鄭衛(wèi)東,馬浩,李肖肖,梁海騰,李海洋
(1.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠,浙江臺(tái)州317604;2.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司石洞口第一電廠,上海201900)
凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在1 000 MW機(jī)組的應(yīng)用
鄭衛(wèi)東1,馬浩2,李肖肖1,梁海騰1,李海洋1
(1.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司玉環(huán)電廠,浙江臺(tái)州317604;2.華能?chē)?guó)際電力股份有限公司石洞口第一電廠,上海201900)
隨著控制技術(shù)的迅猛發(fā)展和節(jié)能減排受到高度重視,凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)逐漸成為近幾年關(guān)注的熱點(diǎn)之一。凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)可以在提高或者不降低機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)性能的前提下,減少汽輪機(jī)調(diào)門(mén)節(jié)流損失。介紹了凝結(jié)水節(jié)流的技術(shù)原理和凝結(jié)水節(jié)流的潛能及速度評(píng)估方法,探討了凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在火電機(jī)組應(yīng)用的前景和方向,同時(shí)對(duì)凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)運(yùn)用中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了分析。
超超臨界;凝結(jié)水節(jié)流;控制;優(yōu)化;節(jié)能減排
在節(jié)能減排、提高發(fā)電效率的大環(huán)境下,超超臨界直流機(jī)組成為火力發(fā)電廠建設(shè)的主流機(jī)組。與傳統(tǒng)的亞臨界汽包爐機(jī)組相比,超超臨界直流機(jī)組蒸汽壓力及溫度更高,單位煤耗優(yōu)勢(shì)明顯。但是超超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱少,在電網(wǎng)低頻運(yùn)行以及系統(tǒng)負(fù)荷需求上升時(shí),其實(shí)際發(fā)電功率的增加速率和有效積分電量都難以滿足電網(wǎng)的考核要求。
以浙江省內(nèi)的電廠為例,近年來(lái)電網(wǎng)對(duì)電廠的輔助服務(wù)考核中,超超臨界機(jī)組的被考核電量遠(yuǎn)多于汽包爐機(jī)組。因此迫切需要有能兼顧電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻需求與機(jī)組變負(fù)荷安全性、經(jīng)濟(jì)性的新技術(shù),來(lái)彌補(bǔ)當(dāng)前超超臨界直流機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的缺陷,在新增燃料還沒(méi)有轉(zhuǎn)換成工質(zhì)發(fā)電能力、鍋爐蓄熱又不足的情況下,加快機(jī)組功率響應(yīng)。這需要從鍋爐以外的熱力系統(tǒng)尋找蓄熱,來(lái)彌補(bǔ)超超臨界直流鍋爐蓄熱能力的不足及傳統(tǒng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的缺陷。凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)及一次調(diào)頻技術(shù)正好滿足這一需要。
1.1 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)原理
凝結(jié)水節(jié)流的主要思路是:當(dāng)機(jī)組負(fù)荷指令變化,凝結(jié)水節(jié)流優(yōu)化控制模塊輸出凝結(jié)水流量改變指令,可以提高機(jī)組對(duì)負(fù)荷的快速響應(yīng)。如需要負(fù)荷增加時(shí)減小凝結(jié)水流量,因此低壓加熱器凝結(jié)水所需熱量減少,而抽汽量暫時(shí)不變,導(dǎo)致低壓加熱器管側(cè)出口水溫上升,殼側(cè)飽和溫度和壓力上升,抽汽壓力與殼側(cè)壓力差變小,從而使低壓缸抽汽進(jìn)入低壓加熱器的抽汽量減少,這部分抽汽可以在低壓缸中做功。雖然除氧器溫度升高也有減少抽汽量的作用,但可以忽略不計(jì)。
