电网“强馈入弱开机”状态下1 000 MW机组新型协调控制系统开发及一次调频能力研究

单英雷 陈洪涛 华东电力试验研究院有限公司

蒋明达 大唐淮南洛河发电厂

1 前言

上海某电厂1 000 MW超超临界火力发电机组锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-2956/27.46-M534超超临界直流锅炉，单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风；汽轮机为上海汽轮机有限公司生产的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、凝汽式汽轮机，额定功率1 000 MW。机组的DCS控制系统采用艾默生公司的OVATION系统（UNIX版本），汽机DEH控制系统采用西门子公司的T3000系统。在调试期间以及投入生产初期一直采用汽机高压调门节流的CBF协调控制方式，采取这种方式，负荷响应较好，但存在主汽压波动大、汽机调门有较大节流损失等缺点[1]。考虑到汽机高压调门全开后可从3个方面提高运行经济性[2]：一是调门全开后，阀门节流损失降低，高压缸效率上升，使得汽轮机热耗率下降；由于调门全开后，主蒸汽压力下降，使得循环热效率下降，两者相抵扣，机组的经济性仍会有提高。二是由于主蒸汽压力降低，使得给水泵的耗功下降，驱动给水泵的蒸汽量（或用电量）下降，带来经济性得益。三是由于调门全开后，在同样的主蒸汽温度下，调门后的温度会上升，使得高压缸排汽温度上升，热再温度也会有所上升，对于原先热再温度偏低的机组其经济性得益不容忽视。综合3方面因素，粗略估算在AGC负荷下平均煤耗约可下降1.0g/kW.h左右。因此，为了提高机组经济性，实现节能减排，公司进行了新型节能协调控制系统的功能开发和实施，将汽机高压调门节流的CBF方式转换为汽机高压调门全开的CTF方式。新型节能协调控制系统图如图1所示。

图1 新型节能协调控制系统图

随着大容量机组在电网中比例的不断增加和用户对电能质量要求的提高，电网频率稳定性问题越来越被重视[3]。入网的发电机组一般都要求具备一次调频能力，即要求机组具备在规定的短时间内增加（或减小）一定量的负荷以响应系统频率下降（或上升）的能力，这对于快速稳定电网频率、提高电能质量是非常重要的[4]。直流锅炉由于其蓄热能力比汽包锅炉小得多，为满足机组的安全稳定运行，机组协调控制系统通常采用汽轮机跟随方式（TF），其负荷响应的初期速度较慢，机组的调频能力较差，这是直流机组的一个控制难点[5]。本文面临着同样的问题，开发的新型节能协调控制系统采用汽机高压调门全开的CTF方式，没有锅炉蓄能可用，这使得机组实现一次调频功能的难度大大增加。上海外高桥二厂尝试凝结水节流用于一次调频的试验，并取得了成功，这为我们的研究提供了可行性。

2 机组新型协调控制系统开发

2.1 负荷协调控制方式的改变

采用汽机调门全开的CTF协调控制方式，锅炉主控仍以机组负荷指令作为前馈，但不再调节主汽压偏差，而是调节负荷指令和实际负荷之间的偏差；汽机接受DCS送来的主汽压设定值，控制实际主蒸汽压力和设定值之间的偏差。通过适当降低主汽压设定值，使得汽机调门慢慢开启并维持全开状态。此时虽然汽机处于控压状态，但由于调门全开后实际上不再控制主汽压，主汽压处于“自由”波动状态。当然，如果主汽压过低，则汽机调门仍会关小维持汽压。

2.2 过载补汽阀和高压调门阀限的自动调节

由于该汽轮机配有过载补汽阀，如果补汽阀开启，新蒸汽经过补汽阀降压后从高压缸中间某级进入汽缸做功，节流损失很大，非常不经济。为此，对补汽阀的开度限制进行处理，平时阀门高限设置为0%，这样即使汽机调门主控输出的阀门指令为100%，经过阀门高限后实际有限的指令仍为0%，故补汽阀不会开启。而高压调门的阀限平时置为105%，则高压调门接受汽机调门主控的输出指令保持全开。当然，在汽机超压或者一次调频要求加负荷时，补汽阀的高限或适当放开，从而开大补汽阀；在一次调频要求减负荷时，高压调门的高限会适当下降，从而关小高压调门。通过这样的调门阀限自动处理后，实现了调门全开而补汽阀全关，使汽轮机保持在最经济的阀门状态下运行，提高机组经济性。

