一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法
阅读说明：本技术 一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法 (Thermodynamic system for quick load response of heat supply unit and regulation and control method ) 是由 袁建丽 菅志清 吴水木 包伟伟 尤姗姗 周乃康 符佳 张起 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法,解决现有的热力系统稳定性差,成本高的技术问题。基于供热机组,所述供热机组包括依次连接的锅炉、高压缸、中压缸、低压缸和发电机,在中压缸和低压缸之间设置有中低压连通蝶阀,用于调节进入低压缸的蒸汽流量；在中压缸和中低压连通蝶阀之间设置供热蒸汽引出口,并在抽汽管路上设置抽汽蝶阀,用于调节和控制进入热网加热器的蒸汽流量；本发明用于供热机组快速响应AGC负荷指令和一次调频指令,通过供热机组的调节抽汽装置和热网系统,快速改变供热机组的瞬时供热蒸汽流量,调节整个机组的瞬时热电比,从而实现机组发电负荷的快速响应。(A thermodynamic system for quick load response of a heat supply unit and a regulation and control method solve the technical problems of poor stability and high cost of the conventional thermodynamic system. Based on a heat supply unit, the heat supply unit comprises a boiler, a high-pressure cylinder, an intermediate-pressure cylinder, a low-pressure cylinder and a generator which are sequentially connected, wherein an intermediate-low pressure communication butterfly valve is arranged between the intermediate-pressure cylinder and the low-pressure cylinder and used for adjusting the flow of steam entering the low-pressure cylinder; a heat supply steam outlet is arranged between the intermediate pressure cylinder and the medium-low pressure communication butterfly valve, and a steam extraction butterfly valve is arranged on a steam extraction pipeline and used for adjusting and controlling the flow of steam entering the heat supply network heater; the invention is used for the heat supply unit to quickly respond to AGC load instructions and primary frequency modulation instructions, quickly changes the instantaneous heat supply steam flow of the heat supply unit through the adjusting steam extraction device and the heat supply network system of the heat supply unit, and adjusts the instantaneous thermoelectric ratio of the whole unit, thereby realizing the quick response of the unit to generate power.)
技术领域
本发明涉及火力发电技术领域，具体涉及一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法。
背景技术
对于大型火力发电机组，发电上网均经过调度机构的负荷控制中心，通过调度指令的分配，火电厂对发电需求进行响应，也即AGC控制系统，对火电机组的实际发电负荷进行调节和控制，从而适应电网调度的负荷需求，一般地要求负荷响应速率为1.5-2% /min，才能满足电网调度要求。另外，并网火电机组还需要具备一次调频功能，确保电网频率的稳定。
