鄭衛(wèi)東，馬浩，李肖肖，梁海騰，李海洋

（1.華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江臺州317604；2.華能國際電力股份有限公司石洞口第一電廠，上海201900）

凝結水節(jié)流技術在1 000 MW機組的應用

鄭衛(wèi)東1，馬浩2，李肖肖1，梁海騰1，李海洋1

（1.華能國際電力股份有限公司玉環(huán)電廠，浙江臺州317604；2.華能國際電力股份有限公司石洞口第一電廠，上海201900）

隨著控制技術的迅猛發(fā)展和節(jié)能減排受到高度重視，凝結水節(jié)流技術逐漸成為近幾年關注的熱點之一。凝結水節(jié)流技術可以在提高或者不降低機組負荷響應性能的前提下，減少汽輪機調門節(jié)流損失。介紹了凝結水節(jié)流的技術原理和凝結水節(jié)流的潛能及速度評估方法，探討了凝結水節(jié)流技術在火電機組應用的前景和方向，同時對凝結水節(jié)流技術運用中需要注意的問題進行了分析。

超超臨界；凝結水節(jié)流；控制；優(yōu)化；節(jié)能減排

0 引言

在節(jié)能減排、提高發(fā)電效率的大環(huán)境下，超超臨界直流機組成為火力發(fā)電廠建設的主流機組。與傳統(tǒng)的亞臨界汽包爐機組相比，超超臨界直流機組蒸汽壓力及溫度更高，單位煤耗優(yōu)勢明顯。但是超超臨界機組鍋爐蓄熱少，在電網低頻運行以及系統(tǒng)負荷需求上升時，其實際發(fā)電功率的增加速率和有效積分電量都難以滿足電網的考核要求。

以浙江省內的電廠為例，近年來電網對電廠的輔助服務考核中，超超臨界機組的被考核電量遠多于汽包爐機組。因此迫切需要有能兼顧電網調峰調頻需求與機組變負荷安全性、經濟性的新技術，來彌補當前超超臨界直流機組協(xié)調控制系統(tǒng)的缺陷，在新增燃料還沒有轉換成工質發(fā)電能力、鍋爐蓄熱又不足的情況下，加快機組功率響應。這需要從鍋爐以外的熱力系統(tǒng)尋找蓄熱，來彌補超超臨界直流鍋爐蓄熱能力的不足及傳統(tǒng)協(xié)調控制系統(tǒng)的缺陷。凝結水節(jié)流響應AGC（自動發(fā)電控制）及一次調頻技術正好滿足這一需要。

1 凝結水節(jié)流技術原理及意義

1.1 凝結水節(jié)流技術原理

凝結水節(jié)流的主要思路是：當機組負荷指令變化，凝結水節(jié)流優(yōu)化控制模塊輸出凝結水流量改變指令，可以提高機組對負荷的快速響應。如需要負荷增加時減小凝結水流量，因此低壓加熱器凝結水所需熱量減少，而抽汽量暫時不變，導致低壓加熱器管側出口水溫上升，殼側飽和溫度和壓力上升，抽汽壓力與殼側壓力差變小，從而使低壓缸抽汽進入低壓加熱器的抽汽量減少，這部分抽汽可以在低壓缸中做功。雖然除氧器溫度升高也有減少抽汽量的作用，但可以忽略不計。

達到改變抽汽量有3個可行手段：調整抽汽門開度、調整除氧器上水門開度、改變凝結水泵轉速（假如設計了變頻方式）。其中，第一種方案需要在抽汽管道上增加蒸汽調門，難度大、投資高，現場難以實施；電廠可以選擇第二種或者第三種方案。由于玉環(huán)電廠進行了凝結水變頻全程控制除氧器液位優(yōu)化，運行中除氧器上水門全開，為了保證凝結水變頻泵的節(jié)能效果，選擇第三種方案，通過改變凝結水泵轉速達到凝結水節(jié)流目的。

1.2 凝結水節(jié)流技術意義

燃煤機組由于制粉系統(tǒng)的慣性，從提高給煤機轉速，到最終加熱金屬管壁內的汽水工質后提高蒸汽壓力，需要約2.5 min。而直吹式機組AGC負荷跟隨試驗動態(tài)品質指標規(guī)定，機組負荷純遲延響應時間不得超過90 s。所以在機組升負荷的開始階段，只能依靠鍋爐內的蓄熱來維持機組功率上升。因此，鍋爐蓄熱能力的大小決定了機組升負荷開始階段的響應速率。

