凝結水調節參與負荷調節的1 000 MW機組協調控制系統

徐曉輝　陳　梁　上海上電漕涇發電有限公司

凝結水調節參與負荷調節的1 000 MW機組協調控制系統

徐曉輝陳梁上海上電漕涇發電有限公司

上海上電漕涇發電有限公司2×1 000 MW超超臨界機組目前采用一種新型節能的協調控制方式，調整壓力設定值使得汽機高壓調門全開，并通過凝結水調節參與負荷調節和優化鍋爐燃燒率控制來加快負荷響應，同時應用汽機調門閥限調節技術實現一次調頻功能。從而在基本滿足電網AGC變負荷和一次調頻功能要求的前提下，實現汽機高壓調門全開的新型協調控制方式。

協調控制、凝結水調節、一次調頻、高壓調門全開

上海上電漕涇發電有限公司2×1 000 MW超超臨界火力發電機組，鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產的SG-2956/27.46-M534超超臨界直流鍋爐，單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風；汽輪機為上海汽輪機有限公司生產的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，額定功率1 000 MW，為了提高機組經濟性，實現節能減排，采用了汽機高壓調門全開的協調控制方式，，這種協調控制方式不同于常規意義上的CTF，調門全開后實際上不再直接控制主汽壓，僅是限制壓力過低，若主汽壓過低，則汽機調門仍會關小維持汽壓。由于汽機高壓調門全開不參與負荷調節，會對負荷控制帶來一定影響。采用凝結水參與負荷調節的技術，并優化鍋爐燃燒率控制，來消除這種影響，從而滿足電網對機組AGC變負荷的性能要求。

1　汽機調門全開CTF協調方式的實現

1.1負荷協調控制方式的改變

機組自調試期間以及投產初期負荷協調控制采取CBF的方式，即汽機接受DCS送來的負荷指令，控制機組負荷和指令之間的偏差，并適當兼顧主汽壓設定值和實際汽壓之間的偏差；鍋爐主控BM以機組負荷指令作為前饋，并調節主汽壓偏差。采取這種方式，負荷響應較好，但也存在主汽壓波動大、汽機調門有較大調節損失等缺點。有時主汽壓過高會導致高旁溢流開啟，對高旁設備帶來一定沖擊，也影響機組安全運行。為了提高機組經濟性，實現節能減排，采用汽機調門全開的CTF協調控制方式，鍋爐主控仍以機組負荷指令作為前饋，但不再調節主汽壓偏差，而是調節負荷指令和實際負荷之間的偏差；汽機接受DCS送來的主汽壓設定值，控制實際主蒸汽壓力和設定值之間的偏差。通過適當降低主汽壓設定值，使得汽機調門慢慢開啟并維持全開狀態。此時雖然汽機處于控壓狀態，但由于調門全開后實際上不再控制主汽壓，主汽壓處于“自由”波動狀態。當然，如果主汽壓過低，則汽機調門仍會關小維持汽壓。

1.2過載補汽閥和高壓調門閥限的自動處理

由于該汽輪機配有過載補汽閥，如果補汽閥開啟，新蒸汽經過補汽閥降壓后從高壓缸中間某級進入汽缸做功，調節損失很大，非常不經濟。為此，對補汽閥的開度限制進行處理，平時閥門高限置為-2%，這樣即使汽機主控輸出的閥門指令為100%，經過閥門高限后實際有效的指令仍為0%，故補汽閥不會開啟。而高壓調門的閥限平時置為102%，則高壓調門接受汽機主控的輸出指令保持全開。當然，在汽機超壓或者一次調頻要求加負荷時，補汽閥的閥限或適當放開，從而開大補汽閥；在一次調頻要求減負荷時，高壓調門的閥限會適當下降，從而關小高壓調門補汽閥的閥限或適當某些情況下（如一次調頻動作時），補汽閥或者高壓調門的閥限會有所改變。通過這樣的調門閥限自動處理后，實現了調門全開而補汽閥全關，使汽輪機保持在最經濟的閥門狀態下運行，提高機組經濟性。

