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发电运行调整需要的一种思维和两种视角
点击次数:70次 更新时间:2024/1/9 【关闭】

在现代发电生产中,大型燃煤发电机组作为提供电力电量的主力军,直接关系到电力保供和系统稳定。集控运行是发电生产的关键环节,因此建立科学的发电运行调整方法论对于保障系统安全具有重要意义。本文从介绍发电的一般生产流程开始,结合实际补充定义集控运行工作及运行岗位,系统梳理当前存在的各种误区,提出发电运行调整的一种思维和两种视角,期望构建一般的、具有普适性的集控运行调整方法论。


什么是集控运行?

建立科学的集控运行调整方法论离不开对于工作本身的清晰认识和定义,深刻认识工作内容及岗位实质,才能更好地做好运行调整工作。


发电的一般生产流程

现代燃煤发电机组多为亚临界或超临界机组,系统庞大且精细,生产流程复杂,汽水系统、电气系统、油系统、ETS跳闸保护系统、炉膛FSSS保护系统等共同保障发电生产的平稳实现。发电过程可简要表述如下:燃煤被磨煤机磨制成煤粉并被吹送至炉膛燃烧,将水冷壁中的水加热为高温高压蒸汽,蒸汽进入汽轮机推动转子转动,通过电磁原理实现发电机的发电。


本质上看,发电生产过程即是能量转换及平衡过程,主要从电力供给侧保障充足的供应及调节能力。当下普遍以电网方式生产、传输、使用电能,这种方式决定了电能的生产及使用需要实时平衡,需要将系统频率维持在微小的浮动范围内,否则可能引起电力系统事故。比如用电需求上升时,发电机组接到升负荷指令,通过增开汽轮机调门增大进汽量进而实现汽轮机更多地做功,发电量也随之提升,燃料和给水等跟踪负荷的变化相应自动调整,以实现输入端(燃料)以及输出端(电能)的能量均衡。


集控运行是发电生产的关键环节

大中型火电厂(单台30~100万千瓦机组)都采用单元制机组,即一台发电机配一台锅炉、一台汽轮机。机、炉、电进行统一管理并集中控制,通过微处理器进行各信号的逻辑组态运算,并将结果以画面形式在显示器上展现给集控运行人员,根据系统需要升降负荷,通过参数变化及时发现问题并针对性调整,机、炉、电都在主控室DCS(分散控制系统)上操作,一天24小时均有集控运行人员对锅炉燃烧等监视操作调整,该工种就是集控运行。


集控运行是发电生产的“大脑”,是问题的发现、提出及事故处理的关键,集控运行的高水平意味着更低的发电生产事故概率和能耗水平。负荷变化、煤质变化、汽温汽压波动等扰动,磨煤机跳闸等辅机故障,均会使系统偏离当前的均衡状态。集控运行人员针对不同工况进行相应调整或事故处理,保障汽温汽压等参数维持在正常范围内,保障主辅机设备安全,最终使系统达到新的均衡。


集控运行岗位的另一种定义

对于集控运行人员更规范的称呼是“发电集控值班员”,在《中华人民共和国职业分类大典(2022年版)》中,发电集控值班员是指操作发电厂单元机组及其辅助设备集控系统,监控其运行工况的人员。主要工作任务包括:启停单元机组设备与辅助设备;使用分散控制系统(DCS)、电气控制系统(ECS)、网络控制系统(NCS),监视炉、机、电、辅助设备及工质的参数;协调控制炉、机、电及辅助设备的运行工况;巡视、检查设备,分析、处理异常情况和事故;维护、保养单元集控设备,进行设备、系统切换和试验;验收、调试检修后的设备。


《职业分类大典》高度概括了集控运行工作,明确了集控值班员要做什么。为了集控人员更清晰地认识到自身在整个发电环节中的定位,仍须进一步明确集控值班员“是什么”,才能更充分发挥好集控的“大脑”作用。现对“发电集控值班员”补充定义如下:发电集控值班员是发电控制环节的重要组成部分,可有效弥补控制系统的智能化水平不足,协助处理复杂工况或事故,通过人工干预促进实现热力电力的均衡,进而促进电力系统的供需均衡,发电调节过程本质是能量供给和需求管理的过程。


集控运行的可能误区及当前面临的巨大挑战

当前,依然存在运行调整的诸多误区。这种误区一方面源于对热力学、电气等发电相关原理认识不深刻,未厘清现象背后的深层原因,将观察到的现象当作一般规律指导工作,未将经验与原理有效结合。另一方面源于对集控运行岗位本身的理解不到位。缺乏对运行调整更系统及分层次的视角,未从整个电力系统平衡的角度认识运行工作,误将运行调整控制与一个或几个参数建立固定的逻辑关系。因此,经常可以听到过热度下降、汽温降低是不是就应该增加燃料,汽温升高就应该减少燃料供给等言论。


