火電機組的負荷調(diào)節(jié)能力

1、一、 電網(wǎng)對機組的負荷調(diào)節(jié)要求用戶的用電需求變化是非常快的，尤其是大型電氣設備啟停時對電網(wǎng)的沖擊比較大，為了及時滿足用戶的用電需求，電網(wǎng)要求發(fā)電機組具有較快的負荷響應速度。但由于火電機組固有特點，其負荷響應速度是不盡人意的，它遠遠跟不上用電負荷變化。好在電網(wǎng)日益壯大，緩和了這對矛盾，而提高火電機組負荷響應速度，及時滿足用戶的用電需求，保證電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行仍然是我們努力的方向。機組負荷調(diào)節(jié)能力主要指負荷的調(diào)節(jié)速度和負荷的調(diào)節(jié)范圍，這里我們著重討論負荷調(diào)節(jié)速度。為達到電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，調(diào)度要求火電機組的出力能快速隨負荷指令變化，即負荷響應的延遲小，且負荷變化速度快。為敘述方便，以下稱機組發(fā)電功率或

2、出力為機組負荷。二、 燃煤機組的能量轉換特性燃煤機組是把燃煤的化學能轉換成電能的過程，燃煤首先通過制粉系統(tǒng)磨成煤粉，煤粉配以適量的風輸入鍋爐，進行燃燒，把機組的循環(huán)介質(zhì)（水）變成高溫高壓蒸汽，完成燃煤的化學能到蒸汽熱量的轉換，通過汽輪機把蒸汽的熱量轉換成機械能，并由發(fā)電機把汽輪機的機械能轉換成電能。在整個發(fā)電過程中（如圖7-1-1），制粉系統(tǒng)類型、鍋爐的類型和能量轉換特性、以及汽輪機調(diào)門的特性與機組負荷調(diào)節(jié)的性能有密切的關系。為了搞清燃煤機組的負荷調(diào)節(jié)性能，下面對這些環(huán)節(jié)進行一些分析。三、 制粉系統(tǒng)的制粉和輸送特性制粉系統(tǒng)的作用是把較粗的原煤磨制成極細的煤粉，提高鍋爐的燃燒效率，制粉系統(tǒng)可以分

3、成直吹式和中間儲倉式二種形式，這二種制粉系統(tǒng)的機組的負荷調(diào)節(jié)性能有較大的差別，為此有必要研究制粉系統(tǒng)的工藝過程和與負荷調(diào)節(jié)有關的性能。四、 直吹式制粉系統(tǒng)在直吹式制粉系統(tǒng)中，原煤經(jīng)給煤機輸?shù)侥ッ簷C進行輾磨，同時磨煤機輸入合適的一次風量，對原煤進行干燥，并把磨制好的煤粉直接送到鍋爐的燃燒器。這種制粉系統(tǒng)目前大部分配中速磨煤機，如HP和MPS等磨煤機。另外還有雙進雙出的鋼球磨煤機和高速風扇磨煤機，雖然它也采用直吹方式送粉，但從原煤到煤粉輸出的特性有所不同，本文主要分析直吹式的中速磨。對于直吹式制粉系統(tǒng)，鍋爐的給煤量由給煤機控制，對于大型火電機組，一般都配稱重式皮帶給煤量，進入爐膛的煤量能較精確地控

4、制。由于從原煤到煤粉有一個較長的制粉過程，所以給煤量變化到煤粉量變化有一個純延遲時間和一定的慣性，煤粉量對給煤量的響應特性： （式7-1-1）FP為煤粉量，F(xiàn)M為給煤機的煤量，T1和慣性和延遲時間常數(shù)，T1和會隨磨煤機的運行工況變化，難以測定，尤其是連續(xù)雨于，煤較時濕，T1和會明顯增加。穩(wěn)態(tài)時，F(xiàn)P=FM。每套制粉系統(tǒng)的給煤量必須控制在范圍，它由磨煤機的容量和燃燒器的特性決定的，機組在整個負荷變化過程中需要啟停磨煤機，磨煤機的啟動和正常停止需要有一個較長的過程，所以這種機組的負荷調(diào)節(jié)存在著斷點，而且磨煤機啟停過程中由于煤粉量的波動，機組的負荷也會有一定的波動。五、 中間儲倉式制粉系統(tǒng)在中間儲倉

