秦 攀，包勁松，張 寶，應(yīng)光耀，樓可煒

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)暫時(shí)還不能解決大容量電能的經(jīng)濟(jì)性存儲(chǔ)問(wèn)題，電網(wǎng)中發(fā)供電設(shè)備的出力必須時(shí)刻與變動(dòng)著的用電負(fù)荷保持動(dòng)態(tài)平衡。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和用電結(jié)構(gòu)的變化，電力系統(tǒng)面臨電網(wǎng)峰谷差偏大，調(diào)峰能力不足的矛盾；另一方面，光電、風(fēng)電等新型清潔能源的大量投用，大規(guī)模間歇性能源的并網(wǎng)發(fā)電，加劇了電網(wǎng)的波動(dòng)性，因此電網(wǎng)對(duì)火電機(jī)組參與調(diào)峰甚至是深度調(diào)峰提出了更高的要求[1]。機(jī)組靈活性運(yùn)行就是利用先進(jìn)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組快速、深度調(diào)峰的穩(wěn)定運(yùn)行。

提高機(jī)組靈活性運(yùn)行水平正成為火電機(jī)組適應(yīng)當(dāng)前電力市場(chǎng)的金鑰匙。近幾年來(lái)，以上汽-西門子聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)制造的1 000 MW/660 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)（以下簡(jiǎn)稱上汽超超臨界汽輪機(jī)）在國(guó)內(nèi)獲得了日益廣泛的應(yīng)用，該類型汽輪機(jī)良好的經(jīng)濟(jì)性能代表了當(dāng)今先進(jìn)的汽輪機(jī)發(fā)展水平。但是超超臨界機(jī)組均配置直流爐，蓄熱能力小，一般亞臨界汽包鍋爐的蓄熱能力比直流鍋爐要大2～3倍，而且該類超超臨界機(jī)組高壓調(diào)節(jié)汽門全開的運(yùn)行方式，更使得鍋爐側(cè)有限的蓄能無(wú)法快速轉(zhuǎn)化為發(fā)電負(fù)荷，降低了機(jī)組靈活性運(yùn)行能力，減弱了機(jī)組AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）響應(yīng)水平。尋求新的調(diào)節(jié)手段，增進(jìn)該機(jī)型靈活性運(yùn)行水平正變得越來(lái)越有現(xiàn)實(shí)意義[2]。

1 靈活性運(yùn)行的策略研究

上汽超超臨界汽輪機(jī)代表了當(dāng)今先進(jìn)技術(shù)水平的“HMN”型（高壓?jiǎn)瘟鱄型積木塊，中壓雙流M型積木塊，低壓雙流N型積木塊）汽輪機(jī)。摒棄了美、日等雙流調(diào)節(jié)級(jí)的設(shè)計(jì)理念，采用全周進(jìn)汽，圓筒形單流高壓缸設(shè)計(jì)，效率較高[3]。隨著對(duì)該類型汽輪機(jī)探索的不斷深入，靈活性策略也一步步從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，目前主要有以下幾種技術(shù)方案有了比較成功有效的應(yīng)用實(shí)例。

1.1 主汽調(diào)閥的節(jié)流應(yīng)用

對(duì)汽輪機(jī)側(cè)靈活性應(yīng)用，最快速有效的方法就是通過(guò)主汽調(diào)閥節(jié)流調(diào)節(jié)，釋放存儲(chǔ)在機(jī)組內(nèi)的蓄能，實(shí)現(xiàn)機(jī)組靈活性應(yīng)用。但是這與上汽超超臨界汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)初衷相背離。其最初設(shè)計(jì)理念是：在30%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)，采用滑壓運(yùn)行方式，主汽調(diào)閥全開，盡量減少節(jié)流損失，以帶基本負(fù)荷為主。要使機(jī)組具有調(diào)節(jié)功能，全周進(jìn)汽必須使用節(jié)流調(diào)節(jié)，而這勢(shì)必引起經(jīng)濟(jì)性的下降。據(jù)西門子資料介紹，5%的全周節(jié)流會(huì)使機(jī)組熱耗率增加12～20 kJ/kWh[4]。即主汽調(diào)閥節(jié)流雖然是最直接有效的方法，但該方式要以犧牲機(jī)組經(jīng)濟(jì)性為代價(jià)。

