許龍虎

（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)在泰州電廠的應(yīng)用

許龍虎

（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

為了提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)頻率的控制水平，迅速消除由于電網(wǎng)負(fù)荷變化而引起的頻率波動(dòng)，電網(wǎng)一般都要求發(fā)電機(jī)組具備在短時(shí)間內(nèi)增加或減小一定量的出力以快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率下降或上升的能力。凝結(jié)水節(jié)流參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)，能夠有效挖掘機(jī)組蓄能、提高負(fù)荷變化能力，滿足電網(wǎng)頻率調(diào)整的要求。泰州電廠二期工程采用全周進(jìn)汽超超臨界二次再熱汽輪發(fā)電機(jī)組，采用主汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)節(jié)流損失很大，總結(jié)近年來凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)上的成功經(jīng)驗(yàn)，探討將該技術(shù)運(yùn)用在泰州電廠二期工程中的必要性和可行性。

凝結(jié)水調(diào)頻；凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷；凝結(jié)水節(jié)流；二次再熱；全周進(jìn)汽。

1　概述

隨著電網(wǎng)中大容量機(jī)組數(shù)量逐漸增多和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量要求提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題越來越受到人們的重視。并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組尤其是大容量機(jī)組的故障跳閘等因素對(duì)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大沖擊，而電力系統(tǒng)本身的頻率響應(yīng)滯后、調(diào)整能力有限，各地電網(wǎng)對(duì)區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的頻率響應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)（包括頻率響應(yīng)時(shí)間、頻率調(diào)節(jié)能力等）做了嚴(yán)格的要求。

發(fā)電機(jī)組采用TF方式（汽輪機(jī)跟隨方式）的CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）時(shí)，鍋爐的蓄熱能力比較小，而目前超超臨界機(jī)組普遍采用的直流鍋爐的蓄熱能力更小。機(jī)組制粉系統(tǒng)存在較大慣性和遲延，單純依靠調(diào)整燃料量來改變機(jī)組負(fù)荷過程非常緩慢，負(fù)荷響應(yīng)初期速度非常緩慢，機(jī)組調(diào)頻能力較差，無法滿足電網(wǎng)負(fù)荷快速變化的需求。而采用BF方式（鍋爐跟隨方式）的CCS時(shí)，需要通過汽輪機(jī)高壓調(diào)門節(jié)流來調(diào)節(jié)，高壓缸節(jié)流損失較大，尤其對(duì)于調(diào)門單閥控制模式的汽輪機(jī)，經(jīng)濟(jì)性影響更大。因此，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組調(diào)頻功能無法完全兼顧電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻的要求和發(fā)電機(jī)組變負(fù)荷的經(jīng)濟(jì)性。

為了提高機(jī)組變負(fù)荷速率特別是負(fù)荷指令變化初期的負(fù)荷跟隨性能，1992年西門子公司全面研究了機(jī)組的蓄能及其利用方法，并最終提出了凝結(jié)水調(diào)頻的解決方案，并作為其PROFI協(xié)調(diào)優(yōu)化控制軟件中的一個(gè)模塊。隨后，凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)廣泛應(yīng)用在火力發(fā)電機(jī)組尤其是采用西門子、阿爾斯通等全周進(jìn)汽的歐派汽輪發(fā)電機(jī)組上。隨著2006年華東電力試驗(yàn)研究院在外高橋二期成功試驗(yàn)?zāi)Y(jié)水調(diào)頻，凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)在國(guó)內(nèi)的火力發(fā)電廠也逐步得到推廣應(yīng)用。經(jīng)過近幾年的實(shí)施和檢驗(yàn)，凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)被證明可以解決電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻要求與發(fā)電機(jī)組變負(fù)荷經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。

泰州電廠二期工程汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠提供的全周進(jìn)汽超超臨界二次再熱機(jī)組，機(jī)組變負(fù)荷時(shí)主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失很大，而采用凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)可以避免這一損失。另外，隨著近年來一次能源價(jià)格攀升、資源環(huán)境壓力增加，節(jié)能減排的需求和投資性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)促使很多國(guó)家開發(fā)和建設(shè)更高效率的二次再熱火力發(fā)電機(jī)組。中國(guó)出現(xiàn)了國(guó)電泰州、華能萊蕪、國(guó)電蚌埠、粵電惠來、華能安源、神華國(guó)華廣投北海等一大批在建或即將開建的二次再熱機(jī)組。二次再熱機(jī)組具有主要參數(shù)先進(jìn)、發(fā)電效率高、環(huán)保指標(biāo)優(yōu)等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)尚未解決700℃級(jí)別超超臨界機(jī)組金屬材料的難題時(shí)，二次中間再熱技術(shù)也是目前我國(guó)最先進(jìn)最高效的火力發(fā)電技術(shù)。但在二次再熱機(jī)組上運(yùn)用凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)或報(bào)道。本文通過探討二項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用方案，為后續(xù)二次再熱機(jī)組工程的設(shè)計(jì)提供思路。

