超超臨界汽輪機靈活性運行策略研究與展望

秦 攀，包勁松，張 寶，應光耀，樓可煒

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

現代科學技術暫時還不能解決大容量電能的經濟性存儲問題，電網中發供電設備的出力必須時刻與變動著的用電負荷保持動態平衡。隨著國民經濟的不斷發展和用電結構的變化，電力系統面臨電網峰谷差偏大，調峰能力不足的矛盾；另一方面，光電、風電等新型清潔能源的大量投用，大規模間歇性能源的并網發電，加劇了電網的波動性，因此電網對火電機組參與調峰甚至是深度調峰提出了更高的要求[1]。機組靈活性運行就是利用先進的控制技術，實現火電機組快速、深度調峰的穩定運行。

提高機組靈活性運行水平正成為火電機組適應當前電力市場的金鑰匙。近幾年來，以上汽-西門子聯合設計開發制造的1 000 MW/660 MW超超臨界機組汽輪機（以下簡稱上汽超超臨界汽輪機）在國內獲得了日益廣泛的應用，該類型汽輪機良好的經濟性能代表了當今先進的汽輪機發展水平。但是超超臨界機組均配置直流爐，蓄熱能力小，一般亞臨界汽包鍋爐的蓄熱能力比直流鍋爐要大2～3倍，而且該類超超臨界機組高壓調節汽門全開的運行方式，更使得鍋爐側有限的蓄能無法快速轉化為發電負荷，降低了機組靈活性運行能力，減弱了機組AGC（自動發電控制）響應水平。尋求新的調節手段，增進該機型靈活性運行水平正變得越來越有現實意義[2]。

1 靈活性運行的策略研究

上汽超超臨界汽輪機代表了當今先進技術水平的“HMN”型（高壓單流H型積木塊，中壓雙流M型積木塊，低壓雙流N型積木塊）汽輪機。摒棄了美、日等雙流調節級的設計理念，采用全周進汽，圓筒形單流高壓缸設計，效率較高[3]。隨著對該類型汽輪機探索的不斷深入，靈活性策略也一步步從理論研究走向實際應用，目前主要有以下幾種技術方案有了比較成功有效的應用實例。

1.1 主汽調閥的節流應用

對汽輪機側靈活性應用，最快速有效的方法就是通過主汽調閥節流調節，釋放存儲在機組內的蓄能，實現機組靈活性應用。但是這與上汽超超臨界汽輪機的設計初衷相背離。其最初設計理念是：在30%～100%額定負荷范圍內，采用滑壓運行方式，主汽調閥全開，盡量減少節流損失，以帶基本負荷為主。要使機組具有調節功能，全周進汽必須使用節流調節，而這勢必引起經濟性的下降。據西門子資料介紹，5%的全周節流會使機組熱耗率增加12～20 kJ/kWh[4]。即主汽調閥節流雖然是最直接有效的方法，但該方式要以犧牲機組經濟性為代價。

研究某1 000 MW機組主汽調閥開度和機組一次調頻能力發現，為滿足機組具備6%額定負荷的一次調頻能力，在額定參數下，調節閥的開度需要小于31.5%才能夠確保機組具有6%額定負荷的調頻能力[5]，如圖1所示。

為提高該機型汽輪機日常運行效率，主汽滑壓參數優化調整后，主汽調閥的目標開度在45%左右。在調節閥開度31.5%與45%下的一次調頻能力比較如圖2、圖3所示，隨著調門開度增大，機組一次調頻能力明顯下降[6]。

圖1 主汽調閥開度與一次調頻能力關系曲線

圖2 主汽調閥開度31.5%時的一次調頻能力

圖3 主汽調閥開度45%時的一次調頻能力

根據機組循環效率試驗結果，計算得到：為確保一次調頻能力（主汽調閥開度31.5%）運行方式與機組優化運行（主汽調閥開度45%）下的供電煤耗差如圖4所示，典型工況數據為：500 MW負荷工況下，供電煤耗差3.7 g/kWh；700 MW負荷工況下，供電煤耗差2.1 g/kWh；900 MW負荷工況下，供電煤耗差1.2 g/kWh[7]。

