凝结水节流调节特性分析

郭　磊，刘苹稷，曾德良，秦　昊

(新能源电力系统国家重点实验室华北电力大学，北京 102206)



凝结水节流调节特性分析

郭磊，刘苹稷，曾德良，秦昊

(新能源电力系统国家重点实验室华北电力大学，北京 102206)

摘要：为了更好的保证电网安全稳定运行，传统火电机组需进一步提高其快速变负荷能力。在对汽轮机蓄能特性深度研究的基础了，提出了凝结水节流快速变负荷策略，为了保证凝结水节流系统的高效、安全利用，结合机组热经济性状态方程建立了凝结水节流系统的稳态模型，分析了不同工况下凝结水节流调节可以承担的机组功率增量及调节可持续时间，从结果中可以看出凝结水节流在快速调节过程中其可以增加约2%的当前机组功率，且可以为锅炉/汽机侧争取更多的缓冲时间，为确保机组功率的快速调节及蓄能的安全、高效利用奠定了基础。

关键词：汽轮机蓄能；凝结水节流；稳态模型

随着我国新能源电力系统的大规模发展，虽然新能源电力在我国电源结构中不足7%，但是已面临难以有效消纳的问题[1]。风电等新能源电力功率不稳定和强随机波动特性与保证电力持续稳定供应的要求形成尖锐的矛盾。因此，为了更好的保证电网安全稳定运行，平抑新能源电力对电网的影响，提高电源功率快速调节能力将是接纳大规模新能源电力的关键。而在我国的能源结构中，火电装机容量仍占据主导地位，能够快速响应风电等波动性电源的燃气及燃油发电所占比例非常低，且我国水电站的调峰能力也受到其他用水需求的限制。因此，提高火电机组快速变负荷运行能力将是我国大规模接纳新能源电力的必然选择。

传统的火电机组主要采用机炉协调控制系统对机组负荷进行调节[2-3]，但是由于受到锅炉大滞后大惯性特性的制约，机组的变负荷速率很难得到进一步提高。因此为了进一步挖掘火电机组的快速变负荷能力，许多专家学者将研究重点转移到火电机组中各个蓄能环节，通过激活机组中现有的蓄能，在短时间内提高机组的响应速率。随着对机组蓄能利用的展开，早在1992年Dörner和Welfonder提出了一种有效的控制方案来改善机组的动态响应[4]，该控制方案通过改变低压加热器抽汽阀门开度来激活存储于低压加热器中的蓄能；同年Fütterer、Lausterer等人提出了“CondensateStoppage”的概念[5]，该控制策略与Dörner等人提出的控制策略类似，通过快速关闭汽轮机低压缸抽汽蝶阀使得机组负荷得到快速的调节；此后，Lausterer在1998年对之前提出的“CondensateStoppage”方法进行了改进，提出了“CondensateThrottling”的概念[6]，在机组负荷调节过程中凝结水回路调节阀和低压缸抽汽管道调节阀同时进行节流控制。而国内对汽轮机蓄能利用的研究起步较晚，2006年姚峻、陈维和等人[7]利用凝结水节流方式对900MW超临界机组进行一次调频实验；2009年刘鑫屏、田亮等人[8]在对凝结水节流过程中汽轮机低压加热器回热系统特性分析的基础上，给出了一个凝结水节流系统经验模型；2010年李西军、赵爽等人[9]在岱海电厂进行了凝结水节流响应负荷变化的试验分析，利用试验数据了对凝结水节流方案进行了可行性分析；2013年张宝、童小忠等人[10]介绍了凝结水节流负荷特性的现场测试方法，并通过试验数据验证了凝结水节流调节产生的机组功率增量与凝结水流量的变化量成比例这一规律，在此基础上给出了凝结水节流调频潜力评估的方法。

由于凝结水节流在调节过程中不断激活和调用除氧器中的蓄能，其节流调节不仅加快了机组负荷的响应速率，但同时也对机组安全运行造成威胁。而上述文献对凝结水节流调节研究过中并没有从机理上对凝结水节流调节进行详尽的分析，因此本文将从凝结水节流作用机理着手，建立凝结水节流调节稳态计算模型，分析其在不同负荷工况下调节范围和持续时间，为保证机组的安全稳定运行、提高蓄能利用效率奠定基础。

