二次再熱機組一次調(diào)頻能力探討

部俊鋒，李昌衛(wèi)，劉 浩

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)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(fā)電效率提高了2%～3%，是高效低碳的火電技術(shù)。自2015年國內(nèi)首臺二次再熱機組在華能安源電廠投產(chǎn)以來，二次再熱機組得到了大力發(fā)展。

目前，二次再熱機組一次調(diào)頻性能的考核都沿用針對一次再熱機組制定的標(biāo)準(zhǔn)，從多臺機組一次調(diào)頻試驗的結(jié)果看，二次再熱機組對電網(wǎng)頻差的響應(yīng)性能普遍達(dá)不到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)的推動，電網(wǎng)要消納更多具用波動性、隨機性的新能源，作為電網(wǎng)頻率主要支撐的火電機組，其一次調(diào)頻功能將更加重要，也會面臨更多的考核。

通過分析現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)的制定原理，以及根據(jù)二次再熱機組的結(jié)構(gòu)特性，建立數(shù)理模型計算其一次調(diào)頻性能，可為探討現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下二次再熱機組一次調(diào)頻能力提供依據(jù)；也為制定針對二次再熱機組一次調(diào)頻性能的考核標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)的制定原理

現(xiàn)行一次調(diào)頻的考核標(biāo)準(zhǔn)主要執(zhí)行中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會2013 年頒布的《火力發(fā)電機組一次調(diào)頻試驗及性能驗收》，以及國家電網(wǎng)公司2011 年頒布的《火力發(fā)電機組一次調(diào)頻試驗導(dǎo)則》。制定這些標(biāo)準(zhǔn)時，我國還沒有二次再熱機組投運，因此，標(biāo)準(zhǔn)中都沒有考慮二次再熱機組一次調(diào)頻性能的特殊性。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求，火電機組一次調(diào)頻性能要達(dá)到：響應(yīng)滯后時間小于3 s；達(dá)到75%目標(biāo)負(fù)荷的響應(yīng)時間小于15 s，達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的響應(yīng)時間小于30 s；響應(yīng)穩(wěn)定時間小于60 s［3-4］。

機組一次調(diào)頻功能的實現(xiàn)，要串聯(lián)經(jīng)過信號測量環(huán)節(jié)、邏輯運算環(huán)節(jié)、主調(diào)門電液伺服環(huán)節(jié)、蒸汽管道和汽輪機汽缸組成的功率環(huán)節(jié)。從數(shù)理建模的角度看，這些環(huán)節(jié)都可用一階慣性環(huán)節(jié)仿真，因此，一次調(diào)頻回路是由多個一階慣性環(huán)節(jié)組成的、具有高階慣性環(huán)節(jié)特性的系統(tǒng)。

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

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

圖1 一次再熱機組功率環(huán)節(jié)數(shù)理模型

圖1 中，G為進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量（熱功率），主要受主調(diào)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(diào)門汽室容積時間常數(shù)，一般0.2～0.5 s；Trh為再熱蒸汽容積時間常數(shù)，一般8～15 s；Tco為低壓連通管容積時間常數(shù)，一般0.3～0.7 s；rFHP、rFIP、rFLP分別為 穩(wěn)態(tài)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(shù)，rFHP+rFIP+rFLP=1，一般取0.3、0.3、0.4；λ為高壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)，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(tài)過程中高壓缸的功率系數(shù)大于rFHP，可取0.8［6］。

在進(jìn)行由多個一階慣性環(huán)節(jié)組成的高階慣性環(huán)節(jié)計算時，可根據(jù)一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)做簡化處理：若時間常數(shù)偏差大于4 倍以上，高階慣性環(huán)節(jié)可以簡化為以時間常數(shù)較大者組成的一階慣性環(huán)節(jié)。這樣，圖1可簡化為圖2。

圖2 簡化的一次再熱機組功率環(huán)節(jié)模型

圖2 模型可用式（1）進(jìn)行計算，其結(jié)果可理解為一次調(diào)頻引起的功率變化，最終值的54%是快速（小于3 s）達(dá)到的，其余46%要經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)漸進(jìn)達(dá)到。

時間常數(shù)為T的一階慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)特性如圖3 所示，響應(yīng)在1T、2T、3T、4T、5T時間點分別達(dá)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(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線

