凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測試與評估

張 寶，童小忠，羅志浩，吳文健，章衛(wèi)軍

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江浙能樂清發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 樂清 325609）

0 引言

近年來，以上汽-西門子合作生產(chǎn)的660 MW和1 000 MW汽輪機為代表的全程滑壓、超超臨界汽輪機機組在國內(nèi)得到了日益廣泛的應(yīng)用，該類型汽輪機良好的經(jīng)濟性能部分得益于其高壓調(diào)節(jié)汽門全開的運行方式，但也正是這種方式使機組鍋爐蓄能無法快速轉(zhuǎn)化為發(fā)電負(fù)荷，降低了機組一次調(diào)頻能力，減弱了機組自動發(fā)電控制（AGC）響應(yīng)水平。許多發(fā)電廠都在改進(jìn)此類機組的控制方式[1]或?qū)で笮碌恼{(diào)頻方法，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻技術(shù)從而逐漸受到重視。

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻實質(zhì)上是通過迅速改變通過低壓加熱器的凝結(jié)水流量來改變汽輪機組加熱器的抽汽量，從而快速調(diào)整機組發(fā)電負(fù)荷的過程。該項技術(shù)在國外已有應(yīng)用實例，國內(nèi)也有個別發(fā)電廠進(jìn)行過這方面的探索[2-3]。理論分析認(rèn)為，凝結(jié)水節(jié)流所能轉(zhuǎn)化的發(fā)電負(fù)荷與機組結(jié)構(gòu)特點及參數(shù)有關(guān)，其極限值為額定負(fù)荷下切除低壓加熱器與除氧器抽汽、使其返回汽輪機內(nèi)做功情況下機組所能獲得的功率增加值[4]，但實際應(yīng)用時，由于凝結(jié)水節(jié)流持續(xù)時間的差異，能夠獲得的機組功率的改變量可能會明顯偏離理論極限值。

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷變化特性包括2個主要參量：一是機組所能改變的最大功率值，即凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力；二是負(fù)荷響應(yīng)速度。如何準(zhǔn)確把握凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷變化特性，是該項技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既有助于項目決策，也有助于機組調(diào)頻控制精度的提高。

1 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力分析

對于特定的機組而言，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的潛力與機組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及運行參數(shù)密切相關(guān)，不考慮機械效率與發(fā)電效率時，凝結(jié)水節(jié)流所能改變的抽汽量的做功數(shù)量可用式（1）來表示：

式中：ΔDi為第i級抽汽的質(zhì)量流量改變量；ΔHi為第i級抽汽返回汽輪機本體做功時的實際比焓降；ΔN為機組功率改變量。

汽輪機負(fù)荷在一定范圍內(nèi)變化時，各級實際比焓降基本恒定，ΔHi基本保持不變。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為，在各級抽汽比焓、末級加熱器疏水比焓、凝結(jié)水比焓等不變的情況下，加熱器的抽汽量與凝結(jié)水流量成比例變化，上述關(guān)系可用式（2）表示：

式中：ΔDc為凝結(jié)水流量的變化量；ki為比例系數(shù)； ΔDi為恒定值。結(jié)合式（1）， （2）可得：

由此可見，凝結(jié)水節(jié)流所產(chǎn)生的功率改變量與凝結(jié)水流量的改變量成比例變化，但有時試驗數(shù)據(jù)并不支持這一結(jié)論。如文獻(xiàn)[8]中的試驗結(jié)果表明：不同負(fù)荷時，相同的凝結(jié)水流量改變所對應(yīng)的功率改變量有時相差很大。分析認(rèn)為，凝結(jié)水節(jié)流時，汽輪機熱機系統(tǒng)的參數(shù)變化較為復(fù)雜，過多的假設(shè)與簡化處理累積起來會使理論分析結(jié)果偏離實際情況。因此，對凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的評估需要結(jié)合現(xiàn)場測試進(jìn)行。

2 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測試

對凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻進(jìn)行現(xiàn)場測試是掌握其負(fù)荷變化特性最直接、最可靠的手段。該項測試結(jié)果可作為控制策略設(shè)計與控制定值選取的依據(jù)。

為了提高試驗的精度，現(xiàn)場測試時要求機組AGC、機爐協(xié)調(diào)、一次調(diào)頻撤出，負(fù)荷指令保持不變，汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽門全開，負(fù)荷穩(wěn)定運行10 min以上；試驗時熱井補水閥關(guān)閉；除氧器水位自動撤出，低壓加熱器水位自動投入；除氧器水位調(diào)節(jié)閥有一定的雙向調(diào)整裕量。

試驗時，手動快速改變除氧器水位調(diào)節(jié)閥的開度，記錄機組負(fù)荷、凝結(jié)水流量、除氧器與熱井水位等參數(shù)，至少持續(xù)5 min或水位參數(shù)達(dá)到設(shè)置控制邊界值時，手動調(diào)整除氧器與熱井水位到正常值。上述試驗內(nèi)容在不同負(fù)荷、不同凝結(jié)水流量改變量下分若干個工況進(jìn)行。