1.3高壓調門全開的經濟性得益分析

汽機高壓調門全開后的經濟性得益主要有以下幾個方面：一是調門全開后，閥門調節損失降低，高壓缸效率上升，使得汽輪機熱耗率下降；由于調門全開后，主蒸汽壓力下降，使得循環熱效率下降，兩者相抵扣，機組的經濟性仍會有提高。二是由于主蒸汽壓力降低，使得給水泵的耗功下降，驅動給水泵的蒸汽量下降，帶來相應的經濟性。三是由于調門全開后，在同樣的主蒸汽溫度下，調門后的溫度會上升，使得高壓缸排汽溫度上升，熱再溫度也會有所上升，對于原先熱再溫度偏低的機組其經濟性得益不容忽視。

1.4高壓調門全開對負荷控制的影響

由于汽機高壓調門全開不參與負荷調節，故對負荷控制會帶來一定影響，但這種影響主要是在變負荷初期，或者是負荷頻繁小幅波動時，在變負荷中后期或者大幅度變負荷時，只要鍋爐控制得當，給水、燃煤快速響應，實際負荷一般能跟隨負荷指令變化而變化。為了提高調門全開后變負荷初期的負荷響應能力，通過改變凝結水流量來參與負荷調節，加快變負荷初期的負荷響應速度，縮短負荷響應延遲，彌補鍋爐熱慣性大、純延遲長的缺點。

2　凝結水參與負荷調節的原理及功能實現

2.1凝結水參與負荷調節的技術原理

凝結水參與負荷調節是指快速改變凝結水流量，從而自發地改變低加抽汽量，使得進入汽輪機低壓缸做功的蒸汽量發生變化，引起機組負荷變化，實現凝結水參與負荷調節的功能。凝水調門變化量，會導致不同的凝水流量變化量，而決定負荷變化量的主要因素是凝水流量的變化量和機組當前負荷，且分別和兩者成正相關關系，即當機組負荷相同時，凝水流量的變化幅度越大，引起的負荷變化量越大；當凝水流量變化幅度相同時，機組負荷越高，引起的負荷變化量越大。機組負荷對凝結水流量變化的響應延遲較短，且呈現“先快后慢”的特點，這和凝結水流量改變導致抽汽流量改變的熱力特性有關。

根據汽輪機制造廠提供的熱平衡參數，對低加回熱系統進行計算，可以得出在額定負荷下5號～8號低加抽汽全部切除時機組負荷的理論增加量。當然實際應用時，由于凝結水流量的改變受到一定限制，低加抽汽量不會全部切除，故機組負荷的變化不會達到理論計算值，一般最大能實現20～30 MW的變化量。

2.2凝結水協調控制優化的實現方法

實現凝結水參與負荷調節的關鍵是如何在保證機組安全并經濟運行的前提下，讓原先控制凝汽器水位的凝水調門去響應機組負荷指令的變化，為此需要對凝結水系統的控制進行整體優化，包括凝泵工頻變頻方式的判斷、凝水調門控制、凝泵備用泵自啟動、凝汽器補水和低加水位控制等。

（1）凝泵工頻、變頻方式判斷和切換

漕涇電廠的凝結水系統配置3臺50%容量的凝結水泵，高負荷二運一備，低負荷一運二備。進行凝泵變頻改造后，新增2臺變頻器，一臺變頻器一拖一，另一臺變頻器一拖二，凝泵變頻改造后，低負荷下可以降低凝泵變頻，不再停運一臺凝泵，日常運行時采用二臺凝泵變頻運行，一臺凝泵工頻備用的方式。

（2）凝泵變頻方式下的凝汽器水位控制及凝結水節流調負荷功能實現

凝結水調門原先只控制凝汽器水位，有凝水主調門和副調門，副調門只在機組啟動和低負荷下使用，在機組AGC負荷范圍內只是凝水主調門參與調節，而凝水副調門關閉。當凝汽器水位和除氧器水位在正常范圍內變化時，凝水調門響應負荷指令的變化，即需要加負荷時，凝水調門先關小，凝水流量下降，從而增加機組負荷，當滿足一定條件后，凝水調門逐漸恢復至控制水位狀態；需要減負荷時，凝水調門先開大，凝水流量上升，抽汽量增加，從而減少機組負荷，當滿足一定條件后，凝水調門逐漸恢復至控制水位狀態。當然，如果發生凝汽器水位或者除氧器水位越限，則凝水調門閉鎖負荷調節功能，只控制凝汽器水位，確保凝汽器、除氧器水位不失控和機組安全運行。