集控运行当前也面临着巨大挑战,旧有的发电运行调整经验可能越来越不适应当下需求。在可再生电源并网规模持续攀升的背景下,新型电力系统需要更为灵活的调节能力,煤电机组作为调节电源需要快速爬坡甚至频繁启停以适应系统净负荷曲线的大幅变化。负荷的大幅波动会带来汽温、汽压、流量等参数的频繁波动,进一步增大运行调整难度。同时,正常发电生产中系统处于“协调运行”状态,相关参数可实现自动调整以适应负荷的变化。然而在事故状况下,工况的突变或参数间的不协调可能使系统退出“协调运行”,辅机设备可能由自动控制转为手动操作,一般经验很可能无法指导复杂工况下的运行调整,误操作导致事故扩大的风险也随之上升。


此外,发电自动控制技术的日趋完善更可能使新增从业者需要相当长的时间来真正理解运行调整的底层逻辑。如果无法走出相关误区,用固化经验指导操作,很可能造成事故扩大。基于以上原因,当前亟需建立更适应新型电力系统的发电运行调整方法论。


发电运行调整应该具有的一种思维和两种视角

一方面要深刻认识发电生产过程的能量转换本质,理解运行调整即推动实现能量均衡的过程;另一方面运行人员应具备更为宽广的多层次视角,真正实现与系统的高效协同。


要建立运行调整等于维持能量均衡的思维

发电生产本质是将燃料化学能转化成电能,工质(水蒸汽)是热力系统能量转化媒介,其能量体现在压力、温度、流量上,不同的参数意味着不同的做功效率和换热效率,负荷、汽温、汽压、流量等参数也会相互影响,在正常运行中新增操作或煤质等工况变化会使系统时刻处于或大或小的扰动中,系统时刻处于一种均衡向另一种均衡的动态过渡中。以发电增负荷为例,从高温过热器到进汽调门沿途各种管道均有一定蓄热蓄能作用,特别是对于亚临界汽包锅炉来说,汽包具有更好的蓄能效果,发电负荷增加时,进汽调门开度增大并“新增一股汽进入汽轮机”以满足发电负荷瞬时需求;而在直流系统中主要通过“顶给水”开调门瞬时“顶一股汽进入汽轮机”以实现发电负荷的瞬时提升,并达到汽轮机能量输入输出的短期平衡;之后新增燃料的燃烧释放增量能量实现能量补偿并实现输入炉膛燃料化学能与更高的输出电能之间新的平衡。然而,相对稳定的均衡状态并不总是容易实现,特别是极高或极低发电出力下设备及控制系统无法处于最优良的调节区间和运行状态,更容易出现大扰动。


什么是能量均衡思维

例如,蒸汽有超温风险时,可通过增大减温水方式降温,在喷水后短期(比如几十秒)内,喷水量若剧烈增加会导致短时汽温汽压急剧升高,一定时间工况稳定后,汽温才会出现显著回落。通俗理解,一股减温水进入蒸汽管道并吸热汽化导致“憋高”了瞬时的汽温汽压。从能量视角考虑,增量减温水自身具有瞬时能量注入,同时,温度相对较低的增量减温水吸收管道存量储热会瞬时提升锅炉局部换热效率,增加进入汽轮机进汽量及能量,发电瞬时负荷需求如果不变、涨幅过小甚至负荷下降,汽轮机甚至须通过自动减小调门开度减小进汽量以实现短期汽轮机的能量输入输出平衡。减温水吸热汽化增大能量注入后富余能量就会体现在蒸汽压力、温度、流量上,压力温度的提升会提高机组效率进而造成积聚在热力系统的能量进一步富余,此时相同的发电负荷需求不再需要原有那么高的燃料量,若燃料调减不及时会进一步在汽温汽压上体现出来,相关因素叠加可能导致管道短时出现更严重的超温超压。这也是运行调整中超温过程往往有自我强化趋势的深层原因。同理,在汽温快速下降即将超低温时,试图通过大幅关小减温水避免温度继续下降也会达到相反效果,喷水量瞬时急剧减少导致蒸汽流量瞬时降低,会造成汽温的瞬时骤降。


这些反常识现象的深层原因在于实现长期目标和短期目标的调整方法是相反的,因此拥有能量均衡的思维就尤其重要,充分认识现象的深层原因才能选择合理的干预时机及干预办法,避免在较极限状态下使自身调整陷入两难。还要深刻理解控制逻辑与参数间的匹配关系,拥有随时将系统“拉回”均衡状态的思想,在危险工况甚至手动基本方式下,运行人员也可能通过手动调整将风险控制在可控范围内,甚至将有停机风险机组恢复正常运行。