圖4 主汽調閥開度31.5%與45%時的供電煤耗差

1.2 補汽調節閥的應用

上汽超超臨界機組普遍配置補汽閥，把部分主蒸汽引入外置的補氣閥，該閥門結構類似于主汽調閥，相當于第3個調節閥。采用補汽閥主要有2個目的：

（1）使滑壓運行機組在額定流量下，進汽壓力達到額定值，彌補全周進汽滑壓運行模式下沒有用足蒸汽壓力的能力，這種能力的喪失隨設計裕量的增加而增加。

（2）在機組實際運行時，不必通過主汽調閥的節流就具備調頻功能，可避免12～20 kJ/kWh的節流損失，而且調頻速度快（3 s以內），具有足夠的能量儲備，在迅速增加負荷的同時，主蒸汽壓力變化小（不到1%），可減少鍋爐的壓力波動。為提高大電網的穩定性和調頻能力，歐盟電網將補汽閥作為推薦采用的技術之一[8-10]。

通過性能考核驗收試驗，分別計算了某1 000 MW機組、某660 MW機組補汽閥流量。從表1、表2數據可以看出，VWO（補汽閥全開工況）比2個主汽調閥全開工況的進汽量高6%～8%，考慮補汽閥開啟，效率略有降低的因素影響，一般也可以有5%左右的靈活性收益。

目前國內補汽閥的應用現狀是，絕大多數機組的補汽閥是處于強制關狀態。主要原因有2個：

（1）由于機組設計通流裕量普遍偏大，在2個主汽調閥全開的情況下，機組負荷一般都超過額定負荷，而且現在電網側對機組沒有超發負荷的要求[11]。

（2）補汽閥補充的蒸汽是從第5級后混入，補汽閥開啟后，混入蒸汽會帶來機組振動、軸瓦溫度高等額外問題，所以目前補汽閥實際應用不多。

該機型投入商業化運行不斷增加，對該機型單支撐軸瓦的研究也不斷深入，特別是近期，上汽廠在某百萬機組的補汽閥管道上加裝整流裝置，對補汽閥開啟后機組振動有較明顯的抑制作用，而且上汽廠在1號軸瓦設計方案中，由可傾式軸瓦替代橢圓形軸瓦，有望在1號軸瓦的振動方面有突破性的進展。在該機型補汽閥開啟影響得到有效控制的情況下，可以考慮投用補汽閥，作為機組快速調頻，快速增加負荷的有效手段。

表1 某1 000 MW機組補汽閥流量特性

表2 某660 MW機組補汽閥流量特性

1.3 凝結水節流+低加綜合技術的應用

凝結水節流調節實質上是通過迅速改變通過低壓加熱器（簡稱低加）的凝結水流量，來瞬時改變汽輪機組相應加熱器的抽汽量，從而實現快速改變機組發電負荷。其本質上是一種利用汽輪機組蓄能技術。該項技術的優點在于負荷可雙向調節、響應快速且無需汽門節流，可以較好地解決變負荷初期響應滯后的問題。該項技術在國外已有廣泛的應用，也是西門子公司推薦的一種調節手段。目前在國內多個發電廠也進行過這方面的探索和研究，并已有較多的應用實例。表3是某上汽660 MW超超臨界機組凝結水調頻試驗結果匯總[12]。 圖 5—7分別為 15 s，1 min，3 min后負荷變化量與凝結水流量變化量的關系。

表3 凝結水節流調頻負荷特性測試的數據

圖5 15 s后負荷變化量與凝結水流量變化量的關系

圖6 1 min后負荷變化量與凝結水流量變化量的關系

圖7 3 min后負荷變化量與凝水流量變化量的關系

圖8為除氧器與熱井水位變化的關系。在凝結水節流調節的基礎上，為了減少凝結水流量的大幅變化對熱井、除氧器水位的影響，還可以進一步優化設計，主要有2種技術路線：

（1）在低加抽汽管道上安裝調門，可以通過關小調門開度來減少低加抽汽量，減少的抽汽量留在低壓缸內繼續作功，從而達到瞬時增加負荷的目的。但是該技術路線需要在較粗的低加抽汽管道上額外裝設1個調節閥，施工難度大，投資價格高，性價比較低。

（2）在低加水側增設1路旁路調閥，入口設在軸封加熱器出口后第1級低加的進口，出口設在除氧器前最末級低加的出口位置[13]。可以部分地消解凝結水節流對除氧器負液位的影響。部分科研機構對此有較深入的研究，而且也已經有實際的應用案例。

圖8 除氧器與熱井水位變化的關系

1.4 高壓加熱器的調節應用

高壓加熱器（簡稱高加）調節的原理是當電網頻率過低時，開啟給水流量調節旁路，部分給水經旁路接至高加給水出口三通閥前，以減少進入高加的給水量，從而減少高加抽汽量，增大汽輪機作功能力，達到增加機組出力穩定電網頻率的目的[14]，熱力系統圖如圖9所示。

