特高压受端电网燃气轮机发电机组的深度调峰研究

 苏烨1，张鹏1，张永军1，何永君2，戴航丹1

 (1国网浙江省电力公司电力科学研究院究，浙江杭州  310014;2．中国电机工程学会，北京  100761)

摘要：随着越来越多的特高压线路接入电网，如何利用发电机组的调频和调峰特性来确保电网安全显得尤其重要。根据燃气轮机发电机组的凋峰特性，分别对燃气轮机发电机组快速启动和低负荷运行深度调峰进行了影响因素分析和试验研究，获得了相关的运行数据和经验，为特高压线路接人电网时利用燃气轮机发电机组调峰来确保电网安全提供了参考和思路。

关键词：特高压：燃气轮机：快速启动；低负荷运行；深度调峰

中图分类号：TM621；TK321 DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.06.030.05

0引言

 近年来，随着特高压输电系统建设的加快，建成投产的特高压输电T程越来越多，有效地解决了受端电网一次能源缺乏，环境容量紧缺的问题。以浙江省为例，浙江省电网外来电力主要有3个方面：(1)华东直调机组直接调入本省；(2)通过500 kV电网由相邻省市受入本省；(3)通过特高压线路受人本省。近年有几条特高压线路相继建成投运．后续还有正在建设的灵绍直流特高压线路等。从—卜三五”规划的接受省外来电情况看．浙江省电网通过特高压输电系统的受电比重将会越来越大。

1  特高压接入后的新形势

 特高压接入后，浙江省发电机组的运行方式发生了根本性改变，其特点为：(1)调停机组数多．利用小时数减少，很多机组处于调停或检修状态；(2)机组的负荷率低，机组处于低负荷运行时间大大加长。特高压输电技术虽有各种优势，一旦发生闭锁却会给本省的电网带来安全风险，主要表现在影响机组稳定、频率稳定、电压稳定等几个方面。2015年9月19日，锦苏直流发生双极闭锁．当时由于特高压的接入，本省机组运行的台数较少，机组负荷比较低，造成频率下降过快．系统频率最低下跌至49.563 Hz，异常总时长约6 min。

 为了确保电网的安全稳定运行，电网方面正在进行特高压电力参与调峰的研究，同时调度根据特高压闭锁情况编制了调度处置预案。此外，电网方面对发电机组提出了新的要求：(1)机组需要快速响应一次调频动作，能够快速往上调频；(2)机组需要深度调峰，能够调峰到更低负荷。近几年燃气轮机发电机组（简称“燃机机组”）的比重越来越大，但是受天然气价格影响，发电成本较高．年发电小时数较少，机组一般处于额定负荷运行．向上调峰和调频能力较弱。当前形势下，如何更好地利用燃机机组的调峰性能是急需解决的问题。

 针对当前电网的形势和要求，燃机机组的深度调峰主要包括燃机机组快速启动和燃机机组低负荷运行2个方面。

2燃机机组快速启动调峰

2.1  燃机机组快速启动影响因素

 燃机机组快速启动是指利用燃气轮机启动速度快的特点来快速启动调峰，影响燃气轮机快速启动的因素主要包括：

 (1)机组的当前状态：是指机组处于冷态、温态还是热态。机组的当前状态决定了机组的启动时问．热态的机组启动时问最短。

 (2)机组的运行方式：是指机组是简单循环还是燃气一蒸汽联合循环。简单循环的机组是指有旁路烟道的机组，燃气轮机启动到额定负荷比较快，但是发电效率较低。我国燃机机组一般为燃气一蒸汽联合循环的机组。

 (3)机组的类型：是指机组是采用单轴还是多轴布置。单轴布置的燃机机组必须考虑汽轮机进汽温度的匹配速率和时间，并网后到额定负荷的时间较长。多轴布置的燃机机组中，燃气轮机可以配合旁路迅速带到额定负荷。

 (4)汽轮机旁路的大小：汽轮机旁路一般配30%容量和100%容量2种。如果是100%容量的旁路，所有水蒸气可以通过旁路先进凝汽器．而不考虑汽轮机进汽问题，燃气轮机可以快速带到额定负荷．

