部俊鋒，韓慶華，吳 迪

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

二次再熱機(jī)組發(fā)電效率高，在我國(guó)“十三五”以來(lái)得到了大力發(fā)展。二次再熱機(jī)組效率的提高是通過(guò)增加了一次蒸汽的循環(huán)利用實(shí)現(xiàn)的，這也同時(shí)增加了機(jī)組的慣性，使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力弱于同容量的一次再熱機(jī)組，不利于一次調(diào)頻。從多臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)的結(jié)果看，對(duì)于電網(wǎng)下降0.1 Hz 以上的頻差，二次再熱機(jī)組增負(fù)荷的響應(yīng)性能普遍達(dá)不到考核標(biāo)準(zhǔn)的要求［1］。

隨著國(guó)家推進(jìn)構(gòu)建以新能源為主體的電力系統(tǒng)，火電機(jī)組將更多地發(fā)揮支撐和調(diào)節(jié)作用。在此新形勢(shì)下，提高二次再熱機(jī)組的一次調(diào)頻性能尤為迫切。

目前，二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻仍是通過(guò)主蒸汽調(diào)門的節(jié)流調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，這種調(diào)頻方式難以兼顧機(jī)組高效率和一次調(diào)頻增負(fù)荷補(bǔ)償能力，且單靠控制邏輯優(yōu)化無(wú)法克服這一矛盾。研究新的調(diào)頻提升策略很有必要。

利用二次再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型和某型1 000 MW二次再熱機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，量化分析該機(jī)組再熱容積慣性對(duì)一次調(diào)頻性能的負(fù)面影響。基于減少再熱容積慣性影響的思路，提出一種提升二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能的新型策略；并通過(guò)計(jì)算證明該技術(shù)策略能使二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能滿足現(xiàn)行考核標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1 二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能分析

研究對(duì)象為1 000 MW 二次再熱機(jī)組，主要參數(shù)見表1。建立其數(shù)學(xué)模型，利用通用公式計(jì)算模型中的特征參數(shù)。對(duì)照現(xiàn)行一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)機(jī)組的一次調(diào)頻性能進(jìn)行分析。

表1 某型1 000 MW二次再熱機(jī)組額定工況下參數(shù)

1.1 二次再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)DL/T 1235-2019，可構(gòu)建二次再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型如圖1［2］。

圖1 中，P為汽輪機(jī)的輸出功率；G為汽輪機(jī)的蒸汽流量，主要受主調(diào)門開度和主汽壓力影響；FVHP、FHP、FIP、FLP分別為穩(wěn)態(tài)時(shí)超高壓缸、高壓缸、中壓缸、低壓缸的功率占整機(jī)功率的百分比，一般取15%、15%、30%、40%，F(xiàn)VHP+FHP+FIP+FLP=100%；Tch為超高壓調(diào)門汽室容積時(shí)間常數(shù)；Trh1、Trh2分別為一、二次再熱系統(tǒng)容積時(shí)間常數(shù)；Tco為低壓連通管容積時(shí)間常數(shù)；λ1和λ2分別為超高壓缸和高壓缸的功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)。

圖1 二次再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.2 計(jì)算容積時(shí)間常數(shù)

Tch和Tco比Trh1和Trh2小得多，根據(jù)控制理論，二次再熱汽輪機(jī)的模型可以簡(jiǎn)化為時(shí)間常數(shù)Trh1和Trh2的二階慣性環(huán)節(jié)。

再熱容積時(shí)間常數(shù)

式中：V為再熱系統(tǒng)容積，m3；GV為額定再熱系統(tǒng)容積流量，m3/s；n為多變指數(shù)［3］。

再熱汽溫變化不大，短時(shí)間內(nèi)可視為等溫過(guò)程，則多變指數(shù)n=1；再熱蒸汽的壓力和溫度取額定工況下再熱器進(jìn)、出口蒸汽參數(shù)的平均值［4］。

根據(jù)表1，一次再熱器進(jìn)、出口蒸汽壓力和溫度的平均值為10.59 MPa 和522.5 ℃，此參數(shù)下的蒸汽比容為0.032 m3/kg；則一次再熱蒸汽的容積流量為20.8 m3/s。一次再熱系統(tǒng)（包括再熱器和管道）容積為593 m3。則根據(jù)式（1），一次再熱系統(tǒng)容積時(shí)間常數(shù)Trh1為28 s。

同樣的方法計(jì)算二次再熱系統(tǒng)容積時(shí)間常數(shù)，Trh2為13 s。

1.3 計(jì)算功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)

功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)［5］：

式中：k為過(guò)程絕熱指數(shù)，對(duì)于過(guò)熱蒸汽k=1.3。ε為汽缸排汽壓力與進(jìn)汽壓力的比值，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，超高壓缸ε≈0.35，高壓缸的ε≈0.34。