5、式制粉系統(tǒng)中，原煤經(jīng)給煤機輸?shù)侥ッ簷C進行輾磨，同時磨煤機輸入合適的風量，對煤進行干燥和輸送，磨制好的煤粉絕大部分送到煤粉倉，剩余部分隨制粉氣流進入爐膛，這帶粉氣流一般稱為三次風或泛氣。進入鍋爐的絕大部分煤量是由給粉機控制，并由合適的風量輸送到燃燒器。這種制粉系統(tǒng)一般配低速鋼球磨煤機。對于中間儲倉式制粉系統(tǒng)，鍋爐的給煤量由給粉機控制，這種制粉系統(tǒng)的由于沒有煤量的計量，給煤量會受到煤粉干濕和粉倉粉位高低等因素的影響，如果給粉機的特性不好，進入爐膛的煤量會有較大的自發(fā)性擾動，機組負荷的波動比較大。但這種制粉系統(tǒng)煤粉直接由粉倉提供，在煤量控制中少了一個制粉環(huán)節(jié)，所以給粉機轉速變化時，煤粉量幾乎同步變化

6、，相對直吹式制粉系統(tǒng)，粉機轉速變化到煤粉量變化的延遲可以忽略，煤粉量對給煤量的響應特性： （式7-1-2）FP為煤粉量，F(xiàn)N為給煤機轉速，k為給粉量與給煤機轉速的關系。盡管采用這種制粉系統(tǒng)的機組，在整個負荷范圍內(nèi)也要求啟停給粉機，但由于給粉機的啟停是一個瞬間過程，在解決負荷調(diào)節(jié)的斷點問題上要比直吹式好，如有給粉機自啟停功能，可基本做到負荷調(diào)節(jié)無斷點。這種制粉系統(tǒng)在啟停過程由于三次風或泛氣的擾動機組負荷會有較大的波動。六、 鍋爐的能量轉換特性鍋爐的作用是把煤的化學能轉換成蒸汽的熱能，鍋爐輸入燃煤、風量和水，通過燃燒和傳熱，輸出高溫高壓蒸汽（本文稱蒸汽熱負荷）。如圖7-1-2是整個發(fā)電過程的燃料和

7、能量轉換動態(tài)特性，其中鍋爐完成從燃料輸入到高溫高壓蒸汽輸出的過程，這里將分析鍋爐燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)的能量轉換特性。如圖7-1-2中，把燃煤和其配風合稱為燃燒率，其鍋爐指令的響應特性為 ；燃料發(fā)出的熱量稱為爐內(nèi)熱負荷，其對燃燒率的響應特性為 ；蒸汽熱負荷對爐內(nèi)熱負荷的響應特性為 。1. 鍋爐燃燒系統(tǒng)的能量轉換特性鍋爐燃燒系統(tǒng)包括燃燒器、爐膛、煙道等部分，制粉系統(tǒng)來的煤粉由一次風送到燃燒器，并配以合適的二次風在燃燒器煤混合燃燒，燃料發(fā)出的熱量一部分輻射給爐膛的水冷壁，其余部分熱量由高溫煙氣帶入煙道，并把這部分熱量傳給過熱器、再熱器、省煤器和空預器，最終煙氣由引風機抽到煙囪。對于直吹式制粉系統(tǒng)，由于

8、風量對鍋爐指令的響應特性遠優(yōu)于煤粉量，所以燃燒率對鍋爐指令的響應特性可以取其制粉系統(tǒng)的特性，即： （式7-1-3）對于中間儲倉式制粉系統(tǒng)，由于風量和煤粉量對鍋爐指令的響應特性相近，所以燃燒率對鍋爐指令的響應特性可以等效成一個較快的慣性環(huán)節(jié)，即： （式7-1-4）爐內(nèi)熱負荷是燃料轉換成的高溫煙氣熱量，其對燃燒率的響應特性可看成一個多階慣性環(huán)節(jié)，即： （式7-1-5）煤粉爐沌燒煤的熱負荷不能太低，目前比較好的鍋爐不燃油時的最低負荷一般為30%的鍋爐額定負荷，而且低負荷時燃燒不易穩(wěn)定，如燃燒率有較大和較頻繁變化時容易引起鍋爐熄火。2.鍋爐汽水系統(tǒng)的能量轉換特性鍋爐汽水系統(tǒng)包括爐膛中的水冷壁、煙道中的