研究某1 000 MW機(jī)組主汽調(diào)閥開度和機(jī)組一次調(diào)頻能力發(fā)現(xiàn)，為滿足機(jī)組具備6%額定負(fù)荷的一次調(diào)頻能力，在額定參數(shù)下，調(diào)節(jié)閥的開度需要小于31.5%才能夠確保機(jī)組具有6%額定負(fù)荷的調(diào)頻能力[5]，如圖1所示。

為提高該機(jī)型汽輪機(jī)日常運(yùn)行效率，主汽滑壓參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后，主汽調(diào)閥的目標(biāo)開度在45%左右。在調(diào)節(jié)閥開度31.5%與45%下的一次調(diào)頻能力比較如圖2、圖3所示，隨著調(diào)門開度增大，機(jī)組一次調(diào)頻能力明顯下降[6]。

圖1 主汽調(diào)閥開度與一次調(diào)頻能力關(guān)系曲線

圖2 主汽調(diào)閥開度31.5%時(shí)的一次調(diào)頻能力

圖3 主汽調(diào)閥開度45%時(shí)的一次調(diào)頻能力

根據(jù)機(jī)組循環(huán)效率試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到：為確保一次調(diào)頻能力（主汽調(diào)閥開度31.5%）運(yùn)行方式與機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行（主汽調(diào)閥開度45%）下的供電煤耗差如圖4所示，典型工況數(shù)據(jù)為：500 MW負(fù)荷工況下，供電煤耗差3.7 g/kWh；700 MW負(fù)荷工況下，供電煤耗差2.1 g/kWh；900 MW負(fù)荷工況下，供電煤耗差1.2 g/kWh[7]。

圖4 主汽調(diào)閥開度31.5%與45%時(shí)的供電煤耗差

1.2 補(bǔ)汽調(diào)節(jié)閥的應(yīng)用

上汽超超臨界機(jī)組普遍配置補(bǔ)汽閥，把部分主蒸汽引入外置的補(bǔ)氣閥，該閥門結(jié)構(gòu)類似于主汽調(diào)閥，相當(dāng)于第3個(gè)調(diào)節(jié)閥。采用補(bǔ)汽閥主要有2個(gè)目的：

（1）使滑壓運(yùn)行機(jī)組在額定流量下，進(jìn)汽壓力達(dá)到額定值，彌補(bǔ)全周進(jìn)汽滑壓運(yùn)行模式下沒有用足蒸汽壓力的能力，這種能力的喪失隨設(shè)計(jì)裕量的增加而增加。

（2）在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不必通過(guò)主汽調(diào)閥的節(jié)流就具備調(diào)頻功能，可避免12～20 kJ/kWh的節(jié)流損失，而且調(diào)頻速度快（3 s以內(nèi)），具有足夠的能量?jī)?chǔ)備，在迅速增加負(fù)荷的同時(shí)，主蒸汽壓力變化?。ú坏?%），可減少鍋爐的壓力波動(dòng)。為提高大電網(wǎng)的穩(wěn)定性和調(diào)頻能力，歐盟電網(wǎng)將補(bǔ)汽閥作為推薦采用的技術(shù)之一[8-10]。

通過(guò)性能考核驗(yàn)收試驗(yàn)，分別計(jì)算了某1 000 MW機(jī)組、某660 MW機(jī)組補(bǔ)汽閥流量。從表1、表2數(shù)據(jù)可以看出，VWO（補(bǔ)汽閥全開工況）比2個(gè)主汽調(diào)閥全開工況的進(jìn)汽量高6%～8%，考慮補(bǔ)汽閥開啟，效率略有降低的因素影響，一般也可以有5%左右的靈活性收益。

