基于熱力系統調整的提高機組一次調頻性能的措施

陳美玲,施秋實,張晨辰,朱星瑤,曹未希,徐開元,葛曉霞

(南京工程學院 能源與動力工程學院，江蘇 南京 211167)

0 前 言

隨著我國經濟進入高質量發展階段，產業結構逐步調整，用電負荷谷峰差增大，電能供過于求；由于降低碳排放的目標和需求，我國大力發展新能源如風能、太陽能等，這些能源都具有隨機性、間歇性，可控性較差等特點；另外，近年來國家出臺“上大壓小”政策，機組以大容量、高參數為主，這些機組沒有汽包等能提供足夠水容積的系統，蓄熱能力降低，機組耦合性強，對穩定性要求高，對變負荷適應能力不強[1]。目前電網調頻主要分為一次調頻、二次調頻。一次調頻指并網運行發電機組在電網頻率發生波動時根據系統靜態特性曲線通過控制調節汽門開度自動、快速改變機組功率，阻止電網頻率偏差的進一步惡化。一次調頻是有差調節，響應速度快，調節時間短，是系統應對電網小頻差波動的主要和重要手段[2]。為了保證電網的穩定運行，保持發電廠與用戶之間的供需平衡，發電機組的一次調頻能力急需提升。本文介紹儲能裝置參與一次調頻方法，重點分析基于熱力系統調整的一次調頻能力的策略和方法。

1 一次調頻的問題

目前，所有火力發電機組都配備了汽輪機數字電液控制系統(DEH)，并配備了一、二次頻率調制自動發電控制(AGC)功能，一般是通過汽輪機調節汽門開度變化進行一次調頻。然而，在新常態的背景下，傳統的頻率調制戰略的實際頻率調制能力并不理想，需要改進以適應新的需要。傳統的調頻辦法受機組設計工況和設備經濟性、安全性因素等的限制，具有響應速度慢、爬坡速度受限、協調控制品質差、信號精度低、調頻動作幅度不足、持續性差以及偏離設計工況經濟性差等問題[3]。

2 利用儲能系統的調頻控制策略

新能源加入火電廠的巨大潛力和自身局限也刺激了儲能技術的快速發展。目前儲能技術包括物理儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能，儲能電站具有跟蹤計劃、削峰填谷、平滑出力、系統調頻的功能，可以實現風、光、儲多時間尺度的出力互補，提高電力系統消納新能源和穩定電網頻率的能力。

許多儲能裝置如電池儲能、超級電容器儲能、飛輪儲能等，具有響應速度快、爬坡能力強、充放電靈活、可塑性強的優點[4]，在電網功率供需不平衡時，可以在1秒內快速放出或者吸收功率，使電網頻率迅速穩定在合理范圍內。飛輪儲能屬于功率型儲能，瞬時功率大，適合高頻次充放電；電池儲能屬于能量型儲能，容量大。通過合理的配比方案和控制策略將飛輪儲能和鋰電池儲能相結合，利用飛輪儲能高循環使用次數的能力承擔大部分調頻需求，鋰電池儲能作為能量補充。這種混合儲能的方案設計可以從源頭解決鋰電池因頻繁動作導致的電芯著火及爆炸事故，在保障儲能設備安全利用的同時兼顧經濟性和性價比。

周丹等人提出一種含儲能系統的一次調頻策略，對儲能系統參與一次調頻的區域建立等效模型，分析幅頻特性，再根據帕德算法(PADE法)計算出調頻參數[5]，可以使調頻幅度更加精確。電池儲能系統的響應速度能夠達到機組的60倍，少量的儲能輔助調頻有利于提高系統的整體調頻能力[6]。

