游國(guó)軍，王煥敏

（1.江西贛能豐城二期發(fā)電廠，江西豐城331100；2.貴溪發(fā)電有限責(zé)任公司，江西貴溪335400）

0 引言

隨著電網(wǎng)峰谷差幅逐年增大以及清潔能源的大規(guī)模并網(wǎng)，電網(wǎng)對(duì)火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻性能及品質(zhì)的要求日益提高。為了保證發(fā)電機(jī)組的供電質(zhì)量，國(guó)網(wǎng)根據(jù)電監(jiān)會(huì)發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》（電監(jiān)市場(chǎng)〔2006〕42號(hào)）和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（電監(jiān)市場(chǎng)〔2006〕43 號(hào)）分別制定了“兩個(gè)細(xì)則”，對(duì)火電機(jī)組AGC和一次調(diào)頻的投入率，調(diào)節(jié)指標(biāo)的考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定?；谖覈?guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)電力的需求和一次能源的分布現(xiàn)實(shí)，火力發(fā)電機(jī)組在未來(lái)十年內(nèi)仍然是我國(guó)電源市場(chǎng)的主力，也是承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的主力機(jī)組[1]。因此，兼顧機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，保證機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)能力將是火電機(jī)組在新形勢(shì)下角色定位的必然選擇。

傳統(tǒng)的火電機(jī)組運(yùn)行方式優(yōu)化調(diào)整僅片面考慮機(jī)組效率最大化，即以機(jī)組熱耗率最小為原則來(lái)選取該負(fù)荷下的機(jī)組最優(yōu)進(jìn)汽壓力[2]。因此，試驗(yàn)得出的最優(yōu)運(yùn)行方式難以滿足機(jī)組實(shí)際調(diào)峰運(yùn)行的需要，甚至與電網(wǎng)調(diào)頻安全相背離。文中綜合研究汽輪機(jī)組變壓運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)特性、調(diào)頻安全特性等多因素，獲得機(jī)組在各運(yùn)行工況下最優(yōu)滑壓曲線，在保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，兼顧機(jī)組參與調(diào)頻的能力。

1 恒壓和滑壓下的負(fù)荷控制特性

汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，其功率必須與外界負(fù)荷相適應(yīng)，并保持在一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 當(dāng)外界負(fù)荷改變時(shí)，汽輪機(jī)通過(guò)能控制進(jìn)汽量的配汽機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)其出力。在不同的配汽方式下，汽輪機(jī)可以選擇不同的運(yùn)行模式，例如恒壓運(yùn)行，滑壓運(yùn)行和復(fù)合變壓運(yùn)行。 當(dāng)汽輪機(jī)在固定閥序下以固定功率水平或設(shè)定功率運(yùn)行時(shí)，主蒸汽壓力，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥位和機(jī)組負(fù)荷之間存在固有的數(shù)值關(guān)系。如圖1 所示。

機(jī)組運(yùn)行在滑壓段和定壓段的機(jī)組熱力特性是不同的。機(jī)組運(yùn)行在滑壓段時(shí)，負(fù)荷的改變主要是依靠主蒸汽的熱力參數(shù)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，汽機(jī)調(diào)門對(duì)機(jī)組負(fù)荷的作用很弱；在定壓段時(shí)，負(fù)荷的改變主要是通過(guò)汽機(jī)調(diào)門開度改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，主蒸汽的熱力參數(shù)由鍋爐的燃料量變化來(lái)維持[3]。

圖1 定壓和變壓運(yùn)行下汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力和閥位關(guān)系圖

2 火電機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)研究

根據(jù)汽輪機(jī)原理，汽輪機(jī)組配汽方式和運(yùn)行方式之所以影響變工況熱經(jīng)濟(jì)性，究其本質(zhì)，是由于汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性而導(dǎo)致的[4]。當(dāng)前，機(jī)組變壓運(yùn)行熱經(jīng)濟(jì)特性試驗(yàn)都是獲取進(jìn)汽壓力與機(jī)組熱耗率之間的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系，往往沒(méi)有考慮或者忽視調(diào)節(jié)閥閥位參數(shù)對(duì)熱經(jīng)濟(jì)的影響。其實(shí)，汽輪機(jī)組在既定配汽方式與閥門開啟順序下定功率運(yùn)行時(shí)，進(jìn)汽壓力、調(diào)節(jié)閥閥位、高壓缸相對(duì)內(nèi)效率以及機(jī)組熱耗率彼此之間存在著固有的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系。在以“調(diào)頻調(diào)峰功率”為跟蹤目標(biāo)的電網(wǎng)調(diào)度模式下，研究調(diào)節(jié)閥閥位對(duì)汽輪機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)的影響，有助于揭示汽輪機(jī)組在定功率下可行閥位區(qū)間內(nèi)機(jī)組熱耗率的連續(xù)變化趨勢(shì)，展現(xiàn)不同類型汽輪機(jī)組定功率變壓運(yùn)行的內(nèi)在固有規(guī)律。

