二次再熱機組一次調頻能力探討

部俊鋒，李昌衛，劉 浩

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東 濟南 250003）

0 引言

二次再熱機組比一次再熱機組的發電效率提高了2%～3%，是高效低碳的火電技術。自2015年國內首臺二次再熱機組在華能安源電廠投產以來，二次再熱機組得到了大力發展。

目前，二次再熱機組一次調頻性能的考核都沿用針對一次再熱機組制定的標準，從多臺機組一次調頻試驗的結果看，二次再熱機組對電網頻差的響應性能普遍達不到現行標準的要求，明顯弱于同容量的一次再熱機組，已成為制約二次再熱機組運營和推廣的障礙［1-2］。

隨著國家構建以新能源為主體的電力系統的推動，電網要消納更多具用波動性、隨機性的新能源，作為電網頻率主要支撐的火電機組，其一次調頻功能將更加重要，也會面臨更多的考核。

通過分析現行一次調頻考核標準的制定原理，以及根據二次再熱機組的結構特性，建立數理模型計算其一次調頻性能，可為探討現行標準下二次再熱機組一次調頻能力提供依據；也為制定針對二次再熱機組一次調頻性能的考核標準提供參考。

1 現行一次調頻考核標準的制定原理

現行一次調頻的考核標準主要執行中國國家標準化管理委員會2013 年頒布的《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收》，以及國家電網公司2011 年頒布的《火力發電機組一次調頻試驗導則》。制定這些標準時，我國還沒有二次再熱機組投運，因此，標準中都沒有考慮二次再熱機組一次調頻性能的特殊性。

根據現行標準的要求，火電機組一次調頻性能要達到：響應滯后時間小于3 s；達到75%目標負荷的響應時間小于15 s，達到90%目標負荷的響應時間小于30 s；響應穩定時間小于60 s［3-4］。

機組一次調頻功能的實現，要串聯經過信號測量環節、邏輯運算環節、主調門電液伺服環節、蒸汽管道和汽輪機汽缸組成的功率環節。從數理建模的角度看，這些環節都可用一階慣性環節仿真，因此，一次調頻回路是由多個一階慣性環節組成的、具有高階慣性環節特性的系統。

由于大容量火電機組都采用先進的計算機測控技術和高壓抗燃油電液伺服系統，正常情況下，其一次調頻回路的測量、運算和伺服環節的慣性時間常數都很小，這些慣性時間理論上不會引起機組負荷響應滯后3 s。現場試驗也證明，參與一次調頻的一次和二次再熱機組，其響應滯后時間都小于3 s。因此，機組一次調頻性能主要是考核其功率環節的負荷響應速度、幅度和穩定時間。

一次再熱機組功率環節包括三部分：汽輪機的高壓調門汽室和高壓缸；再熱器及蒸汽管道、汽輪機的中壓調門汽室和中壓缸；汽輪機的低壓連通管道和低壓缸。其數理模型是三個一階慣性環節組成的三階慣性環節，如圖1所示［5］。

圖1 一次再熱機組功率環節數理模型

圖1 中，G為進入汽輪機的蒸汽流量（熱功率），主要受主調門開度和主汽壓力影響；P為汽輪機的機械功率輸出；Tch為高壓調門汽室容積時間常數，一般0.2～0.5 s；Trh為再熱蒸汽容積時間常數，一般8～15 s；Tco為低壓連通管容積時間常數，一般0.3～0.7 s；rFHP、rFIP、rFLP分別為 穩態時高壓缸、中壓缸、低壓缸的功率占整機功率的百分比，又稱功率系數，rFHP+rFIP+rFLP=1，一般取0.3、0.3、0.4；λ為高壓缸功率自然過調系數，表征因再熱蒸汽容積的慣性作用，造成高壓缸排汽壓力變化的延滯，使得動態過程中高壓缸的功率系數大于rFHP，可取0.8［6］。

在進行由多個一階慣性環節組成的高階慣性環節計算時，可根據一階慣性環節的時間常數做簡化處理：若時間常數偏差大于4 倍以上，高階慣性環節可以簡化為以時間常數較大者組成的一階慣性環節。這樣，圖1可簡化為圖2。

圖2 簡化的一次再熱機組功率環節模型

圖2 模型可用式（1）進行計算，其結果可理解為一次調頻引起的功率變化，最終值的54%是快速（小于3 s）達到的，其余46%要經過一階慣性環節漸進達到。

時間常數為T的一階慣性環節階躍響應特性如圖3 所示，響應在1T、2T、3T、4T、5T時間點分別達到最終值的百分比為63.2%、86.5%、95%、98.25%、99.3%。

圖3 一階慣性環節的階躍響應曲線

依據式（1）和圖3，以再熱容積時間常數為15 s的一次再熱機組為例，當一次調頻引起汽輪機進汽量階躍變化后，15 s（1T）時所引起的負荷變化可達到目標值的百分比為：0.54+0.46×0.632≈0.83，大于考核標準75%的要求；30 s（2T）時所引起的負荷變化可達到目標值的百分比為：0.54+0.46×0.865≈0.96，大于考核標準90%的要求；60 s（4T）時所引起的負荷變化可達到目標值的百分比為：0.54+0.46×0.982≈1，符合考核標準中60 s內穩定在目標值的要求。

