发电厂辅助调频技术优化

发电厂辅助调频技术优化

王磊

大唐国际发电股份有限公司陡河热电分公司

内容摘要：在不影响机组安全运行的基础上，通过改变凝结水泵变频器转速及凝结器水位调整门开度的瞬间变化，快速改变凝结水流量，使低加抽汽量发生变化，从而快速改变机组出力，提高一次调频响应速度。

关键字：一次调频；机组负荷；凝结水量；抽汽量

引言

随着碳达峰、碳中和目标的提出，建立以可再生能源为主导、多能互补的能源体系势在必行，各发电集团皆大幅加快建设、投产水电、风电、光伏等新能源发电机组步伐，新能源比例的快速增长，但因其天然的不稳定性，造成峰谷差的日益增大以及电网频率波动较大，由燃煤发电机组予以平和兜底，煤电发电机组参与调峰、调频的次数越来越多，品质要求越来越高，如何减少调峰、调频考核是火电厂面临的一大难题。

一次调频是指当电网频率超出规定的正常范围后，电网中参与一次调频的各机组根据电网频率的变化，通过调速系统自动地增加或减小机组的功率，从而达到新的平衡，并将电网频率的变化限制在一定范围内，维护电网稳定，电网主要根据各机组响应速度、响应程度来进行奖励、考核，目前一次调频技术已发展非常成熟，本技术不在于提升调速系统响应速度，而是依靠瞬间改变汽轮机进汽量来提升机组响应速度，作为调频辅助手段。

一、技术原理

提高机组一次调频能力，除改变汽轮机调门开度外,也可通过改变凝结水流量，实现一次调频的快速响应。

该技术的基本原理是：在不影响机组安全运行的基础上，通过改变凝结水泵变频器转速或控制除氧器上水调门开度的瞬间变化，快速改变凝结水流量，使低加抽汽量发生变化，从而快速改变机组出力，满足电网对一次调频的需求。以某东汽1000MW一次再热机组为例，经理论分析和试验验证，在60%～90%额定负荷时，凝结水流量瞬间变化250t/h～500t/h，可达到10MW～20MW的调频响应，调频响应时间均小于3秒。

该技术的重点在于兼顾调频响应能力（时间和负荷变化量）和凝结水系统的安全性。在充分响应电网需求的同时，确保除氧器及低加的水位、温度及抽汽量等参数运行在安全区间。

二、适用的边界条件

1.该技术普遍适用于需要提升一次调频能力的燃煤火电机组，尤其是采用全周进汽型汽轮机的超（超）临界机组。

2.该技术需要机组具备快速调整凝结水流量设备（如凝结水泵变频器、气动或液动型除氧器上水调门）。由于凝结水泵变频器一般在中低负荷区间存在共振区，建议采用“凝泵变频+气动（液动）上水调门”的组合方式，实现宽负荷区间凝结水一次调频功能。

3.该技术应用需要低加及除氧器系统运行正常，AGC运行方式下没有异常波动或者测量故障。

三、系统运行方式介绍

以N200-130/535/535型超高压中间再热冷凝式汽轮机组为例，高、中压分缸布置，低压缸为3缸3排汽，额定主汽流量为610 t/h，设置甲、乙、丙、丁、轴加、轴冷低压加热器，混合式除氧加热器，甲、乙、丙高压加热器，其中丙、丁低压加热器抽汽取自中压缸，甲、乙低压加热器抽汽取自低压缸；配备两台凝结水泵，甲凝结水泵为工频泵，乙凝结水泵为变频泵。

凝结器水位正常范围为600～800mm，凝结器水位调整门（目标设定值为700mm）及凝结水泵变频器（目标设定值为750mm）调节凝结器水位，凝结水泵变频器调节优先凝结器水位调整门（减少节流损失），控制除氧器上水量；凝结器水位低于600mm或高于850mm联锁切除乙凝结水泵变频器自动。

除氧器水容积为140t，可通过补给水泵和凝结水泵向其补水，水位正常范围为1800～2500mm，除氧器水位调整门目标设定值为2200mm，此调整门实际向凝结器补水，补水能力为40t/h；除氧器水位高于2500mm时，联开放水电动门。

