基于經(jīng)濟性和調(diào)頻特性的過載補汽機組滑壓曲線優(yōu)化

游國軍，王煥敏

（1.江西贛能豐城二期發(fā)電廠，江西豐城331100；2.貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司，江西貴溪335400）

0 引言

隨著電網(wǎng)峰谷差幅逐年增大以及清潔能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)對火力發(fā)電機組調(diào)頻性能及品質(zhì)的要求日益提高。為了保證發(fā)電機組的供電質(zhì)量，國網(wǎng)根據(jù)電監(jiān)會發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》（電監(jiān)市場〔2006〕42號）和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（電監(jiān)市場〔2006〕43 號）分別制定了“兩個細(xì)則”，對火電機組AGC和一次調(diào)頻的投入率，調(diào)節(jié)指標(biāo)的考核標(biāo)準(zhǔn)進行了嚴(yán)格的規(guī)定?；谖覈?jīng)濟快速發(fā)展對電力的需求和一次能源的分布現(xiàn)實，火力發(fā)電機組在未來十年內(nèi)仍然是我國電源市場的主力，也是承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的主力機組[1]。因此，兼顧機組運行經(jīng)濟性，保證機組調(diào)頻響應(yīng)能力將是火電機組在新形勢下角色定位的必然選擇。

傳統(tǒng)的火電機組運行方式優(yōu)化調(diào)整僅片面考慮機組效率最大化，即以機組熱耗率最小為原則來選取該負(fù)荷下的機組最優(yōu)進汽壓力[2]。因此，試驗得出的最優(yōu)運行方式難以滿足機組實際調(diào)峰運行的需要，甚至與電網(wǎng)調(diào)頻安全相背離。文中綜合研究汽輪機組變壓運行熱經(jīng)濟特性、調(diào)頻安全特性等多因素，獲得機組在各運行工況下最優(yōu)滑壓曲線，在保證機組經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，兼顧機組參與調(diào)頻的能力。

1 恒壓和滑壓下的負(fù)荷控制特性

汽輪機運行時，其功率必須與外界負(fù)荷相適應(yīng)，并保持在一定的轉(zhuǎn)速運行。 當(dāng)外界負(fù)荷改變時，汽輪機通過能控制進汽量的配汽機構(gòu)調(diào)節(jié)其出力。在不同的配汽方式下，汽輪機可以選擇不同的運行模式，例如恒壓運行，滑壓運行和復(fù)合變壓運行。 當(dāng)汽輪機在固定閥序下以固定功率水平或設(shè)定功率運行時，主蒸汽壓力，汽輪機調(diào)節(jié)閥位和機組負(fù)荷之間存在固有的數(shù)值關(guān)系。如圖1 所示。

機組運行在滑壓段和定壓段的機組熱力特性是不同的。機組運行在滑壓段時，負(fù)荷的改變主要是依靠主蒸汽的熱力參數(shù)改變來實現(xiàn)，汽機調(diào)門對機組負(fù)荷的作用很弱；在定壓段時，負(fù)荷的改變主要是通過汽機調(diào)門開度改變來實現(xiàn)，主蒸汽的熱力參數(shù)由鍋爐的燃料量變化來維持[3]。

圖1 定壓和變壓運行下汽輪機進汽壓力和閥位關(guān)系圖

2 火電機組整體經(jīng)濟研究

根據(jù)汽輪機原理，汽輪機組配汽方式和運行方式之所以影響變工況熱經(jīng)濟性，究其本質(zhì)，是由于汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性而導(dǎo)致的[4]。當(dāng)前，機組變壓運行熱經(jīng)濟特性試驗都是獲取進汽壓力與機組熱耗率之間的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系，往往沒有考慮或者忽視調(diào)節(jié)閥閥位參數(shù)對熱經(jīng)濟的影響。其實，汽輪機組在既定配汽方式與閥門開啟順序下定功率運行時，進汽壓力、調(diào)節(jié)閥閥位、高壓缸相對內(nèi)效率以及機組熱耗率彼此之間存在著固有的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系。在以“調(diào)頻調(diào)峰功率”為跟蹤目標(biāo)的電網(wǎng)調(diào)度模式下，研究調(diào)節(jié)閥閥位對汽輪機組熱經(jīng)濟的影響，有助于揭示汽輪機組在定功率下可行閥位區(qū)間內(nèi)機組熱耗率的連續(xù)變化趨勢，展現(xiàn)不同類型汽輪機組定功率變壓運行的內(nèi)在固有規(guī)律。

