凝结水节流调频负荷特性测试与评估

张 宝，童小忠，罗志浩，吴文健，章卫军

（1.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江浙能乐清发电有限责任公司，浙江 乐清 325609）

0 引言

近年来，以上汽-西门子合作生产的660 MW和1 000 MW汽轮机为代表的全程滑压、超超临界汽轮机机组在国内得到了日益广泛的应用，该类型汽轮机良好的经济性能部分得益于其高压调节汽门全开的运行方式，但也正是这种方式使机组锅炉蓄能无法快速转化为发电负荷，降低了机组一次调频能力，减弱了机组自动发电控制（AGC）响应水平。许多发电厂都在改进此类机组的控制方式[1]或寻求新的调频方法，凝结水节流调频技术从而逐渐受到重视。

凝结水节流调频实质上是通过迅速改变通过低压加热器的凝结水流量来改变汽轮机组加热器的抽汽量，从而快速调整机组发电负荷的过程。该项技术在国外已有应用实例，国内也有个别发电厂进行过这方面的探索[2-3]。理论分析认为，凝结水节流所能转化的发电负荷与机组结构特点及参数有关，其极限值为额定负荷下切除低压加热器与除氧器抽汽、使其返回汽轮机内做功情况下机组所能获得的功率增加值[4]，但实际应用时，由于凝结水节流持续时间的差异，能够获得的机组功率的改变量可能会明显偏离理论极限值。

凝结水节流调频的负荷变化特性包括2个主要参量：一是机组所能改变的最大功率值，即凝结水节流调频潜力；二是负荷响应速度。如何准确把握凝结水节流调频的负荷变化特性，是该项技术应用中的关键环节，既有助于项目决策，也有助于机组调频控制精度的提高。

1 凝结水节流调频潜力分析

对于特定的机组而言，凝结水节流调频的潜力与机组系统结构以及运行参数密切相关，不考虑机械效率与发电效率时，凝结水节流所能改变的抽汽量的做功数量可用式（1）来表示：

式中：ΔDi为第i级抽汽的质量流量改变量；ΔHi为第i级抽汽返回汽轮机本体做功时的实际比焓降；ΔN为机组功率改变量。

汽轮机负荷在一定范围内变化时，各级实际比焓降基本恒定，ΔHi基本保持不变。文献[4]认为，在各级抽汽比焓、末级加热器疏水比焓、凝结水比焓等不变的情况下，加热器的抽汽量与凝结水流量成比例变化，上述关系可用式（2）表示：

式中：ΔDc为凝结水流量的变化量；ki为比例系数； ΔDi为恒定值。结合式（1）， （2）可得：

由此可见，凝结水节流所产生的功率改变量与凝结水流量的改变量成比例变化，但有时试验数据并不支持这一结论。如文献[8]中的试验结果表明：不同负荷时，相同的凝结水流量改变所对应的功率改变量有时相差很大。分析认为，凝结水节流时，汽轮机热机系统的参数变化较为复杂，过多的假设与简化处理累积起来会使理论分析结果偏离实际情况。因此，对凝结水节流调频潜力的评估需要结合现场测试进行。

2 凝结水节流调频负荷特性测试

对凝结水节流调频进行现场测试是掌握其负荷变化特性最直接、最可靠的手段。该项测试结果可作为控制策略设计与控制定值选取的依据。

为了提高试验的精度，现场测试时要求机组AGC、机炉协调、一次调频撤出，负荷指令保持不变，汽轮机高压调节汽门全开，负荷稳定运行10 min以上；试验时热井补水阀关闭；除氧器水位自动撤出，低压加热器水位自动投入；除氧器水位调节阀有一定的双向调整裕量。

试验时，手动快速改变除氧器水位调节阀的开度，记录机组负荷、凝结水流量、除氧器与热井水位等参数，至少持续5 min或水位参数达到设置控制边界值时，手动调整除氧器与热井水位到正常值。上述试验内容在不同负荷、不同凝结水流量改变量下分若干个工况进行。