2.3 采用凝结水节流参与负荷调节

由于汽机高压调门全开不参与负荷调节，故对负荷控制会带来一定影响，但这种影响主要是在变负荷初期，在变负荷中后期只要锅炉状况良好，控制适当，给水、燃煤能快速响应，实际负荷一般能跟随负荷指令的变化。为了提高调门全开后变负荷初期的负荷响应能力，采用凝结水节流技术，通过改变凝结水流量来参与负荷调节，加快变负荷初期的负荷响应速度，缩短负荷响应延迟，弥补锅炉热惯性大、纯延迟长的缺点。

2.4 锅炉对象特性及控制优化

凝结水调负荷主要作用是提高变负荷初期的负荷响应，能够改善由于锅炉侧的滞后而产生的负荷响应延时，但机组最终的负荷响应仍然取决于锅炉燃烧率的变化，为此需要对锅炉控制进行优化，以提高机组整体的负荷响应能力。进行的优化工作主要有以下几个方向：修正锅炉煤水基准函数、加快给水变化速度、增加给水焓值控制的智能死区、增加锅炉煤水的智能超调等。

2.5 一次调频功能实现

在原先CBF协调方式下，DEH处于限压模式，即负荷控制方式，DEH具备一次调频投入能力。但投用新的CTF协调方式后，DEH的控制方式也相应变为初压模式，即压力控制方式，此时DEH侧原有的一次调频回路已不起作用，不再具有一次调频功能，故需重新开发新的一次调频功能。另外，由于汽机调门平时处于全开状态，需要利用凝结水节流来部分实现一次调频功能。一次调频功能实现主要有以下几个方面：（1）电网频率变化超过死区，但幅度不大时，利用凝结水节流来实现；（2）电网频率偏低一定程度，要求增加负荷时，开启过载补汽阀；（3）电网频率偏高一定程度，要求降低负荷时，关小汽机高压调门；（4）优化CCS侧的一次调频功能，加快给水响应速度，提高负荷变化能力。

3 凝结水节流技术的原理及功能实现

3.1 凝结水节流技术的原理

凝结水调负荷，是指在机组变负荷时，在凝汽器和除氧器允许的水位变化范围内，依靠回热系统加热器的自平衡能力，当凝结水量减少时，水侧温度上升，汽侧饱和温度及压力也上升，使得抽汽压差减少从而抽汽量下降，则减少的抽汽量流经汽轮机致使输出电功率增加;当凝结水流量增加时，情况正好相反，输出的电功率减少，实现凝结水节流对机组功率的调整[6]。

3.2 凝结水节流技术的实现方法

实现凝结水节流技术的关键是如何在保证机组安全运行的前提下，让原先控制凝汽器水位的凝水调门去响应机组负荷指令的变化，为此需要对凝结水系统的控制进行整体优化，包括凝汽器补水、低加水位、凝汽器水位、除氧器水位、凝结水泵最小流量等控制，以及对热井水位、除氧器水位、凝结水流量等保护定值进行梳理和必要调整。

（1）凝汽器补水控制的优化

凝汽器补水原先的控制策略是根据除氧器水位的变化来控制补水调门的开度，当除氧器水位低于一定值时凝汽器常补会开启，再低时凝汽器危补也会开启。这种策略在凝汽器和除氧器水位的变化相对平稳时是可行的，此时除氧器的水位变化可以表征凝水系统的工质多寡。但采用凝结水节流技术后，凝汽器和除氧器的水位会频繁大幅波动，只考虑除氧器水位来控制系统补水已不再适宜，而应根据凝水系统总的储水量（除氧器水位偏差与凝汽器水位偏差的加权和）变化来控制补水，即综合考虑除氧器和凝汽器的水位变化，根据两者当量水位的变化来控制补水调门的开度，当凝水系统的工质确实减少时才需要补水，否则会造成凝水工质失衡，影响机组安全运行。