圖2顯示了N650-24.2/566/566超臨界節(jié)流機組在90%額定負(fù)荷條件下的熱經(jīng)濟特性，該機組配備了兩個高壓主調(diào)節(jié)閥和兩個補汽閥。從圖2可以看出，隨主蒸汽壓力提升，汽輪機進汽流量控制方式由補汽閥參與調(diào)節(jié)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹髡{(diào)節(jié)閥純節(jié)流調(diào)節(jié)模式，機組熱耗率及高壓缸內(nèi)效率等在補汽閥的啟閉點出現(xiàn)拐點。由于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性，該機組的熱耗率隨著調(diào)節(jié)閥的閥位降低而增大，高壓缸效率也隨之降低。但也應(yīng)該看到進汽壓力的提升幅度越大，主調(diào)門的節(jié)流蓄能將越大，這對于機組動態(tài)調(diào)頻響應(yīng)是有利的。

圖2 90%額定負(fù)荷下的機組熱經(jīng)濟特性

3 調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻對熱耗率的影響

在恒定功率下，發(fā)電機組一次調(diào)頻動態(tài)特性顯著影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平，是“網(wǎng)廠協(xié)調(diào)”的一項重要內(nèi)容。一次調(diào)頻動態(tài)特性不但取決于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計、還依賴于機組固有蓄熱，這在一次調(diào)頻的快速響應(yīng)中起著直接作用[5]。 圖3 顯示了在90%額定負(fù)荷工況下的主蒸汽壓力、總閥位指令和最大頻率調(diào)節(jié)能力的關(guān)系。

圖3 90%額定負(fù)荷下的機組調(diào)門閥位和調(diào)頻能力特性對應(yīng)圖

比較定功率下不同主蒸汽壓力和相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥閥位，很容易看出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥位低于70%時，由于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流過大，一次頻率蓄能過剩。根據(jù)圖3中的主蒸汽壓力或調(diào)節(jié)閥閥位，并借助圖2，可以對因調(diào)節(jié)閥節(jié)流而引起的熱耗率變化進行數(shù)值量化。在滿足一次調(diào)頻要求的能量存儲，通過熱經(jīng)濟性的必要約束來優(yōu)化主蒸汽壓力的滑壓曲線，可以避免調(diào)節(jié)閥的過度節(jié)流，有利于指導(dǎo)一次調(diào)頻工作的合理發(fā)展[6]。在這種條件下，主蒸汽壓力、調(diào)節(jié)閥閥位、機組熱耗和機組一次調(diào)頻能力之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 90%額定負(fù)荷工況下機組經(jīng)濟性和調(diào)頻特性

從圖4可以看出，當(dāng)在90%額定負(fù)荷工況下主蒸汽壓力約為23.6 MPa時，該運行工況可以滿足6%Pe的一次調(diào)頻能力[7]。另一方面，為了確保在此工況下機組的一次調(diào)頻能力，需要將設(shè)備的總閥位命令從97%降低到約71%，機組的熱耗率從最低的7 990.4 kJ/kW·h升至8 004.0 kJ/kW·h。這對機組經(jīng)濟性的影響不容忽視。

分析機組四個月的頻率波動數(shù)據(jù)，如表1 所示，機組的一次調(diào)頻動作主要集中在低頻動作（頻率波動在±0.066 7 Hz 以內(nèi)），占比達(dá)到了95%以上。如果單一采用“調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻”或者說“提升主蒸汽壓力曲線”方式來保證機組能夠響應(yīng)電網(wǎng)頻差波動在±0.066 7 Hz 以上的調(diào)頻負(fù)荷要求，將給發(fā)電企業(yè)帶來不容小覷的經(jīng)濟損失[8]。

