王 倩，惠文濤，呂永濤，劉 浩，高 林，常東鋒，王 偉

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超超臨界1 000 MW機組一次調(diào)頻多變量優(yōu)化策略

王 倩1，惠文濤1，呂永濤1，劉 浩1，高 林1，常東鋒2，王 偉2

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安，710054；2.西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司，陜西 西安 710054）

針對凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷技術(shù)在燃煤機組靈活性改造時存在響應(yīng)滯后10~20 s的情況，本文在某超超臨界1 000 MW機組上進(jìn)行凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷、抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷及給水分配變負(fù)荷試驗，重點分析了后兩種變負(fù)荷技術(shù)的安全性及有效性；并在傳統(tǒng)凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該機組回?zé)嵯到y(tǒng)的布置情況，提出凝結(jié)水節(jié)流與抽汽調(diào)節(jié)、給水分配變負(fù)荷技術(shù)相結(jié)合的一次調(diào)頻多變量優(yōu)化控制策略，再利用改進(jìn)的滑壓優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)一步提高機組節(jié)能潛力。一次調(diào)頻考核試驗驗證了該優(yōu)化策略的有效性和可行性，同時證明投入多變量優(yōu)化系統(tǒng)及滑壓優(yōu)化系統(tǒng)后，該機組年平均節(jié)約煤耗1.5 g/(kW·h)，節(jié)能效果顯著。

一次調(diào)頻；多變量優(yōu)化；超超臨界機組；凝結(jié)水節(jié)流；抽汽調(diào)節(jié)；給水分配；滑壓；節(jié)能

隨著風(fēng)能、太陽能等一系列清潔能源接入電力系統(tǒng)，其隨機性、波動性給電網(wǎng)的穩(wěn)定輸出帶來極大挑戰(zhàn)[1]。同時，在未來很長一段時間，我國仍將以火力發(fā)電為主。這對燃煤火電機組運行的靈活性提出更高的要求。燃煤火電機組鍋爐側(cè)的大延遲、大慣性嚴(yán)重影響機組靈活運行[2]。提高燃煤機組的一次調(diào)頻能力成為新能源電力大規(guī)模開發(fā)環(huán)境下需要不斷探索的問題。

1992年，西門子公司對機組蓄能進(jìn)行了全面研究，W. D?rner和E. Welfonder[3]針對低壓加熱器（低加）蓄能，提出可通過改變低加抽汽閥開度改善機組負(fù)荷的動態(tài)響應(yīng)。1998年，Lausterer[4]提出“凝結(jié)水節(jié)流”概念，凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷技術(shù)對凝結(jié)水回路調(diào)節(jié)閥和低加抽汽閥同時進(jìn)行節(jié)流控制來響應(yīng)機組負(fù)荷調(diào)節(jié)。近年來，凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)在國內(nèi)各種類型機組逐步推廣應(yīng)用，證明其在一次調(diào)頻和AGC響應(yīng)上的有效性[5]。2006年，姚峻等[6]在某900 MW機組上對該技術(shù)進(jìn)行變負(fù)荷效果測試并證明了其有效性。目前該項技術(shù)已在華能銅川照金電廠[7]、華能玉環(huán)電廠[8]等不同裝機容量的機組上應(yīng)用，并取得較好的一次調(diào)頻優(yōu)化效果。

胡勇等[9]在分析凝結(jié)水節(jié)流機理特征和動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒原理，給出了凝結(jié)水節(jié)流系統(tǒng)的簡化非線性動態(tài)模型；劉芳等[10]提出了雙重控制方式，并仿真驗證該方法的有效性；劉吉臻等[11]針對火電機組快速變負(fù)荷的凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)，設(shè)計了對機爐側(cè)和節(jié)流側(cè)功率進(jìn)行解耦的協(xié)調(diào)補償系統(tǒng)，以提高AGC考核指標(biāo)。但由于凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的作用機理及動態(tài)過程的限制，其在響應(yīng)時間上始終有10~20 s的滯后[12]，盡管對此進(jìn)行了大量的優(yōu)化研究，仍難以進(jìn)一步提高機組一次調(diào)頻的響應(yīng)速度，在延遲時間內(nèi)存在變負(fù)荷出力不足。