1凝结水节流调节原理

图1所示为汽轮机汽水回热系统示意图，其汽轮机型号为660MW超临界、单轴、三缸(高中压合缸)、四排汽、一次中间再热、直接空冷凝汽式汽轮机；回热系统共配备3个高压加热器、3个低压加热器和1个除氧器。在水路循环系统中，凝结水经过凝结水泵从凝汽器热井引出后，依次经过7#低压加热器、6#低压加热器、5#低压加热器加热后汇入到除氧器，凝结水在经过各级低压加热器的过程中利用汽轮机抽汽对其进行加热。在稳态工况下，各级低压加热器存在如下的热平衡关系，即：低压加热器抽汽释放的热量和上级疏水释放的热量之和等于凝结水经过加热器后所吸收的热量。机组在凝结水节流调节过程中，如果各级加热器抽汽量保持不变，由于凝结水流量的减少，必然会导致加热器饱和温度和饱和压力升高，加热器饱和压力的升高致使各抽汽管道压差减少，进而导致各级加热器抽汽量的减少，这样回热系统才能稳定在一个新的运行工况。由于各级加热器抽汽量的减少，致使更多的蒸汽进入汽轮机中做功，从而导致汽轮机功率提升，这就是凝结水节流调节的基本原理。

图1　汽轮机汽水回热系统示意图

2凝结水节流系统稳态模型

2.1稳态模型推导

从凝结水节流调节原理分析中可以看出，通过凝结水节流方式对机组功率进行调节，其实就是随着凝结水流量的改变，各级低压加热器系统的抽汽进行重新再分配的结果，因此本节将利用热平衡状态方程[11-12]对凝结水节流调节稳态模型进行推导。在分析凝结水节流调节对机组功率影响时，只考虑进出回热系统的锅炉给水/凝结水、加热器疏水及汽轮机抽汽，而忽略汽水循环系统中其他辅助蒸汽及纯热量环节对机组功率的影响；且把每个加热器及其对应的汽轮机抽汽作为一个能量单元来处理，则根据稳态工况下加热器单元内质量守恒、能量守恒关系，即可列出每个加热器单元热平衡方程：

1#高加：

D1(h1-hd1)=Dfw(hw1-hw2)

(1)

2#高加：

D1(hd1-hd2)+D2(h2-hd2)=Dfw(hw2-hw3)

(2)

3#高加：

D1(hd2-hd3)+D2(hd2-hd3)+D3(h3-hd3)=

Dfw(hw3-hw4)

(3)

除氧器：

D1(hd3-hw4)+D2(hd3-hw4)+D3(hd3-hw4)+

D4(h4-hw4)=Dwc(hw4-hw5)

(4)

5#低加：

D5(h5-hd5)=Dwc(hw5-hw6)

(5)

6#低加：

D5(hd5-hd6)+D6(h6-hd6)=Dwc(hw6-hw7)

(6)

7#低加：

D5(hd6-hd7)+D6(hd6-hd7)+D7(h7-hd7)=

Dwc(hw7-hwc)

(7)

式中：Di表示各级加热器的抽汽量，kg/s；hi表示各级加热器的抽汽焓值，kJ/kg；Dfw表示锅炉给水流量，kg/s；Dwc表示凝结水流量，kg/s；hwi表示各级加热器给水/凝结水出口焓值，kJ/kg；hwc表示凝泵出口凝结水焓值，kg/s；Ddi表示各级加热器疏水流量，kg/s；hdi表示各级加热器疏水焓值，kJ/kg.

定义：

(1)抽汽放热量qi：

疏水自流面式加热器qi=hi-hdi，汇集式加热器qi=hi-hwi；

(2)给水焓升τi：

τi=hwi-hwi+1；

(3)疏水放热量γi：

疏水自流面式加热器γi=hdi-1-hdi，汇集式加热器γi=hdi-1-hwi.

将上述各加热器的热平衡方程整理成矩阵形式，可得：

ADi=Dττi

(8)

其中：

根据公式(8)，汽轮机各级抽汽流量可以表示为：

Di=A-1Dττi

(9)

则根据图1所示的汽轮机热力系统结构，汽轮机功率方程[12]可以表示为：

(10)

其中：

式中：Ne表示机组功率，kW；D0表示主蒸汽流量，kg/s；DBFPT表示小汽机用汽量，kg/s；h0表示主蒸汽焓值，kJ/kg；hc表示汽轮机末级排汽焓，kJ/kg；σ表示再热器焓升，kJ/kg.

