火电机组的负荷调节能力

一、电网对机组的负荷调节要求用户的用电需求变化是非常快的，尤其是大型电气设备启停时对电网的冲击比较大，为了及时满足用户的用电需求，电网要求发电机组具有较快的负荷响应速度。但由于火电机组固有特点，其负荷响应速度是不尽人意的，它远远跟不上用电负荷变化。好在电网日益壮大，缓和了这对矛盾，而提高火电机组负荷响应速度，及时满足用户的用电需求，保证电网安全和稳定运行仍然是我们努力的方向。机组负荷调节能力主要指负荷的调节速度和负荷的调节范围，这里我们着重讨论负荷调节速度。为达到电网频率的稳定，调度要求火电机组的出力能快速随负荷指令变化，即负荷响应的延迟小，且负荷变化速度快。为叙述方便，以下称机组发电功率或出力为机组负荷。二、燃煤机组的能量转换特性燃煤机组是把燃煤的化学能转换成电能的过程，燃煤首先通过制粉系统磨成煤粉，煤粉配以适量的风输入锅炉，进行燃烧，把机组的循环介质（水）变成高温高压蒸汽，完成燃煤的化学能到蒸汽热量的转换，通过汽轮机把蒸汽的热量转换成机械能，并由发电机把汽轮机的机械能转换成电能。在整个发电过程中（如图7-1-1），制粉系统类型、锅炉的类型和能量转换特性、以及汽轮机调门的特性与机组负荷调节的性能有密切的关系。为了搞清燃煤机组的负荷调节性能，下面对这些环节进行一些分析。三、制粉系统的制粉和输送特性制粉系统的作用是把较粗的原煤磨制成极细的煤粉，提高锅炉的燃烧效率，制粉系统可以分成直吹式和中间储仓式二种形式，这二种制粉系统的机组的负荷调节性能有较大的差别，为此有必要研究制粉系统的工艺过程和与负荷调节有关的性能。四、直吹式制粉系统在直吹式制粉系统中，原煤经给煤机输到磨煤机进行辗磨，同时磨煤机输入合适的一次风量，对原煤进行干燥，并把磨制好的煤粉直接送到锅炉的燃烧器。这种制粉系统目前大部分配中速磨煤机，如HP和MPS等磨煤机。另外还有双进双出的钢球磨煤机和高速风扇磨煤机，虽然它也采用直吹方式送粉，但从原煤到煤粉输出的特性有所不同，本文主要分析直吹式的中速磨。对于直吹式制粉系统，锅炉的给煤量由给煤机控制，对于大型火电机组，一般都配称重式皮带给煤量，进入炉膛的煤量能较精确地控制。由于从原煤到煤粉有一个较长的制粉过程，所以给煤量变化到煤粉量变化有一个纯延迟时间和一定的惯性，煤粉量对给煤量的响应特性：（式7-1-1）FP为煤粉量，FM为给煤机的煤量，T1和τ惯性和延迟时间常数，T1和τ会随磨煤机的运行工况变化，难以测定，尤其是连续雨于，煤较时湿，T1和τ会明显增加。稳态时，FP=FM。每套制粉系统的给煤量必须控制在范围，它由磨煤机的容量和燃烧器的特性决定的，机组在整个负荷变化过程中需要启停磨煤机，磨煤机的启动和正常停止需要有一个较长的过程，所以这种机组的负荷调节存在着断点，而且磨煤机启停过程中由于煤粉量的波动，机组的负荷也会有一定的波动。五、中间储仓式制粉系统在中间储仓式制粉系统中，原煤经给煤机输到磨煤机进行辗磨，同时磨煤机输入合适的风量，对煤进行干燥和输送，磨制好的煤粉绝大部分送到煤粉仓，剩余部分随制粉气流进入炉膛，这带粉气流一般称为三次风或泛气。进入锅炉的绝大部分煤量是由给粉机控制，并由合适的风量输送到燃烧器。这种制粉系统一般配低速钢球磨煤机。对于中间储仓式制粉系统，锅炉的给煤量由给粉机控制，这种制粉系统的由于没有煤量的计量，给煤量会受到煤粉干湿和粉仓粉位高低等因素的影响，如果给粉机的特性不好，进入炉膛的煤量会有较大的自发性扰动，机组负荷的波动比较大。但这种制粉系统煤粉直接由粉仓提供，在煤量控制中少了一个制粉环节，所以给粉机转速变化时，煤粉量几乎同步变化，相对直吹式制粉系统，粉机转速变化到煤粉量变化的延迟可以忽略，煤粉量对给煤量的响应特性：（式7-1-2）FP为煤粉量，FN为给煤机转速，k为给粉量与给煤机转速的关系。尽管采用这种制粉系统的机组，在整个负荷范围内也要求启停给粉机，但由于给粉机的启停是一个瞬间过程，在解决负荷调节的断点问题上要比直吹式好，如有给粉机自启停功能，可基本做到负荷调节无断点。这种制粉系统在启停过程由于三次风或泛气的扰动机组负荷会有较大的波动。