圖2顯示了N650-24.2/566/566超臨界節(jié)流機(jī)組在90%額定負(fù)荷條件下的熱經(jīng)濟(jì)特性，該機(jī)組配備了兩個(gè)高壓主調(diào)節(jié)閥和兩個(gè)補(bǔ)汽閥。從圖2可以看出，隨主蒸汽壓力提升，汽輪機(jī)進(jìn)汽流量控制方式由補(bǔ)汽閥參與調(diào)節(jié)模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹髡{(diào)節(jié)閥純節(jié)流調(diào)節(jié)模式，機(jī)組熱耗率及高壓缸內(nèi)效率等在補(bǔ)汽閥的啟閉點(diǎn)出現(xiàn)拐點(diǎn)。由于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流特性，該機(jī)組的熱耗率隨著調(diào)節(jié)閥的閥位降低而增大，高壓缸效率也隨之降低。但也應(yīng)該看到進(jìn)汽壓力的提升幅度越大，主調(diào)門的節(jié)流蓄能將越大，這對(duì)于機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)頻響應(yīng)是有利的。

圖2 90%額定負(fù)荷下的機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)特性

3 調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻對(duì)熱耗率的影響

在恒定功率下，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)特性顯著影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平，是“網(wǎng)廠協(xié)調(diào)”的一項(xiàng)重要內(nèi)容。一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)特性不但取決于調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、還依賴于機(jī)組固有蓄熱，這在一次調(diào)頻的快速響應(yīng)中起著直接作用[5]。 圖3 顯示了在90%額定負(fù)荷工況下的主蒸汽壓力、總閥位指令和最大頻率調(diào)節(jié)能力的關(guān)系。

圖3 90%額定負(fù)荷下的機(jī)組調(diào)門閥位和調(diào)頻能力特性對(duì)應(yīng)圖

比較定功率下不同主蒸汽壓力和相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥閥位，很容易看出，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥位低于70%時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥的節(jié)流過(guò)大，一次頻率蓄能過(guò)剩。根據(jù)圖3中的主蒸汽壓力或調(diào)節(jié)閥閥位，并借助圖2，可以對(duì)因調(diào)節(jié)閥節(jié)流而引起的熱耗率變化進(jìn)行數(shù)值量化。在滿足一次調(diào)頻要求的能量存儲(chǔ)，通過(guò)熱經(jīng)濟(jì)性的必要約束來(lái)優(yōu)化主蒸汽壓力的滑壓曲線，可以避免調(diào)節(jié)閥的過(guò)度節(jié)流，有利于指導(dǎo)一次調(diào)頻工作的合理發(fā)展[6]。在這種條件下，主蒸汽壓力、調(diào)節(jié)閥閥位、機(jī)組熱耗和機(jī)組一次調(diào)頻能力之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 90%額定負(fù)荷工況下機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻特性

從圖4可以看出，當(dāng)在90%額定負(fù)荷工況下主蒸汽壓力約為23.6 MPa時(shí)，該運(yùn)行工況可以滿足6%Pe的一次調(diào)頻能力[7]。另一方面，為了確保在此工況下機(jī)組的一次調(diào)頻能力，需要將設(shè)備的總閥位命令從97%降低到約71%，機(jī)組的熱耗率從最低的7 990.4 kJ/kW·h升至8 004.0 kJ/kW·h。這對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響不容忽視。

分析機(jī)組四個(gè)月的頻率波動(dòng)數(shù)據(jù)，如表1 所示，機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作主要集中在低頻動(dòng)作（頻率波動(dòng)在±0.066 7 Hz 以內(nèi)），占比達(dá)到了95%以上。如果單一采用“調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻”或者說(shuō)“提升主蒸汽壓力曲線”方式來(lái)保證機(jī)組能夠響應(yīng)電網(wǎng)頻差波動(dòng)在±0.066 7 Hz 以上的調(diào)頻負(fù)荷要求，將給發(fā)電企業(yè)帶來(lái)不容小覷的經(jīng)濟(jì)損失[8]。