9、過熱器、再熱器、省煤器等及受熱部分，另外不包括汽包（汽包爐）或汽水分離器（直流爐）等。進入鍋爐的水通過這些受熱面吸收高溫煙氣的熱量，形成高溫高壓過熱蒸汽和再熱蒸汽。鍋內(nèi)介質(zhì)（水和汽）對高溫煙氣的吸熱是一個傳熱過程，蒸汽熱負荷對爐內(nèi)熱負荷的響應特性可看成一個高價的慣性環(huán)節(jié)，即： （式7-1-6）汽包爐和直流爐由于汽水系統(tǒng)不同，蒸汽熱負荷對爐內(nèi)熱負荷的響應特性 有所差別，另外二者的運行要求也有較大的區(qū)別。在汽包爐中，給水經(jīng)省煤器加熱后進入汽包，并在水冷壁內(nèi)循環(huán)吸收爐膛的熱量，使水變成飽和蒸汽，并在汽包內(nèi)分離，汽包的飽和蒸汽進入過熱器，吸收煙氣的熱量，變成高溫高壓的過熱蒸汽。對于汽包爐，要求給水量快

10、速跟隨蒸汽量變化，維持汽包水位。鍋爐的蒸發(fā)量主要取決于燃燒率，與給水量沒有直接關系，所以汽包爐的蒸汽熱負荷簡化為僅與燃燒有關。直流爐在啟動或較低負荷時，其運行方式和汽包爐相似，它用分離器來分離汽水。在正常運行時，分離器不起作用或變化一個聯(lián)箱，給水經(jīng)省煤器、水冷壁、過熱器，直接變成高溫高壓的過熱蒸汽。直流爐對蒸汽的飽和點的控制要求很高，一般要求蒸汽在分離器入口達至飽和并有一定的過熱度，這就要求給水量與燃燒率有良好的配比（煤-水比），要求給水量與燃燒率同步變化，不然汽水系統(tǒng)的平衡會破壞，影響機組的安全運行，所以蒸汽熱負荷也可認為僅與燃燒有關。盡管直流爐的蒸汽熱負荷對給水量變化有較快的響應，但由于要

11、確保煤-水比，一般不采用給水量快速變化來提高負荷變化速度。直流爐有最低給水流量的要求，在低負荷時，如鍋爐指令有較大幅度變化時，很容易引起鍋爐斷水而MFT。由于汽包的存在，蒸汽熱負荷對爐內(nèi)熱負荷的響應延遲增加， 的 和 要比直流爐大。另外鍋爐有一個蓄熱特性，即由于蒸汽壓力變化，使鍋爐內(nèi)蒸汽的內(nèi)能發(fā)生變化，汽包爐的蓄熱量也要比直流爐大。這二個特性是汽包爐和直流爐負荷響應主要區(qū)別點。整個鍋爐能量轉換的動態(tài)特性可以表示成蒸汽熱負荷對燃燒率的響應特性。七、 汽輪發(fā)電機的能量轉換特性大型機組的汽機一般由高壓缸、中壓缸和低壓缸組成，鍋爐的過熱蒸汽首先進入高壓缸作功，其排汽經(jīng)過鍋爐的再熱器加熱后，進入中壓缸及

12、低壓缸繼續(xù)作功，低壓缸的排汽入冷凝器，冷凝成水，并由凝結水泵和給水泵打回鍋爐，形成工質(zhì)循環(huán)。另外為了提高機組的效率，配有高壓和低壓加熱器，用汽機的抽汽加熱凝結水和給水。汽輪發(fā)電機的熱能轉換成機械能和機械能轉換成電能都是非?？斓倪^程，由于汽機的機械能無法直接測量，一般用發(fā)電量表示汽輪發(fā)電機的輸出，機組發(fā)電量對蒸汽熱量的響應特性 可近視為一個比例環(huán)節(jié)（ ）。機組的電負荷可由汽機調(diào)門控制，汽機調(diào)門開度增大，蒸汽量增加，電負荷增加，同時過熱蒸汽的壓加降低；汽機調(diào)門開度減小，蒸汽量減少，電負荷減少，同時過熱蒸汽的壓加升高。調(diào)門及其驅(qū)動裝置的性能對機組的負荷調(diào)節(jié)性能是非常重要的，目前大機組的汽機調(diào)門一般由

