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 蘇燁1，張鵬1，張永軍1，何永君2，戴航丹1

 (1國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院究，浙江杭州  310014;2．中國電機(jī)工程學(xué)會，北京  100761)

摘要：隨著越來越多的特高壓線路接入電網(wǎng)，如何利用發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻和調(diào)峰特性來確保電網(wǎng)安全顯得尤其重要。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的凋峰特性，分別對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組快速啟動和低負(fù)荷運行深度調(diào)峰進(jìn)行了影響因素分析和試驗研究，獲得了相關(guān)的運行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，為特高壓線路接人電網(wǎng)時利用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組調(diào)峰來確保電網(wǎng)安全提供了參考和思路。

關(guān)鍵詞：特高壓：燃?xì)廨啓C(jī)：快速啟動；低負(fù)荷運行；深度調(diào)峰

中圖分類號：TM621；TK321 DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.06.030.05

0引言

 近年來，隨著特高壓輸電系統(tǒng)建設(shè)的加快，建成投產(chǎn)的特高壓輸電T程越來越多，有效地解決了受端電網(wǎng)一次能源缺乏，環(huán)境容量緊缺的問題。以浙江省為例，浙江省電網(wǎng)外來電力主要有3個方面：(1)華東直調(diào)機(jī)組直接調(diào)入本�。�(2)通過500 kV電網(wǎng)由相鄰省市受入本��；(3)通過特高壓線路受人本省。近年有幾條特高壓線路相繼建成投運．后續(xù)還有正在建設(shè)的靈紹直流特高壓線路等。從—卜三五”規(guī)劃的接受省外來電情況看．浙江省電網(wǎng)通過特高壓輸電系統(tǒng)的受電比重將會越來越大。

1  特高壓接入后的新形勢

 特高壓接入后，浙江省發(fā)電機(jī)組的運行方式發(fā)生了根本性改變，其特點為：(1)調(diào)停機(jī)組數(shù)多．利用小時數(shù)減少，很多機(jī)組處于調(diào)�；驒z修狀態(tài)；(2)機(jī)組的負(fù)荷率低，機(jī)組處于低負(fù)荷運行時間大大加長。特高壓輸電技術(shù)雖有各種優(yōu)勢，一旦發(fā)生閉鎖卻會給本省的電網(wǎng)帶來安全風(fēng)險，主要表現(xiàn)在影響機(jī)組穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定等幾個方面。2015年9月19日，錦蘇直流發(fā)生雙極閉鎖．當(dāng)時由于特高壓的接入，本省機(jī)組運行的臺數(shù)較少，機(jī)組負(fù)荷比較低，造成頻率下降過快．系統(tǒng)頻率最低下跌至49.563 Hz，異�？倳r長約6 min。

 為了確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，電網(wǎng)方面正在進(jìn)行特高壓電力參與調(diào)峰的研究，同時調(diào)度根據(jù)特高壓閉鎖情況編制了調(diào)度處置預(yù)案。此外，電網(wǎng)方面對發(fā)電機(jī)組提出了新的要求：(1)機(jī)組需要快速響應(yīng)一次調(diào)頻動作，能夠快速往上調(diào)頻；(2)機(jī)組需要深度調(diào)峰，能夠調(diào)峰到更低負(fù)荷。近幾年燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組（簡稱“燃機(jī)機(jī)組”）的比重越來越大，但是受天然氣價格影響，發(fā)電成本較高．年發(fā)電小時數(shù)較少，機(jī)組一般處于額定負(fù)荷運行．向上調(diào)峰和調(diào)頻能力較弱。當(dāng)前形勢下，如何更好地利用燃機(jī)機(jī)組的調(diào)峰性能是急需解決的問題。

 針對當(dāng)前電網(wǎng)的形勢和要求，燃機(jī)機(jī)組的深度調(diào)峰主要包括燃機(jī)機(jī)組快速啟動和燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行2個方面。

2燃機(jī)機(jī)組快速啟動調(diào)峰

2.1  燃機(jī)機(jī)組快速啟動影響因素

 燃機(jī)機(jī)組快速啟動是指利用燃?xì)廨啓C(jī)啟動速度快的特點來快速啟動調(diào)峰，影響燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動的因素主要包括：

 (1)機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)：是指機(jī)組處于冷態(tài)、溫態(tài)還是熱態(tài)。機(jī)組的當(dāng)前狀態(tài)決定了機(jī)組的啟動時問．熱態(tài)的機(jī)組啟動時問最短。

 (2)機(jī)組的運行方式：是指機(jī)組是簡單循環(huán)還是燃?xì)庖徽羝��?lián)合循環(huán)。簡單循環(huán)的機(jī)組是指有旁路煙道的機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)啟動到額定負(fù)荷比較快，但是發(fā)電效率較低。我國燃機(jī)機(jī)組一般為燃?xì)庖徽羝��?lián)合循環(huán)的機(jī)組。

