基于“凝結(jié)水節(jié)流”的一次調(diào)頻技術(shù)在百萬(wàn)二次再熱機(jī)組上的應(yīng)用

馮志金

（廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 湛江 524255）

廣東大唐國(guó)際雷州發(fā)電有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)雷州發(fā)電公司)2×1000MW 汽輪發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)采用上海電氣集團(tuán)股份有限公司型號(hào)為N1000-31/600/620/620 的超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽節(jié)流配汽方式。由于節(jié)流配汽相比調(diào)節(jié)級(jí)噴嘴配汽能提高機(jī)組額定工況下的運(yùn)行效率。理論分析和性能試驗(yàn)均表明其最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式是高壓調(diào)節(jié)門(mén)全開(kāi)滑壓運(yùn)行。

由于汽機(jī)調(diào)門(mén)接近全開(kāi)，且超超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱小，難以滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻的性能要求。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，需要本地機(jī)組快速增加負(fù)荷以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能。

1 凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻技術(shù)原理

為了解決百萬(wàn)二次再熱機(jī)組由于汽機(jī)調(diào)門(mén)接近全開(kāi)，且超超臨界機(jī)組鍋爐蓄熱小，難以滿足電網(wǎng)調(diào)度對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻的性能要求的問(wèn)題，通過(guò)理論研究和試驗(yàn)提出了基于“凝結(jié)水節(jié)流”的一次調(diào)頻技術(shù)。凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻實(shí)質(zhì)上是通過(guò)迅速改變通過(guò)低壓加熱器的凝結(jié)水流量來(lái)改變低壓加熱器的抽汽量，從而快速調(diào)整機(jī)組發(fā)電負(fù)荷的過(guò)程。

當(dāng)電網(wǎng)要求快速變化負(fù)荷時(shí)，由于汽機(jī)高調(diào)門(mén)接近全開(kāi)，無(wú)負(fù)荷調(diào)節(jié)裕度?，F(xiàn)通過(guò)改變凝結(jié)水流量，來(lái)改變低壓加熱器的抽汽量，進(jìn)而來(lái)改變機(jī)組負(fù)荷。凝結(jié)水流量變化引起低壓加熱器抽汽流量改變，從而改變汽輪機(jī)做功，是凝結(jié)水參與一次調(diào)頻的基本原理。如圖1 所示。

圖1 凝結(jié)水一次調(diào)頻原理

在充分測(cè)試機(jī)組凝結(jié)水一次調(diào)頻特性，摸清凝結(jié)水流量變化后負(fù)荷的響應(yīng)速度和幅度，并觀察凝結(jié)水至低壓加熱器系統(tǒng)中凝汽器水位、除氧器水位、各低壓加熱器水位等主要參數(shù)變化過(guò)程。以開(kāi)環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻的控制方式和邊界條件，保障凝結(jié)水參與一次調(diào)頻的有效性和安全性。

2 凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 凝結(jié)水負(fù)荷響應(yīng)特性的開(kāi)環(huán)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證凝結(jié)水節(jié)流對(duì)負(fù)荷的響應(yīng)時(shí)間、幅度、除氧器水位變化等特性，對(duì)雷州發(fā)電公司1 號(hào)機(jī)組開(kāi)展了凝結(jié)水節(jié)流響應(yīng)負(fù)荷的開(kāi)環(huán)試驗(yàn)。

凝結(jié)水負(fù)荷響應(yīng)特性開(kāi)環(huán)試驗(yàn)的主要步驟是：

（1）機(jī)組退出AGC 和一次調(diào)頻功能，退出協(xié)調(diào)控制，機(jī)組處于手動(dòng)方式。

（2）切除除氧器水位上水調(diào)門(mén)、凝結(jié)水泵變頻至手動(dòng)狀態(tài)，維持除氧器水位穩(wěn)定運(yùn)行不少于10 分鐘。

