空冷機組凝結水系統(tǒng)蓄能容量定量分析

練海晴，田　亮，張銳鋒

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003；2.貴州電力試驗研究院，貴州 貴陽 550002)

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空冷機組凝結水系統(tǒng)蓄能容量定量分析

練海晴1，田亮1，張銳鋒2

(1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003；2.貴州電力試驗研究院，貴州 貴陽 550002)

摘要：合理利用凝結水系統(tǒng)蓄能是提高火電機組負荷響應速率的有效手段之一。在分析機組回熱加熱系統(tǒng)結構及工作機理的基礎上，建立各低壓加熱器及除氧器的質量-能量平衡方程，根據(jù)等效焓降法分析凝結水流量同各級抽汽流量之間的關系，計算出凝結水流量變化與發(fā)電功率變化之間的靜態(tài)增益；并依據(jù)除氧器容積定量計算出機組凝結水系統(tǒng)蓄能容量。進一步通過對比典型600 MW空冷機組和水冷機組的計算結果，發(fā)現(xiàn)相同負荷下空冷機組儲能容量較水冷機組儲能容量小20%左右；空冷及水冷機組凝結水系統(tǒng)蓄能容量都呈現(xiàn)隨功率增加而增加的趨勢。所涉及的計算過程及結論對我國華北、西北“富煤少水”地區(qū)空冷機組具有參考價值。

關鍵詞：空冷機組；凝結水系統(tǒng)；蓄能容量；負荷調節(jié)；等效焓降

0引言

中國北方地區(qū)風電機組較多，但其擾動較大，電網(wǎng)消納擾動性風電的能力是制約風電發(fā)展的瓶頸[1-2]。隨著風電等間歇性能源的大規(guī)模并網(wǎng)，大容量蓄能技術的瞬時及精確負荷控制能力是目前的研究熱點[3-4]。傳統(tǒng)火電機組的協(xié)調控制對象具有大慣性，大遲延特性，單純依靠改變燃料量響應機組負荷指令速度非常緩慢，需要合理利用機組蓄能來提高負荷響應速度[5-6]。

凝結水系統(tǒng)蓄能的利用，實質是通過迅速改變通過低壓加熱器的凝結水流量來改變汽輪機加熱器的抽汽量，從而快速調整機組發(fā)電負荷的過程。姚峻等[7]在900 MW超臨界直流機組上通過實驗驗證了凝結水系統(tǒng)蓄能對調整發(fā)電負荷的可行性，之后在1 000 MW機組上得到具體實驗數(shù)據(jù)。劉鑫屏等[3]得出在凝結水完全節(jié)流的狀態(tài)下，凝結水流量變化與機組功率變化之間的傳遞函數(shù)。錢能等[8]得出凝結水流量與功率之間的傳遞函數(shù)并提出凝結水流量的模糊自適應控制算法。

劉鑫屏等[3]通過建立凝結水流量變化量與機組發(fā)電功率變化量之間的機理模型，得出在凝結水系統(tǒng)完全節(jié)流的工況下，機組發(fā)電功率變化量與其對應關系，但實際運行過程中不允許出現(xiàn)這種情況，需要對在合理工況下兩者之間的對應關系，以及變化趨勢進行分析。

1機理分析

i—各個加熱器編號(i=1，2，3…，7)；Qes,i—各級抽汽流量，kg/s；hes,i—各級抽汽比焓，kJ/kg；Qcw—凝結水流量，kg/s；hcw,i—流出各個加熱器凝結水比焓，kJ/kg；hcw,8—流入7號加熱器凝結水比焓，kJ/kg；Qsw,i—各級疏水流量，kg/s；hsw,i—各級疏水比焓，kJ/kg；Qfw—給水流量，kg/s；hfw—給水比焓，kJ/kg圖1　典型回熱系統(tǒng)圖Fig.1　Diagram of typical regenerative system

空冷機組一般采用3低壓加熱器、1除氧器、3高壓加熱器的回熱加熱系統(tǒng)。其結構如圖1所示。根據(jù)圖1建立各個加熱器的質量平衡和能量平衡方程：

對于1、5號加熱器(i=1，5)，有

(1)

(2)

對于2，3，6，7號加熱器(i=2，3，6，7)，有

(3)

(4)

對于4號加熱器(i=4)，有

(5)

(6)

式中：Mi為各個加熱器內殼側汽水工質總質量，kg；Ei為各個加熱器內殼側汽水工質總能量，kJ。

根據(jù)等效焓降法[9-11]，分析凝結水流量同各級抽汽流量之間的關系。

令：

(7)

(8)

(9)

式中：qi為單位流量蒸汽放熱量，kJ/kg；τi為單位流量給水焓升，kJ/kg；γi為單位流量疏水放熱量，kJ/kg。

在靜態(tài)工況下，質量平衡和能量平衡方程左側的微分項為零，將等效焓降法中的公式(7)～(9)代入公式(1)～(6)，令左側等式為0[12]。可得出各級抽汽流量同凝結水流量或給水流量之間的對應關系，即各級抽汽系數(shù)的表達式為

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：αi為各級抽汽系數(shù)，無量綱。

靜態(tài)工況下，當凝結水流量變化時，各級抽汽、凝結水、疏水溫度壓力變化很小[13-14]，因而其比焓變化也很小。為簡便計算，則認為4～7號加熱器凝結水流量同各級抽汽流量之間成比例變化，即抽汽系數(shù)不變，可得

