超超临界二次再热机组不同调频方式特性比较研究

2021-04-08荆雨田段立强田李果

华北电力大学学报(自然科学版) 2021年2期

荆雨田，段立强，田李果

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0 引言

近年来随着新能源开发规模不断增大，火电机组的整体占比及利用小时数有了明显的降低。然而新能源具有波动性、间歇性等特点，对于电网整体的安全稳定性有着负面影响。为了解决此矛盾需要火电机组承担调峰任务，甚至长时间处于深度调峰状态，然而我国火电机组的整体调峰能力较低[1]，需要提高火电机组灵活性。

二次再热机组以其参数高、效率高、低排放等特点成为近年来燃煤机组中的主要发展方向，但二次再热机组的一次调频能力明显弱于一次再热机组[2]，故寻找提高二次再热机组调频能力的方法是首要任务[3]。

本文采用Ebsilon仿真软件对某660 MW超超临界二次再热机组进行建模，在此基础上分析高加旁路、高压缸前补气阀、凝结水节流调频特性。以往对于高加旁路调频的研究或着眼于单独的切除某一级加热器[4]或着眼于高加混合旁路及大旁路[5]，没有进行对高加旁路调频方式的完整对比。对于补气阀调节目前的研究还较少，更多的是系统层面的分析[6]。凝结水节流调频近年来的研究较为完善，但以超超临界二次再热机组为对象的研究很少。尤其在以往的研究中很少对不同类型调频方式进行直接对比。

本文分别对机组采用高加旁路调频、补气阀调节、凝结水节流调频特性进行研究，获得不同调频方式下机组负荷及热经济性变化规律，对比三种调频方式的优劣，给出在机组需要进行调频时的选择建议。

1 系统模型说明

本文采用Ebsilon软件搭建系统模型，搭建的模型是基于一台660 MW超超临界二次再热机组(系统图如图1所示)，构建的模型如图2所示。表2为所搭建模型与机组设计参数的对比。

图1 某660 MW超超临界二次再热机组系统图Fig.1 System diagram of a 660 MW ultra-supercritical double reheating unit

图2 软件搭建的系统模型图Fig.2 System model diagram built by software

表1 机组设计值与模型参数对比

本文所采用的的调频手段是以4种典型运行负荷(THA、75%THA、50%THA、40%THA)为基础开展研究，所以模型准确性非常重要。由表1对比结果看，模型的精度满足要求。

2 高加旁路调频

高压加热器旁路调频是指利用在高压加热器进出口两端增设的给水旁路，使部分给水不经过高压加热器的逐级加热而直接流入省煤器并继续后续流程的调频手段[7]。高加旁路分为3种，高加小旁路、高加混合旁路、高加大旁路。以目前某660 MW超超临界二次再热机组为基础，增设下面几种旁路进行模拟试验，设置如下：分别对1至4号高加设置独立小旁路；对1/2号、1/2/3号设置混合旁路；对1号至4号高加设置整体大旁路。通过改变机组不同负荷、不同高加旁路开度进行对比实验。

2.1 高加小旁路负荷响应对比

单独旁路1至4号高加分别设为实验一至实验四，在机组THA下开展试验，旁路流量为100%。

表2 四种高加小旁路负荷响应对比

从表2数据可以看出，1号、2号高加旁路对于机组提升负荷有明显作用，而3号、4号旁路不具有单独开启改变机组负荷的能力。1号高加旁路可提升机组负荷达到48.22 MW，约占原负荷的7.25%，原因是1号高加的蓄热能力较强，减少的抽汽继续在后续机组做功且做功能力强，后续几级抽汽量均有所增加但因增加的抽汽而减少的做功量较少。2号高加旁路可提升机组负荷达14.33 MW，约占原负荷的2.15%，调频能力不如1号强，分析原因是2号高加蓄热能力较1号高加低一些且2号旁路开启时1号高加抽气量有显著增加，从而降低了部分调频能力。3号、4号高加旁路对机组负荷无明显影响，原因为因旁路减少的抽汽而增加的做功，与其他级抽汽量增加而减少的做功量基本一致，从而导致机组负荷无明显变化。

机组热经济性方面，高加旁路对于机组的热经济性是产生负面影响的，打开旁路会降低机组的绝对内效率，增高热耗率。其中实验一对于机组的热经济性影响最大，效率降低0.31%，热耗率提高43.48 kJ/kW·h，原因是1号高加的抽汽做功能力最强，对机组的影响最大。

