利用热网储能提高供热机组调频调峰能力的控制方法

利用热网储能提高供热机组调频调峰能力的控制方法

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。

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。

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