 (3)機(jī)組的類型：是指機(jī)組是采用單軸還是多軸布置。單軸布置的燃機(jī)機(jī)組必須考慮汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度的匹配速率和時間，并網(wǎng)后到額定負(fù)荷的時間較長。多軸布置的燃機(jī)機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)可以配合旁路迅速帶到額定負(fù)荷。

 (4)汽輪機(jī)旁路的大�。浩�輪機(jī)旁路一般配30%容量和100%容量2種。如果是100%容量的旁路，所有水蒸氣可以通過旁路先進(jìn)凝汽器．而不考慮汽輪機(jī)進(jìn)汽問題，燃?xì)廨啓C(jī)可以快速帶到額定負(fù)荷．

 (5)燃?xì)廨啓C(jī)的類型：燃?xì)廨啓C(jī)的類型不同．啟動的時間也不相同，以主流的GE、西門子、三菱燃?xì)廨啓C(jī)為例，各自從0 r/min到額定轉(zhuǎn)速并網(wǎng)的時間如表1所示。

 從表1可以看到，西門子類型燃?xì)廨啓C(jī)啟動所需時間比GE和三菱的短，快速啟動調(diào)峰上有一定的優(yōu)勢�？紤]到安全性，燃?xì)廨啓C(jī)的啟動過程均設(shè)置有清吹吹掃過程。西門子類型燃?xì)廨啓C(jī)可以選擇是否吹掃，如果燃?xì)廨啓C(jī)上次正常停機(jī)．下次啟動可以選擇不吹掃；如果上次是非正常停機(jī)或停機(jī)時間較長，下次啟動必須經(jīng)過吹掃。研究證明，通過對燃?xì)廨啓C(jī)的清吹吹掃時間進(jìn)行優(yōu)化，可適當(dāng)縮短清吹吹掃時間。

 綜上所述，熱態(tài)的西門子聯(lián)合循環(huán)配100%汽機(jī)旁路的分軸機(jī)組，在快速啟動調(diào)峰過程中有一定的優(yōu)勢。

2.2燃機(jī)機(jī)組快速啟動試驗

 為了更好地了解燃機(jī)機(jī)組快速啟動情況，選取某電廠配置的GE公司生產(chǎn)的9F機(jī)組進(jìn)行快速啟動試驗，該電廠配置有2套S109FA型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，單軸布置，機(jī)組額定負(fù)荷394 MW。

 試驗背景：4月18日1 8：00，11號機(jī)組按省調(diào)命令解列停運。4月19日早上，切換至12號機(jī)組啟動頂峰運行，I1號機(jī)組余熱鍋爐處于熱爐保壓狀態(tài)。08：50,單元長接到省調(diào)命令，需立即啟動11號機(jī)組。接令后，單元長立即布置機(jī)組人員進(jìn)入啟動準(zhǔn)備狀態(tài)，安排11號機(jī)組緊急啟動。

 具體流程如下：

 (1)啟動準(zhǔn)備階段：首先安排操作員進(jìn)行輔助蒸汽的疏水暖管，一同時啟動相關(guān)的輔助設(shè)備，09：10，輔助蒸汽溫度滿足要求后開始投軸封，09:26，軸封蒸汽溫度、壓力滿足要求后開始抽真空。在機(jī)組熱態(tài)情況下，此階段歷時大約50 min,其中輔汽暖管約需20 min，軸封蒸汽升溫、升壓約需15 min，抽真空約需15 min。運行人員在此時間內(nèi)需要完成輔機(jī)的啟動及其他準(zhǔn)備工作。

 (2)啟動至全速、并網(wǎng)階段：09：41,啟動條件滿足，11號機(jī)組開始啟動。09：56,機(jī)組點火。10:04，機(jī)組全速。10：08，機(jī)組并網(wǎng)。啟動至全速階段歷時25 min，主要進(jìn)行機(jī)組熱通道的清吹、點火、升速至全速。

