凝结水节流技术在1 000 MW机组的应用

郑卫东，马浩，李肖肖，梁海腾，李海洋

（1.华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江台州317604；2.华能国际电力股份有限公司石洞口第一电厂，上海201900）

凝结水节流技术在1 000 MW机组的应用

郑卫东1，马浩2，李肖肖1，梁海腾1，李海洋1

（1.华能国际电力股份有限公司玉环电厂，浙江台州317604；2.华能国际电力股份有限公司石洞口第一电厂，上海201900）

随着控制技术的迅猛发展和节能减排受到高度重视，凝结水节流技术逐渐成为近几年关注的热点之一。凝结水节流技术可以在提高或者不降低机组负荷响应性能的前提下，减少汽轮机调门节流损失。介绍了凝结水节流的技术原理和凝结水节流的潜能及速度评估方法，探讨了凝结水节流技术在火电机组应用的前景和方向，同时对凝结水节流技术运用中需要注意的问题进行了分析。

超超临界；凝结水节流；控制；优化；节能减排

0 引言

在节能减排、提高发电效率的大环境下，超超临界直流机组成为火力发电厂建设的主流机组。与传统的亚临界汽包炉机组相比，超超临界直流机组蒸汽压力及温度更高，单位煤耗优势明显。但是超超临界机组锅炉蓄热少，在电网低频运行以及系统负荷需求上升时，其实际发电功率的增加速率和有效积分电量都难以满足电网的考核要求。

以浙江省内的电厂为例，近年来电网对电厂的辅助服务考核中，超超临界机组的被考核电量远多于汽包炉机组。因此迫切需要有能兼顾电网调峰调频需求与机组变负荷安全性、经济性的新技术，来弥补当前超超临界直流机组协调控制系统的缺陷，在新增燃料还没有转换成工质发电能力、锅炉蓄热又不足的情况下，加快机组功率响应。这需要从锅炉以外的热力系统寻找蓄热，来弥补超超临界直流锅炉蓄热能力的不足及传统协调控制系统的缺陷。凝结水节流响应AGC（自动发电控制）及一次调频技术正好满足这一需要。

1 凝结水节流技术原理及意义

1.1 凝结水节流技术原理

凝结水节流的主要思路是：当机组负荷指令变化，凝结水节流优化控制模块输出凝结水流量改变指令，可以提高机组对负荷的快速响应。如需要负荷增加时减小凝结水流量，因此低压加热器凝结水所需热量减少，而抽汽量暂时不变，导致低压加热器管侧出口水温上升，壳侧饱和温度和压力上升，抽汽压力与壳侧压力差变小，从而使低压缸抽汽进入低压加热器的抽汽量减少，这部分抽汽可以在低压缸中做功。虽然除氧器温度升高也有减少抽汽量的作用，但可以忽略不计。

达到改变抽汽量有3个可行手段：调整抽汽门开度、调整除氧器上水门开度、改变凝结水泵转速（假如设计了变频方式）。其中，第一种方案需要在抽汽管道上增加蒸汽调门，难度大、投资高，现场难以实施；电厂可以选择第二种或者第三种方案。由于玉环电厂进行了凝结水变频全程控制除氧器液位优化，运行中除氧器上水门全开，为了保证凝结水变频泵的节能效果，选择第三种方案，通过改变凝结水泵转速达到凝结水节流目的。

1.2 凝结水节流技术意义

燃煤机组由于制粉系统的惯性，从提高给煤机转速，到最终加热金属管壁内的汽水工质后提高蒸汽压力，需要约2.5 min。而直吹式机组AGC负荷跟随试验动态品质指标规定，机组负荷纯迟延响应时间不得超过90 s。所以在机组升负荷的开始阶段，只能依靠锅炉内的蓄热来维持机组功率上升。因此，锅炉蓄热能力的大小决定了机组升负荷开始阶段的响应速率。

在锅炉蓄热能力中起主要作用的是在锅炉管道与联箱中流动、混合的汽水工质，处于蒸发区的饱和水蒸汽的比热最大，蓄热能力最强。与汽包炉相比，超超临界直流锅炉没有重型汽包及较粗的下降管，水容积也小许多，尤其是蒸发区容积很小。因此，在相同的汽压条件下，其蓄热能力仅为汽包炉的25%~33%。

目前超超临界直流机组的协调控制系统在机组增加或减少负荷时，会在静态燃料、给水设计的基础上，增加或减少燃料量及给水量，从而加快机组功率响应的速率，但这种设计容易对锅炉燃烧产生过多的扰动，特别是燃料、给水的变化幅度较大，会引起过热汽温的剧烈变化，危害锅炉金属受热面的安全。此外，无论怎样增加燃料，都无法克服制粉系统固有的惯性，无法摆脱超超临界直流机组锅炉蓄热量少、负荷快速增加能力不强的问题。

