利用热网储能提高供热机组调频调峰能力的控制方法论文_孙卫东 贾汝震

利用热网储能提高供热机组调频调峰能力的控制方法论文_孙卫东	贾汝震

在我国飞速发展得过程中,电网面临的调峰调频的压力也与 日俱增。当然电网面临的调频调峰的压力主要有两个方面,其一 是目前,我国的用电负荷峰谷比较大,用电负荷随机性增加。另 外的一方面就是如今新能源大规模并网,风电等波动性能源难以 参与电网调峰调频。但是可以采用改变供热快关阀开度的方法, 从而利用热网蓄热快速改变机组发电负荷。

一、现如今我国供热机组调频调峰的现状

目前电网面临的调峰调频压力日益增大。用电负荷的预测精 度很高,但风电功率很难精确预测且不可控,电网频率调整必须 由传统电厂分担。由于风电调节能力差,调度中通常把风电看做 负的负荷,将实际负荷需求与风电负荷叠加作为电网等效负荷。 大规模风电接入通常导致电网等效负荷峰谷差变大,风电的反调 节特性进一步加大了对系统调峰容量的需求。为了弥补电力系统 调峰调频容量不足,近年来关于各种储能系统、调度方式及风光 互补、风火互补、风水互补的研究很多,但真正实现大规模互补 的工程项目还很少。甘肃电力调度控制中心在敦煌地区电网已经 实现水电、风电、光伏有功出力的联合调度和智能控制。在总发 电装机容量已经大于平均用电负荷的情况下,建设能够大范围双 向调峰的储能性机组是未来的发展方向。目前抽水蓄能电站是主 要的已经商业化的储能性机组,但其建设受地理环境限制,在我 国风电高发的三北地区分布较少。火电机组为我国主力发电机组, 现阶段利用火电储能提高其调峰调频能力具有更广泛的应用前景。

火电机组通过改变燃料量调节发电负荷的过程非常缓慢。但 机组发电过程中有一部分能量存储于热力系统中。例如:锅炉汽 水系统中的蓄热可以通过改变压力的方式利用;汽轮机侧,通过 凝结水节流可以将存储在回热系统中的能量加以利用。通过合理 利用机组蓄能,可以有效提高机组负荷响应速率。供热机组在发 电同时将一部分热量用于供热。热网中包含大量加热器、供热管道、 热交换器、用户暖器等设备,具有巨大蓄能容量。可以利用这部 分蓄热提高机组短时间尺度上的调峰、调频性能。例如,短时间 内减少供热量,可以将原本用于供热的能量用于发电,迅速增加 机组发电功率,而不会对热用户造成明显影响。

二、供热机组模型与热网蓄热过程

利用热网储能提高机组发电负荷响应速率要建立包含供热部 分动态特性的机组模型。抽汽式供热机组和纯凝汽式机组结构上 的主要区别在于供热部分。供热部分热力系统包括调节蝶阀、逆 止阀、快关阀、隔离阀、热网加热器、热网疏水泵、除氧器、热 网回水、热网循环水泵、自低压加热器、至给水泵、高压加热器等。 汽轮机中压缸与低压缸连接管道上的三通管将部分中压缸排汽引 出作为热网加热器热源。这部分排汽分为两路送往串联的两个热 网加热器,释放热量后汇总为一路,经热网疏水泵送入除氧器。 进入热网加热器前的两路管道上都安装有逆止阀、快关阀、隔离阀。 热网加热器热网回水连续经过两个热网加热器加热后,经热网循 环泵升压后送至管网供热。

利用热网蓄热改变机组发电负荷,可以选择不同的执行机构。 一般采用调节蝶阀调整供热负荷与发电功率的比例。由于调节蝶 阀在大流量即机组发电负荷较高时灵敏度很低,所以部分机组选 择同样具有调节作用的快关阀调节负荷。快关阀开度增加,进入 热网加热器的抽汽流量增加,热网加热器换热量增加,循环水出 水温度增加,热网蓄热;同时,进入汽轮机机低压缸的蒸汽流量 减少,机组发电负荷减小。快关阀开度减小,进入热网加热器的 抽汽流量减小,换热量减小,出水温度减小,热网释放蓄热,机 组发电负荷增加。

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三、负荷指令处理

随着风电等随机性新能源并网,电网对机组的调峰调频能力 提出了更高的要求。具体表现为自动发电控制 (AGC) 要求的变负 荷速率和范围增加。供热机组从“以热定电”运行方式改变为协 调控制方式参与电网调峰调频。充分利用热网蓄热能够进一步提 高机组的变负荷速率。基本思路是将超出现有协调方式能够接受 的变负荷速率外的 AGC 负荷指令分解出来,送入供热侧,这部分 快变指令通过热网蓄热前馈调节。改变快关阀开度能够快速改变 机组发电负荷,但快关阀开度变化范围有限,不能直接将负荷指 令作为热网蓄热控制前馈信号,因此希望将负荷指令快速且小范 围变化的一部分作为前馈信号。有文献中提到的非线性多尺度分 解方法可以将一个信号按照变化速率分解为快变部分和缓变部分, 且快变部分信号波动范围大,缓变部分信号波动范围小。如果多 次使用这一方法对信号进行分解,可以得到不同速率变化范围信 号。这种方法分解出来的快变信号刚好符合热网蓄热改变负荷速 度快但范围有限的特点。

四、带供热前馈的协调控制方案

与已有的控制方案相比,其可以通过改变燃料量、汽轮机调 门开度、快关阀开度等方式改变发电负荷。燃料量调节负荷过程 缓慢,从燃料量变化到负荷明显改变有很大滞后;汽轮机调门调 节负荷的速度快,但如果不及时补充燃料,机组负荷会回到调门 动作前的数值;快关阀调节负荷的速度也很快,以此利用热网蓄 热能够弥补调门动作后负荷快速回归与燃料量变化到负荷尚未明 显变化之间那段时间内的负荷需求。燃料量本身变化不能过快而 且容易过调,因此将负荷指令信号分解出的缓变部分作为燃料前 馈叠加在锅炉燃料量指令上,使锅炉输入能量与发电负荷指令趋 势匹配;快关阀调节负荷过程快速,但调节范围有限,因此将负 荷指令信号中的快变部分作为供热前馈叠加在快关阀开度指令上, 利用热网蓄热及时改变所需的发电负荷,提高机组负荷响应速率。 当然要对带供热前馈的方案进行改进,使其可以采用两种不同尺 度的前馈适应了不同调节手段的特点,又能够使最终发电快速跟 随负荷变化,并且不影响原来机组的稳定性。

五、结束语

综上所述,通过分析可以了解到供热快关阀开度与发电负荷 间的关系。那就是当快关阀开度增加时,热网就会随之蓄热,同 时机组发电负荷降低;而当快关阀开度减小时,热网就会释放蓄热, 当然,机组发电负荷也会随之增加。也是因为热网蓄热调节负荷 快速这一特点,所以可以采用速率限制非线性分解方法将机组负 荷指令信号中的快变部分分解出来作为供热前馈加在快关阀开度 指令上。在原有炉跟机协调控制系统中引入前馈信号不影响原有 系统的稳定性,利于工程应用。

参考文献:

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[5] 杨锡运 . 提升风电就地消纳的蓄热式电锅炉优化调度研 究 [J]. 电器与能效管理技术 ,2017,(13).

论文作者:孙卫东 贾汝震

论文发表刊物:《红地产》2017年7月

论文发表时间:2018/4/2

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