凝泵進行變頻改造后，按照常規方式可采用變頻控制水位，凝結水調門全開（只要凝結水壓力不過低）的方法，這樣能充分利用凝泵變頻帶來的經濟性得益。但考慮到要實現凝結水節流參與負荷調節，而凝泵變頻轉速不能頻繁快速來回變化，故仍需要凝結水調門節流運行，從而會部分犧牲凝泵變頻運行的經濟性得益。另一方面，在凝泵變頻方式下，改變凝結水調門而引起的凝結水流量變化幅度會減小，從而也會影響凝結水節流參與負荷調節的效果，對AGC變負荷速率帶來一定的影響。為此需要進行一系列的試驗研究和控制優化，以盡可能的利用凝泵變頻的節能效果，降低廠用電率；同時降低變頻對凝結水節流變負荷性能的影響，滿足電網AGC變負荷速率要求。

采用的控制方式為：凝泵變頻指令為負荷的函數，用凝結水調門控制凝汽器水位，留有一定的節流余量，以實現加減負荷時凝結水流量的快速改變。在凝水調頻退出時，凝泵變頻可切換至更低的函數，甚至使得凝結水調門接近全開（保證一定的凝結水系統壓力的前提下）。

（3）凝泵的備用方式

日常運行時采用2臺凝泵變頻運行，一臺凝泵工頻備用的方式。如采取A泵、C泵運行，B泵備用的方式。凝泵聯啟條件為。

1）任一運行凝泵停運；

2）凝結水壓力低于1.3 MPa（工頻時定值為2.5 MPa）；

隨時抹掉核桃砧木上萌發的全部芽眼，以集中養分供給接芽萌發和新梢生長。當新梢長到30 cm以上時，及時摘心，促發二次枝，適時解除接口包扎物。

3）兩泵運行且流量高于2 500 t/h。

如果發生以上條件，則聯鎖工頻啟動備用凝泵，同時另一臺變頻凝泵快速提高變頻轉速至50 Hz，實現2臺凝泵并列運行。另外，凝結水主調門也快速回到凝泵工頻運行時的位置（對應當時的機組負荷），之后自動進行凝汽器水位調節。

（4）凝汽器補水控制的優化

凝汽器補水原先的控制策略是根據除氧器水位的變化來控制補水調門的開度，當除氧器水位低于一定值時凝汽器常補會開啟，再低時凝汽器危補也會開啟。這種策略在凝汽器和除氧器水位的變化相對平穩時是可行的，此時除氧器的水位變化可以表征凝水系統的工質多寡。但采用凝結水參與負荷調節后，凝汽器和除氧器的水位會頻繁大幅波動，只考慮除氧器水位來控制系統補水已不再適宜，而應根據凝水系統總的儲水量變化來控制補水，即綜合考慮除氧器和凝汽器的水位變化，根據兩者當量水位的變化來控制補水調門的開度，當凝水系統的工質確實減少時才需要補水，否則會造成凝水系統失衡，影響機組安全運行。

（5）低加水位控制的優化

未采用凝結水調節負荷時，凝結水流量一般不會快速急劇變化，低加水位的波動也在正常范圍內。但當使用凝結水調節負荷后，凝結水流量則會經常大幅快速變化，原先的低加水位控制會暴露出問題：當凝水流量快速增加時，低加抽汽量相應增加，低加水位升高，如低加常疏控制不當會導致危疏開啟，影響回熱系統效率；當凝水流量快速減少時，低加抽汽量相應減少，低加水位下降，如低加常疏控制不當會導致低加水位過低，觸發低加保護，關閉抽汽電動門，影響機組正常運行。故需對低加常疏、危疏的控制邏輯進行優化，對低加的保護、控制定值進行梳理和調整，以實現低加水位在凝水流量大幅波動時的平穩控制，避免危疏開啟和保護動作。

2.3凝結水參與負荷調節后的參數變化

凝結水協調控制功能投用后，負荷指令的變化會引起凝水調門的開度改變，特別在AGC方式下凝水調門將會頻繁變動，這樣凝結水母管壓力、熱井水位、除氧器水位都會有較大幅度的變動。為了確保機組的安全正常運行，對這些參數都設置了一定的變化區間，并完善參與越限報警功能。