3 基于機組熱力系統的優化調頻策略

3.1 低壓加熱器抽汽量調頻

低壓加熱器抽汽量調頻是利用低壓加熱器中回熱抽汽的蓄熱，使機組的出力快速改變，包含低壓加熱器節流和凝結水節流。凝結水節流是通過控制凝結水調節閥開度來調整凝結水流量。當外界負荷降低時，開大調節閥，增加凝結水流量，將凝結水加熱到相同溫度需要更多的熱量，此時各級低壓加熱器的抽汽增加，汽輪機中壓缸的蒸汽流量減少，機組出力降低。低壓加熱器節流是直接通過控制低壓加熱器抽汽調節閥來改變抽汽量，從而達到改變機組出力的目的，其本質與凝結水節流相同，調節速度更快。此方法可以在凝結水調節閥開度較大的情況下完成調頻，節流損失小，雙向調劑可行性高，但節流的時間和幅度受除氧器和凝汽器水位的限制。凝結水節流策略經濟性好，但低壓加熱器抽汽做功能力不足，負荷持續性稍弱，可以作為輔助調頻手段增強機組的調頻能力[7]。

3.2 高低壓旁路改造

通過在汽輪機旁路系統原有基礎上加裝減溫減壓裝置，將一部分新蒸汽經過減溫減壓后直接用于供熱從而實現熱電解耦，提高機組在低負荷運行時的供熱能力。當外界電負荷降低時，由于供熱能力與供電能力相互耦合，因此機組供熱能力也相應下降，此時啟動旁路供熱系統，新蒸汽通過高壓旁路→再熱器→低壓旁路→減溫減壓器→熱網加熱器的路徑進行供熱，填補抽汽供熱的空缺部分，滿足熱用戶需要，實現熱電解耦[8]。

旁路系統改造由高壓旁路改造和低壓旁路改造組成。高壓旁路又稱一級旁路，即新蒸汽繞過汽輪機高壓缸直接進入再熱冷段，高壓旁路設計的初衷是在機組啟停時預熱和保護機組，而機組啟停頻率很低，高壓旁路的使用率也非常低。經過改造，高壓旁路的使用率大大提升，因此其安全性成為一個較大的問題。正常運行時高壓旁路門前后壓差較大，閥門的密封系統存在較大的安全隱患[9]，因此部分電廠僅采用低壓旁路改造。

3.3 高壓加熱器旁路調頻

高壓加熱器管束內的水壓遠高于筒體內的汽壓，若運行中出現管束破裂、泄漏問題，高壓力水會沿抽汽管道倒流入汽輪機，造成嚴重事故。通常高壓加熱器配備的是大旁路，目的是防止蒸汽渦輪的水流入、加熱器的過壓和鍋爐斷水。高壓加熱器旁路調頻是利用在高壓加熱器進出口兩端增設旁路系統，在旁路進水側上設置調節閥，啟動時改變給水流向，使部分給水不經由被旁路的高壓加熱器，旁路部分給水流量變化引起高壓加熱器給水流量變化，由于自平衡原理抽汽量隨之變化，從而實現調頻。由于高壓加熱器殼側壓力基本保持不變，高壓加熱器溫度變化不大，安全性較好。

顯然，隨著機組負荷的增加，高壓大旁路的調頻能力也會增大，但同時，高壓大旁路缺點是內效率較低，熱經濟性較差。對于獨立設置的小旁路，1號高壓加熱器和2號高壓加熱器調節效果更明顯，3、4號高壓加熱器調整了旁路給水流量時，其最終給水仍需經由前級高壓加熱器加熱，縮減了本級抽汽的同時，增大了前級的抽汽，故效果略差。因此，大旁路的調頻能力最強，但對各級加熱器的影響熱沖擊較小，而單獨的1號2號高壓加熱器旁路調頻能力雖然略弱，熱沖擊相比較大，但內效率更優，熱耗更低。相同頻率擾動下，高壓加熱器給水旁路有功功率的調節量比低壓加熱器抽汽調節量要大，但隨著擾動量的增加，快速性和有效性降低，無偏性提高[10]。

3.4 補汽閥輔助調頻

當機組調節閥開度都已開到最大時，由于高壓缸前幾級抽汽，進入后幾級的蒸汽流量減少，為彌補汽輪機做功不足，開啟補汽閥，蒸汽經補汽閥后，進入高壓缸的后幾級(一般為第五級)繼續膨脹做功，以提高機組的出力。補汽閥調頻響應速度快，閥門開啟，機組的帶負荷能力會得到提高，但是同時會使高壓調門后壓力上升，主蒸汽流量被排擠，主蒸汽流速降低；汽輪機在高壓轉子部分的軸系振動會加劇，高壓缸排汽壓力和溫度均有所升高，因此機組高壓缸的熱效率會降低，經濟性變差。故補汽閥參與調頻多用于理論和實驗室研究，實際中可以作為輔助或者補充手段用于調頻。