綜上所述，現行一次調頻考核標準的制定，符合一次再熱機組負荷響應的慣性特性，影響一次再熱機組慣性特性的主要因素是再熱容積時間常數。現役各種參數和容量的一次再熱機組，在滿足一次調頻現行標準的要求方面尚有裕度，不會影響一次再熱機組的安全性和經濟性運行。

2 二次再熱機組的結構和一次調頻特性

2.1 二次再熱機組的結構和建模

二次再熱機組比一次再熱機組多了一個超高壓汽缸（個別機組還多了一個低壓缸）和一次蒸汽再熱，蒸汽參數也大幅提高。表1為已投產的超臨界1 000 MW一次再熱機組和二次再熱機組蒸汽參數比較［7］。

二次再熱機組功率環節的數理模型可按照一次再熱機組的辦法簡化：將中、低壓缸看作一體，并忽略超高壓缸調門汽室和中/低壓缸連通管的容積時間。圖4為簡化的二次再熱機組功率環節數理模型。

圖4 簡化的二次再熱機組功率環節數理模型

圖4 中0.2、0.2、0.6 分別為穩態時超高壓缸、高壓缸、中/低壓缸的功率系數；T1和T2分別為一次再熱和二次再熱容積時間常數；λ1和λ2分別為超高壓缸和高壓缸的功率自然過調系數。

功率自然過調系數的計算公式為［6］

式中：ε為汽缸排汽壓力與進汽壓力的比值；k為過程絕熱指數，對于過熱蒸汽k=1.3［8］。根據表1 的數據，超高壓缸和高壓缸的ε都近似0.3，計算后的λ值可取為0.7。

再熱容積時間常數的計算公式為［9］

式中：V為再熱系統容積，根據廠家資料，表1 二次再熱機組一次再熱系統容積為440 m3，二次再熱系統容積為475 m3；GV為額定功率下的再熱系統容積流量，m3/s；n為多變指數，代表蒸汽在再熱容積內是個復雜的多變過程。

再熱容積時間常數可用汽輪機的階躍擾動試驗測取，也可用集總參數法作近似計算。計算時，再熱系統內蒸汽的參數可取額定工況下再熱器進、出口蒸汽壓力和溫度的平均值，在視為等溫過程的情況下，多變指數n=1。

表1 中的二次再熱機組，在額定工況下，其一次再熱器進、出口蒸汽壓力和溫度的平均值為11.3 MPa和521 ℃，此參數下的蒸汽比容為0.03 m3/kg；對應表1中一次再熱質量流量的容積流量GV=2 517×1 000÷3 600×0.03≈21（m3/s）。則一次再熱容積時間常數T1=440÷21≈21（s）。

表1 中的二次再熱機組，在額定工況下，其二次再熱器進、出口蒸汽壓力和溫度的平均值為3.43 MPa和522.5 ℃，此參數下的蒸汽比容為0.1 m3/kg；對應表1 中二次再熱質量流量的容積流量為GV=2 161×1 000÷3 600×0.1≈60（m3/s）。則二次再熱容積時間常數T2=475÷60≈8（s）。

表1 一次再熱和二次再熱1 000 MW機組蒸汽參數比較

將一、二次再熱容積時間常數和超高壓缸、高壓缸的功率自然過調系數代入圖4，可得到模型的計算式（4）。式（4）的結果表明，二次再熱機組功率變化最終值的34%是快速（小于3 s）達到的，20%要經過一階慣性環節漸進達到，46%要經過二階慣性環節漸進達到。

2.2 二次再熱機組的一次調頻特性

依據式（4）和圖3 一階慣性環節的階躍響應曲線，可計算出二次再熱機組一次調頻負荷響應分別在15 s、30 s、60 s達到目標值的百分比。

同樣方法可分別計算出30 s、60 s 時，一次調頻的負荷達到目標值的百分比為81%、96%，也達不到考核標準90%、100%的要求。

進一步，用同樣方法計算其他時間點的響應百分比，可知，一次調頻的負荷23 s 后才能大于目標值75%，40 s后大于90%，85 s后大于99%。

由于早期投產的二次再熱機組普遍存在再熱汽溫偏低的問題，后期的機組都增加了再熱器的受熱面，使得再熱容積時間常數又有所增大［10］。理論上其一次調頻負荷響應比上述引用機組還要差。

綜上所述，二次再熱機組不同于一次再熱機組的結構特點，使其一次調頻性能離現行標準的要求差距較大。現場一次調頻試驗也證明，必須采取大幅偏離滑壓運行曲線的蒸汽參數，才能在部分工況下取得成功的試驗結果，這種運行方式不僅影響機組的經濟性和安全性，也難以同時滿足一次調頻雙向調節都達標。

3 結語

現行一次調頻考核標準是在我國還沒有二次再熱機組的情況下制定的，符合一次再熱機組的負荷響應特性。二次再熱機組增加了一個超高壓汽缸和一次蒸汽再熱，與一次再熱機組相比，負荷響應最快的超高壓缸的功率占比減少了；而功率占比最高的中低壓缸，因再熱容積慣性的增加，其負荷響應進一步延緩了。這就造成二次再熱機組的一次調頻性能難以達到現行標準的要求。

通過對某1 000 MW 二次再熱機組的一次調頻性能進行建模計算，其負荷響應在15 s、30 s、60 s 分別只能達到目標值的60%、81%、96%；負荷響應達到目標負荷75%、90%的響應時間分別大于23 s、40 s，響應穩定時間大于85 s。這些計算結果可為考核二次再熱機組一次調頻能力提供參考依據。