基于“凝結水節流”的一次調頻技術在百萬二次再熱機組上的應用

馮志金

（廣東大唐國際雷州發電有限責任公司，廣東 湛江 524255）

廣東大唐國際雷州發電有限責任公司(以下簡稱雷州發電公司)2×1000MW 汽輪發電機組汽輪機采用上海電氣集團股份有限公司型號為N1000-31/600/620/620 的超超臨界、二次中間再熱、單軸、五缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機，該汽輪機采用全周進汽節流配汽方式。由于節流配汽相比調節級噴嘴配汽能提高機組額定工況下的運行效率。理論分析和性能試驗均表明其最經濟的運行方式是高壓調節門全開滑壓運行。

由于汽機調門接近全開，且超超臨界機組鍋爐蓄熱小，難以滿足電網調度對機組一次調頻的性能要求。尤其在當前特高壓電網和大規模直流輸電的背景下，一旦由于輸電線路故障，造成受電端供電負荷缺失。電網頻率快速下降，需要本地機組快速增加負荷以實現一次調頻功能。

1 凝結水節流一次調頻技術原理

為了解決百萬二次再熱機組由于汽機調門接近全開，且超超臨界機組鍋爐蓄熱小，難以滿足電網調度對機組一次調頻的性能要求的問題，通過理論研究和試驗提出了基于“凝結水節流”的一次調頻技術。凝結水節流調頻實質上是通過迅速改變通過低壓加熱器的凝結水流量來改變低壓加熱器的抽汽量，從而快速調整機組發電負荷的過程。

當電網要求快速變化負荷時，由于汽機高調門接近全開，無負荷調節裕度?，F通過改變凝結水流量，來改變低壓加熱器的抽汽量，進而來改變機組負荷。凝結水流量變化引起低壓加熱器抽汽流量改變，從而改變汽輪機做功，是凝結水參與一次調頻的基本原理。如圖1 所示。

圖1 凝結水一次調頻原理

在充分測試機組凝結水一次調頻特性，摸清凝結水流量變化后負荷的響應速度和幅度，并觀察凝結水至低壓加熱器系統中凝汽器水位、除氧器水位、各低壓加熱器水位等主要參數變化過程。以開環試驗的結果設計凝結水參與一次調頻的控制方式和邊界條件，保障凝結水參與一次調頻的有效性和安全性。

2 凝結水節流一次調頻試驗設計

2.1 凝結水負荷響應特性的開環試驗

為了驗證凝結水節流對負荷的響應時間、幅度、除氧器水位變化等特性，對雷州發電公司1 號機組開展了凝結水節流響應負荷的開環試驗。

凝結水負荷響應特性開環試驗的主要步驟是：

（1）機組退出AGC 和一次調頻功能，退出協調控制，機組處于手動方式。

（2）切除除氧器水位上水調門、凝結水泵變頻至手動狀態，維持除氧器水位穩定運行不少于10 分鐘。

（3）由運行人員通過手動快速改變除氧器上水調門或凝結水泵變頻轉速來改變機組的凝結水流量，要求凝結水流量變化在300～500t/h。記錄機組負荷、凝結水流量、除氧器水位、熱井水位參數。

（4）改變凝結水流量后，待負荷穩定或除氧器水位變化至臨界值附近，手動調整除氧器水位至正常值。試驗反復多次進行。

本次優化過程是通過凝結水負荷響應的開環試驗，確定凝結水流量變化后，負荷的響應速度和幅度，并觀察凝結水至低壓加熱器系統中凝汽器水位、除氧器水位、各低壓加熱器水位等主要參數變化過程。以開環試驗的結果設計凝結水參與一次調頻的控制方式和邊界條件，保障凝結水參與一次調頻的有效性和安全性。

2.2 凝結水節流一次調頻功能設計

從凝結水參與一次調頻過程的安全性出發，根據凝結水負荷響應的開環試驗結果，本次設計的凝結水參與一次調頻功能如下：

（1）在凝結水節流一次調頻功能按鈕投入情況下，將除氧器水位、凝汽器水位和凝結水壓力在正常范圍運行的條件，作為凝結水參與一次調頻動作的允許條件。

（2）將網頻一次調頻動作信號作為凝結水參與一次調頻動作的觸發條件。

（3）將網頻一次調頻動作信號消失、除氧器水位過低（過高）、凝器水位過高（過低）、凝結水壓力過低（過高）和運行人員手動退出按鈕作為凝結水參與一次調頻動作的復位條件。

（4）設計凝結水一次調頻回路，當凝結水參與一次調頻動作信號觸發后，自動將除氧器水位控制回路切至凝結水一次調頻回路，該回路根據調頻功率計算輸出當前除氧器上水調門（或凝泵頻率）指令下降一定量后的值，并在一次調頻結束后以一定速率返回為動作前的除氧器上水調門指令（或凝泵頻率）。當無凝結水參與一次調頻動作信號，該回路輸出跟蹤除氧器水位正常調節回路。

（5）為保證除氧器水位、凝結水壓力在一次調頻動作期間的安全控制，設計凝結水參與一次調頻間隔時間，確保不會發生短時間內凝結水參與一次調頻多次動作。

（6）考慮南方電網對機組一次調頻動作時間要求，設計凝結水參與一次調頻最多動作時間為1 分鐘。

3 凝結水節流一次調頻試驗過程

3.1 凝結水負荷響應特性可行性試驗

為了檢驗雷州發發電公司1 號機組在凝結水節流過程中，其負荷響應能力和安全運行邊界（除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等參數），特開展了凝結水一次調頻特性的可行性試驗，具體試驗過程如下（由于雷州發電公司在負荷700WM 以上采用凝泵調水位的控制方式，負荷700WM 以下采用除氧器上水調門調水位，本次開環試驗以調門為例，凝泵變頻原理相同）：

