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基于Apros的二次再热机组灵活运行能耗特性与调控策略研究

2024-10-17 105 上传者：管理员

摘要：分离器出口温度和主蒸汽压力作为CCS中需要被控制的两个参数，其参数值的设定直接影响机组的安全和经济运行，然而其设定值对于二次再热机组能耗的影响仍然模糊不清。为揭示其对二次再热机组灵活运行能耗特性的影响，利用Apros软件建立了二次再热机组的动态模型，并与实际运行数据比对验证了模型的准确性，然后通过调节分离器出口温度和主蒸汽压力的大小，揭示了其对二次再热机组灵活运行能耗特性的影响。仿真结果表明，分离器出口温度变化对能耗的影响并不显著，随着分离器出口温度的增加，过热器吸热效率的降低造成发电煤耗的升高；主蒸汽压力的变化对能耗的影响大于分离器出口温度。

关键词：
二次再热机组
动态仿真
协调控制
灵活性
能耗
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我国资源禀赋特性决定了煤在中国能源体系中的主导地位[1],高效煤电是实现煤炭能源高效清洁利用、构建“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的重要基础，也是现实双碳目标的重要支撑[2]。二次再热[3]是目前最高效的商业化煤电技术，在同等级蒸汽参数下可提高发电效率约2%,是高效煤电技术的重要发展方向。然而，随着国家能源战略调整，可再生能源入网比例持续提升，为平抑间歇性可再生能源对电网的冲击，二次再热机组已经由承担基础负荷的主力电源转变为频繁地大范围变负荷运行的调峰电源[4]。

二次再热机组通常采用协调控制系统(CCS)[5]来平衡锅炉的缓慢动态和汽轮机的快速动态之间的差异，其根据电网负荷需求调节机组负荷并维持其他参数运行在可接受的范围内。因此，CCS对于二次再热机组的安全稳定运行至关重要[6]。

近年来，国内外的研究人员对CCS优化控制进行了广泛研究。考虑到机组的多变量、非线性和强耦合特性，以及电网的调节要求，陈等[7]人提出了一种基于改进的自抗扰控制算法的协调控制方案，在超超临界机组模拟平台上进行了验证，结果表明，改进的自抗扰控制器在控制机组负荷和主蒸汽压力方面优于传统的PID控制器；鉴于超超临界机组的动态特性，王等[8]人将三输入、三输出模型简化为两输入、两输出模型，并基于约束多变量预测控制算法设计了机组的控制方案，模拟结果表明，该方案的控制性能优于传统的PID控制，计算速度显著提高；鉴于热再生系统的周期特性，马等[9]人建立了1000 MW超超临界机组的负荷-压力神经网络预测模型。在此基础上，提出了一种CCS的优化控制方法，模拟结果表明，所提出的方法可以显著提高机组的斜率，避免主蒸汽压力的大幅波动；基于机制分析和合理简化，颜等[10]人建立了1000 MW超超临界机组的简化非线性动态模型，模型的输入是给煤量、给水流量和主蒸汽阀门开度，模型的输出是主蒸汽压力、中间焓和机组负荷，并通过实际运行数据验证了模型的准确性。

根据上述研究，分离器出口温度和主蒸汽压力是CCS中最为重要的两个参数，在机组灵活运行时其参数值的设定直接影响机组的安全和经济运行。然而其设定值对于二次再热机组能耗的影响仍然模糊不清，因此本文将对二次再热机组灵活运行时，分离器出口温度和主蒸汽压力的设定对能耗的影响进行研究，首先利用Apros软件对二次再热机组进行建模并配置控制模块，并通过与实际运行参数进行比对，验证模型的准确性，然后通过在不同负荷下改变分离器出口温度和主蒸汽压力的设定值，摸索其对机组能耗的影响，最后根据其能耗特性制定实际运行时的调控策略。

1、研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为1000 MW等级超超临界二次再热机组，锅炉为二次中间再热、超超临界压力变压运行，并带内置式再循环泵启动系统的直流、单炉膛双切圆、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、露天布置的π型锅炉，采用螺旋管圈水冷壁，主蒸汽温度为605 ℃,两级再热器出口蒸汽温度均为623 ℃,尾部采用双烟道布置形式，过热器系统为三级布置，分别为分隔屏、后屏、末过，均布置在炉膛上部，采用煤水比调节汽温，高、低压再热器系统均采用两级布置，水平烟道分别布置高压末再和低压末再，尾部前烟道布置高压低再，尾部后烟道布置低压低再，再热器系统采用烟气再循环+尾部烟气挡板+燃烧器摆动的组合式调温方式，烟气再循环为取自省煤器出口的热烟再循环不影响锅炉效率及运行，具体结构如图1所示。

1.2 研究方法

Apros是一款多功能高级模拟软件，它可以建立精确的电厂模型，在常规电厂及核电厂已经得到广泛的应用。Apros的热工水力过程动态仿真模型建立在求解质量、动量、能量和质量分数(两相流)的动态守恒方程基础之上，具体见公式1～公式3。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：ρ为密度，kg/m3;z为流程方向，m;c为流速，m/s;p为压力，Pa;h0为滞止焓，kJ/kg;Fg为单位控制体积内流体所受重力，N/m3;Fw为单位控制体积内流体所受摩擦力，N/m3;qw为壁面热流密度。