当前，大型火电机组的负荷响应速率主要受制于热力系统和设备的性能，特别是锅炉侧设备具有较大的延迟和热惯性，与汽机调门的快速动作不能保持同步，造成并网机组在负荷变动过程中，协调控制系统（CCS）的调节品质不高，机组压力波动大、部分关键环节存在超调，不能满足AGC调节要求，也给机组的安全稳定运行带来影响。一次调频的响应主要通过机组的调速系统实现，也可以利用机组的蓄热功能进行小幅度的负荷增减，同时也需要通过协调控制系统，实现对锅炉、汽机及主要辅机的控制调节。
目前提升一次调频和负荷响应的方法主要是通过CCS系统的逻辑优化和控制算法的改进，提高响应速率。但是受制于机组的参数、热力系统特性和主要辅机性能，特别是锅炉侧厚壁承压元件，限制了机组压力的大幅度波动，该技术提升负荷响应速率的能力有限，经过优化的机组基本上能够满足电网调度的要求，在辅助服务市场考核机制下，机组不接受考核或者少量考核，难于获取额外的奖励补贴。
另一种提升机组负荷响应速率的方法是利用凝结水节流原理，改变凝结水瞬时流量，从而改变除氧器及低压加热器的瞬时抽汽流量，进而改变汽轮机低压缸做功能力，实现机组对外的快速负荷响应和一次调频功能，但是该技术存在着较多技术障碍，比如对凝汽器和除氧器的水位造成剧烈波动，对轴封加热器和轴封蒸汽参数造成影响，对凝结水泵和给水泵运行工况造成一定程度偏离，容易造成机组运行参数的不稳定，并且该技术受制于凝结水泵的变频和凝汽器、除氧器流量的快速变化，调节幅度受到了限制。
还有一种提升方法是对给水系统进行改造，设置高压加热器的给水系统小旁路，运行中通过分流进入高压加热器中的给水流量，改变高压加热器的抽汽流量，从而改变汽轮机高中压缸的做功能力，同样地会对给水温度和给水管路造成热冲击，影响锅炉和脱硝系统的运行，并且高压给水进行分流控制对锅炉给水系统的正常投运造成影响，在实际操作过程难度很大，由于受制于管路系统和高压加热器系统的抽汽能力限制，该方法调节幅度和速率非常有限，实施成本高，收益小，不能在行业内得到全面推广和应用。
发明内容
本发明提出的一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法，可解决现有的热力系统稳定性差，维护成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于供热机组快速负荷响应的热力系统，用于供热机组快速响应AGC（自动发电控制）负荷指令和一次调频指令，通过供热机组的调节抽汽装置和热网系统，快速改变供热机组的瞬时供热蒸汽流量，调节整个机组的瞬时热电比，从而实现机组发电负荷的快速响应。
所述的调节抽汽装置对于常规的热电机组而言，指的是调整抽汽蝶阀，用于控制进入汽轮机低压缸蒸汽流量和调节进入热网加热器的蒸汽流量；对于带有高低压旁路系统的供热机组，调节抽汽装置还包括高压调节阀和低压调节阀，用于锅炉蒸汽的旁通分流和压力控制，实现锅炉对外供热蒸汽流量调整，从而改变机组的热电配比。
所述的供热机组由锅炉、高压缸、中压缸、低压缸和发电机组成，在中压缸和低压缸之间设置有中低压连通蝶阀，用于调节进入低压缸的蒸汽流量，在中压缸和中低压连通蝶阀之间设置供热蒸汽引出口，并在抽汽管路上设置抽汽蝶阀，用于调节和控制进入热网加热器的蒸汽流量。
所述的热网加热器高温侧为供热机组的对外供热抽汽，经过换热降温后的疏水进入到凝汽器中，与低压缸排汽冷凝后的凝结水混合后，经过凝结水泵增压后进入到回热系统完成继续参与热力循环，确保工质平衡。
所述的热网加热器低温侧工质为热网循环水，热网循环水回路上连接有热用户，通过热网换热水泵的作用，将热网加热器交换的热量传递给热用户。
所述的热用户为广义上的热用户，也包括换热站，能够通过热交换或者直接使用热量的设备和系统。
所述的热网循环水泵采用变频调节方式，通过调整热网循环水泵电机的频率，实现对热网循环水泵转速调节，从而对热网循环水量进行调节。
供热机组的一次调频功能投入时，当电网出现频率差大于机组一次调频负荷响应要求值时，触发汽轮机数字电液调节(DEH)系统中的压力控制回路和功率控制回路，同时给热网系统触发控制指令，分别调节进入热网加热器的蒸汽流量和热网循环水泵的转速，实现供热机组的瞬时热电比变化，从而调节机组的一次调频响应，同时减少对供热机组压力波动的影响。
具体地，当汽轮机转速高于设定值且大于调频死区时，增大抽汽蝶阀开度，减小中低压连通管蝶阀开度，同时增加热网循环水泵频率，增大热网循环水流量，迟延一段时间T1s后，将抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率恢复到一次调频作用前状态；当汽轮机转速低于设定值且大于调频死区时，减小抽汽蝶阀开度，增大中低压连通管蝶阀开度，同时减少热网循环水泵频率，降低热网循环水流量，迟延一段时间T2 s后，将抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率恢复到一次调频作用前状态。