2.2 高加小旁路、混合旁路、大旁路负荷响应对比

实验在THA工况下、按照机组考核爬坡要求5%的负荷，即机组功率增加33.26 MW条件下进行对比，实验一为1号高加小旁路，实验二为1/2混合旁路,实验三为1/2/3混合旁路，实验四为1/2/3/4高加大旁路。

表3 四种旁路形式负荷响应对比

从表3数据中可以观察到，当机组负荷都提高相同数值时，所打开的旁路流量开度是不同的。实验一到实验四所打开的旁路流量依次减少，说明调频能力是依次增大的。在前面分析高加小旁路调频特性时，3号、4号作为单独高加旁路时是没有调频能力的，但加入整体大旁路后，起到了较明显的正向作用。

可以观察到4种旁路方式对于给水温度的影响接近，但是4种旁路方式对加热器自身的热冲击差异较大。在实验一中被旁路的抽汽全部来自于1号高加，其他加热器只有均匀微小的提升，因此这种方式对1号高加的热冲击较大。实验四中可以观察到各级抽汽相较于正常运行时均有所改变，但改变较小，故这种方式是4种方式中对各级加热器热冲击最小的。实验二和三则介于两者之间。机组热经济性方面，当机组提升负荷一致时，实验一和实验二的内效率和热耗率性能指标最好，但是四组实验整体相差不大。

2.3 不同流量开度对机组参数的影响

实验选择1/2号混合旁路、1/2/3号混合旁路、高加大旁路在THA工况下进行不同流量开度的实验，以研究在不开度下机组功率，给水温度，机组热耗率的变化规律。

图3 流量开度-机组功率特性曲线.Fig.3 Opening-power characteristic curve

图4 流量开度-给水温度特性曲线Fig.4 Opening-feed water temperature characteristic curve

图5 流量开度-热耗率特性曲线Fig.5 Opening-heat rate characteristic curve

由图3～图5三张图可看出，9条特性曲线均近似呈现线性变化，这对于在实际电厂中的操作起到重要的指导作用，改变开度获得功率、给水温度、热耗率变化特性。对于流量开度-功率曲线，可以发现高加大旁路调频能力最强，在改变同样的旁路开度时，高加大旁路对功率的改变能力也是最强的。流量开度-给水温度曲线中，对于给水温度影响最大的是大旁路，其最大温度差达到40.9 ℃，其次是1/2/3混合旁路，最小是1/2混合旁路。对于流量开度-热耗率曲线可以发现经济性最好的是1/2混合旁路，最差的是大旁路。故从以上三者的角度综合考虑，在后续的研究中，会不再考虑1/2/3此种混合旁路，由于其经济性不占优，调频能力同样不占优。

3 补气阀调节

补气阀是安装在主调阀前的一个阀门。该阀门将主蒸汽引至高压缸中的某一级，使主蒸汽与做功后的上一级排气混合，共同进入下一级膨胀做功[8]。当机组需要一次调频时，可以打开补气阀阀门，从而增加机组的功率输出[9]。实验选择在机组THA、75%THA、50%THA运行方式下，依次改变补气阀流量开度从10%至90%，比较其负荷及热经济性变化，如图6～图11所示。

图6 THA运行工况下机组功率及热经济性变化Fig.6 Changes of power and thermal performance of unit under THA operating condition

图7 THA运行工况下机组内效率及热耗率极值点Fig.7 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under THA operating condition

图8 75%THA工况下机组功率及热经济性变化Fig.8 Changes of power and thermal performance of unit under 75%THA operating condition

图9 75%THA运行工况下机组内效率及热耗率极值点Fig.9 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under 75%THA operating condition

图10 50%THA工况下机组功率及热经济性变化Fig.10 Changes of power and thermal performance of unit under 50%THA operating condition

图11 50%THA运行工况下机组内效率及热耗率极值点Fig.11 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under 50%THA operating condition

先观察THA运行工况情况下，如图6所示，补气阀调门开度从10%至90%的数据变化，补气阀开度整体的调频能力不强，最多时可增加机组原功率的3.47%；机组的绝对内效率受补气阀开度影响较小，而机组热耗率是呈先上升后下降的趋势，可以看到补气阀开度60%时，机组绝对内效率达到最低点50.19%且热耗率处于7 173.16 kJ/kW·h，当阀门开度从60%减小或者从60%增大，机组内效率会逐步上升，热耗率会逐渐减小。