（3）由運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)快速改變除氧器上水調(diào)門(mén)或凝結(jié)水泵變頻轉(zhuǎn)速來(lái)改變機(jī)組的凝結(jié)水流量，要求凝結(jié)水流量變化在300～500t/h。記錄機(jī)組負(fù)荷、凝結(jié)水流量、除氧器水位、熱井水位參數(shù)。

（4）改變凝結(jié)水流量后，待負(fù)荷穩(wěn)定或除氧器水位變化至臨界值附近，手動(dòng)調(diào)整除氧器水位至正常值。試驗(yàn)反復(fù)多次進(jìn)行。

本次優(yōu)化過(guò)程是通過(guò)凝結(jié)水負(fù)荷響應(yīng)的開(kāi)環(huán)試驗(yàn)，確定凝結(jié)水流量變化后，負(fù)荷的響應(yīng)速度和幅度，并觀察凝結(jié)水至低壓加熱器系統(tǒng)中凝汽器水位、除氧器水位、各低壓加熱器水位等主要參數(shù)變化過(guò)程。以開(kāi)環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果設(shè)計(jì)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻的控制方式和邊界條件，保障凝結(jié)水參與一次調(diào)頻的有效性和安全性。

2.2 凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻功能設(shè)計(jì)

從凝結(jié)水參與一次調(diào)頻過(guò)程的安全性出發(fā)，根據(jù)凝結(jié)水負(fù)荷響應(yīng)的開(kāi)環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，本次設(shè)計(jì)的凝結(jié)水參與一次調(diào)頻功能如下：

（1）在凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻功能按鈕投入情況下，將除氧器水位、凝汽器水位和凝結(jié)水壓力在正常范圍運(yùn)行的條件，作為凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作的允許條件。

（2）將網(wǎng)頻一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)作為凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作的觸發(fā)條件。

（3）將網(wǎng)頻一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)消失、除氧器水位過(guò)低（過(guò)高）、凝器水位過(guò)高（過(guò)低）、凝結(jié)水壓力過(guò)低（過(guò)高）和運(yùn)行人員手動(dòng)退出按鈕作為凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作的復(fù)位條件。

（4）設(shè)計(jì)凝結(jié)水一次調(diào)頻回路，當(dāng)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)觸發(fā)后，自動(dòng)將除氧器水位控制回路切至凝結(jié)水一次調(diào)頻回路，該回路根據(jù)調(diào)頻功率計(jì)算輸出當(dāng)前除氧器上水調(diào)門(mén)（或凝泵頻率）指令下降一定量后的值，并在一次調(diào)頻結(jié)束后以一定速率返回為動(dòng)作前的除氧器上水調(diào)門(mén)指令（或凝泵頻率）。當(dāng)無(wú)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)，該回路輸出跟蹤除氧器水位正常調(diào)節(jié)回路。

（5）為保證除氧器水位、凝結(jié)水壓力在一次調(diào)頻動(dòng)作期間的安全控制，設(shè)計(jì)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻間隔時(shí)間，確保不會(huì)發(fā)生短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻多次動(dòng)作。

（6）考慮南方電網(wǎng)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)間要求，設(shè)計(jì)凝結(jié)水參與一次調(diào)頻最多動(dòng)作時(shí)間為1 分鐘。

3 凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程

3.1 凝結(jié)水負(fù)荷響應(yīng)特性可行性試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)雷州發(fā)發(fā)電公司1 號(hào)機(jī)組在凝結(jié)水節(jié)流過(guò)程中，其負(fù)荷響應(yīng)能力和安全運(yùn)行邊界（除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等參數(shù)），特開(kāi)展了凝結(jié)水一次調(diào)頻特性的可行性試驗(yàn)，具體試驗(yàn)過(guò)程如下（由于雷州發(fā)電公司在負(fù)荷700WM 以上采用凝泵調(diào)水位的控制方式，負(fù)荷700WM 以下采用除氧器上水調(diào)門(mén)調(diào)水位，本次開(kāi)環(huán)試驗(yàn)以調(diào)門(mén)為例，凝泵變頻原理相同）：