供热机组的自动发电控制（AGC）功能投入时，当AGC指令要求增加机组负荷，由于锅炉制粉系统、燃烧系统的滞后性，锅炉在锅炉主控指令增加的条件下，增加锅炉侧风、煤、水，同时增大中低压连通管蝶阀开度，减小抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率，减小热网循环水流量，迟延一段时间T3 s后，将抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率恢复到AGC指令作用前状态；当AGC指令要求减少机组负荷，由于锅炉制粉系统、燃烧系统的滞后性，锅炉在锅炉主控指令减小的条件下，减小锅炉侧风、煤、水，同时减小中低压连通管蝶阀开度，增大抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率，增大热网循环水流量，迟延一段时间T4 s后，将抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率恢复到AGC指令作用前状态。
所述的迟延时间T1、T2、T3和T4均需要根据机组的动态特性进行整定计算，在试验过程中确定，并且T1和T2远远小于T3和T4。
当进行一次调频负荷响应时，所述的中低压连通管蝶阀、抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率调整幅度取决于汽轮机转速与额定转速差值；当进行AGC指令负荷响应时，所述的中低压连通管蝶阀、抽汽蝶阀开度和热网循环水泵频率调整幅度取决于负荷调整范围和负荷调整速率设定值。
对于带有高低压旁路抽汽的机组，当进行上述AGC和一次调频负荷响应时，高压旁路和低压旁路系统也参与负荷响应过程，具体地，高旁调节阀和低旁调节阀的开关动作方向与抽气蝶阀相同。
所述的高旁调节阀和低旁调节阀开关调节幅度同样也取决于负荷调整范围和负荷调整速率设定值，需要在热态试验中进行整定确认。
所述的高压调节阀和低旁调节阀之间存在随动关系，具体地，当低旁调节阀动作时，高旁调节阀跟随低旁调节阀动作，并且，高压旁路的蒸汽流量与低压旁路蒸汽流量比值为0.8~1.2。
由上述技术方案可知，本发明的用于供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法利用抽汽管路和热网系统的庞大蓄热能力，将供热机组的热电负荷分配进行调节，当机组在AGC（自动发电控制）指令作用下，升负荷时，通过减少对热网系统的供热抽汽流量，将热网系统中的部分热量释放出来用于发电，从而增加发电负荷，提升供热机组的快速升负荷能力；同样地，降负荷时，通过增大对热网系统的供热抽汽流量，将机组部分热量存储到热网系统中，从而减少发电负荷，提升供热机组的快速降负荷能力；当机组投入一次调频控制功能时，通过供热抽汽调节阀的快速动作，实现电网调度对供热机组的一次调频控制要求。
本发明所采用的技术方案具有以下几个方面优点：
1）利用供热及热网系统的庞大蓄热能力，瞬时改变供热机组的供热汽源流量，改变机组的热电比，负荷调节幅度大、调节速率快；
2）利用热网侧循环泵的快速流量调节，改变热网的热负荷需求，实现整个热网系统的快速的热量存储或者释放，从而实现对供热需求的快速负荷调节；
3）不改变原热力系统的循环工质参数，对主机系统的影响小；
4）利用广义上的机组对外抽汽负荷，将供热机组的部分热负荷存储在热网系统中，或者从热网系统中释放供热负荷，从而调节机组的热电负荷分配，实现机组的一次调频调节和快速负荷响应；
5）利用机组灵活性深度调峰热力系统和设备，充分发挥热力设备的潜力，在较宽的负荷范围内实现机组供热、发电解耦，并且能够提升负荷响应速率。
附图说明
图1为本发明的供热机组的热力系统图；
图2为本发明的带高低压旁路系统的供热机组热力系统图；
图3为本发明的一次调控控制系统示意图；
图4为本发明的AGC负荷响应控制系统示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1和图2所示，本实施例所述的供热机组快速负荷响应的热力系统及调控方法，基于供热机组，所述供热机组包括依次连接的锅炉1、高压缸2、中压缸3、低压缸4和发电机5，在中压缸3和低压缸4之间设置有中低压连通蝶阀8，用于调节进入低压缸4的蒸汽流量；
在中压缸3和中低压连通蝶阀8之间设置供热蒸汽引出口，并在抽汽管路上设置抽汽蝶阀9，用于调节和控制进入热网加热器10的蒸汽流量；
对于供热机组，从锅炉1产生的过热蒸汽首先进入汽轮机高压缸2，做功后的蒸汽再次进入锅炉1，再热加热后的蒸汽进入汽轮机中压缸3，中压缸3排汽分为两路，一路经过中低压连通管蝶阀8进入到低压缸4中，做完功的蒸汽进入凝汽器6中冷却后成为凝结水，另一路蒸汽经过抽汽蝶阀9后，进入热网加热器10，冷却后的凝结水进入到凝汽器6中，凝结水在凝结水泵7的作用下再次进入回热系统中，进行热力循环。热网水在热网循环水泵11的作用下，进入热网加热器10加热后送入到热用户12，实现供热机组的对外供热。
对于带高低压旁路系统的供热机组，与上述过程的区别在于，从锅炉1产生的高压蒸汽一部分进入汽轮机高压缸2，另一部分高压蒸汽经过高压调节阀13后，进入到高压旁路14，经过减温减压后的蒸汽与高压缸排汽混合后一并进入锅炉1中再热加热，经过锅炉再热的蒸汽一部分进入到汽轮机中压缸3，另一部分通过低压调节阀15后，进入到低压旁路16，经过减温减压后的蒸汽与中压缸对外抽汽混合后进入到热网加热器10中，为供热系统提供供热汽源。
以下对本发明实施例的具体工作原理做详细说明：
锅炉1产生的高压蒸汽首先进入汽轮机高压缸2膨胀，做完功后的蒸汽进入锅炉1再次加热后进入汽轮机中压缸3中继续膨胀，中压缸3出口的蒸汽分为两管路，第一管路进入汽轮机低压缸4，在进入低压缸4之前的管路上设置有中低压连通管蝶阀8；第二管路从中压缸3和中低压连通管蝶阀8之间引出，管路上设置有抽汽蝶阀9，将汽轮机中压缸3排汽抽出用于热网加热器10的加热。
