燃煤系统协同联动运行控制技术探讨

王金星，吴盈盈，陈江涛

（1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.郑州电力高等专科学校能源与动力工程学院，郑州 450000）

0 引言

随着我国“双碳”政策的实施，风电和光伏等新能源电力得到了长足发展，为构建“清洁低碳、安全高效”的能源体系提供了条件[1]。然而，由于光伏发电受光照条件的制约，风电具有一定的周期性和随机性，原有的燃煤机组为新能源电力并网提供负荷空间的同时也增加了自身调节的难度[2]。为此，探究新能源-燃煤机组综合系统的调节能力是实现节能减排的重要途径。文献[3]提出了太阳能光热与燃煤发电耦合系统，通过系统仿真模拟对耦合系统性能进行评估，为耦合系统的参数设计提供了理论基础。现有的燃煤发电节能减排方案重点在于探索其稳态运行工况[4]，然而在实际生产过程中系统很难维持某一具体工况运行。一般来说，瞬态调节目标会与实际需求存在一定的偏离，这将造成系统能耗增大以及负荷速率不足等问题。随着智慧电厂概念的推广[5]，人工智能以及大数据等新一代建模手段为提高系统协同性开辟了新的思路。系统协同联动调控是运行策略指导生产的最终目标，尤其是耦合脱碳等辅助设备更有必要探索其系统的协同性[6]。本文从燃煤系统低碳化方案等方面阐述了协同调控系统的特征，进一步从稳态热力平衡和响应控制策略两方面介绍了系统参数的优化方法，最后结合数学建模分析方法，提出了未来燃煤系统运行控制技术的潜在发展方向，期望为其工业化推广提供参考。

1 燃煤系统低碳化方案

燃煤系统低碳化涉及新能源电力嵌入、储能调节以及系统旁路改造等多个方面，如图1 所示。首先，风电和光伏等新能源电力高比例嵌入能够降低原有燃煤机组的功率需求，新能源电力自身的匹配性是深入研究的重点。文献[7]提出了一种基于风电、燃煤机组以及天然气等混合电源的调度策略，认为该调度策略能够通过遗传算法中的分层互动提高系统间的配合，实现经济和环保的多目标优化。文献[8]在进行风电、光伏、燃煤机组以及蓄电池综合系统参数优化过程中发现，风电和光伏容量占比优化能够大大降低对蓄电池的调节需求。其次，储能系统通过跨时空调节“源-荷”间的匹配性，有利于新能源电力并网。文献[9]针对600 MW燃煤机组提出了熔盐储热辅助调峰方案，该方案储热时发电机输出电能直接加热熔盐，释热时熔盐加热旁路给水，可获得最大调峰容量，调峰深度可达17.83%。文献[10]针对集热电联产、风电、储能为一体的区域能源系统提出了一种协同优化调度策略，仿真结果证实了储能系统能够降低高频弃风量，有利于提高其调峰能力和爬坡能力。与此同时，氨储存等储能系统也能在多时间尺度储能系统设计中发挥一定的作用[11]。最后，在不增加外部设备的前提下提升系统的灵活性是低成本改造方案之一，例如，给水旁路调节能够充分挖掘系统的蓄能潜力。文献[12]提出了一种基于给水旁通和抽汽节流的负荷调节方法，仿真结果的相对误差约为7%，其优化的本质是从负荷响应时间方面深度挖掘系统自身的蓄能潜力。相应地，凝结水的节流调节和动态控制能够使调节过程更为精准化[13-14]。此外，太阳能热利用也是新能源嵌入燃煤系统的方式之一。文献[15]提出将太阳能集热器分别并联在机组回热系统、高压加热器、低压加热器等多种辅助形式，从提高燃煤机组的热经济性、减少燃煤量以及降低CO2排放量等方面对方案进行优选。系统的温度范围和太阳能辐射强度也是优选方案的重要方面[16-17]。

