2018, Vol. 36 
2. 华北电力大学 控制与计算机工程学院, 河北 保定 071003;
3. 保定华仿科技股份有限公司, 河北 保定 071051
2. School of Control and Computer Engineering North China Electric Power University, Baoding 071003, China;
3. Baoding Huafang Technology Co., Ltd., Baoding 071051, China
我国“三北”地区风电资源丰富，由于风电具有清洁、环保等特点，近年来风电发展迅猛。但随着风电大规模并网，电网的消纳能力不足逐渐凸显，加之冬季水电处于枯水期、热电厂机组的“热电耦合”特性，导致了系统调峰能力不足，部分地区弃风率接近20%[1-2]。
为了消纳风电，热电厂配置电锅炉可以消耗热电机组的发电量，进而达到消纳风电的效果[3]。文献[4]提出在热电厂内部配置电锅炉来解耦其“以热定电”约束，进而达到降低强制出力消纳弃风的目的。此外，还可以通过调整电锅炉耗电功率来进行调频，但受电锅炉容量的限制，调峰能力有限。在我国北方也有将电锅炉替代燃煤锅炉集中采暖的举措，该方法可减少对环境的污染，对雾霾的治理也有很大的帮助[5]。
其中电极式锅炉由于具有效率高、占地面积小、启动速度快、低碳无污染等优点[6-7]，目前多用于核电厂辅助蒸汽系统。这种型式的电锅炉在核电站启停、正常运行以及机组甩负荷期间，若系统蒸汽不足，可为系统提供饱和的辅助蒸汽[8]。
本文在某350 MW单元机组仿真机上，将电极式锅炉作为大容量厂用电负荷，研究其对单元机组出力的影响。通过仿真分析得到其运行特性，为电极式锅炉应用于火电厂深度调峰提供仿真经验与理论支撑。
1 电极式锅炉结构及运行特性 1.1 结构原理电极式锅炉本体主要由内筒体、外筒体、高压电极、内外筒循环回路、各种绝缘组件、管道和阀门仪控元件等组成，如图 1所示。其采用电极直接加热带有磷酸盐离子的溶液来产生蒸汽，此时内筒水容量会减少，锅炉外筒水通过循环回路不断地给内筒补水，在锅炉正常运行时，需通过给水泵向外筒补充除氧水[9]，以保持锅炉内、外筒水量不变。
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图 1 电极式锅炉结构原理图 |
目前，电极式锅炉多用于核电厂，而火电厂一般采用燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉提供蒸汽。电极式锅炉的运行特性具有诸多优点：利用水的高热阻性直接将电能转化为热能，内筒水受热均匀，热效率高达99%以上；启动速度快，电极式锅炉从冷备用条件下到满负荷只需要几十分钟，5 min内就可从热备用到达满负荷状态；电极式锅炉体积小，可以节省占地面积，1个6 MW的电极式锅炉及控制系统综合占地面积还不到50 m2；负荷调节范围在1%~100%，由于锅炉曲棍式的形状设计使其在大范围功率内可以通过内筒液位进行线性调节，低负荷运行性能良好；辅助设备少，安装简便，设备维护简单，节省人力物力；低碳环保，直接用清洁能源加热炉水产生蒸汽，不产生废渣、废气等污染物。
将电极式锅炉用于火电厂中，可将产生的蒸汽接入热力系统为用户供热。东北某电厂电极式锅炉运行特性如图 2所示。图 2中，功率和内筒液位2个参数的数值均已归一化。由图 2可见，在大约3 min时，锅炉内筒液位上升，几秒后电负荷功率大致成线性比例上升，响应速度非常快，最后液位平稳到一定范围，功率也稳定在1个值域。
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图 2 电极式锅炉运行特性 |
以超临界350 MW火电厂机组为例，将额定功率为15 MW电极式锅炉的电极电缆引线接至高压厂用变压器6 kV低压母线上，高压厂用变压器容量为50 MVA/31.5 MVA/31.5 MVA，另1条低压母线接其他厂用电负荷，高压厂用变压器高压侧通过封闭母线接到发电机出口，发电机出口的另1分支接容量为400 MVA的主变压器低压侧，高压侧直接接入220 kV电网。具体接线形式如图 3所示。
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图 3 电极式锅炉接线形式示意图 |
无电极式锅炉工况下的功率守恒关系见公式（1），加装电极式锅炉工况下的功率守恒关系见公式（2）。
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(1) |
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(2) |
式中 Pg—火电单元机组发出的有功功率；
Peb—电极式锅炉消耗的有功功率；
Pc—发电厂厂用电负荷；
PMTHP—主变压器高压侧有功功率，即上网有功功率；
ΔP—有功功率损耗。
上网有功功率的实时负荷变化率由公式（3）求出：
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(3) |
式中 Rd—上网有功功率实时负荷变化率；
t1、t2—2个相邻时刻。
假设Pc不变，根据公式（1），Rd仅取决于Pg的实时负荷变化率，单元机组确定后Rd也相应确定；根据公式（2），Rd则取决于Pg和Peb的实时负荷变化率。理论上加装电极式锅炉有利于提高实时负荷变化率，可消纳弃风。
2.2 厂用电系统运行分析厂用电变压器的容量要能够满足厂用电机械的功率要求，低压厂用工作变压器的容量应留有10%的裕度[9]，故电极式锅炉的总功率应满足下式：
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(4) |
式中 SN—厂用电变压器容量；
Qc—发电厂厂用电无功功率。
正常运行时，厂用母线电压的最低允许值为额定电压的80%，故厂用母线电压运行值应满足公式（5）：
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(5) |
式中 U—厂用母线电压运行值；
UN—厂用母线额定电压。
其中发电厂厂用电系统等值电路图如图 4所示。
