提高二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的策略

冀 川，許海雷，李 勇

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225327)

0 引言

近年來(lái)，具有長(zhǎng)距離、大容量和低損耗特點(diǎn)的特高壓輸電線路已得到高速發(fā)展，未來(lái)幾年，特高壓電網(wǎng)將逐步取代500kV超高壓電網(wǎng)，成為全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)及區(qū)域電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架。特高壓輸電系統(tǒng)的自身故障會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)突然失去大功率電源，對(duì)電網(wǎng)頻率產(chǎn)生巨大沖擊，甚至威脅電網(wǎng)安全。理論上，在電網(wǎng)頻率發(fā)生突變時(shí)，具備一次調(diào)頻功能的發(fā)電機(jī)組應(yīng)能在3s內(nèi)作出反應(yīng)，有效抑制電網(wǎng)頻率的波動(dòng)幅度，縮短波動(dòng)的過渡時(shí)間，迅速穩(wěn)定動(dòng)態(tài)過程中電網(wǎng)頻率[1-7]。而在故障后的10s級(jí)時(shí)間段內(nèi)，從電源側(cè)來(lái)看，唯一能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率進(jìn)行有效干預(yù)的只有發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻功能。超臨界、超超臨界機(jī)組由于沒有汽包作為機(jī)爐側(cè)緩沖，受協(xié)調(diào)系統(tǒng)能力限制的影響，普遍存在調(diào)頻能力不足，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)尤其是主蒸汽壓力波動(dòng)大等問題。因此，如何進(jìn)一步提高該類機(jī)組一次調(diào)頻能力是亟待解決的問題。

國(guó)電泰州電廠1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組以全程滑壓方式運(yùn)行。對(duì)于采用滑壓方式運(yùn)行的機(jī)組，汽機(jī)調(diào)速閥門的節(jié)流始終很小，滑壓運(yùn)行會(huì)抑制汽機(jī)調(diào)速閥門快速調(diào)節(jié)負(fù)荷的能力，不利于一次調(diào)頻的控制。如果改為定壓方式運(yùn)行或提高節(jié)流，可以改善一次調(diào)頻控制效果，但增加節(jié)流會(huì)使機(jī)組的效率降低，對(duì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不利。目前絕大多數(shù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行壓力低于額定壓力，如果壓力修正不合適，會(huì)造成負(fù)荷變化量達(dá)不到要求，此情況在高負(fù)荷段尤為明顯。再加上機(jī)組帶有較大的供熱流量，機(jī)組的一次調(diào)頻能力受到影響，尤其在當(dāng)前特高壓電網(wǎng)和大規(guī)模直流輸電的背景下，一旦由于輸電線路故障，造成受電端供電負(fù)荷缺失，電網(wǎng)頻率快速下降。

電網(wǎng)考核辦法規(guī)定：100MW及以上機(jī)組出力達(dá)到額定容量50%以上直至100%額定容量為考核區(qū)，一次調(diào)頻中機(jī)組功率以103%額定容量為考核上限；燃煤機(jī)組要求達(dá)到0～15s，0～30s，0～45s，3個(gè)時(shí)段的一次調(diào)頻性能響應(yīng)指數(shù)分別為 0.4，0.6，0.7 以上。尤其在江蘇電網(wǎng)每月進(jìn)行的一次調(diào)頻性能測(cè)試中，由于機(jī)組高壓調(diào)門平時(shí)已經(jīng)開在較高的開度水平，進(jìn)行一次調(diào)頻測(cè)試時(shí)高壓調(diào)門很快就達(dá)到全開位置，無(wú)任何調(diào)節(jié)余量，而鍋爐側(cè)的任何調(diào)節(jié)作用在45s內(nèi)對(duì)機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生的影響微乎其微[8]，因此必須找到能在短時(shí)間內(nèi)彌補(bǔ)汽機(jī)調(diào)頻能力不足的方法，從而達(dá)到江蘇調(diào)度的考核要求。

1 機(jī)組一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)