達(dá)到改變抽汽量有3個(gè)可行手段:調(diào)整抽汽門(mén)開(kāi)度、調(diào)整除氧器上水門(mén)開(kāi)度、改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速(假如設(shè)計(jì)了變頻方式)。其中,第一種方案需要在抽汽管道上增加蒸汽調(diào)門(mén),難度大、投資高,現(xiàn)場(chǎng)難以實(shí)施;電廠可以選擇第二種或者第三種方案。由于玉環(huán)電廠進(jìn)行了凝結(jié)水變頻全程控制除氧器液位優(yōu)化,運(yùn)行中除氧器上水門(mén)全開(kāi),為了保證凝結(jié)水變頻泵的節(jié)能效果,選擇第三種方案,通過(guò)改變凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到凝結(jié)水節(jié)流目的。
1.2 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)意義
燃煤機(jī)組由于制粉系統(tǒng)的慣性,從提高給煤機(jī)轉(zhuǎn)速,到最終加熱金屬管壁內(nèi)的汽水工質(zhì)后提高蒸汽壓力,需要約2.5 min。而直吹式機(jī)組AGC負(fù)荷跟隨試驗(yàn)動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)規(guī)定,機(jī)組負(fù)荷純遲延響應(yīng)時(shí)間不得超過(guò)90 s。所以在機(jī)組升負(fù)荷的開(kāi)始階段,只能依靠鍋爐內(nèi)的蓄熱來(lái)維持機(jī)組功率上升。因此,鍋爐蓄熱能力的大小決定了機(jī)組升負(fù)荷開(kāi)始階段的響應(yīng)速率。
在鍋爐蓄熱能力中起主要作用的是在鍋爐管道與聯(lián)箱中流動(dòng)、混合的汽水工質(zhì),處于蒸發(fā)區(qū)的飽和水蒸汽的比熱最大,蓄熱能力最強(qiáng)。與汽包爐相比,超超臨界直流鍋爐沒(méi)有重型汽包及較粗的下降管,水容積也小許多,尤其是蒸發(fā)區(qū)容積很小。因此,在相同的汽壓條件下,其蓄熱能力僅為汽包爐的25%~33%。
目前超超臨界直流機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在機(jī)組增加或減少負(fù)荷時(shí),會(huì)在靜態(tài)燃料、給水設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加或減少燃料量及給水量,從而加快機(jī)組功率響應(yīng)的速率,但這種設(shè)計(jì)容易對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生過(guò)多的擾動(dòng),特別是燃料、給水的變化幅度較大,會(huì)引起過(guò)熱汽溫的劇烈變化,危害鍋爐金屬受熱面的安全。此外,無(wú)論怎樣增加燃料,都無(wú)法克服制粉系統(tǒng)固有的慣性,無(wú)法擺脫超超臨界直流機(jī)組鍋爐蓄熱量少、負(fù)荷快速增加能力不強(qiáng)的問(wèn)題。
有些超超臨界直流機(jī)組為了提高機(jī)組變負(fù)荷的速率,采取提高機(jī)組滑壓設(shè)定,增加汽輪機(jī)高壓調(diào)門(mén)(以下簡(jiǎn)稱汽機(jī)調(diào)門(mén))節(jié)流程度的措施,從而加快變負(fù)荷初期的響應(yīng)速度。但是這樣增加了主蒸汽的節(jié)流損失,降低了發(fā)電機(jī)組的效率。機(jī)組運(yùn)行最佳方式是在汽輪機(jī)效率特性允許下,將汽機(jī)調(diào)門(mén)盡量開(kāi)大,以減少節(jié)流損失。換句話說(shuō),利用改變凝結(jié)水流量替代改變調(diào)門(mén)開(kāi)度,以避免汽機(jī)調(diào)門(mén)在高效率工作點(diǎn)之外工作,這樣就可以提高機(jī)組運(yùn)行效率并減少發(fā)電損失。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)荷可雙向調(diào)節(jié)、響應(yīng)快速且可以減少節(jié)流損失。
1.3 凝結(jié)水節(jié)流潛能及響應(yīng)速度
凝結(jié)水節(jié)流的負(fù)荷特性包括2個(gè)主要參量:一是機(jī)組能夠改變的最大負(fù)荷,即凝結(jié)水節(jié)流潛能;二是負(fù)荷響應(yīng)速度。為了驗(yàn)證凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)負(fù)荷的速度和潛能,在玉環(huán)電廠進(jìn)行了多個(gè)負(fù)荷段的試驗(yàn)。以800 MW工況為例,在限制調(diào)門(mén)開(kāi)度不變、穩(wěn)定鍋爐燃燒的情況下,進(jìn)行了2次凝結(jié)水節(jié)流試驗(yàn),一次凝結(jié)水流量從1 602 t/h下降至1 021 t/h,功率從815 MW上升至836 MW;另一次凝結(jié)水流量從1 613 t/h下降至862 t/h,功率上升遲延較小,上升后維持時(shí)間超過(guò)3 min。圖1為800 MW工況下的試驗(yàn)曲線,負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間約為3 s,最大負(fù)荷變化與凝結(jié)水改變量相關(guān),近似于線性關(guān)系,最大負(fù)荷持續(xù)時(shí)間大于30 s。

圖1800 MW工況下凝結(jié)水節(jié)流試驗(yàn)曲線