13、高壓抗燃油的DEH控制，有比較好的控制性能。早期的投產(chǎn)機組的汽機調(diào)門采用液壓調(diào)節(jié)，其控制性能較差，難以滿足AGC的要求，近年逐步改造成電調(diào)。八、 燃煤機組負荷調(diào)節(jié)能力一臺由協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制的機組，其燃料、風和水（直流爐）調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以認為是鍋爐指令的隨動系統(tǒng)，鍋爐則的負荷調(diào)節(jié)性能可以簡化成鍋爐輸出的蒸汽熱量對鍋爐指令的響應特性 ，且有： （式7-1-7）而汽則與負荷有關的調(diào)節(jié)量主要是汽機的調(diào)門，調(diào)門快速跟隨汽機指令變化，其變化引起的蒸汽流量和壓力變化可認為是一個較快的慣性環(huán)節(jié)，其中主蒸汽壓力對汽機指令的響應特性為 。主蒸汽壓力在負荷控制中是一個主要參數(shù)，它是汽機與鍋爐能量平衡的標志。主蒸汽壓力不

14、變表示汽機與鍋爐能量平衡，主蒸汽壓力下降表示汽機的能量需（發(fā)電量）求大于鍋爐的發(fā)熱量，主蒸汽壓力上升表示汽機的能量需求（發(fā)電量）小于鍋爐的發(fā)熱量。另外，主蒸汽壓力是反映機組安全和穩(wěn)定運行的主要參數(shù)，如果它有大幅度地頻繁變化，主蒸汽溫度、汽包爐的汽包水位、直流爐的分離器溫度等機組主要參數(shù)也會同步變化，使煤、風、水等調(diào)節(jié)系統(tǒng)大幅度波動，引起機組運行不穩(wěn)定，甚至影響機組的安全運行。根據(jù)以上分析燃煤機組的負荷變化性能主要取決于負荷對汽機調(diào)門和鍋爐燃燒率的響應特性，同時考慮主蒸汽壓力變化。通過分析和試驗機組負荷對汽機調(diào)門和鍋爐燃燒率的響應特性，可以得出這類機組最快的負荷調(diào)節(jié)速度。用于完成機組負荷調(diào)節(jié)的協(xié)

15、調(diào)控制系統(tǒng)的對象特性可簡化為如圖7-1-3。九、 機組負荷對汽機調(diào)門的響應特性（鍋爐蓄熱能力）鍋爐汽包、聯(lián)箱、容器和管道內(nèi)的水和蒸汽的內(nèi)能（稱為蓄熱）在蒸汽壓力變化時會發(fā)生變化，這是汽機調(diào)節(jié)開度變化引起負荷變化的原因。鍋爐的蓄熱能力可以通過汽機調(diào)門的階躍擾動試驗測得，試驗時，保持鍋爐燃燒率（燃料量和風量）不變，階躍（快速）改變汽機調(diào)門開度，記錄電負荷和主蒸汽壓力的變化。圖7-1-4為汽機調(diào)門階躍下機組負荷和主蒸汽壓力變化曲線。如圖7-1-4所示，當汽機調(diào)門開大時，主蒸汽流量增加，主蒸汽壓力下降，機組釋放出蓄熱，電負荷快速增加到最高值，但由于鍋爐熱負荷本質(zhì)上沒變，盡管主蒸汽流量增加，但由于壓力下

16、降，蒸汽的比焓下降，電負荷又慢慢減小，當主蒸汽壓力降到最低點時，電負荷回到回到原值。同理，當汽機調(diào)門關時，主蒸汽流量減小，主蒸汽壓力上升，機組聚集蓄熱，負荷快速減小到最低值，然后慢慢增加，當壓力上升至最高值時，負荷回到原值。從鍋爐蓄熱試驗中可知，當調(diào)門變化時，即使燃燒率不變，鍋爐的蓄熱也能使負荷快速變化，并保持一般時間。通過分析和試驗，當鍋爐熱負荷保持不變時，機組電負荷和主蒸汽壓力的關系為式7-1-8和式7-1-9；當鍋爐熱負荷變化時，機組電負荷與鍋爐熱負荷和主蒸汽壓力的關系為式式7-1-10和式7-1-11。 式7-1-8式7-1-11中， 為電負荷， 鍋爐的熱負荷， 為主蒸汽壓力， 為鍋爐