2 系统设计与运行优化

稳态热平衡计算是工程参数规律化的基础，也是建模分析的主要方法之一。目前Ebsilon 软件已在构建热平衡方面取得了重要的研究成果，模拟的设备包括燃煤双机组、换热器布置以及熔盐储热等（见图2）。首先，燃煤双机组的联动调节会增加设计的复杂程度，尤其是对于多机组的综合热效率以及能量传递计算，利用Ebsilon软件具有更直观的效果。文献[18]通过构建200 MW和300 MW双机组模型，得到了适用于不同热电负荷需求下的负荷分配曲线，为耦合系统的设计与运行策略研发提供了理论基础。文献[19]基于Ebsilon软件所搭建的变工况运行模型，分别对抽凝供热、低压缸零出力供热、高低压旁路供热等方式进行了对比，以320 MW 燃煤机组为例，从机组供热能力、发电热耗和调峰能力等方面分析了其各自的适用性。其次，炉内换热器的布置调整是燃煤机组灵活性改造后的主要内容之一，这是因为宽负荷的运行将大大改变系统的参数分布。文献[20]利用Ebsilon软件将锅炉内换热器布置与汽水侧参数设计相结合，为深度调峰机组旁路改造及宽负荷系统设计提供了优化基础。最后，熔盐储热等蓄热设备主要应用于跨时空调节，虽然与不同运行负荷带来的效果相近，但由于蓄热温度的差异，所考虑的设备温度波动关键点会有明显区别。文献[21]以某350 MW 超临界热电联产电厂为例，利用Ebsilon软件对增设熔盐储热装置的参数进行了分析，结果表明，稳态仿真计算能够得到充放电周期内负荷的变化规律以及储热装置的充放功率。值得指出的是，系统参数范围和负荷需求能够部分决定储热罐的布置位置[22]。此外，Aspen等热力软件以及大数据辅助算法也能够在系统运行策略优化方面发挥着重要作用[23]。

图2 Ebsilon软件在燃煤系统改造仿真中的应用Fig.2 Application of Ebsilon software in the simulation of coal-fired system transformation

3 响应控制策略寻优

响应控制是系统安全运行的关键环节，目前对于响应控制设备重点为各局部参数的控制，例如汽包锅炉、汽轮机、主蒸汽、脱硫设备等（见图3）。首先，汽包锅炉负荷控制重点考虑的是系统的蓄热能力，其主要目的是提高其跟随能力。文献[24]针对600 MW 供热机组，利用Matlab/Simulink软件分别构建了汽包锅炉和汽轮机的响应模型，进一步对储能系统的辅助策略进行了优化，结果表明，所采用的模糊控制策略能够提高系统的功率变化适用性。文献[25]以2×135 MW汽包炉燃煤机组为例，结合锅炉汽轮机特性对控制逻辑进行了优化改进。其次，汽轮机压力和主蒸汽温度等参数的响应控制重点在于超温和传热恶化等方面的安全性。文献[26]针对汽温控制问题提出了一种基于串级与局部Smith预估的混合控制模型，实现了减温水与高温蒸气混合后流经过热器/再热器所涉及的传热预测。最后，脱硫设备等环保岛的响应控制主要在于污染物精准脱除，在满足污染物排放标准的前提下降低吸附剂等成本。文献[27]分析了1000 MW燃煤机组干式电除尘器通过采用模糊加权方法实现了浓度设定值无偏差控制和扰动抑制，为后续污染物脱除耗材消耗量提供了参考。文献[28]通过引入补充修正系数对净烟气SO2浓度的供浆量进行信号前反馈改进，提高了石灰石供浆泵自动控制质量。提高反馈控制的重点在于保证参数间信号关联的时效性。文献[29]对现有瞬态建模方法进行了评述，重点讨论了变负荷速率等对燃煤发电机组调峰调频的影响，认为控制策略优化的本质在于充分挖掘燃煤发电机组的内部蓄热潜力以及实现参数间的协同性。由此可见，在保证系统局部参数安全的前提下，提高系统参数间的联动性能与系统改造方案设计之间存在着相辅相成的关系。