將k和ε值代入式（2）計(jì)算，超高壓缸的功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)λ1為0.98；高壓缸的功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)λ2為0.95。

1.4 1 000 MW二次再熱汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

忽略超高壓缸調(diào)門汽室和低壓連通管的容積慣性，將中、低壓缸看作一體；并將計(jì)算出的再熱系統(tǒng)容積時(shí)間常數(shù)和功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)代入圖1，就可得到1 000 MW二次再熱汽輪機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖2。

圖2 二次再熱1 000 MW汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

對(duì)圖2建立數(shù)學(xué)模型為

式（3）可知，二次再熱汽輪機(jī)進(jìn)汽變化引起的機(jī)組功率變化量P(s)中，29.7%是快速達(dá)到的，14.6%要經(jīng)過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)漸近達(dá)到，55.7%要經(jīng)過(guò)二階慣性環(huán)節(jié)漸近達(dá)到。

1.5 一次調(diào)頻性能分析

機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作后補(bǔ)償頻差所需的蒸汽變化量，在一次調(diào)頻期間可視為恒定的單位階躍量，即G（s）=1/s。將G（s）代入式（3），并進(jìn)行易于拉式反變換的運(yùn)算，則：

式（4）拉式反變換后，得出1 000 MW 二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)的時(shí)間函數(shù)：

式中：e是自然常數(shù)，e≈2.718。

根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，火電機(jī)組一次調(diào)頻的動(dòng)態(tài)性能要達(dá)到：1）15 s 內(nèi)達(dá)到75%目標(biāo)負(fù)荷，2）30 s 內(nèi)達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷，3）響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的穩(wěn)定時(shí)間小于60 s［6］。

通過(guò)式（5）分別計(jì)算考核點(diǎn)15 s、30 s、60 s 的一次調(diào)頻性能如下：

P(15)=0.458，P(30)=0.642，P(60)=0.866。

結(jié)果表明，理論蒸汽增量恒定的情況下，1 000 MW二次再熱機(jī)組在15 s、30 s、60 s時(shí)的一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)，只能分別達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的45.8%、64.2%、86.6%，滿足不了現(xiàn)行考核標(biāo)準(zhǔn)的要求。若通過(guò)增加汽輪機(jī)進(jìn)汽量使得一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)從45.8%增加到標(biāo)準(zhǔn)要求的75%，進(jìn)汽增量需比理論值增大1.6倍以上。

2 二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻增負(fù)荷性能提升策略

多臺(tái)二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)表明，單純利用主蒸汽調(diào)門節(jié)流調(diào)節(jié)，在正常的滑壓運(yùn)行方式下，對(duì)于小頻差一次調(diào)頻，機(jī)組的調(diào)節(jié)裕度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；而對(duì)于電網(wǎng)頻率下降0.1 Hz 以上的頻差，即使汽輪機(jī)主蒸汽調(diào)門快速全開，60 s 內(nèi)負(fù)荷最大增加值也難以達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的50%［7］，與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。滿足大頻差一次調(diào)頻增負(fù)荷性能達(dá)標(biāo)，二次再熱汽輪機(jī)需處于主蒸汽調(diào)門開度28%以下、主蒸汽壓力節(jié)流比在10%以上的節(jié)流狀態(tài)［8］。過(guò)小的調(diào)門開度不僅會(huì)降低機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，還會(huì)造成節(jié)流噪音和超高壓缸振動(dòng)；同時(shí)，也使機(jī)組喪失了關(guān)調(diào)門、減負(fù)荷的一次調(diào)頻能力。

因此，必須研究能輔助二次再熱機(jī)組主蒸汽調(diào)門節(jié)流調(diào)頻技術(shù)的一次調(diào)頻提升策略。

2.1 現(xiàn)有的一次調(diào)頻性能提升策略

在提升二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能的策略研究上，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員已研發(fā)了不同的輔助調(diào)頻技術(shù)，主要集中在超高壓缸補(bǔ)汽閥技術(shù)、切除低壓加熱器抽汽或凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)、切除高壓加熱器抽汽或給水旁路技術(shù)等。

這些技術(shù)策略的共同點(diǎn)都是利用機(jī)組的潛在蓄熱增加做功的蒸汽量：補(bǔ)汽閥技術(shù)可增加二次再熱汽輪機(jī)各缸的蒸汽量，切除高壓加熱器抽汽或給水旁路技術(shù)增加了高、中、低壓缸的蒸汽量，切除低壓加熱器抽汽或凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)增加了中、低壓缸的蒸汽量。通過(guò)不同程度地增加做功的蒸汽量，這些技術(shù)都能有效提高二次再熱機(jī)組的一次調(diào)頻增負(fù)荷性能。