六、锅炉的能量转换特性锅炉的作用是把煤的化学能转换成蒸汽的热能，锅炉输入燃煤、风量和水，通过燃烧和传热，输出高温高压蒸汽（本文称蒸汽热负荷）。如图7-1-2是整个发电过程的燃料和能量转换动态特性，其中锅炉完成从燃料输入到高温高压蒸汽输出的过程，这里将分析锅炉燃烧系统和汽水系统的能量转换特性。如图7-1-2中，把燃煤和其配风合称为燃烧率，其锅炉指令的响应特性为；燃料发出的热量称为炉内热负荷，其对燃烧率的响应特性为；蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应特性为。1.锅炉燃烧系统的能量转换特性锅炉燃烧系统包括燃烧器、炉膛、烟道等部分，制粉系统来的煤粉由一次风送到燃烧器，并配以合适的二次风在燃烧器煤混合燃烧，燃料发出的热量一部分辐射给炉膛的水冷壁，其余部分热量由高温烟气带入烟道，并把这部分热量传给过热器、再热器、省煤器和空预器，最终烟气由引风机抽到烟囱。对于直吹式制粉系统，由于风量对锅炉指令的响应特性远优于煤粉量，所以燃烧率对锅炉指令的响应特性可以取其制粉系统的特性，即：（式7-1-3）对于中间储仓式制粉系统，由于风量和煤粉量对锅炉指令的响应特性相近，所以燃烧率对锅炉指令的响应特性可以等效成一个较快的惯性环节，即：（式7-1-4）炉内热负荷是燃料转换成的高温烟气热量，其对燃烧率的响应特性可看成一个多阶惯性环节，即：（式7-1-5）煤粉炉沌烧煤的热负荷不能太低，目前比较好的锅炉不燃油时的最低负荷一般为30%的锅炉额定负荷，而且低负荷时燃烧不易稳定，如燃烧率有较大和较频繁变化时容易引起锅炉熄火。2.锅炉汽水系统的能量转换特性锅炉汽水系统包括炉膛中的水冷壁、烟道中的过热器、再热器、省煤器等及受热部分，另外不包括汽包（汽包炉）或汽水分离器（直流炉）等。进入锅炉的水通过这些受热面吸收高温烟气的热量，形成高温高压过热蒸汽和再热蒸汽。锅内介质（水和汽）对高温烟气的吸热是一个传热过程，蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应特性可看成一个高价的惯性环节，即：（式7-1-6）汽包炉和直流炉由于汽水系统不同，蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应特性有所差别，另外二者的运行要求也有较大的区别。在汽包炉中，给水经省煤器加热后进入汽包，并在水冷壁内循环吸收炉膛的热量，使水变成饱和蒸汽，并在汽包内分离，汽包的饱和蒸汽进入过热器，吸收烟气的热量，变成高温高压的过热蒸汽。对于汽包炉，要求给水量快速跟随蒸汽量变化，维持汽包水位。锅炉的蒸发量主要取决于燃烧率，与给水量没有直接关系，所以汽包炉的蒸汽热负荷简化为仅与燃烧有关。直流炉在启动或较低负荷时，其运行方式和汽包炉相似，它用分离器来分离汽水。在正常运行时，分离器不起作用或变化一个联箱，给水经省煤器、水冷壁、过热器，直接变成高温高压的过热蒸汽。直流炉对蒸汽的饱和点的控制要求很高，一般要求蒸汽在分离器入口达至饱和并有一定的过热度，这就要求给水量与燃烧率有良好的配比（煤-水比），要求给水量与燃烧率同步变化，不然汽水系统的平衡会破坏，影响机组的安全运行，所以蒸汽热负荷也可认为仅与燃烧有关。尽管直流炉的蒸汽热负荷对给水量变化有较快的响应，但由于要确保煤-水比，一般不采用给水量快速变化来提高负荷变化速度。直流炉有最低给水流量的要求，在低负荷时，如锅炉指令有较大幅度变化时，很容易引起锅炉断水而MFT。由于汽包的存在，蒸汽热负荷对炉内热负荷的响应延迟增加，的和要比直流炉大。另外锅炉有一个蓄热特性，即由于蒸汽压力变化，使锅炉内蒸汽的内能发生变化，汽包炉的蓄热量也要比直流炉大。这二个特性是汽包炉和直流炉负荷响应主要区别点。整个锅炉能量转换的动态特性可以表示成蒸汽热负荷对燃烧率的响应特性。七、汽轮发电机的能量转换特性大型机组的汽机一般由高压缸、中压缸和低压缸组成，锅炉的过热蒸汽首先进入高压缸作功，其排汽经过锅炉的再热器加热后，进入中压缸及低压缸继续作功，低压缸的排汽入冷凝器，冷凝成水，并由凝结水泵和给水泵打回锅炉，形成工质循环。