大型機組一次調頻性能優(yōu)化方法

湯可怡， 楊建明， 蔡喜冬

(東南大學 能源與環(huán)境學院， 南京 210096)

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大型機組一次調頻性能優(yōu)化方法

湯可怡， 楊建明， 蔡喜冬

(東南大學 能源與環(huán)境學院， 南京 210096)

針對大型機組直流鍋爐儲能不足、一次調頻能力弱的問題，提出了在電網發(fā)生大幅頻率擾動時，調整高壓加熱器抽汽流量參與調頻的新方法。通過改進傳統機組仿真模型實現汽輪機本體與回熱系統的交互作用，基于仿真模型對所述一次調頻性能優(yōu)化方法進行了驗證。結果表明：通過調整高壓加熱器抽汽流量改變機組功率有較強的負荷調整能力，機爐兩側共同參與調頻可大幅拓寬機組的調頻范圍，升級機組一次調頻性能。

發(fā)電機組； 一次調頻； 鍋爐蓄熱； 回熱抽汽

電網頻率是電能質量的重要指標，反映了電網有功功率和有功負荷之間的供需平衡[1]。當電網發(fā)生頻率偏差時，需要發(fā)電機組通過一次調頻迅速調整功率以維持電網頻率的穩(wěn)定。隨著電網容量的不斷增大，非線性和沖擊性載荷頻繁出現，降低了電網頻率的穩(wěn)定性；風能、太陽能等新能源發(fā)電由于存在明顯的間隙性，進一步加劇了電網頻率的波動。利用鍋爐蓄熱為手段的傳統一次調頻方式，其負荷調整能力已難以達到電網考核要求。因此，挖掘火電機組可用儲能，升級一次調頻性能已成為國內外學者的研究熱點。

筆者以某1000MW超超臨界機組為研究對象，通過數值模擬分析了高壓調節(jié)閥節(jié)流、凝結水節(jié)流、高壓加熱器(簡稱高加)抽汽門節(jié)流三種調頻方式的負荷響應能力，提出了升級火電機組一次調頻性能的優(yōu)化控制方法。

1 大型機組一次調頻方式

1.1傳統調頻方式

由于燃煤電廠蒸汽生產過程的滯后性，當電網有功功率供需不平衡時，通過改變燃料量和給水量難以快速響應負荷變化。目前火電機組一次調頻方式均為將頻差信號經過速度不等率換算后疊加到機組功率指令上，通過改變高壓調節(jié)閥的開度儲存或釋放鍋爐蓄熱，迅速改變機組功率。一次調頻性能取決于鍋爐蓄熱大小。直流鍋爐由于沒有汽包，蓄熱較小，且機組容量越大，單位負荷下的蓄熱越少[2]。當電網頻率大幅下降，要求機組快速升負荷時，鍋爐沒有足夠的蓄熱響應負荷變化。隨著大型超超臨界機組的發(fā)展，電網的頻率調整能力必然隨之下降。

1.2汽輪機側儲能的挖掘

為解決大型機組鍋爐蓄熱不足的問題，國內外專家提出了利用汽輪機側儲能參與調頻的新方法。通過調整回熱抽汽量改變汽輪機蒸汽流量，迅速改變機組功率，作為鍋爐儲能不足的補充手段。

對汽輪機低壓加熱器(簡稱低加)抽汽的利用稱為凝結水節(jié)流技術。當電網頻率降低時，減少凝結水流量使低加回熱抽汽流量減少，從而增加低壓缸蒸汽流量，增大機組的發(fā)電功率[3]。目前國內已有電廠進行了凝結水節(jié)流的優(yōu)化改造，但其參與負荷調節(jié)的能力有限。根據計算，在極限情況下切除所有低加，滿負荷狀態(tài)下超超臨界機組的功率僅能增加約5%，低參數工況下抽汽參數和流量下降，做功能力隨之降低。實際運行時受到除氧器、凝汽器水位等限制，凝結水節(jié)流最大幅度不宜超過50%[4]，進一步制約了參與負荷調節(jié)的能力。