目前國(guó)內(nèi)補(bǔ)汽閥的應(yīng)用現(xiàn)狀是，絕大多數(shù)機(jī)組的補(bǔ)汽閥是處于強(qiáng)制關(guān)狀態(tài)。主要原因有2個(gè)：

（1）由于機(jī)組設(shè)計(jì)通流裕量普遍偏大，在2個(gè)主汽調(diào)閥全開的情況下，機(jī)組負(fù)荷一般都超過(guò)額定負(fù)荷，而且現(xiàn)在電網(wǎng)側(cè)對(duì)機(jī)組沒有超發(fā)負(fù)荷的要求[11]。

（2）補(bǔ)汽閥補(bǔ)充的蒸汽是從第5級(jí)后混入，補(bǔ)汽閥開啟后，混入蒸汽會(huì)帶來(lái)機(jī)組振動(dòng)、軸瓦溫度高等額外問(wèn)題，所以目前補(bǔ)汽閥實(shí)際應(yīng)用不多。

該機(jī)型投入商業(yè)化運(yùn)行不斷增加，對(duì)該機(jī)型單支撐軸瓦的研究也不斷深入，特別是近期，上汽廠在某百萬(wàn)機(jī)組的補(bǔ)汽閥管道上加裝整流裝置，對(duì)補(bǔ)汽閥開啟后機(jī)組振動(dòng)有較明顯的抑制作用，而且上汽廠在1號(hào)軸瓦設(shè)計(jì)方案中，由可傾式軸瓦替代橢圓形軸瓦，有望在1號(hào)軸瓦的振動(dòng)方面有突破性的進(jìn)展。在該機(jī)型補(bǔ)汽閥開啟影響得到有效控制的情況下，可以考慮投用補(bǔ)汽閥，作為機(jī)組快速調(diào)頻，快速增加負(fù)荷的有效手段。

表1 某1 000 MW機(jī)組補(bǔ)汽閥流量特性

表2 某660 MW機(jī)組補(bǔ)汽閥流量特性

1.3 凝結(jié)水節(jié)流+低加綜合技術(shù)的應(yīng)用

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)上是通過(guò)迅速改變通過(guò)低壓加熱器（簡(jiǎn)稱低加）的凝結(jié)水流量，來(lái)瞬時(shí)改變汽輪機(jī)組相應(yīng)加熱器的抽汽量，從而實(shí)現(xiàn)快速改變機(jī)組發(fā)電負(fù)荷。其本質(zhì)上是一種利用汽輪機(jī)組蓄能技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于負(fù)荷可雙向調(diào)節(jié)、響應(yīng)快速且無(wú)需汽門節(jié)流，可以較好地解決變負(fù)荷初期響應(yīng)滯后的問(wèn)題。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已有廣泛的應(yīng)用，也是西門子公司推薦的一種調(diào)節(jié)手段。目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)發(fā)電廠也進(jìn)行過(guò)這方面的探索和研究，并已有較多的應(yīng)用實(shí)例。表3是某上汽660 MW超超臨界機(jī)組凝結(jié)水調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果匯總[12]。 圖 5—7分別為 15 s，1 min，3 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系。

表3 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻負(fù)荷特性測(cè)試的數(shù)據(jù)

圖5 15 s后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖6 1 min后負(fù)荷變化量與凝結(jié)水流量變化量的關(guān)系

圖7 3 min后負(fù)荷變化量與凝水流量變化量的關(guān)系

圖8為除氧器與熱井水位變化的關(guān)系。在凝結(jié)水節(jié)流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，為了減少凝結(jié)水流量的大幅變化對(duì)熱井、除氧器水位的影響，還可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有2種技術(shù)路線：

