基于经济性和调频特性的过载补汽机组滑压曲线优化

游国军，王焕敏

（1.江西赣能丰城二期发电厂，江西丰城331100；2.贵溪发电有限责任公司，江西贵溪335400）

0 引言

随着电网峰谷差幅逐年增大以及清洁能源的大规模并网，电网对火力发电机组调频性能及品质的要求日益提高。为了保证发电机组的供电质量，国网根据电监会发布的《发电厂并网运行管理规定》（电监市场〔2006〕42号）和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》（电监市场〔2006〕43 号）分别制定了“两个细则”，对火电机组AGC和一次调频的投入率，调节指标的考核标准进行了严格的规定。基于我国经济快速发展对电力的需求和一次能源的分布现实，火力发电机组在未来十年内仍然是我国电源市场的主力，也是承担电网调频调峰的主力机组[1]。因此，兼顾机组运行经济性，保证机组调频响应能力将是火电机组在新形势下角色定位的必然选择。

传统的火电机组运行方式优化调整仅片面考虑机组效率最大化，即以机组热耗率最小为原则来选取该负荷下的机组最优进汽压力[2]。因此，试验得出的最优运行方式难以满足机组实际调峰运行的需要，甚至与电网调频安全相背离。文中综合研究汽轮机组变压运行热经济特性、调频安全特性等多因素，获得机组在各运行工况下最优滑压曲线，在保证机组经济性的基础上，兼顾机组参与调频的能力。

1 恒压和滑压下的负荷控制特性

汽轮机运行时，其功率必须与外界负荷相适应，并保持在一定的转速运行。 当外界负荷改变时，汽轮机通过能控制进汽量的配汽机构调节其出力。在不同的配汽方式下，汽轮机可以选择不同的运行模式，例如恒压运行，滑压运行和复合变压运行。 当汽轮机在固定阀序下以固定功率水平或设定功率运行时，主蒸汽压力，汽轮机调节阀位和机组负荷之间存在固有的数值关系。如图1 所示。

机组运行在滑压段和定压段的机组热力特性是不同的。机组运行在滑压段时，负荷的改变主要是依靠主蒸汽的热力参数改变来实现，汽机调门对机组负荷的作用很弱；在定压段时，负荷的改变主要是通过汽机调门开度改变来实现，主蒸汽的热力参数由锅炉的燃料量变化来维持[3]。

图1 定压和变压运行下汽轮机进汽压力和阀位关系图

2 火电机组整体经济研究

根据汽轮机原理，汽轮机组配汽方式和运行方式之所以影响变工况热经济性，究其本质，是由于汽轮机高压调节阀的节流特性而导致的[4]。当前，机组变压运行热经济特性试验都是获取进汽压力与机组热耗率之间的数值对应关系，往往没有考虑或者忽视调节阀阀位参数对热经济的影响。其实，汽轮机组在既定配汽方式与阀门开启顺序下定功率运行时，进汽压力、调节阀阀位、高压缸相对内效率以及机组热耗率彼此之间存在着固有的数值对应关系。在以“调频调峰功率”为跟踪目标的电网调度模式下，研究调节阀阀位对汽轮机组热经济的影响，有助于揭示汽轮机组在定功率下可行阀位区间内机组热耗率的连续变化趋势，展现不同类型汽轮机组定功率变压运行的内在固有规律。

图2显示了N650-24.2/566/566超临界节流机组在90%额定负荷条件下的热经济特性，该机组配备了两个高压主调节阀和两个补汽阀。从图2可以看出，随主蒸汽压力提升，汽轮机进汽流量控制方式由补汽阀参与调节模式逐渐转变为主调节阀纯节流调节模式，机组热耗率及高压缸内效率等在补汽阀的启闭点出现拐点。由于调节阀的节流特性，该机组的热耗率随着调节阀的阀位降低而增大，高压缸效率也随之降低。但也应该看到进汽压力的提升幅度越大，主调门的节流蓄能将越大，这对于机组动态调频响应是有利的。

图2 90%额定负荷下的机组热经济特性

3 调节阀节流调频对热耗率的影响

在恒定功率下，发电机组一次调频动态特性显著影响系统的安全稳定水平，是“网厂协调”的一项重要内容。一次调频动态特性不但取决于调速系统的设计、还依赖于机组固有蓄热，这在一次调频的快速响应中起着直接作用[5]。 图3 显示了在90%额定负荷工况下的主蒸汽压力、总阀位指令和最大频率调节能力的关系。