表1 四個月電網(wǎng)頻率波動數(shù)據(jù)統(tǒng)計

因此，頻差波動在±0.0667 Hz以內(nèi)的調(diào)頻負(fù)荷要求，可以將90%額定負(fù)荷工況下主蒸汽壓力設(shè)定為23.1 MPa，綜合最優(yōu)閥位在94%左右，機組的熱耗率從最低的7 990.4 kJ/kW·h 升至7 995.0 kJ/kW·h。對于頻差波動在±0.066 7 Hz 以上的調(diào)頻負(fù)荷要求，當(dāng)電網(wǎng)頻率低需要加負(fù)荷時，通過開汽機補汽閥來實現(xiàn)；當(dāng)電網(wǎng)頻率高需要減負(fù)荷時，通過關(guān)汽機調(diào)門來實現(xiàn)，采用以“短時段”的蓄能損替代“長時段”的調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻能損[9]。

4 基于經(jīng)濟性和調(diào)頻特性的滑壓曲線優(yōu)化

由此，為了保證機組在各種工況下的一次調(diào)頻能力，并使機組的熱耗率相對較低，在這兩個邊界約束條件下開展機組的滑壓曲線優(yōu)化工作[10]。主要流程簡要說明如下：

1）將各典型負(fù)荷段下得到的經(jīng)濟指標(biāo)最優(yōu)的主蒸汽壓力和機組負(fù)荷的對應(yīng)曲線作為機組的滑壓曲線，設(shè)定為主蒸汽壓力的粗調(diào)函數(shù)，實現(xiàn)經(jīng)濟模式下的主蒸汽壓力自動跟蹤；

2）以綜合考慮機組經(jīng)濟性和調(diào)頻特性的汽輪機最優(yōu)閥位為目標(biāo)，通過改變主蒸汽壓力設(shè)定值偏置將汽輪機運行閥位控制在最優(yōu)閥位附近。最終得到的主蒸汽壓力實際設(shè)定值可以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下最佳閥位的自動鎖定，完成機組滑壓曲線的動態(tài)優(yōu)化。主蒸汽壓力優(yōu)化控制圖如圖5所示。

圖5 主蒸汽壓力設(shè)定值優(yōu)化控制圖

圖6 為機組運行在綜合考慮經(jīng)濟性和調(diào)頻特性最優(yōu)工況下的滑壓設(shè)定值和經(jīng)濟指標(biāo)最優(yōu)滑壓曲線的對比圖。從表2 可以看出，在330 MW~550 MW 負(fù)荷區(qū)間下優(yōu)化后的主蒸汽壓力比原始值平均提高了0.54 MPa，大大提高了該負(fù)荷段下機組的儲能水平，機組的一次調(diào)頻響應(yīng)能力達(dá)到了電網(wǎng)調(diào)頻需求，但同時也增加了機組的熱耗率，使機組的經(jīng)濟性下降[11]。

圖6 主蒸汽壓力優(yōu)化前和優(yōu)化后對比圖

表2 機組各運行工況主蒸汽壓力優(yōu)化值

滑動壓力曲線的優(yōu)化計算被應(yīng)用于機組的實際操作。優(yōu)化后的四個月一次調(diào)頻合格率由原來的30%左右大幅度提高到80%左右，大大減少機組因一次調(diào)頻不合格受到電網(wǎng)的考核。從結(jié)果來看，盡管優(yōu)化的運行工況犧牲了一定的機組經(jīng)濟性，但機組的一次調(diào)頻能力得到了改善，滿足電力生產(chǎn)機網(wǎng)協(xié)調(diào)要求。

5 結(jié)語

對于帶過載補汽節(jié)流配汽機組，一定主調(diào)門閥位、補汽閥閥位對應(yīng)一定的熱經(jīng)濟性和調(diào)頻蓄能。為滿足機網(wǎng)協(xié)調(diào)需求，以瞬時段的補汽閥開啟調(diào)頻能損來回避長時段的主調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻能損是較為經(jīng)濟的運行方式；基于機組的經(jīng)濟性和調(diào)頻特性，引入各典型工況下汽輪機最優(yōu)閥位對滑壓曲線的校正，開展機組滑壓曲線的優(yōu)化，由此得到的滑壓曲線既能保證機組的一次調(diào)頻能力，又可以減少由于主調(diào)閥過度節(jié)流帶來的經(jīng)濟損失。