（1）在低加抽汽管道上安裝調(diào)門，可以通過(guò)關(guān)小調(diào)門開度來(lái)減少低加抽汽量，減少的抽汽量留在低壓缸內(nèi)繼續(xù)作功，從而達(dá)到瞬時(shí)增加負(fù)荷的目的。但是該技術(shù)路線需要在較粗的低加抽汽管道上額外裝設(shè)1個(gè)調(diào)節(jié)閥，施工難度大，投資價(jià)格高，性價(jià)比較低。

（2）在低加水側(cè)增設(shè)1路旁路調(diào)閥，入口設(shè)在軸封加熱器出口后第1級(jí)低加的進(jìn)口，出口設(shè)在除氧器前最末級(jí)低加的出口位置[13]?？梢圆糠值叵饽Y(jié)水節(jié)流對(duì)除氧器負(fù)液位的影響。部分科研機(jī)構(gòu)對(duì)此有較深入的研究，而且也已經(jīng)有實(shí)際的應(yīng)用案例。

圖8 除氧器與熱井水位變化的關(guān)系

1.4 高壓加熱器的調(diào)節(jié)應(yīng)用

高壓加熱器（簡(jiǎn)稱高加）調(diào)節(jié)的原理是當(dāng)電網(wǎng)頻率過(guò)低時(shí)，開啟給水流量調(diào)節(jié)旁路，部分給水經(jīng)旁路接至高加給水出口三通閥前，以減少進(jìn)入高加的給水量，從而減少高加抽汽量，增大汽輪機(jī)作功能力，達(dá)到增加機(jī)組出力穩(wěn)定電網(wǎng)頻率的目的[14]，熱力系統(tǒng)圖如圖9所示。

圖9 高加調(diào)節(jié)熱力系統(tǒng)

高加調(diào)節(jié)方法如果單獨(dú)作為響應(yīng)一次調(diào)頻或AGC的方法，其初始階段的負(fù)荷響應(yīng)速率較慢，但作為主汽調(diào)閥方式下調(diào)頻或者AGC的補(bǔ)充，是一種經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行方式。主汽調(diào)閥+小旁路的模式基本與增加主汽壓力0.5 MPa的調(diào)頻效果接近。

高加小旁路參與一次調(diào)頻試驗(yàn)的結(jié)果匯總下表4所示。

表4 高加小旁路一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果匯總

2 靈活性應(yīng)用的發(fā)展方向

2.1 高低旁路的應(yīng)用

旁路系統(tǒng)最早從歐洲直流爐發(fā)展而來(lái)，逐漸演變?yōu)榇笕萘繂卧?、再熱機(jī)組快速啟停的標(biāo)配。旁路系統(tǒng)可以適時(shí)地平衡鍋爐的產(chǎn)汽量和汽輪機(jī)的用汽量，穩(wěn)定鍋爐和汽輪機(jī)的運(yùn)行。旁路的設(shè)置目的契合靈活性運(yùn)行的初衷。

目前高參數(shù)、大容量中間再熱式汽輪機(jī)都配置了功能完善的旁路系統(tǒng)，高、低壓兩級(jí)串聯(lián)旁路是主流，旁路系統(tǒng)多配置為25%～40%BMCR（鍋爐最大出力工況）容量，少數(shù)有50%，甚至100%容量。能夠滿足機(jī)組靈活性運(yùn)行對(duì)負(fù)荷的要求。高低旁調(diào)閥動(dòng)作速度快，快速減負(fù)荷效果明顯。

在實(shí)際機(jī)組正常運(yùn)行中，開啟高低壓旁路，對(duì)系統(tǒng)沖擊大。而且高低旁內(nèi)漏本來(lái)就是一個(gè)運(yùn)行難題，頻繁啟停，會(huì)顯著增加旁路內(nèi)漏的幾率，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性；特別是低旁開啟后，大量高溫高壓蒸汽進(jìn)入凝汽器，影響凝汽器的安全運(yùn)行[15]。所以在旁路閥沒有技術(shù)性革命進(jìn)步的前提下，旁路參與靈活性運(yùn)行調(diào)節(jié)可操作性不強(qiáng)。