图1二次再热机组锅炉系统示意图

这些守恒方程能够同时求解整个模型网络。在压力、流量、含汽率和焓已知的情况下，通过将上述方程离散化，并将非线性项线性化实现动态仿真求解。其中，水和蒸汽性质计算基于IAPWS-IF97。在两相流模型上，Apros可按需选用5方程模型(基于气相和液相的质量和能量守恒方程，以及两相混合的动量守恒方程建立)和6方程模型(基于两相独立的质量、动量和能量的守恒方程)。燃烧和其他有关化学反应的计算是作为子模型内嵌在热工水力模型中进行求解的。

换热器模型的求解基于能量守恒，烟气放热方程和工质吸热方程分别为公式4、公式5所示。

式中：下标fg、ws、w分别表示烟气、工质和金属；Q为换热量，kW;h1、h2分别为烟气、工质侧换热系数，kW/(m2·K);A为换热面积，m2;T为温度，K。

金属热平衡方程为：

式中：mw为金属质量，kg;cw为金属比热容，kJ/(kg·K)。

Apros的自动控制组件库包含各种模拟量和数字量自动控制系统的元件。Apros具有完备的自动控制模型库，能够实现自动化、BMS和安全保护系统的精确或简化仿真，在DCS厂商做出详细设计之前，就在方案设计阶段创建和测试自动化系统。同时，Apros还具有通过OPCUA、OPCDA主流的专用自动控制系统设计软件进行集成的能力。

本文控制策略配置在仿真模型中，包括协调控制系统和蒸汽温度控制系统。协调控制系统采用锅炉-汽轮机协调控制策略。当负荷指令发生变化时，汽轮机侧主蒸汽调节阀的开度和锅炉侧主蒸汽压力的设定值同时发生变化。主蒸汽调节阀的开度由PID控制器调节，以实现快速负荷跟踪，而给煤量则由PID控制器控制，以满足主蒸汽压力的设定值，锅炉侧采用水跟煤的控制策略。通过水煤比获得基本给水指令，然后再调节给水以满足汽水分离器蒸汽温度的设定要求。

1.3 能耗计算公式

为研究二次再热机组在灵活运行时分离器出口温度和主蒸汽压力值变化对能耗的影响，采用锅炉正平衡吸热效率和正平衡发电煤耗来评价，其中过热器吸热效率为：

式中：ηSH代表过热器吸热效率，%;Qin代表进入锅炉的热量，kJ/s;QSH代表过热器吸收的热量，kJ/s。

一次再热器吸热效率为：

式中：ηPRH代表过热器吸热效率，%;Qin代表进入锅炉的热量，kJ/s;QPRH代表一次再热器吸收的热量，kJ/s。

二次再热器吸热效率为：

式中：ηSRH代表过热器吸热效率，%;Qin代表进入锅炉的热量，kJ/s;QSRH代表二次再热器吸收的热量，kJ/s。

锅炉发电煤耗计算公式为：

式中：b代表机组发电煤耗，g/kWh;uB代表锅炉给煤量，kJ/s;Qnet, ar代表煤的收到基低位发热量，kJ/kg;Ne代表机组负荷，MW。

2、结果与分析

2.1 稳态仿真验证

表1中对仿真模型和实际运行中的机组主要变量进行了比较，共在三种稳态运行条件进行，分别是50% THA、75% THA和100% THA。比对结果表明，除了给煤流量和给水流量的相对误差在3%以内，其他参数的相对误差都在1.5%以内，进而验证了模型在稳态工况下的准确性。

表1不同稳态工况下模型仿真值与实际值比对

2.2 动态仿真验证

为进一步验证模型的动态过程准确性，选择从负荷800 MW降至700 MW的动态过程进行比较。图2中比较了8个主要变量，如机组负荷、主蒸汽压力、分离器出口温度、主蒸汽温度、一次再热蒸汽温度和二次再热蒸汽温度、给水流量和给煤流量。仿真值与测量值表现出一致的动态过程，除分离器出口温度外，8个主要变量的相关系数都超过0.9,总的来说仿真模型是足够精确和可靠的。

2.3 分离器出口温度变化对能耗的影响

针对50% THA、75% THA和100% THA三个运行工况点，进行有控制系统作用下变分离器出口温度实验，以探索不同分离器出口温度值对机组运行经济性的影响，运行经济性指标包含过热器吸热效率、一次再热器吸热效率和正平衡机组发电煤耗，结果见图3,由于二次再热器吸热效率变化与一次再热器相似且并不明显，所以并未展示在图中。从三个负荷下的实验可以得出，分离器出口温度变化对能耗的影响并不显著，整体趋势是随着分离器出口温度的升高，过热器吸热效率逐渐降低，一次再热器效率再增加，但过热器吸热效率的减少幅度和再热器吸热效率的升高幅度大体相当，造成整体锅炉效率变化不大。但由于过热器中蒸汽的品质高于再热器，所以随着分离器出口温度的增加，过热器吸热效率的降低造成发电煤耗的升高，在750 MW时，当分离器出口温度升高10 ℃,机组发电煤耗升高0.07 g/kWh。