凝结水包括汽轮机低压缸排汽、低压加热器疏水、除盐水补水，其中低压缸排汽、低加疏水量随机组负荷而变化，除盐水补水量通过除氧器水位调整门进行调整。

由于凝结器补水能力较小，此系统充分发挥除氧器容积大、抗干扰能力强的优势，重在维持凝结器水位稳定。当机组负荷改变、除氧器水位变化时，除氧器水位调整门作为前馈立即改变凝结器补水量，然后通过凝结器水位调整门及凝结水泵变频器维持凝结器水位稳定，除氧器上水量变化值与凝结器补水量变化值相同。

四、凝结水辅助调频性能试验

机组负荷125MW，维持汽压、汽温等参数稳定，将凝结器水位调整门由100%关至40%，将乙凝结水泵变频器指令由22%减至10%，凝结水流量减少150t/h，凝结器水位涨至800mm后立即恢复正常调整方式，期间除氧器水位由2200mm降至2150mm，机组负荷由125MW涨至127MW，证明快速改变凝结水流量，使低加抽汽量发生变化，确实可以快速改变机组出力。

五、方案实施影响因素及其应对措施

1、目前凝结器水位调整门响应速度较慢，无法实现预期目标，需首先进行调整并观察动作正常。

2、应用凝结水调频技术后，凝结器水位波动范围会变大，将乙凝结水泵变频器自动切除条件由

“凝结器水位低于600mm或高于850mm”改为“凝结器水位低于550mm或高于900mm”，避免变频器自动频繁切除。

3、应用凝结水调频技术后，凝结器水位调整门会频繁动作，应缩短其定期检查周期，保证其动作正常。若条件允许，将其旁路门改为电动门，在调整门无法正常使用时，及时用旁路门进行调节。

六、实施方案

此方案不改变凝结水调节方式，无需增加投资，只增加、修改以下调节参数及逻辑，并不断进行试验、完善，最终达到凝结水调频目标。

1、机组运行期间修改凝结器水位调整门调节参数，比例系数由0.7调至2.8，积分时间由260调至80，提高响应速度，机组负荷改变时已无需人为进行干预，达到预期。

2、将乙凝结水泵变频器自动切除条件由“凝结器水位低于600mm或高于850mm”改为“凝结器水位低于550mm或高于900mm”，避免乙凝结水泵变频器频繁自动切除。

3、CRT内增加凝结水辅助调频功能切除、投入操作端，运行人员发现调节异常时可及时将此功能切除，修改参数重新试验时可随时投入。

4、机组停备期间增加凝结水调频相关逻辑。当一次调频一级响应动作（汽轮机转速偏差大于±2rpm）时，凝结器水位调整门开度保持现有开度不变，一级响应结束后恢复正常调节方式；当一次调频二级响应动作（汽轮机转速偏差大于±2.28rpm）时，同时保持乙凝结泵变频器指令维持现有值不变，二级响应动作结束后恢复正常调节方式。

目前只是在一次调频动作时，暂缓凝结水量的改变，逻辑中已加入改变凝结器水位调整门开度、变频器指令功能，以及改变其动作程度、动作时间功能，若发现调节异常或未达到预期要求，可随时修改参数，不必等待停机后再优化参数。

七、应用效果

一次调频一、二级响应动作时，凝结器在600～800面mm范围内波动，乙凝结水泵变频器自动未切除，除氧器水位在2150～2250范围内波动，皆在正常范围内，一次调频考核次数及考核金额同比、环比减少，月考核金额约减少1000～3000元不等，提高了机组一次调频合格率，是机组调频有效的辅助手段。

参考文献：

[1] 沈士一.汽轮机原理[M].中国电力出版社，1992

[2] 曹祖庆. 汽轮机变工况特性[M]. 北京: 水利电力出版社, 1991

[3] 徐衍会.一次调频与动态稳定协调优化[J]. 电力自动化设备，2014

[4] 黄友锐.PID控制器参数整定与实现[J]. 科学出版社，2010