2.1 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)方案比較
利用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)改善機(jī)組調(diào)節(jié)特性,實(shí)際上有3種方案可以選擇。
(1)汽機(jī)調(diào)門(mén)全開(kāi),所有負(fù)荷段利用改變凝結(jié)水流量來(lái)滿足機(jī)組的負(fù)荷和一次調(diào)頻的需求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果好;缺點(diǎn)是凝汽器、除氧器液位在運(yùn)行中有一定的波動(dòng),變負(fù)荷能力差,影響電廠的輔助服務(wù)考核成績(jī)。
(2)適當(dāng)修改滑壓曲線,汽機(jī)調(diào)門(mén)適當(dāng)開(kāi)大,降低節(jié)流損失,變負(fù)荷能力不足靠凝結(jié)水節(jié)流來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案進(jìn)退有度,兼顧了節(jié)能和變負(fù)荷的要求,但在運(yùn)行中有一定的凝汽器、除氧器液位波動(dòng),節(jié)能效果不明顯。
(3)不修改滑壓曲線,利用節(jié)流優(yōu)化機(jī)組AGC和一次調(diào)頻特性。采用該方案,機(jī)組變負(fù)荷能力加強(qiáng),AGC和一次調(diào)頻效果改善。但在運(yùn)行中凝汽器、除氧器液位有一定的波動(dòng),節(jié)能效果沒(méi)有發(fā)揮。
調(diào)門(mén)全開(kāi)雖然節(jié)能效果很好,但汽機(jī)調(diào)門(mén)全開(kāi)運(yùn)行后,機(jī)組失去了對(duì)負(fù)荷的精確控制,AGC和一次調(diào)頻的考核要求難以滿足。根據(jù)有限度有保留的原則,在玉環(huán)電廠3號(hào)機(jī)組采取了第二種策略。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化滑壓曲線,并結(jié)合夏季、冬季試驗(yàn)情況進(jìn)行背壓修正,確保不同季節(jié)、90%以下負(fù)荷時(shí),調(diào)門(mén)保持約50%的開(kāi)度,兼顧了AGC性能和節(jié)能效果。
2.2 凝結(jié)水節(jié)流與滑壓優(yōu)化復(fù)合型技術(shù)方案
根據(jù)1 000 MW機(jī)組升負(fù)荷難、減負(fù)荷易的特點(diǎn),對(duì)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)負(fù)荷模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)化:凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)負(fù)荷只節(jié)流,不增流,即增加負(fù)荷依靠調(diào)門(mén)和凝結(jié)水節(jié)流共同響應(yīng)。在變負(fù)荷過(guò)程中,如果是減負(fù)荷,只要鍋爐燃燒前饋基本得當(dāng),汽機(jī)調(diào)門(mén)從50%開(kāi)度開(kāi)始關(guān)閉,控制負(fù)荷的精度和時(shí)間都是有保證的。而在升負(fù)荷過(guò)程中,如果汽機(jī)調(diào)門(mén)從50%開(kāi)度開(kāi)始開(kāi)啟,一般開(kāi)度到65%后,雖然汽機(jī)調(diào)門(mén)持續(xù)開(kāi)大,但機(jī)組負(fù)荷增加的趨勢(shì)立即變緩,如果實(shí)際主汽壓力下降,很有可能出現(xiàn)汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)大,而機(jī)組負(fù)荷降低的情況。因此玉環(huán)電廠3號(hào)機(jī)組凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷只做節(jié)流增負(fù)荷,沒(méi)有做增流降負(fù)荷。
圖2為凝結(jié)水節(jié)流SAMA圖,由圖可知凝結(jié)水節(jié)流模塊接收到負(fù)荷調(diào)節(jié)指令后,轉(zhuǎn)成對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水減少流量。傳統(tǒng)的除氧器液位控制采用三沖量調(diào)節(jié),主調(diào)負(fù)責(zé)除氧器液位控制,副調(diào)負(fù)責(zé)凝結(jié)水母管流量控制,穩(wěn)態(tài)工況下,主調(diào)輸出大致與各級(jí)高壓加熱器至除氧器疏水流量相等。一旦凝結(jié)水節(jié)流信號(hào)觸發(fā),凝結(jié)水節(jié)流模塊根據(jù)協(xié)調(diào)控制送來(lái)的負(fù)荷調(diào)節(jié)指令,轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的凝結(jié)水流量減少量,保持原來(lái)的除氧器水位控制主調(diào)輸出,兩者疊加后形成凝結(jié)水流量控制的設(shè)定值。

