燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同運行的理論與技術研究綜述
趙永亮，許朋江，居文平，陳鋒，劉明，王珠，嚴俊杰
（西安交通大學；西安熱工研究院有限公司；華能(浙江)能源開發(fā)有限公司玉環(huán)分公司）
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.223262
1、研究背景
“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標下，我國正加快構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的能源體系，可再生能源占比逐年提高，但間歇性和波動性的可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行造成巨大沖擊。2021年燃煤發(fā)電以不足50%的裝機占比，生產(chǎn)了全國60%的電量，承擔了70%的調(diào)峰任務，成為保障我國電力安全穩(wěn)定供應的“壓艙石”。燃煤發(fā)電正逐步由主體性電源向提供可靠容量、調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務的基礎保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型，運行特征由穩(wěn)態(tài)工況為主向調(diào)峰調(diào)頻為主轉(zhuǎn)變，導致燃煤發(fā)電機組將長時間處于變負荷瞬態(tài)過程。
現(xiàn)有燃煤發(fā)電節(jié)能減排技術主要聚焦于穩(wěn)態(tài)工況，難以有效應對長時間瞬態(tài)運行下的新需求，存在瞬態(tài)過程能耗高、變負荷速率不足等難題。從燃煤發(fā)電機組變負荷過程能量轉(zhuǎn)化的角度分析，靈活性表現(xiàn)為充分挖掘機組內(nèi)部可用能并迅速地轉(zhuǎn)化為輸出功率，高效性表現(xiàn)為可用能在各個熱力設備存儲、傳遞、輸運等過程高效地轉(zhuǎn)化為電能。燃煤發(fā)電機組具有大慣性、強耦合、高遲延的特性，其靈活性與高效性受熱力系統(tǒng)構(gòu)型、熱力設備蓄熱、熱工過程控制的綜合影響，是相互聯(lián)系、相互矛盾又可能協(xié)同統(tǒng)一的有機整體。本文綜述研究可為燃煤發(fā)電機組靈活性與高效性的協(xié)同提升奠定理論依據(jù)，并為燃煤電站的設計、運行及改造等提供有力技術支撐。
2、論文所解決的問題及意義
本文針對典型燃煤發(fā)電機組，從瞬態(tài)過程建模、瞬態(tài)過程靈活性、瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同3個方面展開論述。
首先，綜述了針對燃煤發(fā)電機組熱力系統(tǒng)動態(tài)建模的3種方法，包括機理建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動混合建模，并討論對比了不同動態(tài)建模方法的適用條件和優(yōu)缺點，預測了未來大型能源動力系統(tǒng)動態(tài)建模的發(fā)展方向。
其次，詳細列舉了現(xiàn)有燃煤發(fā)電機組變負荷速率提升策略，對比了不同策略的特點和蓄熱利用位置，分析了不同靈活性提升策略的變負荷性能提升效果及機理，給出了目前國內(nèi)外不同類型燃煤發(fā)電機組的變負荷速率范圍；綜述了燃煤發(fā)電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻與AGC性能的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)了未來燃煤發(fā)電參與電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的技術發(fā)展方向。
最后，針對快速變負荷過程，提出了適應不同變負荷速率要求且熱經(jīng)濟性最好的靈活性提升策略；針對AGC變負荷過程，提出了蓄能時空分布和內(nèi)部蓄熱主動調(diào)控的靈活高效協(xié)同控制策略。本文旨在分析總結(jié)燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)變負荷過程的靈活性研究現(xiàn)狀和存在的技術瓶頸，進而提出瞬態(tài)過程高效靈活協(xié)同的優(yōu)化控制策略。
3、論文重點內(nèi)容
3.1 燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程建模方法