2　凝結(jié)水調(diào)頻的原理

凝結(jié)水調(diào)頻的原理是當(dāng)電網(wǎng)頻率過低、要求發(fā)電機(jī)組發(fā)揮一次調(diào)頻功能或者當(dāng)機(jī)組接到AGC指令時(shí)，在凝汽器和除氧器水位變化允許的范圍內(nèi)，通過調(diào)節(jié)除氧器水位調(diào)節(jié)閥或調(diào)節(jié)變頻凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來改變凝結(jié)水流量，從而改變汽輪機(jī)低加抽汽量，暫時(shí)獲得或釋放部分機(jī)組蓄能。具體過程見圖1。

圖1　凝結(jié)水調(diào)頻原理圖

凝結(jié)水調(diào)頻是一種利用汽機(jī)回?zé)?加熱系統(tǒng)中蓄能的技術(shù)，利用的是汽機(jī)回?zé)?加熱系統(tǒng)中蓄能的變化。由于在加負(fù)荷過程中減少了機(jī)組的抽汽，而在減負(fù)荷過程中又增加了機(jī)組的抽汽，所以這種利用蓄能的技術(shù)對(duì)汽機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性整體上沒有影響。在凝結(jié)水調(diào)頻過程中，負(fù)荷的變化是通過改變凝結(jié)水流量控制閥（即除氧器水位調(diào)節(jié)閥）來代替改變汽輪機(jī)調(diào)門的開度，使得汽輪機(jī)調(diào)門節(jié)流損失大大降低，汽輪機(jī)調(diào)門能夠盡量工作在其高效率的工作點(diǎn)，這樣可以大大提高機(jī)組運(yùn)行效率并減少機(jī)組發(fā)電損耗。

凝結(jié)水調(diào)頻有兩種方式：一種是通過改變凝結(jié)水泵出口調(diào)節(jié)閥（即除氧器水位調(diào)節(jié)閥）開度來改變凝結(jié)水流量，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)。另一種是采用變頻凝結(jié)水泵，通過調(diào)節(jié)凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來改變凝結(jié)水流量，稱為變頻調(diào)節(jié)。由于凝結(jié)水泵變頻裝置的調(diào)節(jié)較節(jié)流調(diào)節(jié)存在速率缺陷，而且變頻裝置較調(diào)節(jié)閥昂貴，不適宜長(zhǎng)時(shí)間頻率切換，因此凝結(jié)水調(diào)頻主要應(yīng)用節(jié)流調(diào)節(jié)。

3　工程應(yīng)用

泰州電廠擴(kuò)建2臺(tái)1000 MW超超臨界二次再熱火力發(fā)電機(jī)組，為了提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，滿足電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)的相關(guān)要求，應(yīng)用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)，具體情況如下述。

3.1機(jī)組配置

該機(jī)組鍋爐采用上海鍋爐廠的超超臨界、直流爐、單爐膛、二次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、切圓燃燒方式、塔式鍋爐；汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠的全周進(jìn)汽、超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓凝汽式、10級(jí)回?zé)岢槠啓C(jī)。

機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)為中壓凝結(jié)水系統(tǒng)，設(shè)置兩臺(tái)100%容量調(diào)速凝結(jié)水泵，一用一備，兩臺(tái)凝結(jié)水泵電動(dòng)機(jī)共用一套電氣變頻裝置；凝結(jié)水系統(tǒng)配置3臺(tái)凝結(jié)水輸送泵，啟動(dòng)時(shí)向閉式冷卻水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)注水或大流量補(bǔ)水時(shí)采用輸送泵I（2臺(tái)各300 m3/h），一用一備，正常運(yùn)行向凝汽器小流量補(bǔ)水時(shí)采用輸送泵II（1臺(tái)70 m3/h），自流不足時(shí)自啟動(dòng)。

3.2凝結(jié)水調(diào)頻能力計(jì)算

根據(jù)汽機(jī)廠提供的本工程機(jī)組熱平衡圖，可以計(jì)算低加全切時(shí)理論上能夠增加的負(fù)荷。

表1　低加切除負(fù)荷增加計(jì)算

據(jù)表1計(jì)算可知，本機(jī)組切除所有低加，短時(shí)間內(nèi)可以增加的可以做功的總熱量約為54 Mj/s，這是理論上的最大能力。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻受到凝結(jié)水泵出口凝結(jié)水流量、除氧器水位、凝汽器熱井水位和加熱器水位等諸多因素的制約，能夠利用的最大凝結(jié)水流量變化為極限能力的50%～60%。同時(shí)，還應(yīng)考慮汽輪發(fā)電機(jī)組的內(nèi)效率，本機(jī)組內(nèi)效率約為0.5065。因此，機(jī)組在600～1000 MW負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力約在14～27 MW左右。