 (3)并網(wǎng)至汽機(jī)高壓進(jìn)汽階段：此階段負(fù)荷為35～50 MW,主要進(jìn)行并網(wǎng)后的必要檢查．

投運溫度匹配，等待高壓蒸汽滿足進(jìn)汽參數(shù)。10：32，11號機(jī)組汽機(jī)進(jìn)汽，此階段用時24 min。

 (4)汽機(jī)進(jìn)汽至帶滿負(fù)荷：汽機(jī)開始進(jìn)汽．高壓調(diào)門緩慢開足，至進(jìn)口壓力控制(inlet

 pressure c:ontrol，IPC)投運需10～15 min。10：50,1 1號機(jī)組帶至滿負(fù)荷．

 本次緊急啟動準(zhǔn)備工作用時約50 min，啟動至帶滿負(fù)荷用時約69 min。熱態(tài)啟動對軸封蒸汽的溫度和壓力要求較高，在啟動準(zhǔn)備階段，輔汽暖管、軸封蒸汽升溫、升壓以及抽真空等耗時較多．對運行人員的數(shù)量、素質(zhì)都有較高的要求。除去啟動準(zhǔn)備丁作時間，機(jī)組熱態(tài)肩動到額定負(fù)荷需60 min左右的時間，此調(diào)峰方式適合提前告知特高壓輸電系統(tǒng)需要臨時停運或減負(fù)荷運行時來快速啟動調(diào)峰使用，需具備30 min以上時間裕量。

3燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行深度調(diào)峰

 燃機(jī)機(jī)組的低負(fù)荷運行深度調(diào)峰是指燃機(jī)機(jī)組能長時間在低負(fù)荷運行，當(dāng)特高壓輸電系統(tǒng)發(fā)生閉鎖或電網(wǎng)出現(xiàn)異常等情況，電網(wǎng)需要迅速調(diào)峰時，燃機(jī)機(jī)組可以迅速響應(yīng)自動發(fā)電控制( automatic: generation control，AGC)負(fù)荷，從而確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。燃機(jī)機(jī)組一般具備50%~100%額定負(fù)荷AGC調(diào)節(jié)范圍，本文闡述的低負(fù)荷運行是指燃機(jī)機(jī)組低于50%額定負(fù)荷長時間穩(wěn)定運行。

3.1  燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行深度調(diào)峰影響因素

 影響燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行的因素比較多．主要包括：

 (1)燃?xì)廨啓C(jī)的類型。燃?xì)廨啓C(jī)的類型不同．低負(fù)荷燃燒時的特性及燃燒情況也不同，因此需要對低負(fù)荷時燃燒器火焰穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測找到各燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷時長期穩(wěn)定燃燒運行的工況點。

 (2)燃?xì)廨啓C(jī)的模式切換點。在燃?xì)廨啓C(jī)模式切換時，存在一定的不安全和風(fēng)險因素，因此燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行時，需避開模式切換工況點。

 (3)燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷運行時的排放情況。燃?xì)廨啓C(jī)類型不同，低負(fù)荷運行時的排放情況也各不相同．為了保證機(jī)組低負(fù)荷運行時的燃燒安全和環(huán)保排放達(dá)標(biāo)，需對低負(fù)荷運行時的機(jī)組進(jìn)行燃燒調(diào)整。

 (4)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，旁路全關(guān)時的負(fù)荷工況點。根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒特性，負(fù)荷越低，氣耗率越高，經(jīng)濟(jì)性越差。以GE公司生產(chǎn)的9F(S109FA)機(jī)組為例，其氣耗特性曲線如圖1所示。當(dāng)燃?xì)鈾C(jī)組進(jìn)行深度調(diào)峰時，其效率將明顯降低，成本也將大幅提高，旁路開啟時部分水蒸氣通過旁路進(jìn)入凝汽器．機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性也較差。

 基于以上因素，燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行時，要根據(jù)機(jī)組的實際情況，尋找機(jī)組在低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒且旁路全關(guān)時經(jīng)濟(jì)性相對較高的負(fù)荷工況點。

3.2燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行實例

 為了對燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行的最佳負(fù)荷工況點進(jìn)行研究，選取某電廠用于調(diào)峰的燃機(jī)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化試驗。該電廠的燃機(jī)機(jī)組為400 MW F級聯(lián)合循環(huán)多軸發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)采用德國Siemens公司生產(chǎn)的SGT5 -4000F燃?xì)廨啓C(jī)。根據(jù)調(diào)度要求．該機(jī)組每天高峰時負(fù)荷為額定負(fù)荷，但過夜負(fù)荷為140 MW。

 試驗之前，機(jī)組負(fù)荷為140 MW時主要的運行方式和特點是：(1)機(jī)組協(xié)調(diào)撤出，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和汽機(jī)負(fù)荷單獨設(shè)定，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷在透平控制系統(tǒng)( turbine  control  system，TCS)I畫面操作，汽機(jī)負(fù)荷在汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)( digital electric hydraulic control system，  DEH)畫面操作設(shè)定；(2)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷一般設(shè)定為100 MW; (3)汽機(jī)負(fù)荷為40 MW,汽機(jī)3個調(diào)門開度較��；(4)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷較高，汽機(jī)負(fù)荷低，汽機(jī)調(diào)門開度較小，因此汽機(jī)旁路系統(tǒng)投入，且開度較大；  (5)運行操作和監(jiān)盤工作量大。此負(fù)荷時機(jī)組的負(fù)荷、汽機(jī)旁路開度、汽機(jī)調(diào)門開度如表2所示。