运行调整需要有宏观和微观两种视角

宏观视角即作为旁观者俯视电力生产输送消费全流程,理解电力需求、电网调度、发电运行调整的相互联系,从动态视角看待运行调整工作,理解运行调整本质是做好能量的供给和需求管理。另一种视角就是微观视角,即“亲临者视角”,将自己变为运行调整环节的一个部分,感受自身“变为”水蒸气、火焰,“变为”每一台设备,充分理解工质物理性质、设备运行原理、以及各种生产细节。


如果没有宏观视角,运行人员很容易将自身局限于集控室内,将思维固化在短期及当下,无法从电力系统整体均衡角度看待运行调整工作;缺乏从系统角度思考发电流程及每个部分的深层逻辑,也会使运行调整方法论单一固化。实际上,做好能量均衡的实质是做好能量的需求和供给管理。比如机组平稳运行中由于煤质突然变好,造成瞬时入炉能量过多,突发状况下,燃料的自动或手动调减均具有滞后性,此时发电负荷计划若未变,多余能量就会积聚在热力系统中,造成压力温度等的失衡。此时也可以通过瞬时高速率升负荷(短时实际绝对负荷未必升高很多),通过增加需求侧释放热力系统短时过剩供给,使系统能量达到短期均衡,压力回落,随后燃料量调减、供给侧能量相应减少,将发电负荷计划设定值往下调整至指定水平,即可使系统达到新的相对稳定均衡状态。运行调整也要妥善处理好长期和短期的关系。在运行调整中经常会听到,温度低了是不是应该加燃料?压力低了是不是应该加燃料顶给水?由于这种提问没有认识到瞬时均衡和长期均衡的关系,问题本身就是错误的,所以也无法找到答案。比如汽温降低了要不要手动增加燃料?这要看这个现象的起因、此时所处的工况以及下一步将要面临的工况,现象本身并不是一个孤立的事件,相同的现象可能需要采取相反的调整办法。如果汽温降低仅是随机微小扰动导致,并且正处于恢复原状态的过程中,此时没有必要通过增加燃料方式改变当下状态,协调控制系统会使给水和燃料“回到”其应有状态,这便是“老运行”们经常讲的运行调整中“你不要跟汽温,要让汽温跟着你”。再比如在一个快速带负荷过程中,燃料给水急剧上升,炉膛换热工况的改善也会显著提升换热效率,汽温汽压也会有一个显著的上升过程,控制不利就容易超温,因此考虑更长的时间周期,当下的汽温偏低就不需要过度干预。特别是在当前可再生的比例持续提升,调节机组的负荷会出现大幅变动甚至频繁启停机,从更长的时间尺度上认识发电运行调整才能妥善处理好能量的动态均衡。因此运行调整切忌“套用公式”,这也是当前自动控制技术已经如此发达但依然需要运行人员作为“大脑”的根本原因,是运行人员的稀缺价值所在。


如果没有微观视角,运行人员也很难真正理解生产环节的原理。以工质(水蒸汽)为例,只有深刻了解水的物理性质,水蒸汽在汽轮机中的做功原理,才能真正明白能量是如何转换的,只有研究它、靠近它才能成为它控制它。电厂更像是“仿生系统”,水被加热成蒸汽,蒸汽推动汽轮机做功又凝结成水,接着又被凝结水泵输送至锅炉水冷壁开启下一循环的能量转换,水汽的循环使整个热力系统“活”了起来,实现了热能和机械能的转化,促进发电的顺利实现;其他辅机类似生物体的各个器官;制粉系统和排烟排渣真空系统类似生物的消化排泄系统;控制系统更像生物的神经和大脑。正如生物体无论哪个系统有问题均不可能良好运转,发电安全和效率与各个系统均有关系。因此,只有真正将思想置身其中,才能更深刻了解系统如何运行。运行是压力温度流量的均衡,是主辅机之间的充分协同,如果无法深刻理解相关控制逻辑,也会使事故风险增大。比如,直流锅炉给水调节和负荷及压力设定均有关系,在严重失衡的状态下,机组可能会从自动协调控制状态转为基本状态,此时,运行人员靠着手动操作维持各参数的平稳,若无法认识各参数间的相互影响和联系,可能会使手动模式下参数失衡,在再次投入自动模式时参数的不匹配可能造成瞬间工况的剧烈变化,进而使不均衡加剧导致事故扩大。


以上主要以汽温调整为例说明运行调整思路,其他调整(如水位调整等)也同样应有相应的思维和视角。在集控运行调整中,应注重形成自身的思维逻辑和视角。最忌讳调整目标及思想不明确,最重要的是基于实践形成自己的方法论,充分理解设备、系统原理和控制逻辑,并结合原理不断修正自身的方法论,在不停的实践中完善自身的调整逻辑。同时,在新形势下,应加强钻研快速上下爬坡中如何实现更合理的调节,以适应系统中日益增长的可再生能源带来的系统波动,促进发电生产质量持续向好提升。

来源:赵浩林 郭林海      电联新媒