但是，這些技術(shù)策略也增加了設(shè)備的投資，并對(duì)機(jī)組參數(shù)穩(wěn)定和設(shè)備安全產(chǎn)生負(fù)面影響：補(bǔ)汽閥投用時(shí)，噴入的蒸汽垂直于汽缸內(nèi)蒸汽流向，兩股汽流劇烈混合，會(huì)造成汽輪機(jī)1 號(hào)、2 號(hào)軸承振動(dòng)升高；切除低壓加熱器抽汽或凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)，對(duì)低壓加熱器壽命損害很大，也大幅影響除氧器、凝汽器水位；切除高壓加熱器抽汽或給水旁路技術(shù)，也會(huì)損害高壓加熱器壽命，并造成給水和主蒸汽溫度大幅下滑［9-12］。因此，這些現(xiàn)有的技術(shù)在國(guó)內(nèi)電廠都是謹(jǐn)慎使用。

2.2 新的一次調(diào)頻性能提升策略

針對(duì)二次再熱機(jī)組的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)熱力系統(tǒng)做結(jié)構(gòu)性調(diào)整，使機(jī)組在一次調(diào)頻期間，利用同樣的蒸汽量快速輸出更多的功率。主要基于以下兩方面考慮。

1）現(xiàn)行一次調(diào)頻的考核標(biāo)準(zhǔn)是中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)2013 年頒布的《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收》，而我國(guó)首臺(tái)二次再熱機(jī)組是2015年投產(chǎn)的，因此，標(biāo)準(zhǔn)中沒有考慮二次再熱機(jī)組的特殊性。對(duì)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，絕大多數(shù)一次再熱機(jī)組都能達(dá)標(biāo)，且主蒸汽調(diào)門尚有調(diào)節(jié)裕度，說(shuō)明對(duì)一次再熱機(jī)組而言，標(biāo)準(zhǔn)制定得并不嚴(yán)苛。倘若二次再熱機(jī)組能像一次再熱機(jī)組一樣參與一次調(diào)頻，其調(diào)頻性能應(yīng)能滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2）從再熱容積時(shí)間常數(shù)看，1 000 MW 二次再熱機(jī)組一次再熱系統(tǒng)慣性較大，時(shí)間常數(shù)Trh1≈28 s，從式（5）可看出：以Trh1為特征量的分項(xiàng)，系數(shù)大于1，在機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)中負(fù)作用量很大；且Trh1越大，負(fù)作用量也越大。因此，一次再熱系統(tǒng)慣性是影響二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻性能的主要因素。二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻的提升策略應(yīng)設(shè)法避開一次再熱容積慣性的影響。

基于以上考慮，提出了新的提升一次調(diào)頻性能策略，通過(guò)在二次再熱機(jī)組超高壓缸排汽管道和高壓缸排汽管道間（即一、二次再熱冷段管道間）設(shè)置旁通管道，并在管道上設(shè)置減壓閥，共同組成調(diào)頻輔助系統(tǒng)。在電網(wǎng)頻率下降0.1 Hz 以上，機(jī)組觸發(fā)一次調(diào)頻時(shí)，輔助系統(tǒng)的減壓閥快速打開，使增量蒸汽繞過(guò)一次再熱系統(tǒng)和高壓缸，經(jīng)二次再熱系統(tǒng)盡快輸送到中低壓缸，形成僅通過(guò)超高壓缸和中低壓缸、類似一次再熱機(jī)組的快速做功途徑；在電網(wǎng)頻率正?；驕p壓閥打開一定時(shí)間（比如60 s）后，關(guān)閉減壓閥，調(diào)頻輔助系統(tǒng)退出。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，一次調(diào)頻最大負(fù)荷變化量為6%額定功率，綜合考慮汽輪機(jī)各缸的功率占比及高壓缸功率零增長(zhǎng)的因素，輔助系統(tǒng)的管道容量可按照8%二次再熱蒸汽額定流量設(shè)計(jì)；減壓閥出口壓力按二次再熱系統(tǒng)安全門的動(dòng)作壓力選取。圖3 中虛線部分為增設(shè)的調(diào)頻輔助系統(tǒng)。

圖3 二次再熱機(jī)組調(diào)頻輔助系統(tǒng)

2.3 新策略下一次調(diào)頻性能分析

調(diào)頻輔助系統(tǒng)投入的情況下，可將二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻時(shí)汽輪機(jī)的做功模式作理想化處理：增量蒸汽僅通過(guò)超高壓缸和中低壓缸產(chǎn)生補(bǔ)償功率。圖2的汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為圖4。