在计算凝结水节流对机组功率的调节范围时，只考虑凝结水流量限制的影响，因此结合公式(9)、公式(10)，随着凝结水流量的变化，机组功率增量计算公式可以表示为：

(11)

2.2稳态模型分析和验证

表1　理论计算值与实验值对比

为了验证模型的有效性和准确性，我们利用凝结水节流实验室数据对稳态模型进行分析和验证。当机组功率为580.96MW时，凝结水流量由1 350t/h减少至875t/h时，经过15s后机组负荷上升至590.63MW，其计算结果与实验结果对比如表1所示。从表中可以发现，在利用稳态计算模型对机组功率增量进行计算时，如果我们考虑除氧器抽汽流量的改变将会使得计算结果出现较大的偏离，而不考虑除氧器抽汽流量的变化时，计算结果和实测值基本一致，这种现象主要由于除氧器较大的热惯性所导致。与其他各级低压加热器相比，除氧器具有较大的热容量，机组负荷在短短15s内就完成了爬升，在该时间段内除氧器内的饱和水温度和饱和压力并没有发生明显变化，也就是说除氧器抽汽量在短时间内并没有发生变化。因此在利用稳态模型计算机组功率增量时如果考虑了除氧器抽汽量的影响，结果则会出现大的偏离。当不考虑4抽抽汽量变化时，我们对公式(12)进行修正，其矩阵Eτ可以表示为：

(12)

3凝结水节流调节特性分析

3.1功率增量调节范围

以图1所示的汽轮机组为例，在额定工况下机组负荷为660MW、凝结水流量为1 536.913t/h.在安全操作范围内，凝结水泵的最低保护流量为440t/h，当流量低于440t/h时，凝结水再循环阀将会强制打开；而由于受到管道阻力特性及凝结水泵出力的限制，凝结水流量的最高限值为1 790t/h.因此凝结水节流作用参与机组负荷调节时，其调节能力很大程度上受到机组凝结水流量调节范围的制约。表2所示为不同负荷工况下，在凝结水流量安全调节范围内，凝结水节流系统对机组负荷的调节范围，其中功率增益系数ke表示为：

(13)

表2　不同机组负荷下凝结水节流调节范围

从表2中可以看出，高负荷工况下凝结水节流对机组功率的正向调节范围较大，这主要由于高负荷工况下凝结水节流裕度较大所致；反之，在低负荷工况下对机组功率的反向调节范围较大。通过计算功率增益系数可以发现，不同负荷工况下凝结水节流调节对机组功率的增益并不相同，其随着机组功率的降低，其功率增益系数的绝对值逐渐下降，凝结水节流对机组功率的调节作用逐渐降低。其主要是低负荷工况下中压缸及低压缸蒸汽品质较低，其做功能力较弱，因此在低负荷下相同凝结水节流量所对应的机组功率增量会明显的低于高负荷工况。

3.2凝结水节流调节持续时间

凝结水节流调节过程中需不断调用除氧器中的蓄能，对于调节作用的持续时间，其首先很大程度上受到除氧器蓄能(即：除氧器内饱和水量)的制约；其次，凝结水节流调节作用的持续时间还受到凝结水节流量以及凝结水回水速率的制约。凝结水节流量越大，除氧器中蓄能释放速率也就越快，节流调节持续时间也将越短。而当节流调节作用结束进行补水操作时，回水速率越快，则回水调节过程中蓄能释放量将减少；如果回水速率较慢，则必须更早的切除凝结水节流调节作用。因此利用凝结水节流调节方式对机组功率进行调节时，其调节作用可持续时间受到除氧器内饱和水容量、凝结水节流量以及凝结水回水速率的制约，则节流持续时间可以表示为：

≤Vhigh

(14)

式中：Vnor表示正常水位下除氧器内饱和水有效容积，m3；Vhigh表示除氧器内饱和水有效容积上限，m3；Vlow表示除氧器内饱和水有效容积下限，m3；△Dwc表示凝结水节流量，kg/s，当凝结水流量减少时△Dwc<0，当凝结水流量增大时△Dwc>0；Rwc表示凝结水回水速率，当凝结水流量上升时Rwc>0，当凝结水流量下降时Rwc<0；ρ为除氧器内饱和水密度，kg/m3；T为凝结水节流调节作用持续时间，s.