圖9 高加調節熱力系統

高加調節方法如果單獨作為響應一次調頻或AGC的方法，其初始階段的負荷響應速率較慢，但作為主汽調閥方式下調頻或者AGC的補充，是一種經濟合理的運行方式。主汽調閥+小旁路的模式基本與增加主汽壓力0.5 MPa的調頻效果接近。

高加小旁路參與一次調頻試驗的結果匯總下表4所示。

表4 高加小旁路一次調頻試驗結果匯總

2 靈活性應用的發展方向

2.1 高低旁路的應用

旁路系統最早從歐洲直流爐發展而來，逐漸演變為大容量單元制、再熱機組快速啟停的標配。旁路系統可以適時地平衡鍋爐的產汽量和汽輪機的用汽量，穩定鍋爐和汽輪機的運行。旁路的設置目的契合靈活性運行的初衷。

目前高參數、大容量中間再熱式汽輪機都配置了功能完善的旁路系統，高、低壓兩級串聯旁路是主流，旁路系統多配置為25%～40%BMCR（鍋爐最大出力工況）容量，少數有50%，甚至100%容量。能夠滿足機組靈活性運行對負荷的要求。高低旁調閥動作速度快，快速減負荷效果明顯。

在實際機組正常運行中，開啟高低壓旁路，對系統沖擊大。而且高低旁內漏本來就是一個運行難題，頻繁啟停，會顯著增加旁路內漏的幾率，嚴重影響機組運行的安全性、經濟性；特別是低旁開啟后，大量高溫高壓蒸汽進入凝汽器，影響凝汽器的安全運行[15]。所以在旁路閥沒有技術性革命進步的前提下，旁路參與靈活性運行調節可操作性不強。

2.2 減溫水噴水調節

利用減溫水噴水調節優點是速度快，過熱器減溫水、再熱汽減溫水瞬間變成過熱蒸汽、再熱蒸汽，有助于負荷的快速增加。臨時噴入的減溫水可以在幾秒鐘內使得負荷增加幾個百分點。噴水減溫系統有調節閥，噴水流量可以準確控制。值得注意的是，噴水減溫是汽溫調節的輔助手段，對機組正常運行影響大，特別是再熱汽減溫水的噴入，嚴重影響機組運行的經濟性；大量冷水進入蒸汽系統，會造成鍋爐和汽輪機入口處溫度的明顯降低，增加運行的安全隱患。

由于減溫水壓力非常高，如果頻繁使用噴水減溫，很容易造成、加劇減溫水調節閥內漏問題，嚴重影響機組運行的安全性、經濟性。該技術的應用也有待于新材料、新技術的革新。

2.3 發展蓄能技術

大力發展蓄能技術，有助于機組更加有效的響應負荷側快速變化。

2.3.1 抽水蓄能

抽水蓄能機組的最基本功能就是調峰、調頻，快速響應負荷變化貫穿于抽水蓄能運行的全過程。抽水蓄能機組結構簡單、控制方便，可以隨需要大幅度快速增加功率或減少功率，可以有效地響應負荷的頻繁波動，優化負荷曲線，其主要問題是建設選址難度較大，在國內抽水蓄能機組比例太低，遠遠低于日本、美國等發達國家的比例[16]。

2.3.2 供熱機組蓄能

供熱機組的抽汽調節策略就是當電網側有調峰需求時，供熱機組在短時間內將部分供熱負荷轉為發電負荷，實現機組負荷的靈活性運行。在不影響熱用戶的前提下，充分利用供熱熱網蓄熱，大幅度提高機組負荷響應速率，運用得當可以有效的補償風電等隨機性擾動，實現了機組供熱工況和非供熱工況的無擾切換。

2.3.3 熱水罐蓄能

北歐等國研究的熱水罐蓄能技術就是在熱力系統中增加1個大型的熱水箱，在正常運行時，為熱水箱提供加熱蒸汽，相當于把能量先行儲蓄在熱水箱中，當機組需要靈活調節時，把蓄能傳遞回熱力系統中，有報道稱該熱水儲蓄技術較好地解決了北歐等國冬季居民洗澡的峰谷問題[17]。

3 結語

通過機組靈活性運行策略的深入分析，表明機組具備靈活性運行的潛力，可以有效接納新能源電力、提高火電機組的負荷適應性。靈活性運行已成為火電機組發展的必經之路。

主汽調閥節流、補汽閥應用、凝結水系統節流、高壓加熱器調節是上汽超超臨界機組比較成熟的靈活性運行策略，目前都已經有了比較成功的應用。并展望了火電機組靈活性運行的未來發展趨勢，對高低旁路、噴水減溫調節、蓄熱技術等進行了對比優劣分析。

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