凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測(cè)試與評(píng)估

張 寶，童小忠，羅志浩，吳文健，章衛(wèi)軍

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609）

0 引言

近年來(lái)，以上汽-西門子合作生產(chǎn)的660 MW和1 000 MW汽輪機(jī)為代表的全程滑壓、超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組在國(guó)內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用，該類型汽輪機(jī)良好的經(jīng)濟(jì)性能部分得益于其高壓調(diào)節(jié)汽門全開的運(yùn)行方式，但也正是這種方式使機(jī)組鍋爐蓄能無(wú)法快速轉(zhuǎn)化為發(fā)電負(fù)荷，降低了機(jī)組一次調(diào)頻能力，減弱了機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）響應(yīng)水平。許多發(fā)電廠都在改進(jìn)此類機(jī)組的控制方式[1]或?qū)で笮碌恼{(diào)頻方法，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻技術(shù)從而逐漸受到重視。

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻實(shí)質(zhì)上是通過(guò)迅速改變通過(guò)低壓加熱器的凝結(jié)水流量來(lái)改變汽輪機(jī)組加熱器的抽汽量，從而快速調(diào)整機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的過(guò)程。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已有應(yīng)用實(shí)例，國(guó)內(nèi)也有個(gè)別發(fā)電廠進(jìn)行過(guò)這方面的探索[2-3]。理論分析認(rèn)為，凝結(jié)水節(jié)流所能轉(zhuǎn)化的發(fā)電負(fù)荷與機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參數(shù)有關(guān)，其極限值為額定負(fù)荷下切除低壓加熱器與除氧器抽汽、使其返回汽輪機(jī)內(nèi)做功情況下機(jī)組所能獲得的功率增加值[4]，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于凝結(jié)水節(jié)流持續(xù)時(shí)間的差異，能夠獲得的機(jī)組功率的改變量可能會(huì)明顯偏離理論極限值。

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷變化特性包括2個(gè)主要參量：一是機(jī)組所能改變的最大功率值，即凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力；二是負(fù)荷響應(yīng)速度。如何準(zhǔn)確把握凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷變化特性，是該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既有助于項(xiàng)目決策，也有助于機(jī)組調(diào)頻控制精度的提高。

1 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力分析

對(duì)于特定的機(jī)組而言，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的潛力與機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，不考慮機(jī)械效率與發(fā)電效率時(shí)，凝結(jié)水節(jié)流所能改變的抽汽量的做功數(shù)量可用式（1）來(lái)表示：

式中：ΔDi為第i級(jí)抽汽的質(zhì)量流量改變量；ΔHi為第i級(jí)抽汽返回汽輪機(jī)本體做功時(shí)的實(shí)際比焓降；ΔN為機(jī)組功率改變量。

汽輪機(jī)負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，各級(jí)實(shí)際比焓降基本恒定，ΔHi基本保持不變。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，在各級(jí)抽汽比焓、末級(jí)加熱器疏水比焓、凝結(jié)水比焓等不變的情況下，加熱器的抽汽量與凝結(jié)水流量成比例變化，上述關(guān)系可用式（2）表示：

式中：ΔDc為凝結(jié)水流量的變化量；ki為比例系數(shù)； ΔDi為恒定值。結(jié)合式（1）， （2）可得：

由此可見，凝結(jié)水節(jié)流所產(chǎn)生的功率改變量與凝結(jié)水流量的改變量成比例變化，但有時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不支持這一結(jié)論。如文獻(xiàn)[8]中的試驗(yàn)結(jié)果表明：不同負(fù)荷時(shí)，相同的凝結(jié)水流量改變所對(duì)應(yīng)的功率改變量有時(shí)相差很大。分析認(rèn)為，凝結(jié)水節(jié)流時(shí)，汽輪機(jī)熱機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)變化較為復(fù)雜，過(guò)多的假設(shè)與簡(jiǎn)化處理累積起來(lái)會(huì)使理論分析結(jié)果偏離實(shí)際情況。因此，對(duì)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的評(píng)估需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行。

2 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測(cè)試

對(duì)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是掌握其負(fù)荷變化特性最直接、最可靠的手段。該項(xiàng)測(cè)試結(jié)果可作為控制策略設(shè)計(jì)與控制定值選取的依據(jù)。

為了提高試驗(yàn)的精度，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)要求機(jī)組AGC、機(jī)爐協(xié)調(diào)、一次調(diào)頻撤出，負(fù)荷指令保持不變，汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)汽門全開，負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行10 min以上；試驗(yàn)時(shí)熱井補(bǔ)水閥關(guān)閉；除氧器水位自動(dòng)撤出，低壓加熱器水位自動(dòng)投入；除氧器水位調(diào)節(jié)閥有一定的雙向調(diào)整裕量。

試驗(yàn)時(shí)，手動(dòng)快速改變除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度，記錄機(jī)組負(fù)荷、凝結(jié)水流量、除氧器與熱井水位等參數(shù)，至少持續(xù)5 min或水位參數(shù)達(dá)到設(shè)置控制邊界值時(shí)，手動(dòng)調(diào)整除氧器與熱井水位到正常值。上述試驗(yàn)內(nèi)容在不同負(fù)荷、不同凝結(jié)水流量改變量下分若干個(gè)工況進(jìn)行。