17、的蓄熱系數(shù)， 汽機抽汽等放出的熱量。鍋爐的蓄熱能力可以用蓄熱系數(shù) 表示，可以用式7-1-9來計算，如圖7-1-4，測出蓄熱量（ ）和主蒸汽壓力的變化量（ ）后即可得到 。鍋爐的蓄熱能力主要取決于爐型，前面提到過汽包爐的蓄熱比直流爐大；取決于汽包或聯(lián)箱的容量和鍋爐的受熱面大小；另外它的大小與主蒸汽壓力有關，主蒸汽壓力高蓄熱能力強，主蒸汽壓力低蓄熱能力弱。對于汽包爐，鍋爐的蓄熱用汽包壓力信號的變化表示更好。3.1. 機組負荷對鍋爐指令的響應特性根據(jù)上面的分析，由于蒸汽熱量轉化為電負荷是一個非常的過程，機組負荷對鍋爐指令的響應特性主要取決于 ，它是一個延遲比較大的高階慣性環(huán)節(jié)（式7-1-7），它與制

18、粉系統(tǒng)和鍋爐的類型有關。機組負荷對鍋爐燃燒率的響應特性可以通過鍋爐指令（燃燒率）階躍擾動試驗來測得。試驗分兩種情況進行，第一種是汽機調(diào)門手動，且保持其開度不變；第二種是汽機投入主蒸汽壓力自動，保持主蒸汽壓力不變。試驗時鍋爐子系統(tǒng)全部投入自動，階躍（快速）改變鍋爐指令，記錄負荷和主蒸汽壓力的變化。圖7-1-5為汽機調(diào)門保持不變時機組負荷和主蒸汽壓力對鍋爐指令響應特性，圖7-1-6為汽機調(diào)門調(diào)節(jié)主蒸汽壓力時機組負荷對鍋爐指令的響應特性。圖7-1-5和圖7-1-6的純延遲指燃燒率階躍變化至功率開始變化的時間，慣性延遲Tc指功率開始變化到最終達到穩(wěn)定的時間。鍋爐指令階躍變化時，對于直吹式制粉系統(tǒng)機組負

19、荷要經(jīng)過一段時間的純延遲（）后才開始變化，如圖7-1-6的曲線3和4；對于中間儲倉式制粉系統(tǒng)，沒有明顯的純延遲或純延遲時間很小如圖7-1-6的曲線1和2。這一特性主要由制粉系統(tǒng)的性能決定，如圖7-1-2的 環(huán)節(jié)和式7-1-1和式7-1-2。如圖7-1-5和圖7-1-6所示，機組負荷要經(jīng)過一段更長時間的慣性延遲（Tc）才慢慢變化到最終穩(wěn)態(tài)值，這一特性主要由圖7-1-2的 和 二個環(huán)節(jié)決定。比較圖7-1-5的曲線1/4與曲線2/3可以看出，直流爐的慣性延遲時要比汽包爐小，這是由于二種鍋爐的 不同所致。第一種試驗中，由鍋爐指令變化引起的鍋爐熱負荷變化一部分變成電負荷變化，另一部分轉化為鍋爐蓄熱的變化

20、，在圖7-1-5中表現(xiàn)出主蒸汽壓力的變化。而第二種試驗中，由于汽機調(diào)門在調(diào)節(jié)主蒸汽壓力，鍋爐的蓄熱及時轉化為電負荷的變化，所以由鍋爐指令變化引起的鍋爐熱負荷變化全部變成電負荷的變化，可見第二種情況的負荷變化較第一種快，慣性延遲時間較第一種小。這一試驗結果與式7-1-10和式7-1-11是一致的。從這些試驗中發(fā)現(xiàn)鍋爐指令后，機組負荷的反應是比較緩慢的。根據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理分析，一個好的對象特性要求純延遲?。ㄗ詈脹]有）、慣性延遲Tc要小、而且/Tc也要小，按此標準，可以對各類機組的負荷調(diào)節(jié)性能作出以下排序（從好到壞）：l 直流爐配中間儲倉式制粉系統(tǒng)l 汽包爐配中間儲倉式制粉系統(tǒng)l 汽包爐配直吹式制粉系統(tǒng)l 直流爐配直吹式制粉系統(tǒng)十、 機組負荷調(diào)節(jié)速度分析1. 機組負荷的平均變化速度從能量平衡角度分析，負荷的變化量取決于燃料量的變化。機組負荷響應的最快平均速度取決于負荷對燃燒率響應特性，上面第二種試驗的負荷變化過程已接近負荷變化的最快速度，由圖7-1-6 可知，完成一次負荷變化需要的時間為+Tc（6分鐘左右）。當負荷變化幅度大時，平均負荷變化較大；反之較小。2. 機組負荷響應的延遲由圖7-1-5和圖7-1-6可知，僅靠燃料量來調(diào)節(jié)機組負荷