3.5 循環水量調頻

調整進出汽輪機組的蒸汽參數可以有效地改變蒸汽在汽輪機組內的做功量。若在其他參數一定的情況下，改變出口蒸汽的參數，即可快速改變蒸汽做功。循環水入口溫升和凝汽器傳熱端差是決定凝汽器壓力的主要因素[11]，其中凝汽器傳熱端差主要受限于凝汽器固有屬性，在進行幅度不大的循環水流量調節時，通常傳熱端差不會出現明顯變化。根據目前研究，冷卻工質流量的變化對于機組的凝汽器內汽側壓力的影響是及時的。故調節循環水流量即可調整循環水溫升，而在凝汽器傳熱端差不大幅變動的情況下，即可控制凝汽器汽側壓力[12]。調節汽測背壓即可達到調整汽輪機排汽參數的目的，從而改變蒸汽在汽輪機內的做功量達到調頻的目的，但蒸汽的做功調整量需要與水泵的耗電量改變比較從而保證經濟性。凝汽器存在最佳真空，即在此狀態下最有利于效率和發電效益。故運用背壓調頻存在偏離經濟性最優的缺點，并且為保障機組和凝汽器等輔助設備的運行安全，凝汽器的汽側壓力調整存在上下限且有變動速度限制。故此調頻方法主要應用于頻率高，即機組負荷需要降低，且其他調頻手段不能及時完成調頻目標時，調節給水流量略微偏離最佳工況使發電量減少。對于空冷機組，調整變頻風機的風機轉速，使其略微偏離最佳工況，同樣可以提高調頻能力。

3.6 0號高壓加熱器

0號高壓加熱器指串聯在1號高壓加熱器下游的加熱器，目前0號高壓加熱器有兩種配汽，一種直接在主蒸汽管道或補氣閥后抽汽，另一種從高壓缸打孔抽汽，兩者都采用調節門調整壓力，最終目的都是提高低負荷狀態時的給水溫度。當實際電網頻率與額定頻率的頻差超過預定值時，通過抽汽調門的快速動作來改變抽汽量，汽輪機做功能力進而發生變化，機組負荷改變。減少抽汽量會引起高壓加熱器出口水溫的下降，利用省煤器的蓄熱能力對給水吸(放)熱，可以緩沖這一影響，避免抽汽調頻對機組正常運行工況的影響。多次實驗表明，660 MW汽輪機組實際負荷響應能力在5～7 MW之間，可以有效提高機組一次調頻性能，尤其在低負荷工況下利用其低頻加負荷能力，具有較強的實用性[13]。部分機組處于低負荷工作狀態時主蒸汽、再熱蒸汽溫度比高負荷運行時要低，因而會降低機組的經濟性，增加0號高壓加熱器的數量后可以提高低負荷狀態下鍋爐的給水溫度，省煤器的出口煙溫，鍋爐的排煙溫度，按照脫硝電價補償政策可以改善機組低負荷運行經濟性[14]。

考慮到加熱器頻繁切入切出容易出現本體泄露和熱應力疲勞損傷等問題，0號高壓加熱器不參與日常小幅度的一次調頻，在頻差變化幅度較大時動作，彌補火電機組亟需的低頻加負荷能力。

3.7 高壓加熱器的可調式抽汽

在高壓加熱器的抽汽管道上增加抽汽調節閥或者在疏水管道上增加閥門。在機組負荷變動時，通過調整該閥門的開度直接調整抽汽流量或者調整疏水流量，以間接調整需要的抽汽流量，可以提高機組調頻幅度，提高機組的快速響應負荷能力。閥門的開度應長期保持在較大開度上以盡可能地減少壓損，避免對經濟性造成較大的影響。高壓加熱器的可調式抽汽本質上就是利用加熱器內的蓄熱能力，相比低壓加熱器抽汽參數高，做功能力強，可以提高一次調頻的寬度，但由于缺乏除氧器這樣的緩沖容器，減少高壓加熱器抽汽調節負荷必然會降低給水溫度，導致機組熱耗增大，循環熱效率下降，經濟性降低[15]。此外也可以增加疏水調節閥門，通過調整疏水流量暫態的間接改變蒸汽流量而不至使抽汽產生壓損改善經濟性，但此方案調頻響應比抽汽管道設閥門方案略慢。

