某余热发电机组一次调频试验问题分析

岳 良，汪 蓓

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

某城市电站配置了一套燃气-蒸汽联合循环热电联产发电机组。其中余热发电机组利用燃气轮机高温排气在余热锅炉中加热给水产生蒸汽，推动汽轮机带动一单独发电机进行发电。在对该余热发电机组进行一次调频试验过程中，调频幅值难以控制，多次试验仍不符合规范要求。

余热发电机组的热力系统结构与常规的燃煤发电机组有很大的不同，DEH逻辑结构也不及大型机组的DEH严密，本文分析了这些因素对该机组一次调频试验的影响。

1 系统及试验过程简介

该余热发电机组的锅炉为双压、无补燃、卧式、自然循环余热锅炉。其主要由低压锅筒和高压锅筒两大部分组成。高压锅筒产生高压过热蒸汽，额定蒸汽压力为5.909 MPa，额定蒸汽温度为521℃，额定蒸汽流量为192.1 t/h，低压锅筒产生低压过热蒸汽，额定蒸汽压力为0.534 MPa，额定蒸汽温度为253℃，额定蒸汽流量为34.1 t/h，低压锅筒同时兼有除氧功能。

汽轮机为LCZ60-5.8/1.0/0.589型双压带补汽、可调抽汽凝气式汽轮机。主蒸汽为高压锅筒产生的高压过热蒸汽，经高调门GV1-4进入汽轮机高压缸，补汽为低压锅筒产生的低压过热蒸汽，经补气阀由汽缸前下部11级进入汽轮机。抽汽从汽轮机第9级后抽出，额定抽汽压力1.0 MPa，额定抽汽温度296.5℃，额定抽汽流量121 t/h。

由于余热锅炉没有燃烧系统，因此该机组没有协调控制系统，汽轮机只可以工作在DEH功率模式或阀位模式，正常运行时，该汽轮机绝大部分时间工作在阀位模式。当汽轮机工作在DEH功率模式时，一次调频原理图如图1（a）所示，根据并网后汽轮机转速（即代表电网频率）与额定转速偏差计算出来的调频量叠加到功率PID的设定值处；当汽轮机工作在阀位模式时，一次调频原理图如图1（b）所示，根据并网后汽轮机转速与额定转速偏差计算出来的调频量叠加到流量总指令上。

图1 一次调频原理图Fig.1 Schematic of Primary Frequency Compensation

一次调频试验过程中，人为模拟汽轮机转速使其偏离额定转速，控制系统根据转速偏差和当前工作模式计算出调频负荷值（对应DEH功率模式）或调频流量值（对应阀位模式），最终作用在高调门上，使机组出力朝着消除转差的方向变化。

无论该余热发电机组汽轮机工作在DEH功率模式还是阀位模式，均多次进行了一次调频试验。虽然机组调频响应快速，但调频幅值难以控制。例如，在阀位控制模式、单阀运行、机组负荷54 MW情况下某次试验数据如表1所示，负荷变化实际值远远低于负荷变化目标值。

表1 54 MW一次调频试验数据记录表Tab.1 Record of Primary Frequency Compensation Test during 54 MW

2 影响因素分析

2.1 DEH逻辑结构不完善

汽轮机调节汽门作为DEH系统的主要执行机构，其流量特性偏差过大会导致一次调频的响应负荷不足或者过大[1-4]。检查该机组DEH逻辑，发现该机组没有设置流量特性曲线以对阀门的非线性进行处理，流量总指令直接作用到高调门上。高调门的流量特性是非线性的，以某厂CC350/307-24.2/4.0/0.4/566/566型汽轮机为例，根据其高调门开度-流量曲线，阀门在0.0%～31.9%范围内，线性度最好，基本为一条直线，斜率较小，当开度为31.9%时，流量达到90.4%；阀门在31.9%～58.2%范围内，有一定的线性度，且斜率较大，当开度为58.2%时，流量已经达到98.4%，接近完全通流，再往上开流量也不会有大的变化。以另一厂N300-16.7/537/537-4型汽轮机为例，该汽轮机经过改造增容至330 MW，但DEH里还是沿用改造前的流量特性曲线，导致该机组在不同的负荷点一次调频响应效果大不相同。由此可见，阀门的流量特性曲线必须设置进DEH，而且必须准确，否则，一次调频动作所叠加的流量值与负荷之间缺乏明确的对应关系，容易出现表一所示的情况，功率变化实际值与目标值相差甚远。

2.2 主汽压力形成特点

由于该余热锅炉仅依靠燃机高温尾气加热给水，并且缺乏对燃机尾气流量进行调节的手段，因此该余热锅炉完全为一随动系统，其产生蒸汽的压力和所能带动发电机的功率完全依赖燃机的当前负荷，如表2所示。

表2 燃机不同出力下锅炉参数Tab.2 Boiler Parameters under different Gas Turbine Power

由表2可以看出，当燃机负荷不高的时候，余热锅炉压力较低。此时若参与一次调频并且应对大转速偏差时，缺乏类似于常规燃煤机组的燃料调节手段，对主汽压力进行调整，因此效果较差。

2.3 补汽抽汽

一次调频只作用在GV1-4上，不会作用在补气阀上，因此当补气阀开度变化的时候，可能会对一次调频效果造成影响。另外，该机组在冬季时还承担对外供热任务，抽汽也可能对一次调频效果造成影响。选取某冬季汽机抽汽流量115 t/h工况，分析补汽和抽汽对一次调频的影响，如表3所示。

表3 汽机某抽汽工况下能量平衡计算Tab.3 Balance Calculation of an Extraction Condition

由表3可见，补汽对机组功率贡献不大，因此可以推测补气阀的开度对一次调频的影响也不大。但抽汽会使机组损失接近30%的功率，在这种情况下，因一次调频动作而进入汽轮机的额外蒸汽没有完全利用在产生电能上，可能会对一次调频效果产生大的影响。

3 结语

针对本余热机组，由于其DEH逻辑结构的不完善，压力无法自持，抽汽供热等因素的影响，其一次调频试验结果难以达到要求。

笔者认为，由于余热机组固有的特点，应在完善其DEH逻辑结构的基础上，将余热机组和燃气机组共同考虑，充分发挥燃机容量大、变负荷速度快等特点，当余热机组调频幅值不达标时，燃气机组进行补充调整，这样或许能更好地实现余热机组和燃气机组一次调频试验都达标的目的。

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