另外为了提高机组的效率，配有高压和低压加热器，用汽机的抽汽加热凝结水和给水。汽轮发电机的热能转换成机械能和机械能转换成电能都是非常快的过程，由于汽机的机械能无法直接测量，一般用发电量表示汽轮发电机的输出，机组发电量对蒸汽热量的响应特性可近视为一个比例环节（）。机组的电负荷可由汽机调门控制，汽机调门开度增大，蒸汽量增加，电负荷增加，同时过热蒸汽的压加降低；汽机调门开度减小，蒸汽量减少，电负荷减少，同时过热蒸汽的压加升高。调门及其驱动装置的性能对机组的负荷调节性能是非常重要的，目前大机组的汽机调门一般由高压抗燃油的DEH控制，有比较好的控制性能。早期的投产机组的汽机调门采用液压调节，其控制性能较差，难以满足AGC的要求，近年逐步改造成电调。八、燃煤机组负荷调节能力一台由协调控制系统控制的机组，其燃料、风和水（直流炉）调节系统可以认为是锅炉指令的随动系统，锅炉则的负荷调节性能可以简化成锅炉输出的蒸汽热量对锅炉指令的响应特性，且有：（式7-1-7）而汽则与负荷有关的调节量主要是汽机的调门，调门快速跟随汽机指令变化，其变化引起的蒸汽流量和压力变化可认为是一个较快的惯性环节，其中主蒸汽压力对汽机指令的响应特性为。主蒸汽压力在负荷控制中是一个主要参数，它是汽机与锅炉能量平衡的标志。主蒸汽压力不变表示汽机与锅炉能量平衡，主蒸汽压力下降表示汽机的能量需（发电量）求大于锅炉的发热量，主蒸汽压力上升表示汽机的能量需求（发电量）小于锅炉的发热量。另外，主蒸汽压力是反映机组安全和稳定运行的主要参数，如果它有大幅度地频繁变化，主蒸汽温度、汽包炉的汽包水位、直流炉的分离器温度等机组主要参数也会同步变化，使煤、风、水等调节系统大幅度波动，引起机组运行不稳定，甚至影响机组的安全运行。根据以上分析燃煤机组的负荷变化性能主要取决于负荷对汽机调门和锅炉燃烧率的响应特性，同时考虑主蒸汽压力变化。通过分析和试验机组负荷对汽机调门和锅炉燃烧率的响应特性，可以得出这类机组最快的负荷调节速度。用于完成机组负荷调节的协调控制系统的对象特性可简化为如图7-1-3。九、机组负荷对汽机调门的响应特性（锅炉蓄热能力）锅炉汽包、联箱、容器和管道内的水和蒸汽的内能（称为蓄热）在蒸汽压力变化时会发生变化，这是汽机调节开度变化引起负荷变化的原因。锅炉的蓄热能力可以通过汽机调门的阶跃扰动试验测得，试验时，保持锅炉燃烧率（燃料量和风量）不变，阶跃（快速）改变汽机调门开度，记录电负荷和主蒸汽压力的变化。图7-1-4为汽机调门阶跃下机组负荷和主蒸汽压力变化曲线。如图7-1-4所示，当汽机调门开大时，主蒸汽流量增加，主蒸汽压力下降，机组释放出蓄热，电负荷快速增加到最高值，但由于锅炉热负荷本质上没变，尽管主蒸汽流量增加，但由于压力下降，蒸汽的比焓下降，电负荷又慢慢减小，当主蒸汽压力降到最低点时，电负荷回到回到原值。同理，当汽机调门关时，主蒸汽流量减小，主蒸汽压力上升，机组聚集蓄热，负荷快速减小到最低值，然后慢慢增加，当压力上升至最高值时，负荷回到原值。从锅炉蓄热试验中可知，当调门变化时，即使燃烧率不变，锅炉的蓄热也能使负荷快速变化，并保持一般时间。通过分析和试验，当锅炉热负荷保持不变时，机组电负荷和主蒸汽压力的关系为式7-1-8和式7-1-9；当锅炉热负荷变化时，机组电负荷与锅炉热负荷和主蒸汽压力的关系为式式7-1-10和式7-1-11。式7-1-8～式7-1-11中，为电负荷，锅炉的热负荷，为主蒸汽压力，为锅炉的蓄热系数，汽机抽汽等放出的热量。锅炉的蓄热能力可以用蓄热系数表示，可以用式7-1-9来计算，如图7-1-4，测出蓄热量（）和主蒸汽压力的变化量（）后即可得到。锅炉的蓄热能力主要取决于炉型，前面提到过汽包炉的蓄热比直流炉大；取决于汽包或联箱的容量和锅炉的受热面大小；另外它的大小与主蒸汽压力有关，主蒸汽压力高蓄热能力强，主蒸汽压力低蓄热能力弱。对于汽包炉，锅炉的蓄热用汽包压力信号的变化表示更好。3.1.机组负荷对锅炉指令的响应特性根据上面的分析，由于蒸汽热