3.8 相關調頻方式的調頻能力試驗結果

根據某超超臨界1 000 MW 機組800 MW負荷下凝結水節流試驗，當鍋爐系統穩定，汽輪機調節閥開度不變時，凝結水流量從1 602 t/h迅速減小到1 021 t/h，機組出力從815 MW 增加到836 MW，負荷響應時間僅3s，負荷改變后持續30s以上[16]。可見，凝結水節流策略響應快速，但負荷持續性稍弱，可以作為輔助調頻手段增強機組的調頻能力。

某超超臨界1 050 MW燃煤機組給水小旁路一次調頻試驗結果表明：機組原本負荷越高，高壓加熱器旁路調頻調負荷能力越強；高壓加熱器旁路調節的響應速度在前期較慢，但增加機組出力的幅度較大；省煤器出口溫度不變，說明省煤器的強大蓄熱能力，這為該調頻策略提供可行性保障[7]。

某1 000 MW機組在900 MW負荷進行一次調頻對比試驗，補汽調節閥閥位限制在20%，強制改變汽輪機轉速至2 989 r/min，1 min后恢復至3 000 r/min，試驗結果：沒有補汽調節閥參與的一次調頻在動作前后機組實際功率從900.916 MW上升到939.127 MW；有補汽調節閥參與的一次調頻在動作前后機組實際功率從899.204 MW上升到952.613 MW。說明補汽調節閥對調頻調負荷貢獻較大[7]。

4 速度不等率的函數優化

速度不等率是DEH系統的主要指標之一，一次調頻能力和它有著密切聯系。當電力系統供需發生變化時，會產生功率差，參與調頻的機組根據功率差值調節閥門開度的大小，從而響應外界負荷的變化，穩定電網頻率。當機組頻率浮動時，每臺機組有功功率的調節量不同，其取值主要根據調速系統的速度不等率來決定，速度不等率低于3%易引起調節系統動蕩，甚至強烈振蕩，從而影響機組運行的穩定性和使用的安全性；反之，速度變動率如果大于6%，調節系統比較穩定，調頻能力下降。目前速度不等率常用4.5%～5.5%，李恒等人提出將速度不等率設定為以實際功率與額定功率之差為自變量的函數，當頻差較小時將速度不等率取大些可以提高系統穩定性，頻差較大時將速度不等率取小些可以提高系統快速性，頻差函數可以更加準確的反映和應對外界負荷的變化，從而可以提高機組一次調頻能力。

曹旭等人提出的快動緩回、分段不等率、負荷修正、時間修正方法，大大提高了一次調頻的響應參數達標率。分段不等率是指當轉速偏差在(-2.4，-2.1)、(2.1,2.4)偏差較低時，將速度變動率調低設為3%，在(-3.6，-2.4)、(2.4，3.6)偏差較大時速度變動率調高一些設為3.3%，增強了低頻差段的調頻效果；快動緩回不僅保證了一次調頻的快速性，而且在頻率的恢復過程中，限制調頻隨頻差恢復的作用速度從而保證了調頻電量；壓力修正和時間修正分別補償實際主蒸汽壓力偏差對應的頻差和從時間角度補償的頻差[17]。

5 結 語

隨著可再生能源發電占有份額的不斷增長，傳統燃煤機組發電總量下降，被迫轉為調峰機組，電網運行的穩定性受到沖擊，機組的靈活運行和負荷快速響應壓力不斷增大。本文針對提高機組一次調頻性能，闡述了當前一次調頻的問題，分析了提高一次調頻能力的方法及特點，說明了相關調頻方式的調頻能力試驗結果。

目前，現有的一次調頻技術參與負荷調節能力仍然受各因素影響，如何在保證設備長期安全穩定運行的情況下進一步提高調峰的深度和響應速度，尚需要在實踐和理論探索中不斷進行深入研究。