典型燃煤發(fā)電熱力系統(tǒng)包含制粉系統(tǒng)、鍋爐系統(tǒng)、汽輪機系統(tǒng)與冷端系統(tǒng)。研究燃煤發(fā)電機組的瞬態(tài)特性需要首先建立該熱力系統(tǒng)的動態(tài)模型。但由于燃煤發(fā)電過程涉及到多種物質(zhì)，包括煤、空氣、煙氣、蒸汽和水等，不同物質(zhì)的熱物性差異較大，且受溫度/壓力的影響顯著，同時不同熱力設備發(fā)生的熱力過程復雜多樣，都為動態(tài)模型的建立帶來了一定挑戰(zhàn)。
燃煤發(fā)電機組動態(tài)建模共有3種方法：
1）機理建模屬于“白箱模型”，建模的過程需要燃煤機組各熱力設備詳細的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，且要熟悉機組各類熱力過程特性，通過工質(zhì)和金屬等的質(zhì)量、動量和能量守恒方程建立動態(tài)模型，并經(jīng)過穩(wěn)態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù)來驗證模型的可靠性。整個建模過程較復雜，耗時較多，但能反映的內(nèi)部參數(shù)更全面，適合開展理論及機理分析研究。
2）數(shù)據(jù)驅(qū)動建模屬于“黑箱模型”，建模的過程不需要設備的幾何參數(shù)模型，也不需要熟練掌握各熱力過程的特性，只需要海量存儲的歷史數(shù)據(jù)，通過智能優(yōu)化算法即可獲得機組的動態(tài)模型。整個建模過程較簡單，但是可變參數(shù)和分析因素很少，針對未發(fā)生的事故工況無法預測。
3）機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動混合建模是一種介于“白箱”和“黑箱”間的方法，建模的過程首先從熱力系統(tǒng)的熱力特性出發(fā)，將工質(zhì)和金屬等的質(zhì)量、動量和能量守恒方程轉(zhuǎn)化為輸入輸出對應的傳遞函數(shù)，之后采用各類智能算法和歷史數(shù)據(jù)對未知參數(shù)進行辨識。該方法兼具前兩者的優(yōu)勢，且伴隨著智能算法的成熟，能滿足動態(tài)計算的快速性和精度要求，在大型能源動力系統(tǒng)的動態(tài)建模中將發(fā)揮越來越重要的作用。
圖1 三種熱力系統(tǒng)動態(tài)建模方法對比
3.2 燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程的靈活性
目前，燃煤發(fā)電機組的靈活性越來越受到專家學者們的關注，圖2為根據(jù)檢索論文繪制的燃煤發(fā)電機組靈活性的詞云分析，可見“運行靈活性”、“儲能”、“儲熱”、“控制策略”“優(yōu)化”、“動態(tài)模擬”等詞出現(xiàn)頻率最高。從各國研究的主題演變分析（圖3）也可以發(fā)現(xiàn)：靈活性與儲能近年來備受各國學者的關注。
圖2 燃煤發(fā)電機組靈活性的詞云分析
圖3 燃煤發(fā)電機組靈活性的主題演變分析
從燃煤發(fā)電機組靈活性的國家分析（圖4）和機構(gòu)分析（圖5）結(jié)果可以看出：中國在燃煤發(fā)電機組的靈活性研究最活躍，其次是美國和德國；而從研究機構(gòu)來看：西安交通大學、華北電力大學和清華大學的相關研究成果占比超過一半以上。
圖4 燃煤發(fā)電機組靈活性的國家分析
圖5 燃煤發(fā)電機組靈活性的機構(gòu)分析
燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程的靈活性研究可以從機組自身調(diào)整和參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)兩個方面論述（圖6）。從機組自身調(diào)整來看，包括構(gòu)型調(diào)整策略和變負荷靈活性指標兩部分；不同靈活性調(diào)整策略利用的機組蓄能不同，產(chǎn)生的效果也有差異，且各種策略各自都有優(yōu)缺點；變負荷靈活性指標主要包括快速變負荷爬坡速率、附加功率輸出量和附加電能生成量等。從參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)來看，主要表現(xiàn)為短期內(nèi)的一次調(diào)頻PFR特性和中長期內(nèi)的自動發(fā)電控制AGC二次調(diào)頻特性。本文綜述了各自的評價指標和調(diào)控策略研究現(xiàn)狀并總結(jié)了未來發(fā)展方向。
圖6 燃煤發(fā)電機組的靈活性研究現(xiàn)狀
3.3 燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同運行的控制策略優(yōu)化
