凝結(jié)水調(diào)頻技術在泰州電廠的應用

許龍虎

（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

凝結(jié)水調(diào)頻技術在泰州電廠的應用

許龍虎

（華東電力設計院有限公司，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)負荷變化而引起的頻率波動，電網(wǎng)一般都要求發(fā)電機組具備在短時間內(nèi)增加或減小一定量的出力以快速響應電網(wǎng)頻率下降或上升的能力。凝結(jié)水節(jié)流參與機組負荷調(diào)節(jié)，能夠有效挖掘機組蓄能、提高負荷變化能力，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汽超超臨界二次再熱汽輪發(fā)電機組，采用主汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流進行負荷調(diào)節(jié)時節(jié)流損失很大，總結(jié)近年來凝結(jié)水節(jié)流技術在機組負荷調(diào)節(jié)上的成功經(jīng)驗，探討將該技術運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)負荷；凝結(jié)水節(jié)流；二次再熱；全周進汽。

1　概述

隨著電網(wǎng)中大容量機組數(shù)量逐漸增多和電力用戶對電能質(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)電機組尤其是大容量機組的故障跳閘等因素對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大沖擊，而電力系統(tǒng)本身的頻率響應滯后、調(diào)整能力有限，各地電網(wǎng)對區(qū)域內(nèi)并網(wǎng)發(fā)電機組的頻率響應的各項指標（包括頻率響應時間、頻率調(diào)節(jié)能力等）做了嚴格的要求。

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

為了提高機組變負荷速率特別是負荷指令變化初期的負荷跟隨性能，1992年西門子公司全面研究了機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模塊。隨后，凝結(jié)水調(diào)頻技術廣泛應用在火力發(fā)電機組尤其是采用西門子、阿爾斯通等全周進汽的歐派汽輪發(fā)電機組上。隨著2006年華東電力試驗研究院在外高橋二期成功試驗凝結(jié)水調(diào)頻，凝結(jié)水調(diào)頻技術在國內(nèi)的火力發(fā)電廠也逐步得到推廣應用。經(jīng)過近幾年的實施和檢驗，凝結(jié)水調(diào)頻技術被證明可以解決電網(wǎng)對發(fā)電機組調(diào)頻要求與發(fā)電機組變負荷經(jīng)濟性之間的矛盾。

泰州電廠二期工程汽輪機采用上海汽輪機廠提供的全周進汽超超臨界二次再熱機組，機組變負荷時主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流損失很大，而采用凝結(jié)水調(diào)頻技術可以避免這一損失。另外，隨著近年來一次能源價格攀升、資源環(huán)境壓力增加，節(jié)能減排的需求和投資性價比的優(yōu)勢促使很多國家開發(fā)和建設更高效率的二次再熱火力發(fā)電機組。中國出現(xiàn)了國電泰州、華能萊蕪、國電蚌埠、粵電惠來、華能安源、神華國華廣投北海等一大批在建或即將開建的二次再熱機組。二次再熱機組具有主要參數(shù)先進、發(fā)電效率高、環(huán)保指標優(yōu)等特點，在國內(nèi)尚未解決700℃級別超超臨界機組金屬材料的難題時，二次中間再熱技術也是目前我國最先進最高效的火力發(fā)電技術。但在二次再熱機組上運用凝結(jié)水調(diào)頻技術尚未見到相關文獻或報道。本文通過探討二項技術相結(jié)合的應用方案，為后續(xù)二次再熱機組工程的設計提供思路。

2　凝結(jié)水調(diào)頻的原理

凝結(jié)水調(diào)頻的原理是當電網(wǎng)頻率過低、要求發(fā)電機組發(fā)揮一次調(diào)頻功能或者當機組接到AGC指令時，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，從而改變汽輪機低加抽汽量，暫時獲得或釋放部分機組蓄能。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)頻是一種利用汽機回熱/加熱系統(tǒng)中蓄能的技術，利用的是汽機回熱/加熱系統(tǒng)中蓄能的變化。由于在加負荷過程中減少了機組的抽汽，而在減負荷過程中又增加了機組的抽汽，所以這種利用蓄能的技術對汽機回熱系統(tǒng)的經(jīng)濟性整體上沒有影響。在凝結(jié)水調(diào)頻過程中，負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）來代替改變汽輪機調(diào)門的開度，使得汽輪機調(diào)門節(jié)流損失大大降低，汽輪機調(diào)門能夠盡量工作在其高效率的工作點，這樣可以大大提高機組運行效率并減少機組發(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，不適宜長時間頻率切換，因此凝結(jié)水調(diào)頻主要應用節(jié)流調(diào)節(jié)。

3　工程應用

泰州電廠擴建2臺1000 MW超超臨界二次再熱火力發(fā)電機組，為了提高機組的經(jīng)濟性，實現(xiàn)節(jié)能減排，滿足電網(wǎng)對發(fā)電機組負荷響應的相關要求，應用凝結(jié)水節(jié)流技術參與機組負荷調(diào)節(jié)，具體情況如下述。

3.1機組配置

該機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、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；汽輪機采用上海汽輪機廠的全周進汽、超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓凝汽式、10級回熱抽汽汽輪機。

機組凝結(jié)水系統(tǒng)為中壓凝結(jié)水系統(tǒng)，設置兩臺100%容量調(diào)速凝結(jié)水泵，一用一備，兩臺凝結(jié)水泵電動機共用一套電氣變頻裝置；凝結(jié)水系統(tǒng)配置3臺凝結(jié)水輸送泵，啟動時向閉式冷卻水系統(tǒng)和凝結(jié)水系統(tǒng)注水或大流量補水時采用輸送泵I（2臺各300 m3/h），一用一備，正常運行向凝汽器小流量補水時采用輸送泵II（1臺70 m3/h），自流不足時自啟動。