依據(jù)式（1）和圖3，以再熱容積時間常數(shù)為15 s的一次再熱機組為例，當(dāng)一次調(diào)頻引起汽輪機進(jìn)汽量階躍變化后，15 s（1T）時所引起的負(fù)荷變化可達(dá)到目標(biāo)值的百分比為：0.54+0.46×0.632≈0.83，大于考核標(biāo)準(zhǔn)75%的要求；30 s（2T）時所引起的負(fù)荷變化可達(dá)到目標(biāo)值的百分比為：0.54+0.46×0.865≈0.96，大于考核標(biāo)準(zhǔn)90%的要求；60 s（4T）時所引起的負(fù)荷變化可達(dá)到目標(biāo)值的百分比為：0.54+0.46×0.982≈1，符合考核標(biāo)準(zhǔn)中60 s內(nèi)穩(wěn)定在目標(biāo)值的要求。

綜上所述，現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)的制定，符合一次再熱機組負(fù)荷響應(yīng)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(shù)。現(xiàn)役各種參數(shù)和容量的一次再熱機組，在滿足一次調(diào)頻現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)濟性運行。

2 二次再熱機組的結(jié)構(gòu)和一次調(diào)頻特性

2.1 二次再熱機組的結(jié)構(gòu)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(shù)也大幅提高。表1為已投產(chǎn)的超臨界1 000 MW一次再熱機組和二次再熱機組蒸汽參數(shù)比較［7］。

二次再熱機組功率環(huán)節(jié)的數(shù)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(diào)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(huán)節(jié)數(shù)理模型。

圖4 簡化的二次再熱機組功率環(huán)節(jié)數(shù)理模型

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

功率自然過調(diào)系數(shù)的計算公式為［6］

式中：ε為汽缸排汽壓力與進(jìn)汽壓力的比值；k為過程絕熱指數(shù)，對于過熱蒸汽k=1.3［8］。根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，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(shù)的計算公式為［9］

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

再熱容積時間常數(shù)可用汽輪機的階躍擾動試驗測取，也可用集總參數(shù)法作近似計算。計算時，再熱系統(tǒng)內(nèi)蒸汽的參數(shù)可取額定工況下再熱器進(jìn)、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(shù)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(jìn)、出口蒸汽壓力和溫度的平均值為11.3 MPa和521 ℃，此參數(shù)下的蒸汽比容為0.03 m3/kg；對應(yīng)表1中一次再熱質(zhì)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(shù)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(jìn)、出口蒸汽壓力和溫度的平均值為3.43 MPa和522.5 ℃，此參數(shù)下的蒸汽比容為0.1 m3/kg；對應(yīng)表1 中二次再熱質(zhì)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(shù)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(shù)比較

將一、二次再熱容積時間常數(shù)和超高壓缸、高壓缸的功率自然過調(diào)系數(shù)代入圖4，可得到模型的計算式（4）。式（4）的結(jié)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(dá)到的，20%要經(jīng)過一階慣性環(huán)節(jié)漸進(jìn)達(dá)到，46%要經(jīng)過二階慣性環(huán)節(jié)漸進(jìn)達(dá)到。

2.2 二次再熱機組的一次調(diào)頻特性

依據(jù)式（4）和圖3 一階慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，可計算出二次再熱機組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)分別在15 s、30 s、60 s達(dá)到目標(biāo)值的百分比。

同樣方法可分別計算出30 s、60 s 時，一次調(diào)頻的負(fù)荷達(dá)到目標(biāo)值的百分比為81%、96%，也達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)90%、100%的要求。

進(jìn)一步，用同樣方法計算其他時間點的響應(yīng)百分比，可知，一次調(diào)頻的負(fù)荷23 s 后才能大于目標(biāo)值75%，40 s后大于90%，85 s后大于99%。

由于早期投產(chǎn)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(shù)又有所增大［10］。理論上其一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)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(jié)構(gòu)特點，使其一次調(diào)頻性能離現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求差距較大?，F(xiàn)場一次調(diào)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(shù)，才能在部分工況下取得成功的試驗結(jié)果，這種運行方式不僅影響機組的經(jīng)濟性和安全性，也難以同時滿足一次調(diào)頻雙向調(diào)節(jié)都達(dá)標(biāo)。

3 結(jié)語

現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷響應(yīng)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(fù)荷響應(yīng)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(fù)荷響應(yīng)進(jìn)一步延緩了。這就造成二次再熱機組的一次調(diào)頻性能難以達(dá)到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通過對某1 000 MW 二次再熱機組的一次調(diào)頻性能進(jìn)行建模計算，其負(fù)荷響應(yīng)在15 s、30 s、60 s 分別只能達(dá)到目標(biāo)值的60%、81%、96%；負(fù)荷響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷75%、90%的響應(yīng)時間分別大于23 s、40 s，響應(yīng)穩(wěn)定時間大于85 s。這些計算結(jié)果可為考核二次再熱機組一次調(diào)頻能力提供參考依據(jù)。