與低加抽汽相比，高加抽汽參數高、流量大、做功能力強，利用高加抽汽參與調頻可大幅拓寬機組的負荷調整范圍。王國凱等[5]提出通過高加抽汽門節(jié)流調整汽輪機高加抽汽流量響應一次調頻的新方法，但并未進行深入研究。筆者通過建立大型機組一次調頻仿真模型研究了高加抽汽參與負荷調節(jié)的可行性。

2 一次調頻仿真模型改進

火電機組一次調頻的建模研究已比較成熟，但均將機組回熱抽汽量簡化為隨負荷線性變化，未能反映出汽輪機本體通流部分與回熱加熱器的相互作用。筆者對文獻[6]通流及回熱部分模型做了改進，以研究通過調整回熱抽汽進行負荷調節(jié)時機組功率的動態(tài)特性。

2.1汽輪機通流部分模型

汽輪機通流部分模型采用弗留格爾公式描述，以回熱抽汽點為界劃分通流級組。級組內壓力與流量關系滿足[7]：

(1)

式中：G0為額定工況級組內流量，kg/s；p10為額定工況級組前壓力，kPa；p20為額定工況級組后壓力，kPa；T0為額定工況級組前蒸汽溫度，K；G1為變工況級組內流量，kg/s；p11為變工況級組前壓力，kPa；p21為變工況級組后壓力，kPa；T1為變工況級組前蒸汽溫度，K。

由于仿真模型用于分析機組參與一次調頻的動態(tài)特性，負荷變化不大，故認為級組相對內效率保持不變。

2.2抽汽管道模型

根據流體力學基本原理，抽汽管道的流量與壓差關系采用如下模型描述：

(2)

式中：pm為汽輪機抽汽點壓力，kPa；pn為加熱器殼側壓力，kPa；Gi為抽汽流量，kg/s；f為抽汽管道阻力系數，其大小取決于抽汽擋板開度。

2.3回熱加熱器模型

回熱加熱器分為表面式加熱器和混合式加熱器。混合式加熱器僅用于熱力除氧，其建模方法與表面式加熱器類似。

表面式加熱器分為過熱段、凝結段與過冷段。由于過熱段與過冷段能量交換較少故將其折算到凝結段建模。根據質量守恒、能量守恒及換熱方程可得如下關系式：

殼側質量守恒方程

(3)

殼側能量守恒方程

Gehe+Gucwtu-Gdcwtd-Q=A+B

(4)

管側能量守恒方程

(5)

殼側與管側換熱方程

(6)

式中：Ge為加熱器抽汽流量，kg/s；Gu為加熱器流進疏水流量，kg/s；Gd為加熱器疏水流量，kg/s；V′、V″為加熱器殼側汽、水容積，m3；ρ′、ρ″為加熱器殼側壓力對應的飽和水、汽密度，kg/m3；he為抽汽比焓，kJ/kg；tu為上級加熱器疏水溫度，℃；td為加熱器疏水溫度，℃；cw為疏水比體積，m3/kg；ct為管道金屬比體積，m3/kg；cs為殼側金屬比體積，m3/kg；Q為殼側與管側換熱量，kW；e′、e″為殼側壓力對應的飽和水、汽比能，kJ/kg；Xe為殼側金屬參與換熱有效系數；Ms為殼側金屬質量，kg；ts為殼側壓力對應的飽和溫度，℃；G為給水流量，kg/s；t1、t2為給水進出口溫度，℃；Vt為給水管道容積，m3；Mt為管道金屬質量，kg；k為傳熱系數，kW/(m2·K)；A為殼側與管側換熱面積，m2。

經推導可得表面式加熱器出口水溫和殼側壓力變化：

(7)

(8)

C=Gehe+Gucwtu-Gdcwtd-Q，

式中：ps為殼側壓力，kPa。

3 數值仿真試驗

3.1仿真模型有效性驗證

該機組回熱系統為典型的3臺高加、4臺低加和1臺除氧器配置。為驗證仿真模型的準確性，在額定工況下進行高壓調節(jié)閥階躍擾動試驗(見圖1)和凝結水節(jié)流試驗(見圖2)，觀察機組功率響應。