3.2凝結(jié)水調(diào)頻能力計算

根據(jù)汽機廠提供的本工程機組熱平衡圖，可以計算低加全切時理論上能夠增加的負荷。

表1　低加切除負荷增加計算

據(jù)表1計算可知，本機組切除所有低加，短時間內(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。機組正常運行時，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，還應考慮汽輪發(fā)電機組的內(nèi)效率，本機組內(nèi)效率約為0.5065。因此，機組在600～1000 MW負荷區(qū)間內(nèi)運行時，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力約在14～27 MW左右。

3.3功能實現(xiàn)

本工程采用兩臺變頻的凝結(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)頻功能具體設計思路如下：

（1）機組啟動和低負荷運行時（定值待調(diào)試確定），變頻凝結(jié)水泵需要維持其最低轉(zhuǎn)速運行，此時凝結(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（此處因為凝結(jié)水調(diào)頻的需要，調(diào)節(jié)閥開度最大開到80% ～85%，留有機組降負荷時調(diào)節(jié)閥能繼續(xù)開大的裕量，具體設定值待調(diào)試時確定）時，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值。

（3）由于機組在低負荷區(qū)間內(nèi)運行時，凝結(jié)水調(diào)頻的最大能力很低，而且低負荷投入凝結(jié)水調(diào)頻功能時經(jīng)濟性不高，因此本工程只在機組負荷高于600 MW運行時投運凝結(jié)水調(diào)頻功能。

圖2　凝結(jié)水調(diào)頻示意圖

（4）在機組負荷高于600 MW時，凝結(jié)水調(diào)頻功能投入之前，機組凝結(jié)水系統(tǒng)處于凝結(jié)水泵變頻控制水位模式。當電網(wǎng)頻率波動要求發(fā)電機組進行負荷調(diào)整時，只對除氧器水位和凝汽器熱井水位進行高低限值保護，不進行控制。此時，將實際負荷與要求調(diào)整的目標負荷之間的偏差經(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允許的范圍內(nèi)，除氧器水位調(diào)節(jié)閥直接控制機組負荷偏差，快速響應負荷指令。當機組負荷調(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)頻率波動要求機組增加負荷時，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，增加汽輪機內(nèi)蒸汽做功，達到增加負荷的目的。此時，對凝泵出口母管壓力進行低值保護，由凝結(jié)水泵變頻來維持。當電網(wǎng)頻率波動要求機組降低負荷時，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)閥預留的10%～15%開度裕量就可以保證此時調(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荷調(diào)整初期的負荷響應速率，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負荷響應延時，機組最終的負荷響應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)來及時補充機組的蓄能，恢復系統(tǒng)平衡。因此，設計過程中還需要對鍋爐燃燒相關的控制策略進行優(yōu)化，以提高最終的負荷響應能力。

4　效果預期

由于本工程尚未正式投產(chǎn)，對于在該二次再熱機組上實現(xiàn)凝結(jié)水調(diào)頻功能的具體作用、節(jié)能效果以及對整個機組的影響還有待運行后進行驗證，本文暫從理論上對凝結(jié)水調(diào)頻功能投入后的預期效果進行分析。

（1）凝結(jié)水調(diào)頻功能的應用解決了機組蓄熱能力的不足和鍋爐燃燒調(diào)節(jié)響應滯后于機組負荷變化的問題，能夠滿足電網(wǎng)對機組一次調(diào)頻或AGC的快速響應時間要求。

（2）由于本工程采用的是上汽廠設計供貨的全周進汽超超臨界汽輪發(fā)電機組，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)流時將帶來較大的節(jié)流損失，而采用凝結(jié)水調(diào)頻技術則可以避免這種損失，提高了機組的經(jīng)濟性。

雖然凝結(jié)水調(diào)頻具有一定的快速性和經(jīng)濟性，但也存在以下問題：時間上存在局限性、除氧器和凝汽器熱井水位以及低壓加熱器水位波動頻繁或過大、除氧器水位調(diào)節(jié)閥動作頻繁增加設備損耗、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)頻是一種新的機組蓄能利用方法，能夠解決負荷調(diào)整初期的響應速度，最終的負荷響應仍然需要鍋爐燃燒率的變化，一個完整的負荷調(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組帶來多大的節(jié)能效果和經(jīng)濟效益還要等待實踐的證明。

5　結(jié)語

二次再熱火力發(fā)電技術成為目前世界最先進的火力發(fā)電技術，在安全性、可靠性、經(jīng)濟性方面具有很大的優(yōu)勢，而凝結(jié)水調(diào)頻技術可以解決電網(wǎng)對火力發(fā)電機組的調(diào)頻要求與發(fā)電機組負荷調(diào)整經(jīng)濟性之間的矛盾。在能源、環(huán)境壓力日益增加和電網(wǎng)對發(fā)電機組調(diào)頻要求日趨嚴格的情況下，將凝結(jié)水調(diào)頻技術應用到二次再熱機組上將成為今后火力發(fā)電領域的新趨勢。本文通過泰州電廠二期工程在建機組的設計經(jīng)驗提出兩項技術的相融合思路，希望對今后二次再熱火力發(fā)電機組的設計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)流參與機組負荷調(diào)節(jié)過程建模與分析［J］.華北電力大學學報，2009， 36（2）.

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

［3］ 樊晉元，謝英柏.超臨界機組完全變壓運行技術與節(jié)能分析［J］.中國電力， 2012，45（8）.

［4］ 姚峻，祝建飛，金峰.1000 MW機組節(jié)能型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計與應用［J］.中國電力，2010，43（6）.

［5］ 劉芳，田亮.凝結(jié)水節(jié)流參與機組發(fā)電負荷雙重控制方案［J］.華北電力大學學報，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計工作。