图3 局部参数响应控制模型优化Fig.3 Optimization of local parameter response control model

4 系统协同联动调控技术

系统协同联动调控主要包括参数组合寻优过程、多目标寻优过程和迭代寻优过程三个方面（见图4）。首先，参数组合寻优重点考虑的是大量工程数据的交叉组合，以提高样本的精度。文献[30]建立了一种烟气余热和水协同回收的优化模型，该模型以330 MW机组为例提出了一种兼顾系统多参数优化和变工况特性的全工况调控策略，计算结果为，设计工况下的系统综合节水率可达15.34 kg/s，系统综合节煤率为4.12 g/kWh。其次，多目标算法主要考虑的是技术安全性和经济性。文献[31]以风电-抽凝机组耦合系统为例，分别对吸收式热泵供暖、电热泵供暖、蓄热电锅炉供暖以及其组合供暖展开了研究，通过对比风电嵌入比和主蒸汽消耗量获得不同供暖方案的适用范围，实现了多目标优化。最后，迭代寻优算法主要在计算过程中需要设定未知参数。文献[32]提出了一种碳捕集与电转气的协同运行模型，由于其需要同时协调系统运行经济性与环境性的关系，所涉及未知参数较多，因此采用了局部迭代校准的方法去精准评估，该计算方式有利于对局部参数的安全性进行实时核查与校准。由此可见，协同联动调控技术是针对已有系统实现综合优化的重要方法，尽管对于具体情况仍需进行局部修正与改进，但该方法本身为暂态不平衡优化提供了指导方向。协同联动调控并不局限于多机组之间，也包括给水系统与给煤系统间的协同以及CO2循环与燃煤机组间的耦合协同[33-34]。

图4 系统参数优化运行逻辑图Fig.4 Logic diagram of system parameter optimization operation

5 运行控制策略研究展望

燃煤系统运行控制策略不仅需要从整体进行参数设计与匹配，也需要稳态平衡和动态修正等方面的协同调控。文献[35]提出了一种多维近似动态规划的实时调度算法，将多变量进行聚合，通过多能量集成的高维度计算以保证模型的精准度。对于多燃煤机组或多电源和热源的情况下，供应端需兼顾多种运行策略下的负荷分配。文献[36]对多能系统进行了分阶段需求优化研究，结果表明，能量管理方案的分区域非线性优化有利于降低系统的运行成本。文献[37]进一步将燃煤机组动态煤耗修正方法稳态设计与动态修正相结合，为实现燃煤机组智慧供热与灵活调峰奠定了理论基础。以燃煤综合供暖系统为例（见图5），负荷分配和响应控制等方面已进行了广泛研究，但复杂系统的参数协同性仍处于理论研究阶段（设定理想情景）。未来运行控制策略研究的方向将进一步探索其综合系统节能环保、智能高效的运行潜力，其中以负荷分配为基础调节、响应控制为约束边界，通过参数协同化探索实现整个系统的智能运行，并将参数优化结果二次反馈至负荷分配策略和响应控制策略模块，实现多运行策略的方案重组。最终，通过在线软件研发对实际生产进行指导，实现产学研技术落地，

图5 燃煤系统运行控制策略研究板块关联图Fig.5 Correlation diagram of the research section on operational control strategy for coal-fired system

6 结论

本文进行了燃煤系统协同联动调控技术研究进展的分析和总结，重点讨论了燃煤系统低碳化方案、稳态热平衡构建、响应控制以及系统协同联动调控，得出结论如下：

（1）燃煤系统低碳化方案包括新能源电力嵌入、储能调节以及系统旁路改造等，其作用原理依次为降低原有燃煤机组的功率需求、跨时空调节“源-荷”间的匹配性和充分挖掘系统的蓄能潜力。

（2）稳态热平衡计算、响应控制单元以及系统协同联动调控方法是实现系统优化以及安全控制的重要途径，其中主要涉及设备参数的设计、局部参数的动态控制以及系统模型的总体仿真寻优。

（3）运行策略与控制策略的有机结合以及进一步通过在线可视化软件研发是实现协同联动调控技术推广的关键，其中负荷分配为基础调节、响应控制为约束边界，通过协同运行策略实现运行控制的策略重组。