 從表2可以看出，機(jī)組在此負(fù)荷過夜運行時，高壓旁路和中壓旁路開度較大。從以往機(jī)組運行情況看．此過夜負(fù)荷平均時間為6~8 h，大量的蒸汽通過旁路排入凝汽器，經(jīng)濟(jì)性有待進(jìn)一步提高。

 根據(jù)此機(jī)組低負(fù)荷時的特點及電廠要求，我們對機(jī)組協(xié)調(diào)和負(fù)荷分配進(jìn)行了優(yōu)化試驗，燃?xì)廨啓C(jī)廠家對燃?xì)廨啓C(jī)低負(fù)荷燃燒時進(jìn)行了燃燒調(diào)整．最終使得140 MW時機(jī)組協(xié)調(diào)控制不用撤出，同時保證了總負(fù)荷不變的情況下，汽機(jī)旁路全關(guān)，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性顯著提高，相關(guān)運行參數(shù)如表3所示．機(jī)組相關(guān)參數(shù)的曲線如圖2所示。此時，機(jī)組狀態(tài)為：(1)機(jī)組處于低負(fù)荷聯(lián)合循環(huán)方式；(2)燃?xì)廨啓C(jī)在最低穩(wěn)燃負(fù)荷：(3)汽機(jī)進(jìn)汽，汽輪機(jī)淵門有一定的開度，未全開；(4)旁路全關(guān)或微開狀態(tài)；(5)低負(fù)荷燃燒調(diào)整后環(huán)保指標(biāo)滿足要求。

 此方式具有如下特點：(1)調(diào)峰能力強(qiáng)，可調(diào)范圍大（30%～100%額定負(fù)荷）；(2)調(diào)峰速度快，調(diào)節(jié)速度每分鐘可達(dá)3%~5%額定負(fù)荷；(3)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性相對較好；(4)蒸汽已經(jīng)進(jìn)入汽輪機(jī)做功，對旁路要求不高。此方式從調(diào)峰的量、調(diào)峰的速度以及機(jī)組經(jīng)濟(jì)性上都具有一定的優(yōu)勢，但是機(jī)組必須分配100 MW以七的負(fù)荷。此外，燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行深度調(diào)峰存在問題：(1)機(jī)組允許的最低穩(wěn)定運行負(fù)荷點需要通過試驗來確定；(2)低負(fù)荷時機(jī)組的排放是否達(dá)標(biāo)，可能需要進(jìn)行低負(fù)荷燃燒調(diào)整；(3)燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行的經(jīng)濟(jì)性如何，需要通過性能試驗來確定；(4)機(jī)組發(fā)電的補(bǔ)貼電價及運行小時數(shù)影響了機(jī)組的調(diào)峰性能，但是機(jī)組的調(diào)峰能力強(qiáng)弱可能同樣會影響到機(jī)組發(fā)電的補(bǔ)貼電價和運行小時數(shù)。

4結(jié)語

 特高壓輸電系統(tǒng)接人數(shù)量增加的同時對電網(wǎng)也造成了部分不穩(wěn)定因素。相關(guān)部門正在進(jìn)行機(jī)組深度調(diào)峰能力的摸底以對機(jī)組的補(bǔ)貼電量、電價和運行小時數(shù)進(jìn)行重新規(guī)劃和調(diào)整，因此以后機(jī)組調(diào)峰能力的強(qiáng)弱直接關(guān)系到機(jī)組的補(bǔ)貼電量、電價和運行小時數(shù)。

 燃機(jī)機(jī)組啟動迅速，運行靈活，既可帶基本負(fù)荷又可深度調(diào)峰，且大都位于負(fù)荷中心．在加強(qiáng)電網(wǎng)凋峰能力和保障電網(wǎng)安全上有顯著優(yōu)勢。在特高壓線路接人數(shù)量越來越多且受電量越來越大的情況下，電網(wǎng)調(diào)度可以根據(jù)電網(wǎng)各負(fù)荷點的情況，在原有調(diào)峰方式和模式的基礎(chǔ)上，通過一定的補(bǔ)貼政策，在各區(qū)域負(fù)荷中心點考慮選取部分大型燃機(jī)機(jī)組低負(fù)荷運行進(jìn)行深度調(diào)峰來作為保障電網(wǎng)安全的負(fù)荷支撐點；同時優(yōu)化燃機(jī)機(jī)組開機(jī)模式，輪流啟停，保持機(jī)組處于溫態(tài)或熱態(tài)．一旦發(fā)生事故燃機(jī)機(jī)組能快速應(yīng)急響應(yīng)，以確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。