單英雷 陳洪濤 華東電力試驗研究院有限公司

蔣明達 大唐淮南洛河發(fā)電廠

1 前言

上海某電廠1 000 MW超超臨界火力發(fā)電機組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG-2956/27.46-M534超超臨界直流鍋爐，單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風；汽輪機為上海汽輪機有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機，額定功率1 000 MW。機組的DCS控制系統(tǒng)采用艾默生公司的OVATION系統(tǒng)（UNIX版本），汽機DEH控制系統(tǒng)采用西門子公司的T3000系統(tǒng)。在調試期間以及投入生產(chǎn)初期一直采用汽機高壓調門節(jié)流的CBF協(xié)調控制方式，采取這種方式，負荷響應較好，但存在主汽壓波動大、汽機調門有較大節(jié)流損失等缺點[1]?？紤]到汽機高壓調門全開后可從3個方面提高運行經(jīng)濟性[2]：一是調門全開后，閥門節(jié)流損失降低，高壓缸效率上升，使得汽輪機熱耗率下降；由于調門全開后，主蒸汽壓力下降，使得循環(huán)熱效率下降，兩者相抵扣，機組的經(jīng)濟性仍會有提高。二是由于主蒸汽壓力降低，使得給水泵的耗功下降，驅動給水泵的蒸汽量（或用電量）下降，帶來經(jīng)濟性得益。三是由于調門全開后，在同樣的主蒸汽溫度下，調門后的溫度會上升，使得高壓缸排汽溫度上升，熱再溫度也會有所上升，對于原先熱再溫度偏低的機組其經(jīng)濟性得益不容忽視。綜合3方面因素，粗略估算在AGC負荷下平均煤耗約可下降1.0g/kW.h左右。因此，為了提高機組經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排，公司進行了新型節(jié)能協(xié)調控制系統(tǒng)的功能開發(fā)和實施，將汽機高壓調門節(jié)流的CBF方式轉換為汽機高壓調門全開的CTF方式。新型節(jié)能協(xié)調控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 新型節(jié)能協(xié)調控制系統(tǒng)圖

隨著大容量機組在電網(wǎng)中比例的不斷增加和用戶對電能質量要求的提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題越來越被重視[3]。入網(wǎng)的發(fā)電機組一般都要求具備一次調頻能力，即要求機組具備在規(guī)定的短時間內增加（或減?。┮欢康呢摵梢皂憫到y(tǒng)頻率下降（或上升）的能力，這對于快速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率、提高電能質量是非常重要的[4]。直流鍋爐由于其蓄熱能力比汽包鍋爐小得多，為滿足機組的安全穩(wěn)定運行，機組協(xié)調控制系統(tǒng)通常采用汽輪機跟隨方式（TF），其負荷響應的初期速度較慢，機組的調頻能力較差，這是直流機組的一個控制難點[5]。本文面臨著同樣的問題，開發(fā)的新型節(jié)能協(xié)調控制系統(tǒng)采用汽機高壓調門全開的CTF方式，沒有鍋爐蓄能可用，這使得機組實現(xiàn)一次調頻功能的難度大大增加。上海外高橋二廠嘗試凝結水節(jié)流用于一次調頻的試驗，并取得了成功，這為我們的研究提供了可行性。

2 機組新型協(xié)調控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 負荷協(xié)調控制方式的改變

采用汽機調門全開的CTF協(xié)調控制方式，鍋爐主控仍以機組負荷指令作為前饋，但不再調節(jié)主汽壓偏差，而是調節(jié)負荷指令和實際負荷之間的偏差；汽機接受DCS送來的主汽壓設定值，控制實際主蒸汽壓力和設定值之間的偏差。通過適當降低主汽壓設定值，使得汽機調門慢慢開啟并維持全開狀態(tài)。此時雖然汽機處于控壓狀態(tài)，但由于調門全開后實際上不再控制主汽壓，主汽壓處于“自由”波動狀態(tài)。當然，如果主汽壓過低，則汽機調門仍會關小維持汽壓。

2.2 過載補汽閥和高壓調門閥限的自動調節(jié)

由于該汽輪機配有過載補汽閥，如果補汽閥開啟，新蒸汽經(jīng)過補汽閥降壓后從高壓缸中間某級進入汽缸做功，節(jié)流損失很大，非常不經(jīng)濟。為此，對補汽閥的開度限制進行處理，平時閥門高限設置為0%，這樣即使汽機調門主控輸出的閥門指令為100%，經(jīng)過閥門高限后實際有限的指令仍為0%，故補汽閥不會開啟。而高壓調門的閥限平時置為105%，則高壓調門接受汽機調門主控的輸出指令保持全開。當然，在汽機超壓或者一次調頻要求加負荷時，補汽閥的高限或適當放開，從而開大補汽閥；在一次調頻要求減負荷時，高壓調門的高限會適當下降，從而關小高壓調門。通過這樣的調門閥限自動處理后，實現(xiàn)了調門全開而補汽閥全關，使汽輪機保持在最經(jīng)濟的閥門狀態(tài)下運行，提高機組經(jīng)濟性。