圖2 凝結(jié)水節(jié)流控制SAMA
為了加快凝結(jié)水節(jié)流調(diào)負(fù)荷的響應(yīng)速度,對(duì)凝結(jié)水流量變化與凝結(jié)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行折算,構(gòu)成凝結(jié)水泵變頻器控制凝結(jié)水流量的前饋分量。當(dāng)凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作撤出后,凝結(jié)水節(jié)流的分量按一定速率緩慢衰減至零。這是為了避免出現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流分量快速恢復(fù),造成凝結(jié)水母管流量快速增加、機(jī)組負(fù)荷立即減小的情況,影響機(jī)組協(xié)調(diào)的負(fù)荷控制。
2.3 凝結(jié)水節(jié)流的安全策略
凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作后,凝結(jié)水流量快速降低,除氧器水位會(huì)快速下降。另外隨著凝結(jié)水流量的減小,低壓加熱器因?yàn)榈蜏毓べ|(zhì)的減少,水位會(huì)上升。除了需要考慮加熱器水位外,由于凝結(jié)水流量降低后,熱井水位會(huì)上升,因此還要考慮熱井水位。此外,凝結(jié)水精處理系統(tǒng)要求凝結(jié)水入口壓力不得低于1.0 MPa,否則系統(tǒng)自動(dòng)切除。
從圖2可以看出,為了避免凝結(jié)水節(jié)流期間出現(xiàn)凝結(jié)水母管壓力過(guò)低、加熱器水位超標(biāo)導(dǎo)致加熱器退出等故障,在凝結(jié)水節(jié)流的設(shè)定值生成回路上,考慮凝結(jié)水母管壓力、除氧器水位、熱井水位的變化,如果超過(guò)一定范圍,則部分抑制凝結(jié)水節(jié)流的幅度。
從凝結(jié)水節(jié)流試驗(yàn)的結(jié)果看,凝結(jié)水節(jié)流對(duì)除氧器液位的影響最大,其他如加熱器、熱井液位的控制,可以通過(guò)增加前饋和微分來(lái)改善,從而確保上述系統(tǒng)的液位控制在安全范圍內(nèi)。
為確保除氧器液位的安全,需要確定凝結(jié)水節(jié)流對(duì)除氧器液位的影響,或除氧器從不同液位下降所能提供的節(jié)流空間,可根據(jù)除氧器的物理尺寸、除氧器內(nèi)飽和水的密度等進(jìn)行計(jì)算,即可由液位距除氧器幾何中心線的距離為變量求出。
當(dāng)除氧器液位在一定范圍內(nèi)變化,如果液位變化范圍沒(méi)有超過(guò)除氧器幾何中心線,則按照上述方法進(jìn)行積分求解。如果液位變化超過(guò)除氧器幾何中心線,則以除氧器幾何中心線為界限,分成兩部分求解后相加。這樣就可以求出除氧器液位在任何范圍內(nèi)波動(dòng)所產(chǎn)生的蓄水量體積變化,再根據(jù)實(shí)時(shí)的除氧器壓力、溫度參數(shù),求出飽和水密度,最終確定凝結(jié)水節(jié)流后,凝結(jié)水流量變化量、持續(xù)時(shí)間與除氧器液位波動(dòng)范圍。
2.4 凝結(jié)水節(jié)流投退與持續(xù)時(shí)間
雖然根據(jù)上述計(jì)算模型可實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前凝結(jié)水節(jié)流后除氧器液位波動(dòng)的范圍,但實(shí)際使用過(guò)程中,為確保除氧器水位控制安全,對(duì)凝結(jié)水節(jié)流的觸發(fā)和持續(xù)時(shí)間做了一定的限制,凝結(jié)水節(jié)流投退邏輯如圖3所示。
從圖3可以看出,凝結(jié)水節(jié)流只在升負(fù)荷且汽機(jī)調(diào)門(mén)超過(guò)一定開(kāi)度后才會(huì)觸發(fā),這是考慮到凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作后,機(jī)組功率會(huì)上升,一旦實(shí)際功率上升超過(guò)功率指令,汽機(jī)調(diào)門(mén)會(huì)關(guān)小。在這個(gè)過(guò)程中,汽機(jī)調(diào)門(mén)的動(dòng)作與凝結(jié)水節(jié)流都會(huì)對(duì)機(jī)組的實(shí)際功率產(chǎn)生影響,為了避免同時(shí)間有2個(gè)操縱量對(duì)被調(diào)對(duì)象(機(jī)組功率)產(chǎn)生影響,凝結(jié)水節(jié)流只在汽機(jī)調(diào)門(mén)大于一定開(kāi)度(此時(shí)調(diào)門(mén)基本無(wú)節(jié)流)后才動(dòng)作。

圖3 凝結(jié)水節(jié)流投退邏輯
在凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作中,一旦除氧器水位、低壓加熱器水位、凝汽器水位、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)入口壓力等越限,則凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作立即停止。為了避免連續(xù)的凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作導(dǎo)致除氧器液位大幅度下降,凝結(jié)水節(jié)流動(dòng)作后要隔幾分鐘才能觸發(fā)下一次,在這幾分鐘內(nèi)除氧器水位恢復(fù)到正常設(shè)定值。協(xié)調(diào)控制通過(guò)鍋爐的燃燒調(diào)整來(lái)彌補(bǔ)之前凝結(jié)水節(jié)流透支的加熱器蓄熱。
根據(jù)N1000-26.25/600/600型汽輪機(jī)的調(diào)門(mén)開(kāi)度與供電煤耗的關(guān)系式,以及優(yōu)化前、后的汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度,計(jì)算得到相應(yīng)的供電煤耗,進(jìn)行比較后得到不同負(fù)荷下凝結(jié)水調(diào)頻優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果,具體數(shù)值如表1所示,煤耗變化與負(fù)荷的關(guān)系曲線如圖4所示。

表1 優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果對(duì)比
從上述分析過(guò)程可見(jiàn),華能玉環(huán)發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組實(shí)施優(yōu)化改造后,在保證AGC精度的條件下,汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變大,使得供電煤耗有一定程度降低。

圖4 優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果
利用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)響應(yīng)AGC一次調(diào)頻具有一定的先進(jìn)性,可以利用該技術(shù)改善AGC效果,也可以利用該技術(shù)進(jìn)行節(jié)能運(yùn)用。凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)還有多種實(shí)現(xiàn)方法,可以在抽汽管道增加調(diào)門(mén)、低壓加熱器增加旁路等方面進(jìn)行試驗(yàn)和探索。對(duì)大多數(shù)機(jī)組而言,凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)具有一定的研究和應(yīng)用價(jià)值。
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(本文編輯:徐晗)
Application of Condensate Throttling Technology in 1 000 MW Units
ZHENG Weidong1,MA Hao2,LI Xiaoxiao1,LIANG Haiteng1,LI Haiyang1
(1.Huaneng Yuhuan Power Plant,Taizhou Zhejiang 317604,China;2.Huaneng Shidongkou First Power Plant,Shanghai 201900,China)
With the rapid development of control technology and highly attention to energy conservation and emission reduction,condensate throttling technology gradually becomes one of the hot spots in recent years. Condensate throttling technology can reduce the throttling loss with response performance of units load improved or not decreased.This paper presents the technical principle and potential of the condensate throttling technology and velocity evaluation method;meanwhile,it discusses the prospect and direction of the condensate throttling technology in thermal power units.At last,it analyzes precautions in the application of condensate throttling technology.
ultra-supercritical;condensate throttling;control;optimization;energy conservation and emission reduction
TK39
B
1007-1881(2015)06-0039-05
2015-01-04
鄭衛(wèi)東(1975),男,工程師,長(zhǎng)期從事發(fā)電廠熱控專業(yè)管理工作。