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图中：S0—流入变压器的视在功率；UN—发电机出口额定电压；ΔP0、ΔQ0—变压器励磁支路有功功率和无功功率；RT1、XT1—第一绕组的电阻和电抗；RT2、XT2—第二绕组的电阻和电抗；U1、U2—母线1和母线2的电压；PG1、QG1—流过母线1的有功功率和无功功率；PG2、QG2—流过母线2的有功功率和无功功率 图 4 厂用电系统等值电路图 |
由变压器铭牌参数空载损耗ΔP0、空载电流I0（%）和负载损耗ΔPk、阻抗电压Uk（%）可得变压器总电阻RT和变压器总电抗XT为：
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(6) |
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(7) |
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(8) |
由此可得RT1=RT2=2RT，XT1=XT2=2XT。以母线1为例，其功率损耗为：
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(9) |
其中，母线1的阻抗ZT1=RT1+jXT1。
可得出母线1的电压偏差为：
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(10) |
省略电压降落的横向分量δU1，则母线1电压值计算公式如下：
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(11) |
式中 U1N—母线1的额定电压。
经过上述潮流计算公式分析，可知母线上的电压降与流过母线的功率有关，在厂用电母线上加装电极式锅炉必须符合厂用电安全可靠性原则。
3 仿真试验分析将单元机组运行在250 MW负荷状态下，此时上网有功功率236 MW，分别进行电极式锅炉负荷扰动、机组负荷扰动、电极式锅炉与机组负荷同时扰动3组试验。试验中监测火电机组总耗煤量CC，发电机出口有功功率Pg、无功功率Qg，主变压器高压侧上网有功功率PMTHP，上网有功功率实时负荷变化率Rd，电极式锅炉的耗电功率Peb，厂用电母线的电压值UATV以及高压厂用变压器高压侧有功功率PATHP。为图像显示清楚，为各变量设置高、低限，具体数值见表 1。
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表 1 试验监测参数高、低限 |
曲线图中纵坐标数值由公式（12）计算得出：
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(12) |
式中 H—变量高限；
L—变量低限；
x—变量原始值；
Y—纵坐标数值。
3.1 第1组试验 3.1.1 试验条件机组稳定运行，给水、汽温、风量等均投入自动控制，保持机组给煤量不变，启动电极式锅炉，负荷由0增加到15 MW。
3.1.2 试验分析试验曲线如图 5所示。由图 5可知，当电极式锅炉有功功率由0线性增长到15 MW时，由于总的耗煤量不变，发电机出口有功功率基本不变。在此过程中高压厂用变压器高压侧有功功率会随之上升，但因发电机出口有功功率不变，故送入电网的主变压器高压侧有功功率会有所减小。启动电极式锅炉，实时负荷变化率绝对值（以下均称实时负荷变化率）迅速增大，并在3 MW/min上下波动；直至电极式锅炉接近满负荷状态运行时，其又迅速回到0水平线附近上下波动。整个过程中，在发电机出口有功功率不变的情况下，上网功率可以在5 min内降低15 MW。
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图 5 第1组试验曲线 |
机组稳定运行，给水、汽温、风量等均投入自动控制，保持电极式锅炉功率不变，调节火电单元机组出力由250 MW降至230 MW，机组负荷变化率设定值为10 MW/min。
3.2.2 试验分析试验曲线如图 6所示。由图 6可以看出，随着煤耗量的减少，一段时间迟延后，实时负荷变化率随时间推移逐渐增大，发电机出口有功功率、无功功率开始减小，同时主变压器高压侧有功功率也减小，其余变量几乎不变。5 min后上网功率由236 MW降至211 MW。
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图 6 第2组试验曲线 |
机组稳定运行，给水、汽温、风量等均投入自动控制，电极式锅炉处于停机热备用状态，发电机出口有功功率为250 MW，上网有功功率为236 MW。调节火电单元机组出力由250 MW降至230 MW，同时启动电极式锅炉。
3.3.2 试验分析第3组试验监测曲线如图 7所示。由图 7可见，电极式锅炉有功功率和高厂变压器高压侧有功功率迅速上升，实时负荷变化率迅速下降，使得上网功率下降时间相应延迟，之后煤量的减少起到作用，发电机出口有功功率和上网功率继续降低，厂用电母线电压有一定程度的下降，但仍在系统可以接受的范围之内。5 min后上网功率由236 MW降至196 MW。与第2组试验相比，采用电极式锅炉配合单元机组降负荷，在相同的时间内上网功率多降低了15 MW，提高了上网功率实时负荷变化率。
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图 7 第3组试验曲线 |
由以上3组试验可以得出如下结论：
（1）将电极式锅炉作为大容量厂用电负荷满足功率守恒，当火电单元机组发出的有功功率不变时，电极式锅炉消耗的有功功率增加，送入电网的有功功率会减少相同的值；
（2）在厂用电变压器容量、母线电压可控范围内，通过启停电极式锅炉，可迅速改变实时负荷变化率，进而迅速降低单元机组的上网功率，从而达到深度调峰的目的。
4 结语电极式锅炉具有负荷变化率大、功率可调等特点，可以在火电厂调峰运行时作为快速变负荷和深度调峰的工具。电极式锅炉作为大容量厂用电负荷（15 MW），与单元机组上网负荷之间存在功率守恒关系。在“三北”地区冬季弃风时，可将电极式锅炉配合单元机组，用于改变其上网负荷，进行深度调峰。本文开展的仿真试验为电极式锅炉在火电厂网源侧深度调峰的协调控制提供了理论基础，验证了其可行性，有利于电极式锅炉在火电厂中的大面积应用。
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