热电联产机组深度调峰工况运行下对功率负荷响应速度的需求。
表2 电极锅炉全功率投入深度调峰联合热电联产机组调节性能结果
4 结论
热电联产机组联合电极锅炉进行深度调峰的优点是可以在保证热电联产机组供热负荷不变的前提下，以更深的调峰深度和极低的上网发电功率实现深度调峰功能。由试验结果可知，电极锅炉功率能够实时连续调整，调整响应速度快。利用电极锅炉调峰，对原有机组的正常运行及控制逻辑影响较小。调峰期间机组负荷率较高，不需要考虑对烟气脱硝系统进行改造。采用电极锅炉实现深度调峰，为电网消纳新能源提供更大的空间，也提高了电网系统和电厂机组运行的灵活性。