2.3 采用凝結水節(jié)流參與負荷調節(jié)

由于汽機高壓調門全開不參與負荷調節(jié)，故對負荷控制會帶來一定影響，但這種影響主要是在變負荷初期，在變負荷中后期只要鍋爐狀況良好，控制適當，給水、燃煤能快速響應，實際負荷一般能跟隨負荷指令的變化。為了提高調門全開后變負荷初期的負荷響應能力，采用凝結水節(jié)流技術，通過改變凝結水流量來參與負荷調節(jié)，加快變負荷初期的負荷響應速度，縮短負荷響應延遲，彌補鍋爐熱慣性大、純延遲長的缺點。

2.4 鍋爐對象特性及控制優(yōu)化

凝結水調負荷主要作用是提高變負荷初期的負荷響應，能夠改善由于鍋爐側的滯后而產(chǎn)生的負荷響應延時，但機組最終的負荷響應仍然取決于鍋爐燃燒率的變化，為此需要對鍋爐控制進行優(yōu)化，以提高機組整體的負荷響應能力。進行的優(yōu)化工作主要有以下幾個方向：修正鍋爐煤水基準函數(shù)、加快給水變化速度、增加給水焓值控制的智能死區(qū)、增加鍋爐煤水的智能超調等。

2.5 一次調頻功能實現(xiàn)

在原先CBF協(xié)調方式下，DEH處于限壓模式，即負荷控制方式，DEH具備一次調頻投入能力。但投用新的CTF協(xié)調方式后，DEH的控制方式也相應變?yōu)槌鯄耗Ｊ剑磯毫刂品绞?，此時DEH側原有的一次調頻回路已不起作用，不再具有一次調頻功能，故需重新開發(fā)新的一次調頻功能。另外，由于汽機調門平時處于全開狀態(tài)，需要利用凝結水節(jié)流來部分實現(xiàn)一次調頻功能。一次調頻功能實現(xiàn)主要有以下幾個方面：（1）電網(wǎng)頻率變化超過死區(qū)，但幅度不大時，利用凝結水節(jié)流來實現(xiàn)；（2）電網(wǎng)頻率偏低一定程度，要求增加負荷時，開啟過載補汽閥；（3）電網(wǎng)頻率偏高一定程度，要求降低負荷時，關小汽機高壓調門；（4）優(yōu)化CCS側的一次調頻功能，加快給水響應速度，提高負荷變化能力。

3 凝結水節(jié)流技術的原理及功能實現(xiàn)

3.1 凝結水節(jié)流技術的原理

凝結水調負荷，是指在機組變負荷時，在凝汽器和除氧器允許的水位變化范圍內，依靠回熱系統(tǒng)加熱器的自平衡能力，當凝結水量減少時，水側溫度上升，汽側飽和溫度及壓力也上升，使得抽汽壓差減少從而抽汽量下降，則減少的抽汽量流經(jīng)汽輪機致使輸出電功率增加;當凝結水流量增加時，情況正好相反，輸出的電功率減少，實現(xiàn)凝結水節(jié)流對機組功率的調整[6]。

3.2 凝結水節(jié)流技術的實現(xiàn)方法

實現(xiàn)凝結水節(jié)流技術的關鍵是如何在保證機組安全運行的前提下，讓原先控制凝汽器水位的凝水調門去響應機組負荷指令的變化，為此需要對凝結水系統(tǒng)的控制進行整體優(yōu)化，包括凝汽器補水、低加水位、凝汽器水位、除氧器水位、凝結水泵最小流量等控制，以及對熱井水位、除氧器水位、凝結水流量等保護定值進行梳理和必要調整。

（1）凝汽器補水控制的優(yōu)化

凝汽器補水原先的控制策略是根據(jù)除氧器水位的變化來控制補水調門的開度，當除氧器水位低于一定值時凝汽器常補會開啟，再低時凝汽器危補也會開啟。這種策略在凝汽器和除氧器水位的變化相對平穩(wěn)時是可行的，此時除氧器的水位變化可以表征凝水系統(tǒng)的工質多寡。但采用凝結水節(jié)流技術后，凝汽器和除氧器的水位會頻繁大幅波動，只考慮除氧器水位來控制系統(tǒng)補水已不再適宜，而應根據(jù)凝水系統(tǒng)總的儲水量（除氧器水位偏差與凝汽器水位偏差的加權和）變化來控制補水，即綜合考慮除氧器和凝汽器的水位變化，根據(jù)兩者當量水位的變化來控制補水調門的開度，當凝水系統(tǒng)的工質確實減少時才需要補水，否則會造成凝水工質失衡，影響機組安全運行。