有些超超临界直流机组为了提高机组变负荷的速率，采取提高机组滑压设定，增加汽轮机高压调门（以下简称汽机调门）节流程度的措施，从而加快变负荷初期的响应速度。但是这样增加了主蒸汽的节流损失，降低了发电机组的效率。机组运行最佳方式是在汽轮机效率特性允许下，将汽机调门尽量开大，以减少节流损失。换句话说，利用改变凝结水流量替代改变调门开度，以避免汽机调门在高效率工作点之外工作，这样就可以提高机组运行效率并减少发电损失。该技术的优点在于负荷可双向调节、响应快速且可以减少节流损失。

1.3 凝结水节流潜能及响应速度

凝结水节流的负荷特性包括2个主要参量：一是机组能够改变的最大负荷，即凝结水节流潜能；二是负荷响应速度。为了验证凝结水节流响应负荷的速度和潜能，在玉环电厂进行了多个负荷段的试验。以800 MW工况为例，在限制调门开度不变、稳定锅炉燃烧的情况下，进行了2次凝结水节流试验，一次凝结水流量从1 602 t/h下降至1 021 t/h，功率从815 MW上升至836 MW；另一次凝结水流量从1 613 t/h下降至862 t/h，功率上升迟延较小，上升后维持时间超过3 min。图1为800 MW工况下的试验曲线，负荷响应时间约为3 s，最大负荷变化与凝结水改变量相关，近似于线性关系，最大负荷持续时间大于30 s。

图1800 MW工况下凝结水节流试验曲线

2 凝结水节流技术实施

2.1 凝结水节流技术方案比较

利用凝结水节流技术改善机组调节特性，实际上有3种方案可以选择。

（1）汽机调门全开，所有负荷段利用改变凝结水流量来满足机组的负荷和一次调频的需求。该方案的优点是节能效果好；缺点是凝汽器、除氧器液位在运行中有一定的波动，变负荷能力差，影响电厂的辅助服务考核成绩。

（2）适当修改滑压曲线，汽机调门适当开大，降低节流损失，变负荷能力不足靠凝结水节流来实现。该方案进退有度，兼顾了节能和变负荷的要求，但在运行中有一定的凝汽器、除氧器液位波动，节能效果不明显。

（3）不修改滑压曲线，利用节流优化机组AGC和一次调频特性。采用该方案，机组变负荷能力加强，AGC和一次调频效果改善。但在运行中凝汽器、除氧器液位有一定的波动，节能效果没有发挥。

调门全开虽然节能效果很好，但汽机调门全开运行后，机组失去了对负荷的精确控制，AGC和一次调频的考核要求难以满足。根据有限度有保留的原则，在玉环电厂3号机组采取了第二种策略。根据试验数据优化滑压曲线，并结合夏季、冬季试验情况进行背压修正，确保不同季节、90%以下负荷时，调门保持约50%的开度，兼顾了AGC性能和节能效果。

2.2 凝结水节流与滑压优化复合型技术方案

根据1 000 MW机组升负荷难、减负荷易的特点，对凝结水节流调负荷模块进行了简化：凝结水节流响应负荷只节流，不增流，即增加负荷依靠调门和凝结水节流共同响应。在变负荷过程中，如果是减负荷，只要锅炉燃烧前馈基本得当，汽机调门从50%开度开始关闭，控制负荷的精度和时间都是有保证的。而在升负荷过程中，如果汽机调门从50%开度开始开启，一般开度到65%后，虽然汽机调门持续开大，但机组负荷增加的趋势立即变缓，如果实际主汽压力下降，很有可能出现汽机调门开大，而机组负荷降低的情况。因此玉环电厂3号机组凝结水调负荷只做节流增负荷，没有做增流降负荷。

图2为凝结水节流SAMA图，由图可知凝结水节流模块接收到负荷调节指令后，转成对应的凝结水减少流量。传统的除氧器液位控制采用三冲量调节，主调负责除氧器液位控制，副调负责凝结水母管流量控制，稳态工况下，主调输出大致与各级高压加热器至除氧器疏水流量相等。一旦凝结水节流信号触发，凝结水节流模块根据协调控制送来的负荷调节指令，转换成对应的凝结水流量减少量，保持原来的除氧器水位控制主调输出，两者叠加后形成凝结水流量控制的设定值。

图2 凝结水节流控制SAMA

为了加快凝结水节流调负荷的响应速度，对凝结水流量变化与凝结水泵转速进行折算，构成凝结水泵变频器控制凝结水流量的前馈分量。当凝结水节流动作撤出后，凝结水节流的分量按一定速率缓慢衰减至零。这是为了避免出现凝结水节流分量快速恢复，造成凝结水母管流量快速增加、机组负荷立即减小的情况，影响机组协调的负荷控制。