2.2 減溫水噴水調(diào)節(jié)

利用減溫水噴水調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)是速度快，過(guò)熱器減溫水、再熱汽減溫水瞬間變成過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽，有助于負(fù)荷的快速增加。臨時(shí)噴入的減溫水可以在幾秒鐘內(nèi)使得負(fù)荷增加幾個(gè)百分點(diǎn)。噴水減溫系統(tǒng)有調(diào)節(jié)閥，噴水流量可以準(zhǔn)確控制。值得注意的是，噴水減溫是汽溫調(diào)節(jié)的輔助手段，對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行影響大，特別是再熱汽減溫水的噴入，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；大量冷水進(jìn)入蒸汽系統(tǒng)，會(huì)造成鍋爐和汽輪機(jī)入口處溫度的明顯降低，增加運(yùn)行的安全隱患。

由于減溫水壓力非常高，如果頻繁使用噴水減溫，很容易造成、加劇減溫水調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)的應(yīng)用也有待于新材料、新技術(shù)的革新。

2.3 發(fā)展蓄能技術(shù)

大力發(fā)展蓄能技術(shù)，有助于機(jī)組更加有效的響應(yīng)負(fù)荷側(cè)快速變化。

2.3.1 抽水蓄能

抽水蓄能機(jī)組的最基本功能就是調(diào)峰、調(diào)頻，快速響應(yīng)負(fù)荷變化貫穿于抽水蓄能運(yùn)行的全過(guò)程。抽水蓄能機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，可以隨需要大幅度快速增加功率或減少功率，可以有效地響應(yīng)負(fù)荷的頻繁波動(dòng)，優(yōu)化負(fù)荷曲線，其主要問(wèn)題是建設(shè)選址難度較大，在國(guó)內(nèi)抽水蓄能機(jī)組比例太低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的比例[16]。

2.3.2 供熱機(jī)組蓄能

供熱機(jī)組的抽汽調(diào)節(jié)策略就是當(dāng)電網(wǎng)側(cè)有調(diào)峰需求時(shí)，供熱機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)將部分供熱負(fù)荷轉(zhuǎn)為發(fā)電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的靈活性運(yùn)行。在不影響熱用戶的前提下，充分利用供熱熱網(wǎng)蓄熱，大幅度提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速率，運(yùn)用得當(dāng)可以有效的補(bǔ)償風(fēng)電等隨機(jī)性擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組供熱工況和非供熱工況的無(wú)擾切換。

2.3.3 熱水罐蓄能

北歐等國(guó)研究的熱水罐蓄能技術(shù)就是在熱力系統(tǒng)中增加1個(gè)大型的熱水箱，在正常運(yùn)行時(shí)，為熱水箱提供加熱蒸汽，相當(dāng)于把能量先行儲(chǔ)蓄在熱水箱中，當(dāng)機(jī)組需要靈活調(diào)節(jié)時(shí)，把蓄能傳遞回?zé)崃ο到y(tǒng)中，有報(bào)道稱該熱水儲(chǔ)蓄技術(shù)較好地解決了北歐等國(guó)冬季居民洗澡的峰谷問(wèn)題[17]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)組靈活性運(yùn)行策略的深入分析，表明機(jī)組具備靈活性運(yùn)行的潛力，可以有效接納新能源電力、提高火電機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性。靈活性運(yùn)行已成為火電機(jī)組發(fā)展的必經(jīng)之路。

主汽調(diào)閥節(jié)流、補(bǔ)汽閥應(yīng)用、凝結(jié)水系統(tǒng)節(jié)流、高壓加熱器調(diào)節(jié)是上汽超超臨界機(jī)組比較成熟的靈活性運(yùn)行策略，目前都已經(jīng)有了比較成功的應(yīng)用。并展望了火電機(jī)組靈活性運(yùn)行的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)高低旁路、噴水減溫調(diào)節(jié)、蓄熱技術(shù)等進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)劣分析。

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