对于本文所研究的机组，其除氧器结构如图2所示，其为横卧式圆筒结构除氧器，除氧器内径为3 800mm，总长度为31 036mm，在正常运行情况下除氧器水位一般控制在2000±100mm范围内，其安全运行区间范围为(1 600mm～2 400mm).表3所示为在不同负荷工况下，初始状态下除氧器水位为2.1m，凝结水回水速率为3kg/s，凝结水节流调节处于最大出力状态下的调节持续时间。

图2　横卧式圆筒结构除氧器截面图

从表中数据可以看出，当机组处于100%额定工况下运行时，凝结水节流正向调节持续时间最短约为120s；而一般直流炉机组对功率指令的响应时间约为30s，该调节作用已足够为锅炉/汽机侧的响应争取时间；而当机组处于50%额定工况下运行时，凝结水节流反向调节持续时间最短，约为64s，该调节持续时间也远远大于锅炉/汽机侧的响应时间。因此在机组变负荷初期，可以利用凝结水节流调节作用来快速响应AGC功率指令，为锅炉/汽机侧的响应争取更多的缓冲时间。

表3　不同机组负荷下凝结水节流调节持续时间

4结论

为了提高传统燃煤火电机组快速变负荷能力，本文研究了基于汽轮机蓄能深度利用的凝结水节流控制策略。基于汽轮机回热系统热平衡状态方程，通过对凝结水节流调节机理的分析，建立了其稳态计算模型，并利用稳态计算模型对功率调节范围、功率增益系数及持续时间进行了详尽分析。在快速调节过程中其可以增加约2%的当前机组功率，且从调节持续时间中可以看出，其可以为锅炉/汽机侧争取更多的缓冲时间。通过对凝结水节流调节特性的分析，为实现汽轮机蓄能的高效安全利用奠定基础。

参考文献：

[1]刘吉臻.大规模新能源电力安全高效利用基础问题[J].中国电机工程学报，2013，33(16)：2-8.

[2]席原，刘景宾.单元机组协调控制系统研究进展[J].工业仪表与自动化装置，2012 (5)：10-16.

[3]刘保瑞，安惠欣，崔锐，等.单元机组协调控制系统研究进展[J].东北电力大学学报，2012，32(3)：6-11.

[4]DÖRNERW，WELFONDERE.Economicspinningreservepowerbycontrolledpreheateractivation[C]∥IFACSymposiumonControlofPowerPlantsandPowerSystems.1992，1：135-140.

[5]FUETTERERB，LAUSTERERGK，LEIBBRANDTSR.Improvedunitdynamicresponseusingcondensatestoppage[C]∥IFACSymposiumonControlofPowerPlantsandPowerSystems.1992，1：129-146.

[6]LAUSTERERGK.Improvedmaneuverabilityofpowerplantsforbettergridstability[J].ControlEngineeringPractice，1998，6(12)：1549-1557.

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

[8]刘鑫屏，田亮，曾德良.凝结水节流参与机组负荷调节过程建模与分析[J].华北电力大学学报，2009，36(2)：80-84.

[9]李西军，赵爽，周虹任，等.岱海电厂#1机组凝结水节流响应负荷变化试验分析[J].电站系统工程，2010，26(4)：39-41.

[10]张宝，童小忠，罗志浩，等.凝结水节流调频负荷特性测试与评估[J].浙江电力，2013，32(2)：48-51.

[11]张春发，张素香，崔映红，等.现行电力系统热经济性状态方程[J].工程热物理学报，2001，22(6)：665-667.

[12]闫顺林，曹先常.火电机组热力系统汽水分布通用矩阵方程[J].中国电机工程学报，2000，20(8)：69-73.

CharacteristicAnalysisofCondensateThrottlingAdjustmentSystem

GUOLei，LIUPing-ji，ZENGDe-liang，QinHao

(StateKeyLaboratoryofAlternatePowerSystemwithRenewableEnergySource，NorthChinaElectricPowerUniversity，Beijing102206，China)

Abstract：In order to guarantee the safe and stable operation of power grid，coal-fired power plants have to improve their quick response ability.Based on the research of turbine stored energy，condensater throttling adjustment strategy is proposed.To ensure the efficient and safety utiliation of condensate throttling system，combined with the thermodynamic state equation，a steady-state model is established.The adjustment range of the unit load and the sustainable time of condensate throttling are analyzed under different unit load condition.The results show that condensate throttling system can improve 2% current unit load quickly and strive more time for the boiler/turbine system，it can ensure the quick load adjustment，safety and efficient usage of turbie stored energy.To ensure the safety and efficiency usage of turbine-stored energy，load adjustment range and sustain time are analyzed.

Key words：Turbine Stored Energy，condensate throttling，steady-state model

收稿日期：2015-09-23

作者简介：郭磊(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为大型直流机组控制模型。

文章编号：1673-2057(2016)04-0307-06

中图分类号：TK212

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1673-2057.2016.04.012