表1 四個(gè)月電網(wǎng)頻率波動(dòng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

因此，頻差波動(dòng)在±0.0667 Hz以內(nèi)的調(diào)頻負(fù)荷要求，可以將90%額定負(fù)荷工況下主蒸汽壓力設(shè)定為23.1 MPa，綜合最優(yōu)閥位在94%左右，機(jī)組的熱耗率從最低的7 990.4 kJ/kW·h 升至7 995.0 kJ/kW·h。對(duì)于頻差波動(dòng)在±0.066 7 Hz 以上的調(diào)頻負(fù)荷要求，當(dāng)電網(wǎng)頻率低需要加負(fù)荷時(shí)，通過(guò)開汽機(jī)補(bǔ)汽閥來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)電網(wǎng)頻率高需要減負(fù)荷時(shí)，通過(guò)關(guān)汽機(jī)調(diào)門來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用以“短時(shí)段”的蓄能損替代“長(zhǎng)時(shí)段”的調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻能損[9]。

4 基于經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻特性的滑壓曲線優(yōu)化

由此，為了保證機(jī)組在各種工況下的一次調(diào)頻能力，并使機(jī)組的熱耗率相對(duì)較低，在這兩個(gè)邊界約束條件下開展機(jī)組的滑壓曲線優(yōu)化工作[10]。主要流程簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：

1）將各典型負(fù)荷段下得到的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)的主蒸汽壓力和機(jī)組負(fù)荷的對(duì)應(yīng)曲線作為機(jī)組的滑壓曲線，設(shè)定為主蒸汽壓力的粗調(diào)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)模式下的主蒸汽壓力自動(dòng)跟蹤；

2）以綜合考慮機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻特性的汽輪機(jī)最優(yōu)閥位為目標(biāo)，通過(guò)改變主蒸汽壓力設(shè)定值偏置將汽輪機(jī)運(yùn)行閥位控制在最優(yōu)閥位附近。最終得到的主蒸汽壓力實(shí)際設(shè)定值可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)工況下最佳閥位的自動(dòng)鎖定，完成機(jī)組滑壓曲線的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。主蒸汽壓力優(yōu)化控制圖如圖5所示。

圖5 主蒸汽壓力設(shè)定值優(yōu)化控制圖

圖6 為機(jī)組運(yùn)行在綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻特性最優(yōu)工況下的滑壓設(shè)定值和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)滑壓曲線的對(duì)比圖。從表2 可以看出，在330 MW~550 MW 負(fù)荷區(qū)間下優(yōu)化后的主蒸汽壓力比原始值平均提高了0.54 MPa，大大提高了該負(fù)荷段下機(jī)組的儲(chǔ)能水平，機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)能力達(dá)到了電網(wǎng)調(diào)頻需求，但同時(shí)也增加了機(jī)組的熱耗率，使機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性下降[11]。

圖6 主蒸汽壓力優(yōu)化前和優(yōu)化后對(duì)比圖

表2 機(jī)組各運(yùn)行工況主蒸汽壓力優(yōu)化值

滑動(dòng)壓力曲線的優(yōu)化計(jì)算被應(yīng)用于機(jī)組的實(shí)際操作。優(yōu)化后的四個(gè)月一次調(diào)頻合格率由原來(lái)的30%左右大幅度提高到80%左右，大大減少機(jī)組因一次調(diào)頻不合格受到電網(wǎng)的考核。從結(jié)果來(lái)看，盡管優(yōu)化的運(yùn)行工況犧牲了一定的機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，但機(jī)組的一次調(diào)頻能力得到了改善，滿足電力生產(chǎn)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于帶過(guò)載補(bǔ)汽節(jié)流配汽機(jī)組，一定主調(diào)門閥位、補(bǔ)汽閥閥位對(duì)應(yīng)一定的熱經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻蓄能。為滿足機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)需求，以瞬時(shí)段的補(bǔ)汽閥開啟調(diào)頻能損來(lái)回避長(zhǎng)時(shí)段的主調(diào)節(jié)閥節(jié)流調(diào)頻能損是較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式；基于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和調(diào)頻特性，引入各典型工況下汽輪機(jī)最優(yōu)閥位對(duì)滑壓曲線的校正，開展機(jī)組滑壓曲線的優(yōu)化，由此得到的滑壓曲線既能保證機(jī)組的一次調(diào)頻能力，又可以減少由于主調(diào)閥過(guò)度節(jié)流帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。