(17)

各個加熱器對應的等效焓降分別為

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：Hi為等效焓降，kJ/kg；hL為低壓缸排汽比焓，kJ/kg。

根據(jù)公式(17)得出凝結水流量與各級抽汽流量成比例變化，則凝結水流量變化量與各級抽汽流量變化量同樣成比例關系，即

(25)

式中：ΔQes,i為各級抽汽流量變化量，kg/s；ΔQcw為凝結水流量變化量，kg/s。

則機組發(fā)電功率增加：

(26)

將公式(25)代入公式(26)整理可得

(27)

式中：ΔNE為機組功率變化量，MW。

式(27)即為凝結水流量變化與機組功率變化之間的靜態(tài)對應關系。

2計算實例

以某電廠600 MW典型空冷機組為例分析凝結水流量的變化量與機組發(fā)電功率變化量之間的對應關系。表1中列出機組在100%、75%、50%THA工況下回熱系統(tǒng)熱力性質參數(shù)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，得出各工況下抽汽系數(shù)αi，以及等效焓降Hi，結果見表2。

將表2中的數(shù)據(jù)代入公式(27)可以得出， 600 MW的空冷機組在100%、75%、50%THA工況下機組功率的增益分別為0.085 MJ/kg，0.074 MJ/kg，0.060 MJ/kg，隨發(fā)電功率降低成減小趨勢。

文獻[3]中得出600 MW機組在TNL工況下凝節(jié)水流量變化對應機組功率增益為0.11 MJ/kg。文獻[15]在某660 MW超超臨界火電機組上，現(xiàn)場進行凝結水節(jié)流調頻負荷特性試驗得出：凝結水流量變化量同負荷變化量成比例變化。從試驗數(shù)據(jù)中得出：在試驗負荷為495.2 MW時，機組功率的增益為0.109 MJ/kg；試驗負荷為597.6 MW時，機組功率的增益為0.116 MJ/kg。其結果都與本文結論相同。

通過與文獻[3]中600 MW水冷機組相比較，本文中600 MW空冷機組的功率增益明顯小于水冷機組的功率增益。

表1　回熱系統(tǒng)THA工況設計參數(shù)

表2　THA工況下等效焓降計算結果

3蓄能容量分析

凝結水系統(tǒng)的蓄能容量受凝汽器水箱水位和除氧器水箱水位的限制。因為凝汽器水箱容積較大且對水位的要求不嚴格，所以一般情況下凝結水系統(tǒng)的蓄能量主要受限于除氧器水箱水位。

電廠600 MW空冷機組的除氧器有效容積為230 m3，高報警水位2 470 mm，正常水位2 300 mm，低報警水位1 790 mm，長度31 846 mm，計算約有58 m3的水容積可以利用。為安全起見，工程中投入凝結水系統(tǒng)蓄能補償，變化量取±50%。假設利用此容積的一半，根據(jù)表3中不同工況下的參數(shù)，得出凝結水系統(tǒng)總的蓄能容量。

表3　600 MW機組蓄能容量計算結果

表中：ρ為除氧器內水的密度，kg/m3；T為除氧器內可以利用的水容積維持給水泵正常工作的時間，s；C為凝結水系統(tǒng)可釋放的總蓄能容量，MJ。

4結論

(1)在質量-能量守恒定律的基礎上結合等效焓降法，得出凝結水流量變化量與機組功率變化量之間的對應關系，具有較高準確度。

(2)數(shù)值分析表明，不同負荷下，同一機組凝結水系統(tǒng)蓄能容量隨功率增加而增加。

(3)相同負荷下，空冷機組儲能容量較水冷機組儲能容量小20%左右。

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Quantitative Analysis of Energy Storage Capacity of Air Cooling Units’ Condensate System

LIAN Haiqing1，TIAN Liang1，ZHANG Ruifeng2

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China； (2. Guizhou Electric Power Test and Research Institute, Guiyang 550002, China)

Abstract:Reasonable utilization of the energy storage of unit’s condensate system is one of the main effective methods to improve the thermal power unit’s load response rate. On the basis of analyzing the regenerative system structure and the working mechanism of the unit, this paper sets up the mass and energy equilibrium equations of low pressure heaters and deaerator. Then in order to calculate the static gain of condensate flow changes and the generation power changes, the relationship between the condensate flow and the heater extraction steam flow is analyzed by employing equivalent enthalpy drop method. Finally, the total energy storage capacity is worked out according to the deaerator volume. By comparing the calculation results of typical 600 MW air cooling unit and water cooling unit, it is found that under the same load, the air cooling unit energy storage capacity is about 20% smaller than the water cooling unit energy storage capacity. Both of the air and water cooling units energy storage capacity of condensate system increase with the increasing load trend. The calculation process and the conclusions involved can provide references to the air cooling units in North China and Northwestern China, which are rich in coal, but short of water.

Key words：air cooling unit; condensate system; heat storage capacity; load regulation; equivalent enthalpy drop

作者簡介：練海晴(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為大機組智能優(yōu)化控制；田亮(1976-)，男，副教授，研究方向為火電機組建模與控制。

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1007-2691(2016)01-0071-05

基金項目：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB215203)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(2014MS145).

收稿日期：2015-05-22.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.12