為降低節(jié)流損失，通常超超臨界機組僅預備5%的高壓調節(jié)閥節(jié)流用于響應一次調頻[8]。由圖1可見：高壓調節(jié)閥由正常開度全開后，機組功率迅速增大，由于再熱器中間容積的滯后效應，機組功率在調節(jié)閥擾動40s后達到最大值1029.5MW；隨后由于主蒸汽壓力下降，鍋爐儲汽量減少，機組功率逐漸回落。由圖2可見：凝結水量階躍下降50%后，由于低加回熱抽汽流量逐漸減少，機組功率經60s上升了約25MW。仿真試驗負荷變化量與理論計算值一致，動態(tài)趨勢合理，與文獻[9-10]一次調頻動態(tài)試驗結果相符，驗證了仿真模型的有效性。

3.2高壓加熱器抽汽參與負荷調節(jié)

由第3.1節(jié)分析可知，由于直流鍋爐蓄熱很少，高壓調節(jié)閥由正常開度階躍全開，負荷增加量不足額定負荷的3%，遠低于電網一次調頻上限不得低于6%額定功率的考核要求。而凝結水節(jié)流負荷調整能力有限，在低負荷時甚至喪失一次調頻能力。筆者基于仿真模型通過調節(jié)1號、2號及3號高加抽汽門開度調整高加抽汽流量，觀察機組的功率響應。將高加抽汽門開度關小至30%，由于抽汽管道阻力增大，抽汽流量減小，給水溫度逐漸下降，經過60s由289℃降低至270℃。而機組功率變化(見圖3)經過20s迅速上升至1050MW，顯示了良好負荷調整能力。

3.3機爐兩側共同響應一次調頻策略

與凝結水節(jié)流技術相比，通過調整高加抽汽流量參與一次調頻具有更大的負荷調整能力。由于高加抽汽流量頻繁的變化會使加熱器及給水管道承受熱應力，為此筆者提出如下的優(yōu)化控制策略：對于低于0.1Hz的小幅度電網頻率擾動，利用鍋爐蓄熱足以響應電網的負荷變化，可采用傳統的控制策略，通過改變高壓調節(jié)閥開度響應一次調頻；對于高于0.1Hz的大幅度電網頻率擾動，機爐兩側共同響應一次調頻，在改變高壓調節(jié)閥開度的同時，根據功率偏差調節(jié)高加抽汽門開度，快速改變機組功率。基于仿真模型對控制策略進行驗證，假設電網頻率發(fā)生周期為60s，幅值為0.2Hz的擾動，圖4仿真試驗結果顯示采用機爐兩側共同響應一次調頻的控制策略，機組功率可快速跟隨目標功率值，升級了一次調頻性能。

4 結語

針對大型直流鍋爐蓄熱不足、一次調頻能力弱的問題，提出了通過調整高加抽汽流量改變機組負荷，機爐兩側共同參與一次調頻的控制策略：對于小于0.1Hz的小幅度頻率擾動，通過高壓調節(jié)閥節(jié)流進行負荷調節(jié)；對于超過0.1Hz的大幅度頻率擾動，僅利用鍋爐蓄熱難以達到目標功率值，汽輪機側同時依靠調整高加抽汽流量參與負荷調節(jié)。通過仿真試驗對控制策略的有效性進行了驗證。值得注意的是，由于所述控制策略釋放了汽輪機側儲能，降低了給水溫度，因此鍋爐側應通過燃料量和給水量的動態(tài)超調使機組盡快恢復穩(wěn)定。

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Optimization on Primary Frequency Regulation of Large Power Units

Tang Keyi, Yang Jianming, Cai Xidong

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To solve the problem that large power units have poor primary frequency regulation performance due to limited energy storage in the concurrent boiler, an optimization method was proposed for primary frequency regulation by adjusting the amount of extracted steam to high-pressure heaters when severe grid frequency deviation happens. Mutual effects of both the turbine and the regenerative system were achieved by modifying common simulation models of large power units, based on which the optimization method was verified. Results show that the proposed method can remarkably widen the range and improve the performance of frequency regulation.

power unit; primary frequency regulation; boiler heat storage; regenerative extraction steam

2016-03-18

湯可怡(1990—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為熱力發(fā)電過程仿真與控制。

E-mail: allentkeyi2@163.com

TM711

A

1671-086X(2016)06-0374-04