3.3功能實(shí)現(xiàn)

本工程采用兩臺(tái)變頻的凝結(jié)水泵，具體的系統(tǒng)流程及凝結(jié)水調(diào)頻過程詳見圖2。

凝結(jié)水調(diào)頻功能具體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（定值待調(diào)試確定），變頻凝結(jié)水泵需要維持其最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行，此時(shí)凝結(jié)水系統(tǒng)處于凝結(jié)水泵變頻控制壓力模式，即變頻器維持凝結(jié)水泵出口母管壓力，除氧器水位調(diào)節(jié)閥緩慢打開，此時(shí)除氧器水位受控于除氧器水位調(diào)節(jié)閥。

（2）待除氧器水位調(diào)節(jié)閥開到全開（此處因?yàn)槟Y(jié)水調(diào)頻的需要，調(diào)節(jié)閥開度最大開到80% ～85%，留有機(jī)組降負(fù)荷時(shí)調(diào)節(jié)閥能繼續(xù)開大的裕量，具體設(shè)定值待調(diào)試時(shí)確定）時(shí)，凝結(jié)水系統(tǒng)切換為凝結(jié)水泵變頻控制水位模式，即由凝結(jié)水泵變頻來控制除氧器水位，而除氧器水位調(diào)節(jié)閥則維持凝結(jié)水泵出口母管壓力不低于低限保護(hù)值。

（3）由于機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力很低，而且低負(fù)荷投入凝結(jié)水調(diào)頻功能時(shí)經(jīng)濟(jì)性不高，因此本工程只在機(jī)組負(fù)荷高于600 MW運(yùn)行時(shí)投運(yùn)凝結(jié)水調(diào)頻功能。

圖2　凝結(jié)水調(diào)頻示意圖

（4）在機(jī)組負(fù)荷高于600 MW時(shí)，凝結(jié)水調(diào)頻功能投入之前，機(jī)組凝結(jié)水系統(tǒng)處于凝結(jié)水泵變頻控制水位模式。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)要求發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí)，只對(duì)除氧器水位和凝汽器熱井水位進(jìn)行高低限值保護(hù)，不進(jìn)行控制。此時(shí)，將實(shí)際負(fù)荷與要求調(diào)整的目標(biāo)負(fù)荷之間的偏差經(jīng)過處理，送到除氧器水位調(diào)節(jié)閥控制回路，即把負(fù)荷需求轉(zhuǎn)化為需要的凝結(jié)水變化量，在除氧器和凝汽器的水位波動(dòng)允許的范圍內(nèi)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥直接控制機(jī)組負(fù)荷偏差，快速響應(yīng)負(fù)荷指令。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整結(jié)束后，除氧器水位調(diào)節(jié)閥再平滑切換至正常的壓力維持模式，即凝結(jié)水泵變頻控制水位模式。

（5）凝結(jié)水調(diào)頻功能投入后，電網(wǎng)頻率波動(dòng)要求機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)，減小除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，減少凝結(jié)水流量，降低低加抽汽量，增加汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽做功，達(dá)到增加負(fù)荷的目的。此時(shí)，對(duì)凝泵出口母管壓力進(jìn)行低值保護(hù)，由凝結(jié)水泵變頻來維持。當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)要求機(jī)組降低負(fù)荷時(shí)，就要增大除氧器水位調(diào)節(jié)閥開度，上述除氧器水位調(diào)節(jié)閥預(yù)留的10%～15%開度裕量就可以保證此時(shí)調(diào)節(jié)閥能夠增大開度。

凝結(jié)水調(diào)頻主要作用是提高負(fù)荷調(diào)整初期的負(fù)荷響應(yīng)速率，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)延時(shí)，機(jī)組最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然取決于鍋爐燃燒率的變化，依靠鍋爐燃燒率的提高、合理的超調(diào)來及時(shí)補(bǔ)充機(jī)組的蓄能，恢復(fù)系統(tǒng)平衡。因此，設(shè)計(jì)過程中還需要對(duì)鍋爐燃燒相關(guān)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，以提高最終的負(fù)荷響應(yīng)能力。