汽轮机低压缸4的排汽进入凝汽器6中，做完功的低压乏汽在凝汽器6的冷却下变成凝结水，与经过热网加热器10的供热蒸汽疏水混合在凝汽器6底部的热井中，经过凝结水泵7的升压再次进入热力循环系统中。
热网加热器10的低温侧为热网循环水，低温热网循环水在热网循环水泵11的作用下，经过热网加热器10的加热提升温度后，进入热用户12。
所采用的热网循环水泵11采用变频调节，通过频率调节可以实现热网循环水流量调节。
对于带有高低压旁路系统的供热机组，高压旁路调节阀13和高压旁路14系统串联，将部分锅炉主蒸汽旁路，经过减温减压后与高压缸2排汽混合后再次进入锅炉1加热，从锅炉出来的再热蒸汽分流一部分进入低压旁路系统，依次设置有低压旁路调节阀15和低压旁路16，经过低压旁路系统减温减压后的蒸汽用于热网加热器10的加热汽源，使得该机组具有双重供热汽源的功能。
如图3和图4所示，当机组投入一次调频功能时，一旦电网出现了频率差，供热机组原有的一次调频功能仍然进行调节，为了提升响应速率，将热网系统的蓄热量利用起来，通过改变进入热网加热器10中的蒸汽流量和热网循环水泵11的频率，瞬间调节供热机组的热电比，实现供热机组对电网调度的一次调频的快速负荷响应。具体地，当供热机组的频率高于或低于电网频率时，并且机组频率差值大于机组一次调频负荷响应要求值时，触发汽轮机数字电液调节(DEH)系统中的压力控制回路和功率控制回路，同时给热网系统触发控制指令，分别调节进入热网加热器10的蒸汽流量和热网循环水泵11的转速，实现供热机组的瞬时热电比变化，从而调节机组的一次调频响应，同时减少对供热机组压力波动的影响。
具体地，当汽轮机转速高于设定值且大于调频死区时，增大抽汽蝶阀9开度，减小中低压连通管蝶阀8开度，同时增加热网循环水泵11频率，增大热网循环水流量，迟延一段时间T1 s后，将抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率恢复到一次调频作用前状态；当汽轮机转速低于设定值且大于调频死区时，减小抽汽蝶阀9开度，增大中低压连通管蝶阀8开度，同时减少热网循环水泵11频率，降低热网循环水流量，迟延一段时间T2 s后，将抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率恢复到一次调频作用前状态。
供热机组的自动发电控制（AGC）功能投入时，当AGC指令要求增加机组负荷，由于锅炉制粉系统、燃烧系统的滞后性，锅炉1在锅炉主控指令增加的条件下，增加锅炉侧风、煤、水，同时增大中低压连通管蝶阀8开度，减小抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率，减小热网循环水流量，迟延一段时间T3 s后，将抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率恢复到AGC指令作用前状态；当AGC指令要求减少机组负荷，由于锅炉制粉系统、燃烧系统的滞后性，锅炉1在锅炉主控指令减小的条件下，减小锅炉侧风、煤、水，同时减小中低压连通管蝶阀8开度，增大抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率，增大热网循环水流量，迟延一段时间T4 s后，将抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率恢复到AGC指令作用前状态。
所述的迟延时间T1、T2、T3和T4均需要根据机组的动态特性进行整定计算，在试验过程中确定，并且T1和T2远远小于T3和T4。
当进行一次调频负荷响应时，所述的中低压连通管蝶阀8、抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率调整幅度取决于汽轮机转速与额定转速差值；当进行AGC指令负荷响应时，所述的中低压连通管蝶阀8、抽汽蝶阀9开度和热网循环水泵11频率调整幅度取决于负荷调整范围和负荷调整速率设定值。
对于带有高低压旁路抽汽的机组，当进行上述AGC和一次调频负荷响应时，高压旁路14和低压旁路16系统也参与负荷响应过程，具体地，高旁调节阀13和低旁调节阀15的开关动作方向与抽气蝶阀9相同。
对于600MW供热机组，热网循环水流量为5000 t/h，热网水管路及系统的水容积为80000 m3，热网供回水温度分别为115℃和55℃，热网加热器的对外供热功率为359MWth，热网系统的蓄热量为2010 GJ。当投入一次调频功能时，通过调节进入热网加热器中的蒸汽流量，可以实现机组额定负荷的±6%，即±36MW的负荷变动，当热网循环水流量保持不变时，对应的热网循环水出口温度变化约为6℃；当热网循环水泵的频率同步进行变化时，对应的热网循环水出口温度变化将小于6℃，考虑到锅炉燃烧滞后时间约为5 min，则热网蓄热量变化幅度为10.8GJ，也即整个热网蓄热量的0.537%，因此一次调频作用发生后对热网循环水温和蓄热量影响较小。
同样地，投入AGC功能后，当机组发生相应的负荷响应变动时，对热网循环水温的影响可在6℃之内，充分利用热网系统庞大的蓄热能力，来加快机组的AGC负荷响应速率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。