除了利用凝結(jié)水蓄能方法外，一些有效的變負(fù)荷技術(shù)也得到仿真研究或?qū)嶋H應(yīng)用。陳波等[13]基于某超超臨界1 050 MW機組進(jìn)行給水旁路調(diào)節(jié)變負(fù)荷參與一次調(diào)頻試驗，為分析機組蓄熱潛力提供了依據(jù)，但給水旁路變負(fù)荷一般需要增設(shè)高壓加熱器（高加）水側(cè)可調(diào)節(jié)旁路，涉及給水管路的改造，也存在對厚壁設(shè)備的熱沖擊等問題；徐彤等[14]分析了背壓對汽輪機一次調(diào)頻能力的影響規(guī)律，設(shè)計了背壓變化的一次調(diào)頻能力補償方案，并進(jìn)行仿真驗證，背壓與機組安全性、經(jīng)濟性有緊密聯(lián)系，故實際機組的應(yīng)用較少；吳林林等[15]提出了一種融合虛擬慣性和可變下垂控制的大容量電池儲能一次調(diào)頻控制策略，通過仿真驗證可有效降低機組頻率波動幅度，減少頻率穩(wěn)定時間，但由于該項技術(shù)成本較高，也未得到廣泛應(yīng)用。

為了安全經(jīng)濟地緩解一次調(diào)頻品質(zhì)與機組節(jié)能需求的矛盾，本文針對某超超臨界1 000 MW機組回?zé)嵯到y(tǒng)的特殊配置，提出凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷與抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷、給水分配變負(fù)荷相結(jié)合的一次調(diào)頻多變量優(yōu)化控制策略，減少了變負(fù)荷系統(tǒng)的響應(yīng)延遲時間，提升了機組的變負(fù)荷能力，提高了機組運行的經(jīng)濟性。

1 高壓加熱器變負(fù)荷技術(shù)

1.1 抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)

抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)直接通過快速改變高加抽汽調(diào)節(jié)閥開度，改變高壓加熱器系統(tǒng)的抽氣量，短時間內(nèi)使得高、中壓缸中做功的蒸汽量發(fā)生突變，達(dá)到快速變負(fù)荷的目的。

抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)本質(zhì)上仍繼承凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的原理，即通過改變抽汽量來快速變負(fù)荷。但凝結(jié)水節(jié)流通過改變凝結(jié)水流量間接影響低壓缸抽汽量，從而改變機組負(fù)荷，凝結(jié)水節(jié)流的作用對象是低壓缸抽汽，而抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)的作用對象是高壓缸抽汽，后者蒸汽品質(zhì)更高，做功能力更強，變負(fù)荷速度也更快。

1.2 給水分配變負(fù)荷技術(shù)

給水分配變負(fù)荷技術(shù)與凝結(jié)水變負(fù)荷技術(shù)類似，但由于高加、低加相對除氧器這一蓄能裝置的分布位置不同，給水分配變負(fù)荷技術(shù)與以上2種控制技術(shù)在實現(xiàn)方式上有所差別。由于機組負(fù)荷對主給水流量的限制，給水變負(fù)荷一般通過增設(shè)高加水側(cè)可調(diào)節(jié)旁路實現(xiàn)：通過快速改變通過高加的給水流量，來改變高加系統(tǒng)的抽汽量，短時間內(nèi)使高、中壓缸中做功的蒸汽量發(fā)生突變，從而達(dá)到快速變負(fù)荷的目的。與凝結(jié)水變負(fù)荷相比，高加給水分配變負(fù)荷也具有蒸汽品質(zhì)高、做功能力強的優(yōu)點。

2 優(yōu)化策略試驗

某超超臨界1 000 MW燃煤機組回?zé)嵯到y(tǒng)（圖1）包括3個高加、1個除氧器、4個低加。其中高加部分雙列布置，且在A列設(shè)置附加0號高加。0號高加抽汽取自高壓缸，設(shè)抽汽調(diào)節(jié)閥，控制0號高加壓力隨負(fù)荷變化。B列設(shè)置給水分配調(diào)節(jié)閥，控制 0號高加進(jìn)出口差壓，以此調(diào)整2列高加給水流量的合理分配。