圖4 1 000 MW汽輪機(jī)輔助調(diào)頻工況數(shù)學(xué)模型

對(duì)圖4數(shù)學(xué)模型為

將G（s）=1/s代入式（6），并進(jìn)行易于拉式反變換的運(yùn)算，則：

式（7）拉式反變換后，得出1 000 MW 二次再熱機(jī)組輔助一次調(diào)頻工況下的負(fù)荷響應(yīng)時(shí)間函數(shù)：

機(jī)組一次調(diào)頻在15 s、30 s、60 s時(shí)的負(fù)荷響應(yīng)分別為：P(15)≈0.776；P(30)≈0.927；P(60)≈0.990。

計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，在調(diào)頻輔助系統(tǒng)投用的情況下，1 000 MW 二次再熱機(jī)組雖然少了高壓缸的做功增量，僅相當(dāng)于850 MW 的一次再熱機(jī)組。但該“缺缸”運(yùn)行方式，既減小了超高壓缸后的阻力，有利于其做功和發(fā)揮功率自然過(guò)調(diào)特性，也避開了一次再熱系統(tǒng)的慣性延滯，使功率占比大、做功能力強(qiáng)的中低壓缸能盡早出力，最終使機(jī)組總功率的疊加累積速度大幅提升。在一次調(diào)頻動(dòng)作后15 s、30 s、60 s時(shí)，分別達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷的77.6%、92.7%、99.0%，滿足了考核標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4 新策略的優(yōu)點(diǎn)

新策略無(wú)須改動(dòng)機(jī)組通過(guò)主蒸汽調(diào)門調(diào)頻的原有邏輯功能，控制簡(jiǎn)單，作用單一，易于運(yùn)行人員掌握。

新策略與補(bǔ)汽閥、切除低壓加熱器抽汽或凝結(jié)水節(jié)流、切除高壓加熱器抽汽或給水旁路等調(diào)頻技術(shù)無(wú)沖突，可組合使用，共同提高二次再熱機(jī)組的深度調(diào)頻能力。

調(diào)頻輔助系統(tǒng)阻力小，能自動(dòng)從一次再熱系統(tǒng)中抽取足量的蒸汽，相當(dāng)于利用了一次再熱容積蓄熱和節(jié)流了高壓加熱器抽汽。在主蒸汽調(diào)門全開的情況下，也可與高壓旁路系統(tǒng)組成調(diào)頻通道，增加調(diào)頻蒸汽量的同時(shí)，避免了超高壓缸排汽壓力快速上升。

調(diào)頻輔助系統(tǒng)連接的是汽溫相近的一、二次再熱管道冷段，無(wú)需高溫管材，設(shè)備成本低，運(yùn)行可靠性高。

調(diào)頻輔助系統(tǒng)只在大頻差一次調(diào)頻時(shí)投用，作用時(shí)間1～2 min，不會(huì)對(duì)機(jī)組效率產(chǎn)生大的影響。

調(diào)頻輔助系統(tǒng)最多改變8%二次再熱額定蒸汽量的走向，且改變的冷蒸汽由一次再熱器加熱變?yōu)槎卧贌崞骷訜?，短時(shí)間內(nèi)對(duì)汽缸的進(jìn)汽溫度影響甚微。新策略對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響遠(yuǎn)比其他技術(shù)小，無(wú)須準(zhǔn)備額外安全措施。

3 結(jié)語(yǔ)

與一次再熱機(jī)組相比，二次再熱機(jī)組增加了一個(gè)汽缸和一次蒸汽再熱，致使負(fù)荷響應(yīng)最快的超高壓缸功率占比減少了15%；而功率占比70%左右的中低壓缸，卻因再熱容積慣性的增加，負(fù)荷響應(yīng)進(jìn)一步延緩了。二次再熱機(jī)組結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)造成其一次調(diào)頻性能較差。根據(jù)數(shù)學(xué)模型和機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)，可計(jì)算分析出1 000 MW 二次再熱機(jī)組一次再熱容積慣性是一次調(diào)頻性能差的主要因素。

通過(guò)增設(shè)輔助調(diào)頻熱力系統(tǒng)，改變一次調(diào)頻時(shí)增量蒸汽走向，避開一次再熱容積慣性的負(fù)面影響，能大幅提高二次再熱機(jī)組的動(dòng)態(tài)增負(fù)荷能力，使機(jī)組大頻差一次調(diào)頻性能達(dá)到考核標(biāo)準(zhǔn)的要求。該二次再熱機(jī)組一次調(diào)頻提升策略將技術(shù)手段從單純?cè)黾诱羝繑U(kuò)展到避開再熱容積慣性，為進(jìn)一步研究更加靈活、高效的火電機(jī)組綜合一次調(diào)頻技術(shù)開拓了思路。