本文主要從快速變負荷及構(gòu)型恢復過程、AGC變負荷過程兩個角度綜述了目前燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同運行的控制策略優(yōu)化研究現(xiàn)狀（圖7）?？焖僮冐摵杉皹?gòu)型恢復過程，實時計算不同策略下的蓄?利用效率和?損失，從而在滿足快速變負荷速率需求下優(yōu)選最優(yōu)構(gòu)型調(diào)整策略，在構(gòu)型恢復過程中以熱力系統(tǒng)蓄?偏差修正鍋爐風-水-煤主控指令，快速調(diào)整熱力系統(tǒng)的蓄能不足或超量，實現(xiàn)了快速變負荷及構(gòu)型恢復全過程靈活與高效的協(xié)同。瞬態(tài)AGC變負荷過程，燃煤機組鍋爐和汽輪機子系統(tǒng)內(nèi)蓄熱時空分布特性復雜，基于燃煤發(fā)電機組的分布式蓄?量對變負荷速率進行線性分解，并引入到風-水-煤主控制邏輯，主動調(diào)控機組內(nèi)部蓄熱，實現(xiàn)了AGC變負荷過程的靈活與高效的協(xié)同。
圖7 燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同運行的控制策略優(yōu)化研究現(xiàn)狀
4、結(jié)論
雙碳目標下，燃煤發(fā)電機組正逐步由主體電源向支撐性和調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變，承擔更多調(diào)峰調(diào)頻服務，導致機組長時間處于變負荷瞬態(tài)過程。實現(xiàn)燃煤發(fā)電機組高效靈活運行是我國能源領域的重大戰(zhàn)略需求。本文綜述了現(xiàn)有燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程建模方法、靈活性以及靈活高效協(xié)同運行的理論和技術研究現(xiàn)狀，并展望了未來的發(fā)展方向。主要結(jié)論如下：
1）機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動混合建模在大型能源動力系統(tǒng)的動態(tài)建模中發(fā)揮越來越重要的作用。未來燃煤電站向數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)變，數(shù)字孿生技術成為燃煤電站離/在線性能檢測、狀態(tài)檢修、控制優(yōu)化的重要手段，利用先進智能算法完善機理與數(shù)據(jù)驅(qū)動混合建模方法，為智慧燃煤電站的實現(xiàn)提供有力支撐。
2）通過調(diào)整熱力系統(tǒng)構(gòu)型可快速儲/釋燃煤發(fā)電機組內(nèi)部的蓄熱，并迅速轉(zhuǎn)化為做功來提升變負荷速率。現(xiàn)有六種靈活性調(diào)節(jié)策略中，熱力設備蓄熱轉(zhuǎn)化為做功的能力取決于蓄熱品位，不同策略利用的蓄熱品位不同，靈活性效果差異明顯。未來燃煤電站仍將長期頻繁參與到電網(wǎng)輔助服務，充分利用好機組內(nèi)部蓄熱并優(yōu)化匹配大規(guī)模外部儲熱/儲能技術，有望進一步提升機組瞬態(tài)過程的靈活性。
3）燃煤發(fā)電機組不同靈活性提升策略利用的蓄熱位置和品位存在差異，可根據(jù)快速變負荷速率要求，優(yōu)選經(jīng)濟的調(diào)節(jié)策略；基于燃煤發(fā)電機組的分布式蓄?量對變負荷速率進行線性分解，實現(xiàn)機組內(nèi)部蓄熱的主動調(diào)控，獲得適應不同AGC變負荷過程的高效靈活協(xié)同優(yōu)化控制策略。未來燃煤發(fā)電機組向著高效、靈活、清潔的方向發(fā)展，如何保證燃煤發(fā)電機組變負荷瞬態(tài)過程高效靈活清潔協(xié)同運行是能源領域新的挑戰(zhàn)也是機遇。
引文信息
趙永亮，許朋江，居文平，等．燃煤發(fā)電機組瞬態(tài)過程靈活高效協(xié)同運行的理論與技術研究綜述[J]．中國電機工程學報，2023，43(6)：2080-2099．
ZHAO Yongliang，XU Pengjiang，JU Wenping，et al. Overview of theoretical and technical research on flexible and efficient synergistic operation of coal-fired power units during transient processes[J]．Proceedings of the CSEE，2023，43(6)：2080-2099(in Chinese)．