國(guó)電泰州電廠→1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組在DEH系統(tǒng)和CCS系統(tǒng)中分別設(shè)計(jì)有一次調(diào)頻回路，一次調(diào)頻控制方式為DEH+CCS，即DEH內(nèi)由額定轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速之差，通過函數(shù)計(jì)算后直接動(dòng)作調(diào)門；CCS同步進(jìn)行目標(biāo)負(fù)荷設(shè)定值的變化調(diào)節(jié)。兩個(gè)系統(tǒng)同步作用保證了一次調(diào)頻的快速性和準(zhǔn)確性，使機(jī)組負(fù)荷滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求。DEH的轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)過轉(zhuǎn)速偏差-閥門綜合開度函數(shù)，并由主汽壓力修正后直接疊加到綜合閥位指令回路，快速改變調(diào)節(jié)閥開度，保證一次調(diào)頻的響應(yīng)速度、幅度。CCS系統(tǒng)中直接引入DEH轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，通過轉(zhuǎn)速偏差-機(jī)組目標(biāo)負(fù)荷函數(shù)疊加到機(jī)組負(fù)荷指令形成回路，同時(shí)該調(diào)頻負(fù)荷指令無(wú)延遲的直通汽機(jī)主控回路，避免CCS系統(tǒng)對(duì)實(shí)際DEH系統(tǒng)調(diào)頻動(dòng)作的回拉作用?？紤]到主汽壓力偏差大對(duì)汽機(jī)負(fù)荷指令的修正功能，在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，閉鎖壓力偏差大對(duì)汽機(jī)負(fù)荷指令的修正。機(jī)組一次調(diào)頻控制原理如圖1所示。

圖1 機(jī)組一次調(diào)頻控制原理

2 機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的優(yōu)化

2.1 控制邏輯優(yōu)化

增加鍋爐主控指令的前饋控制，在一次調(diào)頻增功率時(shí)，增加燃料量指令的前饋控制，可以盡快補(bǔ)充鍋爐蓄熱，減少主汽壓力擾動(dòng)。CCS一次調(diào)頻邏輯如圖2所示。

圖2 CCS一次調(diào)頻邏輯

當(dāng)一次調(diào)頻回路激活時(shí)，由DEH送來(lái)的轉(zhuǎn)差功率信號(hào)，先通過速率限制器，然后經(jīng)過分段函數(shù)f(x)送入鍋爐主控，f(x)的上下限分別60，-60，用來(lái)限制鍋爐最大及最小出力(以防止一次調(diào)頻動(dòng)作導(dǎo)致主控超限)。CCS一次調(diào)頻的主要目的：在DEH一次調(diào)頻動(dòng)作的同時(shí)，盡快增加風(fēng)、煤、水，在鍋爐蓄熱耗盡以前盡快產(chǎn)生蒸汽，保證機(jī)組的整體能量平衡，從而為一次調(diào)頻大頻差動(dòng)作的后期階段提供支持。

2.2 修正滑壓曲線

由于機(jī)組經(jīng)過改造增加了供熱抽汽，原來(lái)的熱力平衡可能影響到了主汽門節(jié)流量，一次調(diào)頻增負(fù)荷能力不夠，需要修正 AGC控制邏輯中的滑壓曲線； 反之，一次調(diào)頻增負(fù)荷能力有多余，可以向下修正滑壓曲線。由于抽汽量的變化，為了精確修正滑壓曲線，可以增加總供熱抽汽流量的主汽壓力設(shè)定修正量，如圖3所示。

圖3 供熱流量和壓力修正量曲線

2.3 供熱系統(tǒng)蓄能利用

由于熱網(wǎng)系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)男顭崃?，短時(shí)間內(nèi)減少抽汽對(duì)整個(gè)熱網(wǎng)壓力的變化影響不大，完全可以通過快速關(guān)小抽汽調(diào)節(jié)門的方式參與一次調(diào)頻，利用供熱系統(tǒng)的蓄能，從而實(shí)現(xiàn)在熱網(wǎng)壓力變化許可的范圍內(nèi)進(jìn)行抽汽供熱參與一次調(diào)頻。

本機(jī)組可提供高壓、中壓兩個(gè)壓力等級(jí)的供熱，高壓供熱汽源來(lái)自汽輪機(jī)的一級(jí)抽汽(超高壓缸排汽)，中壓供熱汽源來(lái)自汽輪機(jī)的三級(jí)抽汽(高壓缸排汽)，考慮到一級(jí)抽汽的做功能力較強(qiáng)，僅對(duì)高壓供熱響應(yīng)一次調(diào)頻的特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在機(jī)組負(fù)荷750MW 時(shí)進(jìn)行，如圖4所示，在超高壓調(diào)閥全開的狀態(tài)下，高壓供熱調(diào)節(jié)門快速關(guān)小，當(dāng)供汽流量減少約55t/h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的機(jī)組在45s內(nèi)負(fù)荷增加約10MW。