图3 90%额定负荷下的机组调门阀位和调频能力特性对应图

比较定功率下不同主蒸汽压力和相应的调节阀阀位，很容易看出，当调节阀阀位低于70%时，由于调节阀的节流过大，一次频率蓄能过剩。根据图3中的主蒸汽压力或调节阀阀位，并借助图2，可以对因调节阀节流而引起的热耗率变化进行数值量化。在满足一次调频要求的能量存储，通过热经济性的必要约束来优化主蒸汽压力的滑压曲线，可以避免调节阀的过度节流，有利于指导一次调频工作的合理发展[6]。在这种条件下，主蒸汽压力、调节阀阀位、机组热耗和机组一次调频能力之间的关系如图4所示。

图4 90%额定负荷工况下机组经济性和调频特性

从图4可以看出，当在90%额定负荷工况下主蒸汽压力约为23.6 MPa时，该运行工况可以满足6%Pe的一次调频能力[7]。另一方面，为了确保在此工况下机组的一次调频能力，需要将设备的总阀位命令从97%降低到约71%，机组的热耗率从最低的7 990.4 kJ/kW·h升至8 004.0 kJ/kW·h。这对机组经济性的影响不容忽视。

分析机组四个月的频率波动数据，如表1 所示，机组的一次调频动作主要集中在低频动作（频率波动在±0.066 7 Hz 以内），占比达到了95%以上。如果单一采用“调节阀节流调频”或者说“提升主蒸汽压力曲线”方式来保证机组能够响应电网频差波动在±0.066 7 Hz 以上的调频负荷要求，将给发电企业带来不容小觑的经济损失[8]。

表1 四个月电网频率波动数据统计

因此，频差波动在±0.0667 Hz以内的调频负荷要求，可以将90%额定负荷工况下主蒸汽压力设定为23.1 MPa，综合最优阀位在94%左右，机组的热耗率从最低的7 990.4 kJ/kW·h 升至7 995.0 kJ/kW·h。对于频差波动在±0.066 7 Hz 以上的调频负荷要求，当电网频率低需要加负荷时，通过开汽机补汽阀来实现；当电网频率高需要减负荷时，通过关汽机调门来实现，采用以“短时段”的蓄能损替代“长时段”的调节阀节流调频能损[9]。

4 基于经济性和调频特性的滑压曲线优化

由此，为了保证机组在各种工况下的一次调频能力，并使机组的热耗率相对较低，在这两个边界约束条件下开展机组的滑压曲线优化工作[10]。主要流程简要说明如下：

1）将各典型负荷段下得到的经济指标最优的主蒸汽压力和机组负荷的对应曲线作为机组的滑压曲线，设定为主蒸汽压力的粗调函数，实现经济模式下的主蒸汽压力自动跟踪；

2）以综合考虑机组经济性和调频特性的汽轮机最优阀位为目标，通过改变主蒸汽压力设定值偏置将汽轮机运行阀位控制在最优阀位附近。最终得到的主蒸汽压力实际设定值可以实现稳态工况下最佳阀位的自动锁定，完成机组滑压曲线的动态优化。主蒸汽压力优化控制图如图5所示。

图5 主蒸汽压力设定值优化控制图

图6 为机组运行在综合考虑经济性和调频特性最优工况下的滑压设定值和经济指标最优滑压曲线的对比图。从表2 可以看出，在330 MW~550 MW 负荷区间下优化后的主蒸汽压力比原始值平均提高了0.54 MPa，大大提高了该负荷段下机组的储能水平，机组的一次调频响应能力达到了电网调频需求，但同时也增加了机组的热耗率，使机组的经济性下降[11]。

图6 主蒸汽压力优化前和优化后对比图

表2 机组各运行工况主蒸汽压力优化值

滑动压力曲线的优化计算被应用于机组的实际操作。优化后的四个月一次调频合格率由原来的30%左右大幅度提高到80%左右，大大减少机组因一次调频不合格受到电网的考核。从结果来看，尽管优化的运行工况牺牲了一定的机组经济性，但机组的一次调频能力得到了改善，满足电力生产机网协调要求。

5 结语

对于带过载补汽节流配汽机组，一定主调门阀位、补汽阀阀位对应一定的热经济性和调频蓄能。为满足机网协调需求，以瞬时段的补汽阀开启调频能损来回避长时段的主调节阀节流调频能损是较为经济的运行方式；基于机组的经济性和调频特性，引入各典型工况下汽轮机最优阀位对滑压曲线的校正，开展机组滑压曲线的优化，由此得到的滑压曲线既能保证机组的一次调频能力，又可以减少由于主调阀过度节流带来的经济损失。