横向对比三种不同运行工况下，整体的趋势相同，机组负荷增加量随补气阀流量开度增大随之增加。机组热耗率从补气阀开度10%至90%范围内呈先上升后下降的趋势，存在热耗率最大点，按照机组运行工况依次下降排列，最大点分别出现在64%、59%、59%补气阀开度下。汽轮机的绝对内效率随补气阀流量开度的增大变化不明显，但具有先降低后增加的趋势，故有一效率最低点，按照机组运行工况依次下降排列，最小点分别出现在64%、58%、55%补气阀开度下。

4 凝结水节流调频

凝结水节流调频的原理是，利用除氧器上水调门或者改变凝结水泵的转速来达到短时间内减少或增大进入低压加热器及除氧器的凝结水流量，从而改变各级低压加热器及除氧器的抽气量，最终达到改变机组负荷的目的[10，11]。本节探讨在不同负荷下利用凝结水节流调频对于机组负荷的影响，及相同负荷下不同节流量对于机组的热经济性影响，如图12～图15所示。

4.1 不同运行方式下的凝结水节流调频

对机组在4种不同运行方式下，改变凝结水节流比例从0至100%，用仿真模型进行模拟，记录最终机组负荷变化的比例，实验结果如下。

图12 不同运行方式下负荷变化比例与凝结水节流比例关系Fig.12 Relation between ratio of load change and ratio of condensate throttling under different operation modes

由图9可以发现如下规律：4种运行方式下，负荷变化比例与凝结水节流比例均呈现线性变化关系。对比不同运行方式，可观察到机组运行的负荷越高，凝结水节流调频的能力也越强，机组的负荷低，凝结水节流调频的能力也越低。

凝结水节流调频的能力较强。在THA及75%THA运行方式下，当凝结水节流比例到达70%时，即可增加机组5%以上的负荷，达到机组考核要求。在50%THA运行方式中则需要凝结水节流比例达到80%时，可增加机组负荷达5%。而40%THA运行方式下，仅利用凝结水节流较难达到增加5%负荷的目的。在相同运行方式下，机组负荷变化比例随凝结水节流比例提高而增加，并且具有双向可调的性质。线性变化的优势是，控制阀门每增加相同的凝结水节流量，机组增加的负荷量是相同的，这样的性质有利于实际运行中的操控。

4.2 不同凝结水节流比例对机组热经济性的影响

对比机组在THA、75%THA、50%THA三种不同运行方式下，当改变凝结水节流比例，研究凝结水节流调频给机组热经济性变化带来的影响。

图13 THA工况机组负荷变化及热经济性表现Fig.13 Load change and thermal performance of unit under THA working condition

图14 75%THA工况机组负荷变化及热经济性表现Fig.14 Load change and thermal performance of unit under 75%THA working condition

图15 50%THA工况机组负荷变化及热经济性表现Fig.15 Load change and thermal performance of unit under 50%THA working condition

由图10～图12可得出如下结论：机组在不使用凝结水节流调频时，三种运行方式的绝对内效率分别为51.05%、48.95%、46.07%。通过比较可以发现凝结水节流调频不同于高加旁路调频、补气阀调频等手段，此种方式在提升机组负荷的同时不会降低机组的绝对内效率，并且效率会随着凝结水节流比例的增加而提高，最大出现在THA运行方式下80%凝结水节流比例时，可以提高3.09%的内效率。

机组正常运行时，三种运行方式下的热耗率分别为7 051.58 kJ/kW·h、7 184.06 kJ/kW·h、7 352.21 kJ/kW·h。通过比较可以得出使用凝节水节流进行调频时，不会对机组的热耗产生负面影响，相反随着凝结水节流比例的增加机组的热耗会随之降低，热耗降低最多出现在THA运行方式下80%凝结水节流比例时，可降低机组热耗达402.04 kJ/kW·h。

5 三种调频方式对比

上文对于超超临界二次再热机组的几种调频手段分别作了特性分析，本节将三种调频手段放到统一标准下对比，比较对象选择1号高加旁路、1/2号高加混合旁路、高加大旁路、补气阀调节、凝结水节流调频，如图16～图20所示。