3 測試實例

根據(jù)上述方法，對某臺上汽-西門子N660-25/600/600超超臨界汽輪機組進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測試，表1是部分測試數(shù)據(jù)，其中負(fù)荷響應(yīng)時間是指從除氧器水位調(diào)節(jié)閥開始關(guān)小到機組負(fù)荷出現(xiàn)明顯變化的時間間隔；表1中所有時間均從除氧器水位調(diào)節(jié)閥關(guān)小時開始計時。

圖1—圖3表明了試驗時不同時刻的負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量之間的關(guān)系。很顯然，凝結(jié)水節(jié)流所產(chǎn)生的功率改變量與凝結(jié)水流量的改變量成比例變化，這一規(guī)律在此次試驗中得到了驗證。根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，再使用這一規(guī)律來計算凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力，得到的結(jié)果與實際情況更為相符。

不考慮形狀、內(nèi)部設(shè)備占用等因素的影響，除氧器與熱井的水位變化一定是負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，兩者的水位變化速度也均與凝結(jié)水流量變化量成正比，圖4是此次測試時除氧器與熱井水位變化的對應(yīng)關(guān)系。

表1 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測試數(shù)據(jù)

圖1 15 s后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖2 1 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖3 3 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖4 除氧器與熱井水位變化的關(guān)系

多次試驗結(jié)果均表明，除氧器調(diào)節(jié)閥開度改變5 min后，機組負(fù)荷基本穩(wěn)定，圖5是以此時負(fù)荷變化值為比較基準(zhǔn)繪制的該機組在不同時段的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)柱狀圖。

圖5 平均負(fù)荷響應(yīng)

4 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力評估

根據(jù)上述測試結(jié)果，結(jié)合式（3）呈現(xiàn)的規(guī)律，可以對該機組凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力進(jìn)行評估計算。具體方法為：使用線性關(guān)系擬合代表性時刻的凝結(jié)水流量變化量與負(fù)荷變化量之間的關(guān)系，使用擬合關(guān)系式計算該時刻下的任意凝結(jié)水流量變化量所對應(yīng)的負(fù)荷變化量；以穩(wěn)定后的負(fù)荷變化量為比較基準(zhǔn)（一般取5 min后數(shù)據(jù)），根據(jù)平均的負(fù)荷響應(yīng)曲線擬合負(fù)荷變化相對量隨時間的關(guān)系曲線，由此曲線可以計算出任意時刻的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷變化值。

圖6是按上述方法計算得到的該機組凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力曲線，圖7是負(fù)荷的相對變化量隨時間變化的曲線。由此即可以計算出任一凝結(jié)水流量變化量和任意時刻的機組負(fù)荷變化量。

圖6 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力曲線

為保證機組的運行安全，除氧器與熱井水位均設(shè)置了高、低限值，水位正常運行值與高、低限值之間的范圍構(gòu)成了凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻可以運行的區(qū)間。這一區(qū)間一旦確定，可依據(jù)需要調(diào)頻作用的時間計算出水位變化的速度。此次試驗反映的水位變化速度與凝結(jié)水流量變化量之間的關(guān)系曲線如圖8所示。由圖6—圖8的曲線關(guān)系可以計算得到在該水位限值下任意時刻機組可產(chǎn)生的負(fù)荷變化量，從而完成凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的評估。

圖7 負(fù)荷相對變化量隨時間變化的曲線

圖8 水位變化速度與凝結(jié)水流量變化量關(guān)系曲線

5 結(jié)語

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的負(fù)荷特性測試與評估是凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻功能開發(fā)過程中的一項基礎(chǔ)性工作。通過現(xiàn)場實測，獲得機組在凝結(jié)水節(jié)流過程中的一系列特性數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力的計算，可順利完成對其負(fù)荷特性的評估。

凝結(jié)水節(jié)流時，機組負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量成正比，要獲得一定的調(diào)頻負(fù)荷量，必須使凝結(jié)水流量改變達(dá)到一定值。

凝結(jié)水流量改變后，機組負(fù)荷變化響應(yīng)具有一定的持久性，可以滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻對快速性的要求，也可以作為改善二次調(diào)頻時鍋爐響應(yīng)偏慢的手段；除氧器與熱井水位允許的變化范圍越大，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻潛力就越大，兩者水位變化之間有固定的比例關(guān)系，確定控制邊界時，要兼顧考慮；只要邊界參數(shù)控制得當(dāng)，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻時機組的安全性就可以得到保證。作為一種新穎、節(jié)能的調(diào)頻方法，對大多數(shù)類型的機組而言，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻具有一定的研究與應(yīng)用價值。

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