2.4 主蒸汽压力变化对能耗的影响

针对50%THA、75%THA和100%THA三个运行工况点，进行有控制系统作用下主蒸汽压力实验，以探索不同主蒸汽压力对机组运行经济性的影响，运行经济性指标包含过热器吸热效率、一次再热器吸热效率和正平衡机组发电煤耗，结果如图4所示，由于二次再热器吸热效率变化与一次再热器相似且并不明显，所以并未展示在图中。从三个负荷下的实验可以得出，主蒸汽压力的变化对能耗的影响大于分离器出口温度，整体趋势是随着主蒸汽压力的升高，过热器吸热效率逐渐降低，一次再热器和二次再热器吸热效率再增加，但过热器吸热效率的减少幅度和再热器吸热效率的升高幅度大体相当，造成整体锅炉效率变化不大。但由于过热器中蒸汽的品质高于再热器，所以随着主蒸汽压力的增加，发电煤耗升高，在750 MW时，当主蒸汽压力升高0.5 MPa, 机组发电煤耗升高0.35 g/kWh。

图2模型动态过程验证

图3不同分离器出口温度对机组能耗的影响

图4不同主蒸汽压力对机组能耗的影响

2.5 协调控制系统调控策略

分离器出口温度和主蒸汽压力是协调控制中最为重要的两个参数，其设定值直接决定了机组的效率和灵活运行能力。从上面的特性研究中可以发现，这两个参数的变化揭示了机组灵活和高效之间的矛盾。一方面分离器出口温度的增加，保证了锅炉输出的蒸汽品质，但也造成能耗的增加；另一方面主蒸汽压力的提高，直接提高了进入汽轮机的蒸汽压力，使得机组出力拥有更充裕的调节能力，但这也是通过牺牲机组整体经济性为代价的。当前电网对机组灵活运行要求越来越高，所以这两个参数的设置要以保灵活性为前提，同时尽量控制蒸汽的品质，特别是主蒸汽参数的品质，不要将分离器出口温度和主蒸汽压力设定过高。

3、结论

(1) 分离器出口温度变化对能耗的影响并不显著，整体趋势是随着分离器出口温度的升高，过热器吸热效率逐渐降低，一次再热器效率再增加，但过热器吸热效率的减少幅度和再热器吸热效率的升高幅度大体相当，造成整体锅炉效率变化不大。但由于过热器中蒸汽的品质高于再热器，所以随着分离器出口温度的增加，过热器吸热效率的降低造成发电煤耗的升高，在750 MW时，当分离器出口温度升高10 ℃,机组发电煤耗升高0.07 g/kWh。

(2) 主蒸汽压力的变化对能耗的影响大于分离器出口温度，整体趋势是随着主蒸汽压力的升高，过热器吸热效率逐渐降低，一次再热器和二次再热器吸热效率再增加，但过热器吸热效率的减少幅度和再热器吸热效率的升高幅度大体相当，造成整体锅炉效率变化不大。但由于过热器中蒸汽的品质高于再热器，所以随着主蒸汽压力的增加，发电煤耗升高，在750 MW时，当主蒸汽压力升高0.5 MPa, 机组发电煤耗升高0.35 g/kWh。

(3) 这两个参数的变化揭示了机组灵活性和高效性之间的矛盾。当前电网对机组灵活运行要求越来越高，所以这两个参数的设置要以保灵活性为前提，同时尽量控制蒸汽的品质，特别是主蒸汽参数的品质，不要将分离器出口温度和主蒸汽压力设定过高。

参考文献:

[1]曲默丰,辛炜.模糊神经网络在降低燃煤锅炉结渣风险中的应用研究[J].锅炉技术,2022,53(6):23~27.

[2]徐荣田,袁益超.1000 MW超超临界锅炉烟气挡板阻力特性试验研究[J].锅炉技术,2023,54(4):8~12.

[3]吴克锋,王体,徐龙,等.二次再热锅炉的技术发展及优化[J].锅炉技术,2019,50(5):26~30.

[4]部俊锋,韩庆华,吴迪.1000 MW二次再热机组一次调频增负荷性能提升策略研究[J].山东电力技术,2022,49(10):74~78.

[5]袁俊文,刘伟,党文越,等.超超临界机组协调控制系统及AGC响应特性分析[J].电站系统工程,2023,39(4):57~59.

[6]梁飞.协调控制系统及深度调峰性能优化[J].锅炉制造,2022,(3):40~41,45.

文章来源:马启磊,钟文琪,彭志福,等.基于Apros的二次再热机组灵活运行能耗特性与调控策略研究[J].电站系统工程,2024,40(06):62-65.