該機組運行過程中通過主蒸汽調(diào)節(jié)閥節(jié)流響應(yīng)一次調(diào)頻，這種方式響應(yīng)速度快，但由于響應(yīng)正向一次調(diào)頻時，動作初期高壓調(diào)節(jié)閥短時間內(nèi)大幅開大，主蒸汽壓力隨之降低，而鍋爐側(cè)的大慣性又無法保證主蒸汽壓力快速回升，導(dǎo)致這種調(diào)節(jié)方式一次調(diào)頻響應(yīng)后期可能出現(xiàn)出力不足的情況。尤其在機組低負(fù)荷運行情況下。機組進(jìn)行正向一次調(diào)頻響應(yīng)時，需要預(yù)先適當(dāng)關(guān)小主蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行蓄能，才能夠滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻考核指標(biāo)，但該過程明顯造成節(jié)流損失的增加，降低了機組效率，機組運行經(jīng)濟性差。

對此，本文在傳統(tǒng)凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)基礎(chǔ)上，針對某超超臨界1 000 MW機組回?zé)嵯到y(tǒng)的特殊布置，在控制邏輯中加入抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷及給水分配變負(fù)荷技術(shù)，以提高機組靈活性，并進(jìn)一步挖掘深度滑壓節(jié)能效果。

圖1 某超超臨界1 000 MW機組回?zé)嵯到y(tǒng)

2.1 抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷試驗

抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)主要是針對0號高加來實現(xiàn)。0號高加自高壓缸抽汽，設(shè)抽汽調(diào)節(jié)閥，控制0號高加壓力，壓力設(shè)定值隨負(fù)荷變化。

對該超超臨界1 000 MW機組在鍋爐與汽輪機均手動控制情況下進(jìn)行0號抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷試驗，通過動態(tài)改變0號高加抽汽調(diào)節(jié)閥開度，獲得其與機組負(fù)荷的變化曲線（圖2）。由圖2可見，機組負(fù)荷與0號高加抽汽調(diào)節(jié)閥開度（表示0號高加壓力）呈反向波動趨勢，表明可通過改變0號高加壓力短時間內(nèi)快速改變機組負(fù)荷。統(tǒng)計抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷響應(yīng)滯后時間，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間為調(diào)節(jié)閥開度開始變化后首次出現(xiàn)負(fù)荷正確響應(yīng)且5 s內(nèi)無負(fù)荷反向波動的初始時間與調(diào)節(jié)閥變化初始時間的差值，結(jié)果見表1，其中數(shù)據(jù)采樣時間為1 s。

圖2 典型工況下抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷特性

表1 抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷響應(yīng)滯后時間

Tab.1 The delay time of high pressure heater extraction load-adjustment at different loads

由表1可見，抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷響應(yīng)滯后時間平均約2 s，遠(yuǎn)小于凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷滯后時間，可改善凝結(jié)水變負(fù)荷技術(shù)在響應(yīng)初期出力不足的情況。

0號高加壓力隨機組實際負(fù)荷變化而變化，作為A列最后一級高壓加熱系統(tǒng)，其運行狀態(tài)對機組運行參數(shù)有直接影響。0號高加壓力若短時間內(nèi)降低超過一定值，會引起其中蒸汽飽和壓力大幅降低而導(dǎo)致水側(cè)沸點降低，甚至出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象，嚴(yán)重影響汽輪機安全。故在抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷技術(shù)實施中，需嚴(yán)格控制0號高加壓力在合理、安全范圍內(nèi)變化。

鑒于高加抽汽調(diào)節(jié)所具備的變負(fù)荷潛力，同時考慮其安全性，本文采用抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷控制方法以0號高加壓力為控制對象，根據(jù)機組實際負(fù)荷及變負(fù)荷偏置（包括一次調(diào)頻）對其進(jìn)行修正，實現(xiàn)快速升降負(fù)荷的目的，其控制原理如圖3所示。