由于供熱調(diào)節(jié)門后有減溫水調(diào)溫閥，能根據(jù)供汽量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，供熱擾動(dòng)過程中供汽溫度尤其是下游計(jì)量站的供汽溫度基本維持穩(wěn)定。供汽量快速變化時(shí)，供汽壓力也有相應(yīng)變化，但變化不大，供汽壓力下降 0.4MPa。由此可見，供熱系統(tǒng)也是完全可以利用的一種一次調(diào)頻快速增加負(fù)荷的手段，但要根據(jù)熱網(wǎng)特性在壓力波動(dòng)允許的范圍內(nèi)來(lái)確定合適的抽汽供熱蓄能利用量。

圖4 減少高壓供熱試驗(yàn)曲線

2.4 凝結(jié)水調(diào)頻

凝結(jié)水調(diào)頻的原理是當(dāng)電網(wǎng)頻率過低，要求發(fā)電機(jī)組發(fā)揮一次調(diào)頻功能時(shí)，在凝汽器和除氧器水位變化允許的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)除氧器水位調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)變頻凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)改變凝結(jié)水流量，從而改變汽輪機(jī)低加抽汽量，暫時(shí)獲得或釋放部分機(jī)組蓄能[3]。凝結(jié)水調(diào)頻主要作用是提高負(fù)荷調(diào)整初期的負(fù)荷響應(yīng)速率，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)，機(jī)組最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然取決于鍋爐燃燒率的變化，依靠鍋爐燃燒率的提高、合理的超調(diào)來(lái)及時(shí)補(bǔ)充機(jī)組的蓄能，恢復(fù)系統(tǒng)平衡。

汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠的全周進(jìn)汽、超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓凝汽式、10 級(jí)回?zé)岢槠啓C(jī)。計(jì)算可知，本機(jī)組切除所有低加，短時(shí)間內(nèi)可以增加的可以做功的總熱量約為54MJ/S，這是理論上的最大能力。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻受到凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水流量、除氧器水位、凝汽器熱井水位和加熱器水位等諸多因素的制約，能夠利用的最大凝結(jié)水流量變化為極限能力的50%～60%。同時(shí)，還應(yīng)考慮汽輪發(fā)電機(jī)組的內(nèi)效率，本機(jī)組內(nèi)效率約為0.5065。因此，機(jī)組負(fù)荷600～1000MW時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力約14～27MW。由于機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力很低，而且低負(fù)荷投入凝結(jié)水調(diào)頻功能時(shí)經(jīng)濟(jì)性不高，因此在機(jī)組負(fù)荷高于600MW 運(yùn)行時(shí)允許投運(yùn)凝結(jié)水調(diào)頻功能。

雖然凝結(jié)水調(diào)頻具有一定的快速性和經(jīng)濟(jì)性，但也存在以下問題：時(shí)間上存在局限性；除氧器和凝汽器熱井水位以及低壓加熱器水位波動(dòng)頻繁或過大；除氧器水位調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁增加設(shè)備損耗；除氧器水位調(diào)節(jié)閥需要保留部分開度形成節(jié)流損失等。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)從歷次一次調(diào)頻測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)一次調(diào)頻分量為負(fù)時(shí)，機(jī)組響應(yīng)速度較快，能滿足要求，但是當(dāng)一次調(diào)頻分量為正時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)前期負(fù)荷響應(yīng)快后期負(fù)荷響應(yīng)能力不足的情況，還應(yīng)從多方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

(2)實(shí)際運(yùn)行中可考慮根據(jù)供熱總量的大小對(duì)主汽壓力目標(biāo)值進(jìn)行合理的修正。

(3)供熱系統(tǒng)調(diào)頻潛力較大，可考慮供熱系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)頻功能。

(4)凝結(jié)水調(diào)頻對(duì)低加系統(tǒng)影響較大，且凝泵出口壓力偏低對(duì)給水泵密封水的冷卻效果有影響，不利于機(jī)組安全運(yùn)行。