（2）低加水位控制的優(yōu)化

未采用凝結水節(jié)流技術時，凝結水流量一般不會快速急劇變化，低加水位的波動也在正常范圍內。但當使用凝結水節(jié)流技術后，凝結水流量則會經(jīng)常大幅快速變化，原先的低加水位控制會暴露出問題：當凝水流量快速增加時，低加抽汽量相應增加，低加水位升高，如低加常疏控制不當會導致危疏開啟，影響回熱系統(tǒng)效率；當凝水流量快速減少時，低加抽汽量相應減少，低加水位下降，如低加常疏控制不當會導致低加水位過低，觸發(fā)低加保護，關閉抽汽電動門，影響機組正常運行。故需對低加常疏、危疏的控制邏輯進行優(yōu)化（包括增加凝結水流量至低加常疏的前饋環(huán)節(jié)、優(yōu)化常疏、危疏調門的PID參數(shù)等），對低加的保護、控制定值進行梳理和調整，以實現(xiàn)低加水位在凝水流量大幅波動時的平穩(wěn)控制，避免危疏開啟和低加保護動作。

（3）凝水調門控制增加負荷響應功能

凝水調門有主調門和副調門兩個，原先只控制凝汽器水位。副調門只在機組啟動和低負荷下使用，在機組AGC負荷范圍內只是凝水主調門參與調節(jié)，而凝水副調門關閉。故實現(xiàn)凝結水節(jié)流的重點是凝水主調門，當然對凝水副調門也要做些優(yōu)化，避免在凝汽器水位和凝結水流量大幅波動時副調門的不合適開啟，從而影響凝結水節(jié)流效果。在凝水主調門原先的控制邏輯上，嵌入對機組負荷指令的響應邏輯，當凝汽器水位和除氧器水位在正常范圍內變化時，凝水主調門響應負荷指令的變化，即需要加負荷時，凝水調門先關小，凝水流量下降，從而增加機組負荷，當滿足一定條件后，凝水調門逐漸恢復至控制水位狀態(tài)；需要減負荷時，凝水調門先開大，凝水流量上升，抽汽量增加，從而減少機組負荷，當滿足一定條件后，凝水調門逐漸恢復至控制水位狀態(tài)。當然，如果發(fā)生凝汽器水位或者除氧器水位越限，則凝水調門閉鎖負荷調節(jié)功能，只控制凝汽器水位，確保凝汽器、除氧器水位不失控和機組安全運行。

4 一次調頻模擬試驗

選擇950 MW和600 MW負荷點進行一次調頻模擬試驗，試驗時分別在DCS側和DEH側同時模擬電網(wǎng)頻率偏差，得出的一次調頻試驗結果如圖2圖3和圖4所示。

由一次調頻模擬試驗結果可知：根據(jù)圖3和圖4的曲線可知，當凝結水調負荷和汽機調門同時參與一次調頻時，完全能滿足電網(wǎng)頻率高一次調頻減負荷的性能要求；根據(jù)圖2的曲線可知，當凝結水調負荷和補汽閥同時參與一次調頻時，也具有了較快的一次調頻響應，已經(jīng)能夠滿足上海電網(wǎng)對火電機組參與一次調頻的技術要求，但由于蓄能有限，在要求快速增加較大負荷時，能力仍略顯不足。

圖2 950 MW時一次調頻動作負荷增加30 MW變化曲線

圖3 600 MW時一次調頻動作負荷降低30 MW變化曲線

圖4 950 MW時一次調頻動作負荷降低30 MW變化曲線

5 結語

開發(fā)的新型協(xié)調控制系統(tǒng)，采用汽機高壓調門全開的CTF協(xié)調控制方式，基本消除了高壓調門的節(jié)流損失，提高機組運行經(jīng)濟性，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的；同時結合凝結水節(jié)流參與負荷調節(jié)技術和汽機調門閥限自動調節(jié)技術，實現(xiàn)了CTF方式下的一次調頻功能，一次調頻效果能夠滿足電網(wǎng)的要求，總體上說是比較成功的。但是利用凝結水調負荷技術、利用補汽閥用于一次調頻，都屬于新技術，對于1000MW機組參與一次調頻的參數(shù)設置和控制策略還需要進一步的探討和研究，同時還需要進一步研究一次調頻新的控制方法，以滿足包括極端情況[7]在內的各種工況下的一次調頻功能要求。

[1]谷俊杰，李建強，高大明等.熱工控制系統(tǒng) [M].北京：中國電力出版社，2011.

[2]錢能，金生祥，王琪等.凝結水節(jié)流控制與經(jīng)濟效益分析[J].中國電力，2014，47(3)：69-73.

[3]陳小強，項 謹，魏路平等.1000MW機組一次調頻性能優(yōu)化[J].中國電力，2010，43(4)：63-66.

[4]姚峻， 陳維和.900 MW 超臨界機組一次調頻的試驗和研究[J].華東電力， 2006，34(8)：84-87.

[5]沙友平，呂劍虹，張 斌.直流爐一次調頻控制策略研究與應用[J].中國電力，2003，36(1)：63-66.

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[7] 翟永杰，王 舒，陳曉霞.1000MW超超臨界機組一次調頻應用策略的研究與優(yōu)化[J].電力科學與工程，2012，28(12)：34-38.