在鍋爐蓄熱能力中起主要作用的是在鍋爐管道與聯(lián)箱中流動、混合的汽水工質，處于蒸發(fā)區(qū)的飽和水蒸汽的比熱最大，蓄熱能力最強。與汽包爐相比，超超臨界直流鍋爐沒有重型汽包及較粗的下降管，水容積也小許多，尤其是蒸發(fā)區(qū)容積很小。因此，在相同的汽壓條件下，其蓄熱能力僅為汽包爐的25%~33%。

目前超超臨界直流機組的協(xié)調控制系統(tǒng)在機組增加或減少負荷時，會在靜態(tài)燃料、給水設計的基礎上，增加或減少燃料量及給水量，從而加快機組功率響應的速率，但這種設計容易對鍋爐燃燒產生過多的擾動，特別是燃料、給水的變化幅度較大，會引起過熱汽溫的劇烈變化，危害鍋爐金屬受熱面的安全。此外，無論怎樣增加燃料，都無法克服制粉系統(tǒng)固有的慣性，無法擺脫超超臨界直流機組鍋爐蓄熱量少、負荷快速增加能力不強的問題。

有些超超臨界直流機組為了提高機組變負荷的速率，采取提高機組滑壓設定，增加汽輪機高壓調門（以下簡稱汽機調門）節(jié)流程度的措施，從而加快變負荷初期的響應速度。但是這樣增加了主蒸汽的節(jié)流損失，降低了發(fā)電機組的效率。機組運行最佳方式是在汽輪機效率特性允許下，將汽機調門盡量開大，以減少節(jié)流損失。換句話說，利用改變凝結水流量替代改變調門開度，以避免汽機調門在高效率工作點之外工作，這樣就可以提高機組運行效率并減少發(fā)電損失。該技術的優(yōu)點在于負荷可雙向調節(jié)、響應快速且可以減少節(jié)流損失。

1.3 凝結水節(jié)流潛能及響應速度

凝結水節(jié)流的負荷特性包括2個主要參量：一是機組能夠改變的最大負荷，即凝結水節(jié)流潛能；二是負荷響應速度。為了驗證凝結水節(jié)流響應負荷的速度和潛能，在玉環(huán)電廠進行了多個負荷段的試驗。以800 MW工況為例，在限制調門開度不變、穩(wěn)定鍋爐燃燒的情況下，進行了2次凝結水節(jié)流試驗，一次凝結水流量從1 602 t/h下降至1 021 t/h，功率從815 MW上升至836 MW；另一次凝結水流量從1 613 t/h下降至862 t/h，功率上升遲延較小，上升后維持時間超過3 min。圖1為800 MW工況下的試驗曲線，負荷響應時間約為3 s，最大負荷變化與凝結水改變量相關，近似于線性關系，最大負荷持續(xù)時間大于30 s。

圖1800 MW工況下凝結水節(jié)流試驗曲線

2 凝結水節(jié)流技術實施

2.1 凝結水節(jié)流技術方案比較

利用凝結水節(jié)流技術改善機組調節(jié)特性，實際上有3種方案可以選擇。

（1）汽機調門全開，所有負荷段利用改變凝結水流量來滿足機組的負荷和一次調頻的需求。該方案的優(yōu)點是節(jié)能效果好；缺點是凝汽器、除氧器液位在運行中有一定的波動，變負荷能力差，影響電廠的輔助服務考核成績。

（2）適當修改滑壓曲線，汽機調門適當開大，降低節(jié)流損失，變負荷能力不足靠凝結水節(jié)流來實現。該方案進退有度，兼顧了節(jié)能和變負荷的要求，但在運行中有一定的凝汽器、除氧器液位波動，節(jié)能效果不明顯。

（3）不修改滑壓曲線，利用節(jié)流優(yōu)化機組AGC和一次調頻特性。采用該方案，機組變負荷能力加強，AGC和一次調頻效果改善。但在運行中凝汽器、除氧器液位有一定的波動，節(jié)能效果沒有發(fā)揮。