（1）凝結水母管壓力

凝泵變頻運行后凝結水母管壓力有所降低，在低負荷下會遇到凝結水壓力不足，造成給水泵密封水回水溫度升高。在500 MW工況時，凝泵變頻36 Hz，當調門開大到70%時（正常運行約在46%），凝結水壓力到1.7 MPa，給水泵密封水有一側回水溫度升高到60 ℃。根據這一情況，目前可以設置1.8 MPa為報警定值，當低于1.8 MPa時閉鎖凝泵變頻轉速降低，閉鎖凝結水主調門開啟（水位正常時），當凝結水壓力低于1.3 MP，聯鎖啟動備用凝泵。

另外，增加給水泵密封水回水溫度高報警，定值暫定為65 ℃。

（2） 除氧器水位

除氧器水位的變化區間為-450～750 mm。超過該范圍，邏輯自動閉鎖凝水協調控制，凝水調門恢復水位控制。（除氧器正常水位設置為150 mm，水位高于850 mm溢流調門開啟，水位低于-1 360 mm延時30 s跳給水泵）。投用凝結水協調控制后，除氧器水位有可能會短時間越過該范圍，但一般能恢復，此時需請運行人員加強加注意。

（3）凝汽器水位

凝汽器水位的變化區間為300～1 100 mm。超過該范圍，邏輯自動閉鎖凝水協調控制，凝水調門恢復水位控制。（凝汽器正常水位設置為700 mm，水位高于1 400 mm跳凝結水輸送泵，水位低于100 mm延時30 s跳凝泵）。投用凝結水協調控制后，凝汽器水位有可能會短時間越過該范圍，但一般能恢復，此時需請運行人員加強注意。

另外，當凝汽器水位< 300 mm 或 除氧器水位>1 050 mm，會強關凝水調門。待水位恢復后，調門又會自動調節開出。

3　鍋爐燃燒率控制優化

凝結水調負荷主要作用是提高變負荷初期的負荷響應，能夠改善由于鍋爐側的滯后而產生的負荷響應延時，但機組最終的負荷響應仍然取決于鍋爐燃燒率的變化，為此需要對鍋爐燃燒率控制進行優化，以提高負荷響應能力。

優化的內容主要有：合理調整鍋爐煤水基準函數，以基本實現變負荷時給水和煤量根據負荷指令“一步到位”，盡量減少后期的修正量；縮短給水變化慣性時間，加快給水變化速度，在分離器出口溫度波動幅度和負荷變化速度兩者之間尋找平衡點；在變負荷過程中增加給水焓值控制死區，以免給水只控制分離器焓值而影響了變負荷速度，并對死區的設置進行了智能化處理；在正常的鍋爐給水、煤量指令上再增加智能化的超調指令，超調量的大小和多種因素有關，超調復位不是簡單根據負荷指令是否變化結束，而是綜合考慮鍋爐的蓄熱變化情況。

4　一次調頻功能實現

在原先CBF協調方式下，汽輪機處于限壓模式，即負荷控制方式，具備一次調頻投入能力。但投用新的協調方式后，汽輪機的控制方式也相應變為初壓模式，即壓力控制方式，此時汽機DEH側原有的一次調頻回路已不起作用，故結合凝結水調負荷技術和汽機調門閥限的調節技術，以及優化機組DCS側控制邏輯來開發新的一次調頻功能。

5　結語

采用汽機高壓調門全開的CTF協調方式，并利用凝結水協調控制技術來加快變負荷初期的響應速度，能在基本不影響AGC變負荷要求的前提下提高機組經濟性，實現節能減排。結合凝結水協調控制技術和汽機調門開度限制自動處理技術，來實現CTF方式下的一次調頻功能。

1 000 MW Unit Coordinated Control System of Condensation Water Adjustment with Load Adjustment

Xu Xiaohui, Chen Liang
Shanghai Shanghai Electric Power Caohejing Power Generation Co.,Ltd

Shanghai Shanghai electric power caohejing power generation co.,ltd 2×1 000 MW ultra super critical unit apply one kind of new type energy saving coordinated control method, which adjusts pressure set point to open steam turbine high pressure governing valve and optimizes boiler burning rate control to speed up load response through condensation water adjustment with load adjustment, meanwhile it applies steam turbine governing valve limit adjustment technology to achieve primary frequency regulation function. Under the premise of satisfy state grid AGC changing load and primary frequency regulation requirement, it realizes new type coordinated control method for steam turbine high pressure governing valve full open.

Coordinated Control, Condensation Water Adjustment, Primary Frequency Regulation, High Pressure Governing Valve Full Open

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2015.12.009