圖3 抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷控制原理

2.2 給水分配變負(fù)荷試驗

該超超臨界1 000 MW機組2列加熱系統(tǒng)的級數(shù)不同，相同流量的給水僅布置在1號、2號、3號高加的B列和0號高加的A列，這樣帶走的高壓缸抽汽熱量會有所差異。給水分配變負(fù)荷就是利用2列高加水側(cè)流量變化引起的熱耗差來輔助負(fù)荷快速升降。A、B 2列的給水流量由安裝在B列高加出口的給水分配調(diào)節(jié)閥進(jìn)行合理分配，其控制對象為0號高加水側(cè)進(jìn)出口差壓。

為了確保給水分配調(diào)節(jié)閥的開度變化不對機組運行造成強烈的擾動，在鍋爐和汽輪機均手動控制情況下對該機組進(jìn)行給水分配變負(fù)荷試驗，通過動態(tài)改變給水分配調(diào)節(jié)閥開度，得到典型工況下給水分配變負(fù)荷特性（圖4）。由圖4可見，給水分配調(diào)節(jié)閥開度快速減小時，機組負(fù)荷整體呈上升趨勢，反之亦然，故可利用給水分配調(diào)節(jié)閥開度的短時變化來實現(xiàn)負(fù)荷的快速升降。

圖4 典型工況下給水分配變負(fù)荷特性

機組正常運行過程中，升負(fù)荷階段，主給水流量增加，給水分配調(diào)節(jié)閥隨負(fù)荷增大而關(guān)小，使 2列高加給水流量均合理增大。投入給水分配變負(fù)荷調(diào)節(jié)后，升負(fù)荷階段，0號高加前后差壓設(shè)定值加入一個負(fù)向偏置，減弱給水分配調(diào)節(jié)閥原本的關(guān)小趨勢，將升負(fù)荷增加的總給水流量更多地分配至抽汽級數(shù)少的B列，以減少總流量增加帶來的高加整體抽汽量的增加幅度。降負(fù)荷階段也是如此。該機組給水分配變負(fù)荷試驗結(jié)果見表2。由表2可見：機組負(fù)荷不變時，0號高加差壓變化及高加出口給水溫度變化隨給水分配調(diào)節(jié)閥開度變化的增大而增大；給水分配閥開度變化相當(dāng)時，若機組負(fù)荷較高，0號高加差壓變化也較大，高加出口給水溫度變化較小。在機組50%負(fù)荷，給水分配調(diào)節(jié)閥開度變化11.2%時，高加出口給水溫度變化1.5 ℃。在控制邏輯中設(shè)置合理的差壓偏置，可將高加出口水溫變化最大值控制在±2 ℃左右，不會對系統(tǒng)造成較大的不利擾動。

表2 某超超臨界1 000 MW機組給水分配變負(fù)荷試驗結(jié)果

Tab.2 Test result of feedwater distribution load-adjustment for an ultra supercritical 1 000 MW unit

結(jié)合試驗效果，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下，本文提出給水分配變負(fù)荷控制方法，以0號高加水側(cè)前后差壓為控制目標(biāo)，根據(jù)機組負(fù)荷及變負(fù)荷偏置（包括一次調(diào)頻）對其進(jìn)行一定范圍內(nèi)的修正，實現(xiàn)輔助快速變負(fù)荷的目的，其控制原理如 圖5所示。

圖5 給水分配變負(fù)荷控制原理

3 節(jié)能效果分析

發(fā)電機組的一次調(diào)頻響應(yīng)指標(biāo)與低節(jié)流損失之間相互矛盾。在節(jié)能優(yōu)化時，要充分考慮優(yōu)化所帶來的變負(fù)荷能力的制約。高林等提出的深度滑壓節(jié)能控制[16]建立在凝結(jié)水有限的變負(fù)荷能力上。本文在傳統(tǒng)的凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的基礎(chǔ)上，運用抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷及給水分配變負(fù)荷技術(shù)，提升了機組一次調(diào)頻響應(yīng)能力，并利用0號高加壓力及差壓對深度滑壓優(yōu)化曲線加以改進(jìn)，進(jìn)一步合理挖掘機組節(jié)能潛力，其控制原理如圖6所示。