3 測(cè)試實(shí)例

根據(jù)上述方法，對(duì)某臺(tái)上汽-西門子N660-25/600/600超超臨界汽輪機(jī)組進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測(cè)試，表1是部分測(cè)試數(shù)據(jù)，其中負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間是指從除氧器水位調(diào)節(jié)閥開始關(guān)小到機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)明顯變化的時(shí)間間隔；表1中所有時(shí)間均從除氧器水位調(diào)節(jié)閥關(guān)小時(shí)開始計(jì)時(shí)。

圖1—圖3表明了試驗(yàn)時(shí)不同時(shí)刻的負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量之間的關(guān)系。很顯然，凝結(jié)水節(jié)流所產(chǎn)生的功率改變量與凝結(jié)水流量的改變量成比例變化，這一規(guī)律在此次試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，再使用這一規(guī)律來(lái)計(jì)算凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力，得到的結(jié)果與實(shí)際情況更為相符。

不考慮形狀、內(nèi)部設(shè)備占用等因素的影響，除氧器與熱井的水位變化一定是負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，兩者的水位變化速度也均與凝結(jié)水流量變化量成正比，圖4是此次測(cè)試時(shí)除氧器與熱井水位變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測(cè)試數(shù)據(jù)

圖1 15 s后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖2 1 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖3 3 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖4 除氧器與熱井水位變化的關(guān)系

多次試驗(yàn)結(jié)果均表明，除氧器調(diào)節(jié)閥開度改變5 min后，機(jī)組負(fù)荷基本穩(wěn)定，圖5是以此時(shí)負(fù)荷變化值為比較基準(zhǔn)繪制的該機(jī)組在不同時(shí)段的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)柱狀圖。

圖5 平均負(fù)荷響應(yīng)

4 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力評(píng)估

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，結(jié)合式（3）呈現(xiàn)的規(guī)律，可以對(duì)該機(jī)組凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。具體方法為：使用線性關(guān)系擬合代表性時(shí)刻的凝結(jié)水流量變化量與負(fù)荷變化量之間的關(guān)系，使用擬合關(guān)系式計(jì)算該時(shí)刻下的任意凝結(jié)水流量變化量所對(duì)應(yīng)的負(fù)荷變化量；以穩(wěn)定后的負(fù)荷變化量為比較基準(zhǔn)（一般取5 min后數(shù)據(jù)），根據(jù)平均的負(fù)荷響應(yīng)曲線擬合負(fù)荷變化相對(duì)量隨時(shí)間的關(guān)系曲線，由此曲線可以計(jì)算出任意時(shí)刻的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷變化值。

圖6是按上述方法計(jì)算得到的該機(jī)組凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力曲線，圖7是負(fù)荷的相對(duì)變化量隨時(shí)間變化的曲線。由此即可以計(jì)算出任一凝結(jié)水流量變化量和任意時(shí)刻的機(jī)組負(fù)荷變化量。

圖6 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力曲線

為保證機(jī)組的運(yùn)行安全，除氧器與熱井水位均設(shè)置了高、低限值，水位正常運(yùn)行值與高、低限值之間的范圍構(gòu)成了凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻可以運(yùn)行的區(qū)間。這一區(qū)間一旦確定，可依據(jù)需要調(diào)頻作用的時(shí)間計(jì)算出水位變化的速度。此次試驗(yàn)反映的水位變化速度與凝結(jié)水流量變化量之間的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖6—圖8的曲線關(guān)系可以計(jì)算得到在該水位限值下任意時(shí)刻機(jī)組可產(chǎn)生的負(fù)荷變化量，從而完成凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的評(píng)估。

圖7 負(fù)荷相對(duì)變化量隨時(shí)間變化的曲線

圖8 水位變化速度與凝結(jié)水流量變化量關(guān)系曲線

5 結(jié)語(yǔ)

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷特性測(cè)試與評(píng)估是凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻功能開發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得機(jī)組在凝結(jié)水節(jié)流過(guò)程中的一系列特性數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的計(jì)算，可順利完成對(duì)其負(fù)荷特性的評(píng)估。

凝結(jié)水節(jié)流時(shí)，機(jī)組負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量成正比，要獲得一定的調(diào)頻負(fù)荷量，必須使凝結(jié)水流量改變達(dá)到一定值。

凝結(jié)水流量改變后，機(jī)組負(fù)荷變化響應(yīng)具有一定的持久性，可以滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻對(duì)快速性的要求，也可以作為改善二次調(diào)頻時(shí)鍋爐響應(yīng)偏慢的手段；除氧器與熱井水位允許的變化范圍越大，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力就越大，兩者水位變化之間有固定的比例關(guān)系，確定控制邊界時(shí)，要兼顧考慮；只要邊界參數(shù)控制得當(dāng)，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻時(shí)機(jī)組的安全性就可以得到保證。作為一種新穎、節(jié)能的調(diào)頻方法，對(duì)大多數(shù)類型的機(jī)組而言，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻具有一定的研究與應(yīng)用價(jià)值。

[1]姚峻，高磊，陳維和，等.900 MW超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制及 AGC 策略的研究與應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2005，38（8）：62-65.

[2]陳小強(qiáng)，項(xiàng)謹(jǐn)，魏路平，等.1 000 MW機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化[J].中國(guó)電力，2010，43（4）：63-66.

[3]姚峻，祝建飛，金峰.1 000 MW機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2010，43（6）：79-84.

[4]劉鑫平，田亮，曾德良，等.凝結(jié)水節(jié)流參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程建模與分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36（2）：80-83.

[5]王國(guó)凱，張峰，展宗波，等.凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在電廠的應(yīng)用探討[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2011，29（2）：45-47.