 (5)燃气轮机的类型：燃气轮机的类型不同．启动的时间也不相同，以主流的GE、西门子、三菱燃气轮机为例，各自从0 r/min到额定转速并网的时间如表1所示。

 从表1可以看到，西门子类型燃气轮机启动所需时间比GE和三菱的短，快速启动调峰上有一定的优势。考虑到安全性，燃气轮机的启动过程均设置有清吹吹扫过程。西门子类型燃气轮机可以选择是否吹扫，如果燃气轮机上次正常停机．下次启动可以选择不吹扫；如果上次是非正常停机或停机时间较长，下次启动必须经过吹扫。研究证明，通过对燃气轮机的清吹吹扫时间进行优化，可适当缩短清吹吹扫时间。

 综上所述，热态的西门子联合循环配100%汽机旁路的分轴机组，在快速启动调峰过程中有一定的优势。

2.2燃机机组快速启动试验

 为了更好地了解燃机机组快速启动情况，选取某电厂配置的GE公司生产的9F机组进行快速启动试验，该电厂配置有2套S109FA型联合循环机组，单轴布置，机组额定负荷394 MW。

 试验背景：4月18日1 8：00，11号机组按省调命令解列停运。4月19日早上，切换至12号机组启动顶峰运行，I1号机组余热锅炉处于热炉保压状态。08：50,单元长接到省调命令，需立即启动11号机组。接令后，单元长立即布置机组人员进入启动准备状态，安排11号机组紧急启动。

 具体流程如下：

 (1)启动准备阶段：首先安排操作员进行辅助蒸汽的疏水暖管，一同时启动相关的辅助设备，09：10，辅助蒸汽温度满足要求后开始投轴封，09:26，轴封蒸汽温度、压力满足要求后开始抽真空。在机组热态情况下，此阶段历时大约50 min,其中辅汽暖管约需20 min，轴封蒸汽升温、升压约需15 min，抽真空约需15 min。运行人员在此时间内需要完成辅机的启动及其他准备工作。

 (2)启动至全速、并网阶段：09：41,启动条件满足，11号机组开始启动。09：56,机组点火。10:04，机组全速。10：08，机组并网。启动至全速阶段历时25 min，主要进行机组热通道的清吹、点火、升速至全速。

 (3)并网至汽机高压进汽阶段：此阶段负荷为35～50 MW,主要进行并网后的必要检查．

投运温度匹配，等待高压蒸汽满足进汽参数。10：32，11号机组汽机进汽，此阶段用时24 min。

 (4)汽机进汽至带满负荷：汽机开始进汽．高压调门缓慢开足，至进口压力控制(inlet

 pressure c:ontrol，IPC)投运需10～15 min。10：50,1 1号机组带至满负荷．

 本次紧急启动准备工作用时约50 min，启动至带满负荷用时约69 min。热态启动对轴封蒸汽的温度和压力要求较高，在启动准备阶段，辅汽暖管、轴封蒸汽升温、升压以及抽真空等耗时较多．对运行人员的数量、素质都有较高的要求。除去启动准备丁作时间，机组热态肩动到额定负荷需60 min左右的时间，此调峰方式适合提前告知特高压输电系统需要临时停运或减负荷运行时来快速启动调峰使用，需具备30 min以上时间裕量。

3燃机机组低负荷运行深度调峰

 燃机机组的低负荷运行深度调峰是指燃机机组能长时间在低负荷运行，当特高压输电系统发生闭锁或电网出现异常等情况，电网需要迅速调峰时，燃机机组可以迅速响应自动发电控制( automatic: generation control，AGC)负荷，从而确保电网的安全稳定运行。燃机机组一般具备50%~100%额定负荷AGC调节范围，本文阐述的低负荷运行是指燃机机组低于50%额定负荷长时间稳定运行。

3.1  燃机机组低负荷运行深度调峰影响因素

 影响燃机机组低负荷运行的因素比较多．主要包括：

 (1)燃气轮机的类型。燃气轮机的类型不同．低负荷燃烧时的特性及燃烧情况也不同，因此需要对低负荷时燃烧器火焰稳定性进行监测找到各燃机机组低负荷时长期稳定燃烧运行的工况点。

 (2)燃气轮机的模式切换点。在燃气轮机模式切换时，存在一定的不安全和风险因素，因此燃机机组低负荷运行时，需避开模式切换工况点。

 (3)燃气轮机低负荷运行时的排放情况。燃气轮机类型不同，低负荷运行时的排放情况也各不相同．为了保证机组低负荷运行时的燃烧安全和环保排放达标，需对低负荷运行时的机组进行燃烧调整。