在600MW 負荷工況，將機組控制方式切至手動方式，維持凝汽器水位、除氧器水位、低加水位等參數穩定，由運行人員手動階躍下降除氧器上水調門20%，觀察負荷、除氧器水位、低加水位等參數變化。其試驗結果如表1 和圖2 所示。

表1 600MW 工況下，凝結水流量變化270t/h 時各參數變化表

圖2 600MW 工況下，凝結水變化270t/h 時負荷響應特性

根據開環試驗結果數據分析，1 號機組凝結水流量變化后負荷、除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等參數變化存在以下特點：

（1）在不同負荷工況下，凝結水流量瞬間變化超過200t/h 時，機組負荷變化的幅度和響應時間才會起到輔助一次調頻的作用。

（2）開環試驗整體過程時間均在60 秒左右，凝汽器水位和低加水位在此過程中無明顯變化，因此對于考核時間在60 秒的一次調頻過程，凝結水變化輔助一次調頻過程，凝汽器水位和低加水位的安全性運行可以得到保障。

（3）結合開環試驗結果，本次優化將凝結水參與一次調頻動作的范圍設定在凝結水流量約在200t/h～350t/h 之間，對應除氧器上水調門在15%～20%，凝泵變頻在3～5Hz。

3.2 凝結水節流參與一次調頻控制邏輯

本次優化過程，凝結水參與一次調頻動作的控制邏輯設計為三部分：凝結水一次調頻觸發回路、凝結水一次調頻復位回路和凝結水一次調頻動作回路。

結合凝結水系統的控制運行方式，根據高低負荷段上水調門和凝泵變頻的自動運行方式，自動切換上水調門和變頻作為參與凝結水調頻的方式。

3.2.1 凝結水一次調頻觸發回路

從一次調頻動作機理、凝結水調頻需要注意的相關參數安全角度考慮，本次優化過程對凝結水一次調頻觸發的條件設計如下：

（1）觸發條件（相與）：

運行人員投入按鈕；

調頻功率絕對值大于5MW，延時3 秒；

上水調門處于水位模式時，自動投入上水調門參與調頻控制；

變頻處于水位模式時，自動投入變頻參與調頻控制；

除氧器水位偏差在-200mm～200mm 之間, 延時30 秒；

除氧器水位在1800mm～2200mm 之間, 延時30 秒；

除氧器水位變化微分絕對值小于50mm（10 秒微分）；

凝結水壓力大于1.1Mpa；

除氧器水位變頻調節在自動；

凝汽器水位在800mm～150mm 之間，延時60 秒。

（2）凝結水條件觸發后，為了避免凝結水連續動作對系統的沖擊，設計了間隔5 分鐘觸發凝結水一次調頻的控制策略，并考慮電網只考核一次調頻60 秒的基本原則設計凝結水一次調頻動作信號為跟隨脈沖60s。

3.2.2 凝結水一次調頻復位回路

凝結水一次調頻復位回路主要作用是在一次調頻結束和凝結水系統出現異常問題時，及時切除凝結水一次調頻功能，保證機組運行的安全性。本次優化過程對凝結水復位條件設計如下：

復位條件（相或）：

運行人員復位按鈕；

調頻功率絕對值小于2MW；

除氧器上水調門和凝泵變頻均不在水位自動模式；

除氧器水位偏差絕對值大于280mm,延時1 秒；

除氧器水位小于1500mm 或大于2300mm；

凝結水壓力小于1.0MPa；

凝汽器液位大于1600mm 或小于700mm；

除氧器水位變頻調節在手動；

3.2.3 凝結水一次調頻動作回路

凝結水一次調頻動作回路是關鍵控制回路，本次優化過程將凝結水一次調頻動作回路的功能設計為以下幾項：

凝結水一次調頻動作前，凝結水一次調頻動作回路處于跟蹤狀態；

凝結水一次調頻動作時，原有的凝結水泵變頻控制自動由除氧器水位控制回路切至凝結水一次調頻動作回路；

凝結水一次調頻動作時，設計了凝結水變頻頻率跟隨調頻功率變化的插值函數（如表2 所示），并設置當前凝結水泵頻率指令浮動±5Hz（或上水調門指令浮動±20%）作為回路輸出的動態上限和下限，保證凝結水泵頻率在一次調頻動作時的快速響應和安全運行。

表2 調頻功率與變頻指令插值函數

凝結水一次調頻動作結束時，為了保證使凝結水系統快速恢復穩定，設計除氧器上水調門指令（或凝結水泵變頻指令）的返程控制，即快速恢復至一次調頻動作前的指令記憶值，且在邏輯設計時，設計有“快動慢回”回路。

4 優化結果

凝結水節流一次調頻技術于2020 年3 月10 在雷州發電公司1 號機組投入運行，投入后凝結水參與一次調頻動作正常，機組一次調頻考核電量由原來的每月500MWh 降為0MWh，經濟性良好，具體對比數據如表3。

表3 1 號機組優化前后一次調頻考核數據對比表

5 結論

由2020 年3 月10 日以后的一次調頻考核數據可知，雷州發電公司1 號機組經過凝結水節流一次調頻優化后，其一次調頻性能得到大幅提升，減少了1 號機組一次調頻的考核次數。因此本項目提出和實施的凝結水一次調頻技術，能很好解決超（超）臨界機組蓄熱小和高調門無調節裕度帶來的調頻性能不佳問題，值得在超超臨界百萬機組中推廣應用。