在600MW 負(fù)荷工況，將機(jī)組控制方式切至手動(dòng)方式，維持凝汽器水位、除氧器水位、低加水位等參數(shù)穩(wěn)定，由運(yùn)行人員手動(dòng)階躍下降除氧器上水調(diào)門(mén)20%，觀察負(fù)荷、除氧器水位、低加水位等參數(shù)變化。其試驗(yàn)結(jié)果如表1 和圖2 所示。

表1 600MW 工況下，凝結(jié)水流量變化270t/h 時(shí)各參數(shù)變化表

圖2 600MW 工況下，凝結(jié)水變化270t/h 時(shí)負(fù)荷響應(yīng)特性

根據(jù)開(kāi)環(huán)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，1 號(hào)機(jī)組凝結(jié)水流量變化后負(fù)荷、除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等參數(shù)變化存在以下特點(diǎn)：

（1）在不同負(fù)荷工況下，凝結(jié)水流量瞬間變化超過(guò)200t/h 時(shí)，機(jī)組負(fù)荷變化的幅度和響應(yīng)時(shí)間才會(huì)起到輔助一次調(diào)頻的作用。

（2）開(kāi)環(huán)試驗(yàn)整體過(guò)程時(shí)間均在60 秒左右，凝汽器水位和低加水位在此過(guò)程中無(wú)明顯變化，因此對(duì)于考核時(shí)間在60 秒的一次調(diào)頻過(guò)程，凝結(jié)水變化輔助一次調(diào)頻過(guò)程，凝汽器水位和低加水位的安全性運(yùn)行可以得到保障。

（3）結(jié)合開(kāi)環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，本次優(yōu)化將凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作的范圍設(shè)定在凝結(jié)水流量約在200t/h～350t/h 之間，對(duì)應(yīng)除氧器上水調(diào)門(mén)在15%～20%，凝泵變頻在3～5Hz。

3.2 凝結(jié)水節(jié)流參與一次調(diào)頻控制邏輯

本次優(yōu)化過(guò)程，凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作的控制邏輯設(shè)計(jì)為三部分：凝結(jié)水一次調(diào)頻觸發(fā)回路、凝結(jié)水一次調(diào)頻復(fù)位回路和凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路。

結(jié)合凝結(jié)水系統(tǒng)的控制運(yùn)行方式，根據(jù)高低負(fù)荷段上水調(diào)門(mén)和凝泵變頻的自動(dòng)運(yùn)行方式，自動(dòng)切換上水調(diào)門(mén)和變頻作為參與凝結(jié)水調(diào)頻的方式。

3.2.1 凝結(jié)水一次調(diào)頻觸發(fā)回路

從一次調(diào)頻動(dòng)作機(jī)理、凝結(jié)水調(diào)頻需要注意的相關(guān)參數(shù)安全角度考慮，本次優(yōu)化過(guò)程對(duì)凝結(jié)水一次調(diào)頻觸發(fā)的條件設(shè)計(jì)如下：

（1）觸發(fā)條件（相與）：

運(yùn)行人員投入按鈕；

調(diào)頻功率絕對(duì)值大于5MW，延時(shí)3 秒；

上水調(diào)門(mén)處于水位模式時(shí)，自動(dòng)投入上水調(diào)門(mén)參與調(diào)頻控制；

變頻處于水位模式時(shí)，自動(dòng)投入變頻參與調(diào)頻控制；

除氧器水位偏差在-200mm～200mm 之間, 延時(shí)30 秒；

除氧器水位在1800mm～2200mm 之間, 延時(shí)30 秒；

除氧器水位變化微分絕對(duì)值小于50mm（10 秒微分）；

凝結(jié)水壓力大于1.1Mpa；

除氧器水位變頻調(diào)節(jié)在自動(dòng)；

凝汽器水位在800mm～150mm 之間，延時(shí)60 秒。

（2）凝結(jié)水條件觸發(fā)后，為了避免凝結(jié)水連續(xù)動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)的沖擊，設(shè)計(jì)了間隔5 分鐘觸發(fā)凝結(jié)水一次調(diào)頻的控制策略，并考慮電網(wǎng)只考核一次調(diào)頻60 秒的基本原則設(shè)計(jì)凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作信號(hào)為跟隨脈沖60s。