4　效果預(yù)期

由于本工程尚未正式投產(chǎn)，對(duì)于在該二次再熱機(jī)組上實(shí)現(xiàn)凝結(jié)水調(diào)頻功能的具體作用、節(jié)能效果以及對(duì)整個(gè)機(jī)組的影響還有待運(yùn)行后進(jìn)行驗(yàn)證，本文暫從理論上對(duì)凝結(jié)水調(diào)頻功能投入后的預(yù)期效果進(jìn)行分析。

（1）凝結(jié)水調(diào)頻功能的應(yīng)用解決了機(jī)組蓄熱能力的不足和鍋爐燃燒調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后于機(jī)組負(fù)荷變化的問題，能夠滿足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻或AGC的快速響應(yīng)時(shí)間要求。

（2）由于本工程采用的是上汽廠設(shè)計(jì)供貨的全周進(jìn)汽超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，正常情況下采用單閥節(jié)流調(diào)節(jié)方式，利用主汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流時(shí)將帶來較大的節(jié)流損失，而采用凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)則可以避免這種損失，提高了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

雖然凝結(jié)水調(diào)頻具有一定的快速性和經(jīng)濟(jì)性，但也存在以下問題：時(shí)間上存在局限性、除氧器和凝汽器熱井水位以及低壓加熱器水位波動(dòng)頻繁或過大、除氧器水位調(diào)節(jié)閥動(dòng)作頻繁增加設(shè)備損耗、除氧器水位調(diào)節(jié)閥需要保留部分開度形成節(jié)流損失等。

凝結(jié)水調(diào)頻是一種新的機(jī)組蓄能利用方法，能夠解決負(fù)荷調(diào)整初期的響應(yīng)速度，最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然需要鍋爐燃燒率的變化，一個(gè)完整的負(fù)荷調(diào)整協(xié)調(diào)控制策略需要依靠凝結(jié)水調(diào)頻控制策略和鍋爐側(cè)燃燒、給水等智能控制策略相配套作用，才能達(dá)到最佳效果。凝結(jié)水調(diào)頻功能的投入能夠給二次再熱機(jī)組帶來多大的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益還要等待實(shí)踐的證明。

5　結(jié)語(yǔ)

二次再熱火力發(fā)電技術(shù)成為目前世界最先進(jìn)的火力發(fā)電技術(shù)，在安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，而凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)可以解決電網(wǎng)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻要求與發(fā)電機(jī)組負(fù)荷調(diào)整經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。在能源、環(huán)境壓力日益增加和電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻要求日趨嚴(yán)格的情況下，將凝結(jié)水調(diào)頻技術(shù)應(yīng)用到二次再熱機(jī)組上將成為今后火力發(fā)電領(lǐng)域的新趨勢(shì)。本文通過泰州電廠二期工程在建機(jī)組的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出兩項(xiàng)技術(shù)的相融合思路，希望對(duì)今后二次再熱火力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)工作起到拋磚引玉的作用。

［1］ 劉鑫屏，田亮，曾德良，劉吉臻.凝結(jié)水節(jié)流參與機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)過程建模與分析［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 36（2）.

［2］ 姚峻，陳維和.900 MW超臨界機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)研究［J］.華東電力，2006，34（8）.

［3］ 樊晉元，謝英柏.超臨界機(jī)組完全變壓運(yùn)行技術(shù)與節(jié)能分析［J］.中國(guó)電力， 2012，45（8）.

［4］ 姚峻，祝建飛，金峰.1000 MW機(jī)組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2010，43（6）.

［5］ 劉芳，田亮.凝結(jié)水節(jié)流參與機(jī)組發(fā)電負(fù)荷雙重控制方案［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，41（2）.

Application of Condensation Water Frequency Modulation Technology in Taizhou Power Plant

XYU Long-hu
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.，Shanghai200063，China）

In general， one of the requirements of power generation unit is to realize the alternation of the generated power output in response to the frequency verification of the power network. This aims to improve the electricity quality and controllability of power network frequency， as well as a fast elimination of frequency fluctuations due to load changing of power network. Condensed water throttling contributes to the generation unit load regulation to meet the power network frequency requirement by improving the ability of unit energy storage and load changing. Full arc admission of ultra supercritical double-reheat steam turbine generator unit is adopted on the 2nd phase of Taizhou power plant project， main steam regulating valves throttle will cause a great loss. On the basis of latest experiences of condensed water throttling technology in generation unit load regulation， an investigation of feasibility and necessity of this technology applied in Taizhou power plant phase II will be under discussion in this paper.

frequency regulation by condensed water； load regulation by condensed water； condensed water throttling technology； double-reheat， full arc admission

TM621

A

1671-9913（2016）04-0045-04

2016-02-17

許龍虎（1986- ），男，工程師，從事電廠熱工控制設(shè)計(jì)工作。