 (4)机组的经济性，旁路全关时的负荷工况点。根据燃气轮机的燃烧特性，负荷越低，气耗率越高，经济性越差。以GE公司生产的9F(S109FA)机组为例，其气耗特性曲线如图1所示。当燃气机组进行深度调峰时，其效率将明显降低，成本也将大幅提高，旁路开启时部分水蒸气通过旁路进入凝汽器．机组的经济性也较差。

 基于以上因素，燃机机组低负荷运行时，要根据机组的实际情况，寻找机组在低负荷稳定燃烧且旁路全关时经济性相对较高的负荷工况点。

3.2燃机机组低负荷运行实例

 为了对燃机机组低负荷运行的最佳负荷工况点进行研究，选取某电厂用于调峰的燃机机组进行优化试验。该电厂的燃机机组为400 MW F级联合循环多轴发电机组，燃气轮机采用德国Siemens公司生产的SGT5 -4000F燃气轮机。根据调度要求．该机组每天高峰时负荷为额定负荷，但过夜负荷为140 MW。

 试验之前，机组负荷为140 MW时主要的运行方式和特点是：(1)机组协调撤出，燃气轮机负荷和汽机负荷单独设定，燃气轮机负荷在透平控制系统( turbine  control  system，TCS)I画面操作，汽机负荷在汽轮机数字电液控制系统( digital electric hydraulic control system，  DEH)画面操作设定；(2)燃气轮机负荷一般设定为100 MW; (3)汽机负荷为40 MW,汽机3个调门开度较小；(4)燃气轮机负荷较高，汽机负荷低，汽机调门开度较小，因此汽机旁路系统投入，且开度较大；  (5)运行操作和监盘工作量大。此负荷时机组的负荷、汽机旁路开度、汽机调门开度如表2所示。

 从表2可以看出，机组在此负荷过夜运行时，高压旁路和中压旁路开度较大。从以往机组运行情况看．此过夜负荷平均时间为6~8 h，大量的蒸汽通过旁路排入凝汽器，经济性有待进一步提高。

 根据此机组低负荷时的特点及电厂要求，我们对机组协调和负荷分配进行了优化试验，燃气轮机厂家对燃气轮机低负荷燃烧时进行了燃烧调整．最终使得140 MW时机组协调控制不用撤出，同时保证了总负荷不变的情况下，汽机旁路全关，机组的经济性显著提高，相关运行参数如表3所示．机组相关参数的曲线如图2所示。此时，机组状态为：(1)机组处于低负荷联合循环方式；(2)燃气轮机在最低稳燃负荷：(3)汽机进汽，汽轮机渊门有一定的开度，未全开；(4)旁路全关或微开状态；(5)低负荷燃烧调整后环保指标满足要求。

 此方式具有如下特点：(1)调峰能力强，可调范围大（30%～100%额定负荷）；(2)调峰速度快，调节速度每分钟可达3%~5%额定负荷；(3)机组经济性相对较好；(4)蒸汽已经进入汽轮机做功，对旁路要求不高。此方式从调峰的量、调峰的速度以及机组经济性上都具有一定的优势，但是机组必须分配100 MW以七的负荷。此外，燃机机组低负荷运行深度调峰存在问题：(1)机组允许的最低稳定运行负荷点需要通过试验来确定；(2)低负荷时机组的排放是否达标，可能需要进行低负荷燃烧调整；(3)燃机机组低负荷运行的经济性如何，需要通过性能试验来确定；(4)机组发电的补贴电价及运行小时数影响了机组的调峰性能，但是机组的调峰能力强弱可能同样会影响到机组发电的补贴电价和运行小时数。

4结语

 特高压输电系统接人数量增加的同时对电网也造成了部分不稳定因素。相关部门正在进行机组深度调峰能力的摸底以对机组的补贴电量、电价和运行小时数进行重新规划和调整，因此以后机组调峰能力的强弱直接关系到机组的补贴电量、电价和运行小时数。

 燃机机组启动迅速，运行灵活，既可带基本负荷又可深度调峰，且大都位于负荷中心．在加强电网凋峰能力和保障电网安全上有显著优势。在特高压线路接人数量越来越多且受电量越来越大的情况下，电网调度可以根据电网各负荷点的情况，在原有调峰方式和模式的基础上，通过一定的补贴政策，在各区域负荷中心点考虑选取部分大型燃机机组低负荷运行进行深度调峰来作为保障电网安全的负荷支撑点；同时优化燃机机组开机模式，轮流启停，保持机组处于温态或热态．一旦发生事故燃机机组能快速应急响应，以确保电网的安全稳定运行。