3.2.2 凝結(jié)水一次調(diào)頻復(fù)位回路

凝結(jié)水一次調(diào)頻復(fù)位回路主要作用是在一次調(diào)頻結(jié)束和凝結(jié)水系統(tǒng)出現(xiàn)異常問(wèn)題時(shí)，及時(shí)切除凝結(jié)水一次調(diào)頻功能，保證機(jī)組運(yùn)行的安全性。本次優(yōu)化過(guò)程對(duì)凝結(jié)水復(fù)位條件設(shè)計(jì)如下：

復(fù)位條件（相或）：

運(yùn)行人員復(fù)位按鈕；

調(diào)頻功率絕對(duì)值小于2MW；

除氧器上水調(diào)門(mén)和凝泵變頻均不在水位自動(dòng)模式；

除氧器水位偏差絕對(duì)值大于280mm,延時(shí)1 秒；

除氧器水位小于1500mm 或大于2300mm；

凝結(jié)水壓力小于1.0MPa；

凝汽器液位大于1600mm 或小于700mm；

除氧器水位變頻調(diào)節(jié)在手動(dòng)；

3.2.3 凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路

凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路是關(guān)鍵控制回路，本次優(yōu)化過(guò)程將凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路的功能設(shè)計(jì)為以下幾項(xiàng)：

凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作前，凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路處于跟蹤狀態(tài)；

凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，原有的凝結(jié)水泵變頻控制自動(dòng)由除氧器水位控制回路切至凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作回路；

凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，設(shè)計(jì)了凝結(jié)水變頻頻率跟隨調(diào)頻功率變化的插值函數(shù)（如表2 所示），并設(shè)置當(dāng)前凝結(jié)水泵頻率指令浮動(dòng)±5Hz（或上水調(diào)門(mén)指令浮動(dòng)±20%）作為回路輸出的動(dòng)態(tài)上限和下限，保證凝結(jié)水泵頻率在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)的快速響應(yīng)和安全運(yùn)行。

表2 調(diào)頻功率與變頻指令插值函數(shù)

凝結(jié)水一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束時(shí)，為了保證使凝結(jié)水系統(tǒng)快速恢復(fù)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)除氧器上水調(diào)門(mén)指令（或凝結(jié)水泵變頻指令）的返程控制，即快速恢復(fù)至一次調(diào)頻動(dòng)作前的指令記憶值，且在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)有“快動(dòng)慢回”回路。

4 優(yōu)化結(jié)果

凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻技術(shù)于2020 年3 月10 在雷州發(fā)電公司1 號(hào)機(jī)組投入運(yùn)行，投入后凝結(jié)水參與一次調(diào)頻動(dòng)作正常，機(jī)組一次調(diào)頻考核電量由原來(lái)的每月500MWh 降為0MWh，經(jīng)濟(jì)性良好，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表3。

表3 1 號(hào)機(jī)組優(yōu)化前后一次調(diào)頻考核數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 結(jié)論

由2020 年3 月10 日以后的一次調(diào)頻考核數(shù)據(jù)可知，雷州發(fā)電公司1 號(hào)機(jī)組經(jīng)過(guò)凝結(jié)水節(jié)流一次調(diào)頻優(yōu)化后，其一次調(diào)頻性能得到大幅提升，減少了1 號(hào)機(jī)組一次調(diào)頻的考核次數(shù)。因此本項(xiàng)目提出和實(shí)施的凝結(jié)水一次調(diào)頻技術(shù)，能很好解決超（超）臨界機(jī)組蓄熱小和高調(diào)門(mén)無(wú)調(diào)節(jié)裕度帶來(lái)的調(diào)頻性能不佳問(wèn)題，值得在超超臨界百萬(wàn)機(jī)組中推廣應(yīng)用。