2.3 凝结水节流的安全策略

凝结水节流动作后，凝结水流量快速降低，除氧器水位会快速下降。另外随着凝结水流量的减小，低压加热器因为低温工质的减少，水位会上升。除了需要考虑加热器水位外，由于凝结水流量降低后，热井水位会上升，因此还要考虑热井水位。此外，凝结水精处理系统要求凝结水入口压力不得低于1.0 MPa，否则系统自动切除。

从图2可以看出，为了避免凝结水节流期间出现凝结水母管压力过低、加热器水位超标导致加热器退出等故障，在凝结水节流的设定值生成回路上，考虑凝结水母管压力、除氧器水位、热井水位的变化，如果超过一定范围，则部分抑制凝结水节流的幅度。

从凝结水节流试验的结果看，凝结水节流对除氧器液位的影响最大，其他如加热器、热井液位的控制，可以通过增加前馈和微分来改善，从而确保上述系统的液位控制在安全范围内。

为确保除氧器液位的安全，需要确定凝结水节流对除氧器液位的影响，或除氧器从不同液位下降所能提供的节流空间，可根据除氧器的物理尺寸、除氧器内饱和水的密度等进行计算，即可由液位距除氧器几何中心线的距离为变量求出。

当除氧器液位在一定范围内变化，如果液位变化范围没有超过除氧器几何中心线，则按照上述方法进行积分求解。如果液位变化超过除氧器几何中心线，则以除氧器几何中心线为界限，分成两部分求解后相加。这样就可以求出除氧器液位在任何范围内波动所产生的蓄水量体积变化，再根据实时的除氧器压力、温度参数，求出饱和水密度，最终确定凝结水节流后，凝结水流量变化量、持续时间与除氧器液位波动范围。

2.4 凝结水节流投退与持续时间

虽然根据上述计算模型可实时计算当前凝结水节流后除氧器液位波动的范围，但实际使用过程中，为确保除氧器水位控制安全，对凝结水节流的触发和持续时间做了一定的限制，凝结水节流投退逻辑如图3所示。

从图3可以看出，凝结水节流只在升负荷且汽机调门超过一定开度后才会触发，这是考虑到凝结水节流动作后，机组功率会上升，一旦实际功率上升超过功率指令，汽机调门会关小。在这个过程中，汽机调门的动作与凝结水节流都会对机组的实际功率产生影响，为了避免同时间有2个操纵量对被调对象（机组功率）产生影响，凝结水节流只在汽机调门大于一定开度（此时调门基本无节流）后才动作。

图3 凝结水节流投退逻辑

在凝结水节流动作中，一旦除氧器水位、低压加热器水位、凝汽器水位、凝结水精处理系统入口压力等越限，则凝结水节流动作立即停止。为了避免连续的凝结水节流动作导致除氧器液位大幅度下降，凝结水节流动作后要隔几分钟才能触发下一次，在这几分钟内除氧器水位恢复到正常设定值。协调控制通过锅炉的燃烧调整来弥补之前凝结水节流透支的加热器蓄热。

3 凝结水节流实施效果

根据N1000-26.25/600/600型汽轮机的调门开度与供电煤耗的关系式，以及优化前、后的汽机调门开度，计算得到相应的供电煤耗，进行比较后得到不同负荷下凝结水调频优化改造所取得的节能效果，具体数值如表1所示，煤耗变化与负荷的关系曲线如图4所示。

表1 优化改造所取得的节能效果对比

从上述分析过程可见，华能玉环发电厂3号机组实施优化改造后，在保证AGC精度的条件下，汽机调门开度变大，使得供电煤耗有一定程度降低。

4 结语

图4 优化改造所取得的节能效果

利用凝结水节流技术响应AGC一次调频具有一定的先进性，可以利用该技术改善AGC效果，也可以利用该技术进行节能运用。凝结水节流技术还有多种实现方法，可以在抽汽管道增加调门、低压加热器增加旁路等方面进行试验和探索。对大多数机组而言，凝结水节流技术具有一定的研究和应用价值。

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（本文编辑：徐晗）

Application of Condensate Throttling Technology in 1 000 MW Units

ZHENG Weidong1，MA Hao2，LI Xiaoxiao1，LIANG Haiteng1，LI Haiyang1
（1.Huaneng Yuhuan Power Plant，Taizhou Zhejiang 317604，China；2.Huaneng Shidongkou First Power Plant，Shanghai 201900，China）

With the rapid development of control technology and highly attention to energy conservation and emission reduction，condensate throttling technology gradually becomes one of the hot spots in recent years. Condensate throttling technology can reduce the throttling loss with response performance of units load improved or not decreased.This paper presents the technical principle and potential of the condensate throttling technology and velocity evaluation method；meanwhile，it discusses the prospect and direction of the condensate throttling technology in thermal power units.At last，it analyzes precautions in the application of condensate throttling technology.

ultra-supercritical；condensate throttling；control；optimization；energy conservation and emission reduction

TK39

B

1007-1881（2015）06-0039-05

2015-01-04

郑卫东（1975），男，工程师，长期从事发电厂热控专业管理工作。