調門全開雖然節(jié)能效果很好，但汽機調門全開運行后，機組失去了對負荷的精確控制，AGC和一次調頻的考核要求難以滿足。根據有限度有保留的原則，在玉環(huán)電廠3號機組采取了第二種策略。根據試驗數據優(yōu)化滑壓曲線，并結合夏季、冬季試驗情況進行背壓修正，確保不同季節(jié)、90%以下負荷時，調門保持約50%的開度，兼顧了AGC性能和節(jié)能效果。

2.2 凝結水節(jié)流與滑壓優(yōu)化復合型技術方案

根據1 000 MW機組升負荷難、減負荷易的特點，對凝結水節(jié)流調負荷模塊進行了簡化：凝結水節(jié)流響應負荷只節(jié)流，不增流，即增加負荷依靠調門和凝結水節(jié)流共同響應。在變負荷過程中，如果是減負荷，只要鍋爐燃燒前饋基本得當，汽機調門從50%開度開始關閉，控制負荷的精度和時間都是有保證的。而在升負荷過程中，如果汽機調門從50%開度開始開啟，一般開度到65%后，雖然汽機調門持續(xù)開大，但機組負荷增加的趨勢立即變緩，如果實際主汽壓力下降，很有可能出現汽機調門開大，而機組負荷降低的情況。因此玉環(huán)電廠3號機組凝結水調負荷只做節(jié)流增負荷，沒有做增流降負荷。

圖2為凝結水節(jié)流SAMA圖，由圖可知凝結水節(jié)流模塊接收到負荷調節(jié)指令后，轉成對應的凝結水減少流量。傳統(tǒng)的除氧器液位控制采用三沖量調節(jié)，主調負責除氧器液位控制，副調負責凝結水母管流量控制，穩(wěn)態(tài)工況下，主調輸出大致與各級高壓加熱器至除氧器疏水流量相等。一旦凝結水節(jié)流信號觸發(fā)，凝結水節(jié)流模塊根據協(xié)調控制送來的負荷調節(jié)指令，轉換成對應的凝結水流量減少量，保持原來的除氧器水位控制主調輸出，兩者疊加后形成凝結水流量控制的設定值。

圖2 凝結水節(jié)流控制SAMA

為了加快凝結水節(jié)流調負荷的響應速度，對凝結水流量變化與凝結水泵轉速進行折算，構成凝結水泵變頻器控制凝結水流量的前饋分量。當凝結水節(jié)流動作撤出后，凝結水節(jié)流的分量按一定速率緩慢衰減至零。這是為了避免出現凝結水節(jié)流分量快速恢復，造成凝結水母管流量快速增加、機組負荷立即減小的情況，影響機組協(xié)調的負荷控制。

2.3 凝結水節(jié)流的安全策略

凝結水節(jié)流動作后，凝結水流量快速降低，除氧器水位會快速下降。另外隨著凝結水流量的減小，低壓加熱器因為低溫工質的減少，水位會上升。除了需要考慮加熱器水位外，由于凝結水流量降低后，熱井水位會上升，因此還要考慮熱井水位。此外，凝結水精處理系統(tǒng)要求凝結水入口壓力不得低于1.0 MPa，否則系統(tǒng)自動切除。

從圖2可以看出，為了避免凝結水節(jié)流期間出現凝結水母管壓力過低、加熱器水位超標導致加熱器退出等故障，在凝結水節(jié)流的設定值生成回路上，考慮凝結水母管壓力、除氧器水位、熱井水位的變化，如果超過一定范圍，則部分抑制凝結水節(jié)流的幅度。

從凝結水節(jié)流試驗的結果看，凝結水節(jié)流對除氧器液位的影響最大，其他如加熱器、熱井液位的控制，可以通過增加前饋和微分來改善，從而確保上述系統(tǒng)的液位控制在安全范圍內。

為確保除氧器液位的安全，需要確定凝結水節(jié)流對除氧器液位的影響，或除氧器從不同液位下降所能提供的節(jié)流空間，可根據除氧器的物理尺寸、除氧器內飽和水的密度等進行計算，即可由液位距除氧器幾何中心線的距離為變量求出。