（2）低加水位控制的优化

未采用凝结水节流技术时，凝结水流量一般不会快速急剧变化，低加水位的波动也在正常范围内。但当使用凝结水节流技术后，凝结水流量则会经常大幅快速变化，原先的低加水位控制会暴露出问题：当凝水流量快速增加时，低加抽汽量相应增加，低加水位升高，如低加常疏控制不当会导致危疏开启，影响回热系统效率；当凝水流量快速减少时，低加抽汽量相应减少，低加水位下降，如低加常疏控制不当会导致低加水位过低，触发低加保护，关闭抽汽电动门，影响机组正常运行。故需对低加常疏、危疏的控制逻辑进行优化（包括增加凝结水流量至低加常疏的前馈环节、优化常疏、危疏调门的PID参数等），对低加的保护、控制定值进行梳理和调整，以实现低加水位在凝水流量大幅波动时的平稳控制，避免危疏开启和低加保护动作。

（3）凝水调门控制增加负荷响应功能

凝水调门有主调门和副调门两个，原先只控制凝汽器水位。副调门只在机组启动和低负荷下使用，在机组AGC负荷范围内只是凝水主调门参与调节，而凝水副调门关闭。故实现凝结水节流的重点是凝水主调门，当然对凝水副调门也要做些优化，避免在凝汽器水位和凝结水流量大幅波动时副调门的不合适开启，从而影响凝结水节流效果。在凝水主调门原先的控制逻辑上，嵌入对机组负荷指令的响应逻辑，当凝汽器水位和除氧器水位在正常范围内变化时，凝水主调门响应负荷指令的变化，即需要加负荷时，凝水调门先关小，凝水流量下降，从而增加机组负荷，当满足一定条件后，凝水调门逐渐恢复至控制水位状态；需要减负荷时，凝水调门先开大，凝水流量上升，抽汽量增加，从而减少机组负荷，当满足一定条件后，凝水调门逐渐恢复至控制水位状态。当然，如果发生凝汽器水位或者除氧器水位越限，则凝水调门闭锁负荷调节功能，只控制凝汽器水位，确保凝汽器、除氧器水位不失控和机组安全运行。

4 一次调频模拟试验

选择950 MW和600 MW负荷点进行一次调频模拟试验，试验时分别在DCS侧和DEH侧同时模拟电网频率偏差，得出的一次调频试验结果如图2图3和图4所示。

由一次调频模拟试验结果可知：根据图3和图4的曲线可知，当凝结水调负荷和汽机调门同时参与一次调频时，完全能满足电网频率高一次调频减负荷的性能要求；根据图2的曲线可知，当凝结水调负荷和补汽阀同时参与一次调频时，也具有了较快的一次调频响应，已经能够满足上海电网对火电机组参与一次调频的技术要求，但由于蓄能有限，在要求快速增加较大负荷时，能力仍略显不足。

图2 950 MW时一次调频动作负荷增加30 MW变化曲线

图3 600 MW时一次调频动作负荷降低30 MW变化曲线

图4 950 MW时一次调频动作负荷降低30 MW变化曲线

5 结语

开发的新型协调控制系统，采用汽机高压调门全开的CTF协调控制方式，基本消除了高压调门的节流损失，提高机组运行经济性，实现了节能减排的目的；同时结合凝结水节流参与负荷调节技术和汽机调门阀限自动调节技术，实现了CTF方式下的一次调频功能，一次调频效果能够满足电网的要求，总体上说是比较成功的。但是利用凝结水调负荷技术、利用补汽阀用于一次调频，都属于新技术，对于1000MW机组参与一次调频的参数设置和控制策略还需要进一步的探讨和研究，同时还需要进一步研究一次调频新的控制方法，以满足包括极端情况[7]在内的各种工况下的一次调频功能要求。

[1]谷俊杰，李建强，高大明等.热工控制系统 [M].北京：中国电力出版社，2011.

[2]钱能，金生祥，王琪等.凝结水节流控制与经济效益分析[J].中国电力，2014，47(3)：69-73.

[3]陈小强，项 谨，魏路平等.1000MW机组一次调频性能优化[J].中国电力，2010，43(4)：63-66.

[4]姚峻， 陈维和.900 MW 超临界机组一次调频的试验和研究[J].华东电力， 2006，34(8)：84-87.

[5]沙友平，吕剑虹，张 斌.直流炉一次调频控制策略研究与应用[J].中国电力，2003，36(1)：63-66.

[6]刘芳，田亮.凝结水节流参与机组发电负荷双重控制方案[J].华北电力大学学报，2014，41(2)：66-71.

[7] 翟永杰，王 舒，陈晓霞.1000MW超超临界机组一次调频应用策略的研究与优化[J].电力科学与工程，2012，28(12)：34-38.