5.1 提升机组相同负荷各调频方式热经济性

在机组THA运行方式下，提升负荷分别选择20 MW(实验一)和45 MW(实验二)两组实验。由于补气阀最高仅有23.08 MW的提升空间，而1号小旁路和凝结水节流调频的最大提升负荷分别为48.22 MW和47.78 MW。在同一负荷提升标准下，比较单独利用各调频手段，对机组热经济性的影响。

图16 THA工况下机组负荷提升20 MW各调频手段热经济性数据Fig.16 Thermal performance data of various frequency modulation methods for unit load enhancement of 20 MW under THA working condition

图17 THA工况下机组负荷提升45 MW各调频手段热经济性数据Fig.17 Thermal performance data of various frequency modulation methods for unit load enhancement of 45 MW under THA working condition

机组正常运行在THA工况时，绝对内效率51.05%，热耗率7 051.58 kJ/kW·h。从结果中可以看到高加旁路的三种旁路方式，在提升相同负荷时，绝对内效率与热耗率三者基本相同，其中高加大旁路的内效率相对较低，热耗率较高。而1号高加小旁路和1/2混合旁路的改变对于机组的热经济性影响几乎一致，不会受到调频负荷的影响而出现较大差异。在实验一中补气阀调节是所有调频手段中热经济性最差的，其内效率最低，与最高者相差2.37%；其热耗率最高，与最低者相差323.66 kJ/kW·h。究其原因，从汽轮机高压缸中直接调节，与利用回热系统的蓄热来进行调节，前者对于机组的影响更大，是从源头改变了机组的负荷，速度虽然会更快，但对热经济性的影响更大。凝结水节流调频是唯一可以在提升机组负荷的同时可以改善机组经济性的调频方式，其内效率比正常运行时高出1.53%，热耗率比正常运行时低204.8 kJ/kW·h。对比实验一与实验二可以发现随着调频负荷的提升，高加旁路调频方式与凝结水节流调频的热经济性差异也随之增大，凝结水节流调频的优势更为凸显。

5.2 相同开度比较不同调频方式的潜力

继续比较上述的5种调频方式，现在设定机组在4种运行情况下，各打开30%、50%、70%的阀门开度，比较在各种运行方式中，不同调频方式的潜力。

图18 四种运行工况下各调频方式30%开度机组负荷增量Fig.18 Load increment of each frequency modulation mode at 30% valve opening degree under four operating conditions

图19 四种运行工况下各调频方式50%开度机组负荷增量Fig.19 Load increment of each frequency modulation mode at 70% valve opening degree under four operating conditions

图20 四种运行工况下各调频方式70%开度机组负荷增量Fig.20 Load increment of each frequency modulation mode at 70% valve opening degree under four operating conditions

可以发现在机组同样运行方式时，五种调频方式均随着阀门开度的增加而增强。调频能力与机组所运行的负荷有直接关系，调频能力随机组负荷增高而增大。从图中可以明显分辨出几种调频方式的调频能力。调频能力最强的是高加大旁路，在THA运行工况70%开度下，与最低的补气阀调节机组负荷增加量之差可达75.55 MW，占原负荷的11.36%。调频能力其次的是1/2混合旁路，在THA运行工况70%开度时，负荷提升量是1号小旁路的两倍，体现出混合旁路较小旁路更强的负荷调节能力。1号高加小旁路与凝结水节流调频在机组低负荷运行时调频能力相当，在机组负荷升高时，调频能力差距逐渐增大。调频潜力最小的是补气阀调节，在THA运行工况70%开度时仅提升机组负荷的2.6%。

5.3 调频方式的选择

从前文的结果中，可以看出几种调频方式中，从机组的热经济性方面比较，排名如下：

凝结水节流调频>1号小旁路≈1/2混合旁路>高加大旁路>补气阀调节

从机组调频潜力方面比较，排名如下：

高加大旁路>1/2混合旁路>凝结水节流调频>1号小旁路>补气阀调节

所以综合以上结果，如果需要提升较大负荷时应该考虑高加大旁路；如果需要提升的负荷不大，而考虑经济性优先时，优先选用凝结水节流调频；当既需要提升负荷，也需要考虑经济性时，推荐采用1/2混合旁路或者高加大旁路。1号小旁路在各项比较中均不突出，而补气阀调节因其响应速度最快，可以作为调频初期的方法，然后迅速采用其它调频方式作为负荷提升的补充。