當除氧器液位在一定范圍內變化，如果液位變化范圍沒有超過除氧器幾何中心線，則按照上述方法進行積分求解。如果液位變化超過除氧器幾何中心線，則以除氧器幾何中心線為界限，分成兩部分求解后相加。這樣就可以求出除氧器液位在任何范圍內波動所產生的蓄水量體積變化，再根據實時的除氧器壓力、溫度參數，求出飽和水密度，最終確定凝結水節(jié)流后，凝結水流量變化量、持續(xù)時間與除氧器液位波動范圍。

2.4 凝結水節(jié)流投退與持續(xù)時間

雖然根據上述計算模型可實時計算當前凝結水節(jié)流后除氧器液位波動的范圍，但實際使用過程中，為確保除氧器水位控制安全，對凝結水節(jié)流的觸發(fā)和持續(xù)時間做了一定的限制，凝結水節(jié)流投退邏輯如圖3所示。

從圖3可以看出，凝結水節(jié)流只在升負荷且汽機調門超過一定開度后才會觸發(fā)，這是考慮到凝結水節(jié)流動作后，機組功率會上升，一旦實際功率上升超過功率指令，汽機調門會關小。在這個過程中，汽機調門的動作與凝結水節(jié)流都會對機組的實際功率產生影響，為了避免同時間有2個操縱量對被調對象（機組功率）產生影響，凝結水節(jié)流只在汽機調門大于一定開度（此時調門基本無節(jié)流）后才動作。

圖3 凝結水節(jié)流投退邏輯

在凝結水節(jié)流動作中，一旦除氧器水位、低壓加熱器水位、凝汽器水位、凝結水精處理系統(tǒng)入口壓力等越限，則凝結水節(jié)流動作立即停止。為了避免連續(xù)的凝結水節(jié)流動作導致除氧器液位大幅度下降，凝結水節(jié)流動作后要隔幾分鐘才能觸發(fā)下一次，在這幾分鐘內除氧器水位恢復到正常設定值。協(xié)調控制通過鍋爐的燃燒調整來彌補之前凝結水節(jié)流透支的加熱器蓄熱。

3 凝結水節(jié)流實施效果

根據N1000-26.25/600/600型汽輪機的調門開度與供電煤耗的關系式，以及優(yōu)化前、后的汽機調門開度，計算得到相應的供電煤耗，進行比較后得到不同負荷下凝結水調頻優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果，具體數值如表1所示，煤耗變化與負荷的關系曲線如圖4所示。

表1 優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果對比

從上述分析過程可見，華能玉環(huán)發(fā)電廠3號機組實施優(yōu)化改造后，在保證AGC精度的條件下，汽機調門開度變大，使得供電煤耗有一定程度降低。

4 結語

圖4 優(yōu)化改造所取得的節(jié)能效果

利用凝結水節(jié)流技術響應AGC一次調頻具有一定的先進性，可以利用該技術改善AGC效果，也可以利用該技術進行節(jié)能運用。凝結水節(jié)流技術還有多種實現方法，可以在抽汽管道增加調門、低壓加熱器增加旁路等方面進行試驗和探索。對大多數機組而言，凝結水節(jié)流技術具有一定的研究和應用價值。

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（本文編輯：徐晗）

Application of Condensate Throttling Technology in 1 000 MW Units

ZHENG Weidong1，MA Hao2，LI Xiaoxiao1，LIANG Haiteng1，LI Haiyang1
（1.Huaneng Yuhuan Power Plant，Taizhou Zhejiang 317604，China；2.Huaneng Shidongkou First Power Plant，Shanghai 201900，China）

With the rapid development of control technology and highly attention to energy conservation and emission reduction，condensate throttling technology gradually becomes one of the hot spots in recent years. Condensate throttling technology can reduce the throttling loss with response performance of units load improved or not decreased.This paper presents the technical principle and potential of the condensate throttling technology and velocity evaluation method；meanwhile，it discusses the prospect and direction of the condensate throttling technology in thermal power units.At last，it analyzes precautions in the application of condensate throttling technology.

ultra-supercritical；condensate throttling；control；optimization；energy conservation and emission reduction

TK39

B

1007-1881（2015）06-0039-05

2015-01-04

鄭衛(wèi)東（1975），男，工程師，長期從事發(fā)電廠熱控專業(yè)管理工作。