圖6 改進(jìn)的滑壓優(yōu)化控制原理

該超超臨界1 000 MW機組所在區(qū)域電網(wǎng)對一次調(diào)頻考核要求機組一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)在0~15 s、0~30 s、0~45 s必須分別達(dá)到0.4、0.6、0.7。

機組投入多變量及改進(jìn)的滑壓優(yōu)化系統(tǒng)，分別在50%、60%、70%、80%、90%負(fù)荷下對該機組進(jìn)行一次調(diào)頻升負(fù)荷測試，記錄并計算不同負(fù)荷下機組高壓調(diào)節(jié)閥開度變化和一次調(diào)頻指數(shù)（表3）。

表3 優(yōu)化后機組不同負(fù)荷下一次調(diào)頻考核試驗結(jié)果

Tab.3 The primary frequency modulation test result of the unit at different loads after optimization

由表3可見，投入多變量及改進(jìn)的滑壓優(yōu)化系統(tǒng)前后，不同負(fù)荷下，一次調(diào)頻響應(yīng)能力基本相當(dāng)，滿足電網(wǎng)考核的積分電量要求，且有較大裕量，同時，高壓調(diào)節(jié)閥開度平均增大4.34%，節(jié)流損失明顯減小，機組效率顯著提高。

4 結(jié) 論

本文提出的凝結(jié)水節(jié)流變負(fù)荷與抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷、給水分配變負(fù)荷相結(jié)合的多變量及改進(jìn)的滑壓優(yōu)化策略，可將多變量變負(fù)荷響應(yīng)一次調(diào)頻的滯后時間縮短至2~6 s，提高了機組一次調(diào)頻指標(biāo)；高加抽汽調(diào)節(jié)變負(fù)荷提升了多變量系統(tǒng)的變負(fù)荷能力，結(jié)合智能滑壓節(jié)能技術(shù)，減少了機組的節(jié)流損失，每臺機組年平均節(jié)約煤耗約為1.5 g/(kW·h)。證明了抽汽調(diào)節(jié)、給水分配與凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)相結(jié)合的多變量一次調(diào)頻優(yōu)化策略的有效性及可行性。

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Multivariable optimization strategy of primary frequency modulation for an ultra-supercritical 1 000 MW unit

WANG Qian1, HUI Wentao1, LYU Yongtao1, LIU Hao1, GAO Lin1, CHANG Dongfeng2, WANG Wei2

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China; 2. Xi’an TPRI Energy Conservation Technology Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

The condensate throttling varying load technology has a response lag of 10~20 s during the flexible retrofit of coal-fired units, to solve this problem, the condensate throttling test, high pressure heater extraction adjustment test and feedwater distribution tests on an ultra-supercritical 1 000 MW unit were carried out. Especially, the security and effectiveness of the last two load-changing methods were analyzed in detail. Combining the conventional condensate throttling technology with the special layout of the regenerative system of this unit, a multivariable optimization strategy of primary frequency modulation including condensate throttling, extraction adjustment and feedwater distribution was proposed. Moreover, the improved sliding pressure optimization system was used to further improve the energy saving potential of the unit. Through the primary frequency modulation assessment test, the effectiveness and feasibility of the improved strategy was proved. The experiment proves that, after the multivariable optimization system and sliding pressure optimization system was put into service, the annual average coal consumption of the unit decreased by 1.5 g/(kW·h), indicating the energy saving effect is dramatic.

primary frequency modulation, multivariable optimization, ultra supercritical unit, condensate throttling, extraction adjustment, feedwater distribution, sliding pressure, energy saving

TM621；TK323

B

10.19666/j.rlfd.201804114

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2018-04-24

王倩(1989—)，女，碩士，工程師，主要研究方向為燃煤機組優(yōu)化控制技術(shù)，wangqianxian@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）