3 测试实例

根据上述方法，对某台上汽-西门子N660-25/600/600超超临界汽轮机组进行凝结水节流调频负荷特性测试，表1是部分测试数据，其中负荷响应时间是指从除氧器水位调节阀开始关小到机组负荷出现明显变化的时间间隔；表1中所有时间均从除氧器水位调节阀关小时开始计时。

图1—图3表明了试验时不同时刻的负荷变化量与凝结水流量变化量之间的关系。很显然，凝结水节流所产生的功率改变量与凝结水流量的改变量成比例变化，这一规律在此次试验中得到了验证。根据现场试验数据，再使用这一规律来计算凝结水节流调频潜力，得到的结果与实际情况更为相符。

不考虑形状、内部设备占用等因素的影响，除氧器与热井的水位变化一定是负相关的线性关系，两者的水位变化速度也均与凝结水流量变化量成正比，图4是此次测试时除氧器与热井水位变化的对应关系。

表1 凝结水节流调频负荷特性测试数据

图1 15 s后负荷变化量与凝结水流量变化量的关系

图2 1 min后负荷变化量与凝结水流量变化量的关系

图3 3 min后负荷变化量与凝结水流量变化量的关系

图4 除氧器与热井水位变化的关系

多次试验结果均表明，除氧器调节阀开度改变5 min后，机组负荷基本稳定，图5是以此时负荷变化值为比较基准绘制的该机组在不同时段的凝结水节流调频负荷响应柱状图。

图5 平均负荷响应

4 凝结水节流调频潜力评估

根据上述测试结果，结合式（3）呈现的规律，可以对该机组凝结水节流调频潜力进行评估计算。具体方法为：使用线性关系拟合代表性时刻的凝结水流量变化量与负荷变化量之间的关系，使用拟合关系式计算该时刻下的任意凝结水流量变化量所对应的负荷变化量；以稳定后的负荷变化量为比较基准（一般取5 min后数据），根据平均的负荷响应曲线拟合负荷变化相对量随时间的关系曲线，由此曲线可以计算出任意时刻的凝结水节流调频负荷变化值。

图6是按上述方法计算得到的该机组凝结水节流调频潜力曲线，图7是负荷的相对变化量随时间变化的曲线。由此即可以计算出任一凝结水流量变化量和任意时刻的机组负荷变化量。

图6 凝结水节流调频潜力曲线

为保证机组的运行安全，除氧器与热井水位均设置了高、低限值，水位正常运行值与高、低限值之间的范围构成了凝结水节流调频可以运行的区间。这一区间一旦确定，可依据需要调频作用的时间计算出水位变化的速度。此次试验反映的水位变化速度与凝结水流量变化量之间的关系曲线如图8所示。由图6—图8的曲线关系可以计算得到在该水位限值下任意时刻机组可产生的负荷变化量，从而完成凝结水节流调频潜力的评估。

图7 负荷相对变化量随时间变化的曲线

图8 水位变化速度与凝结水流量变化量关系曲线

5 结语

凝结水节流调频的负荷特性测试与评估是凝结水节流调频功能开发过程中的一项基础性工作。通过现场实测，获得机组在凝结水节流过程中的一系列特性数据，并在此基础上进行凝结水节流调频潜力的计算，可顺利完成对其负荷特性的评估。

凝结水节流时，机组负荷变化量与凝结水流量变化量成正比，要获得一定的调频负荷量，必须使凝结水流量改变达到一定值。

凝结水流量改变后，机组负荷变化响应具有一定的持久性，可以满足电网一次调频对快速性的要求，也可以作为改善二次调频时锅炉响应偏慢的手段；除氧器与热井水位允许的变化范围越大，凝结水节流调频潜力就越大，两者水位变化之间有固定的比例关系，确定控制边界时，要兼顾考虑；只要边界参数控制得当，凝结水节流调频时机组的安全性就可以得到保证。作为一种新颖、节能的调频方法，对大多数类型的机组而言，凝结水节流调频具有一定的研究与应用价值。

[1]姚峻，高磊，陈维和，等.900 MW超临界机组协调控制及 AGC 策略的研究与应用[J].中国电力，2005，38（8）：62-65.

[2]陈小强，项谨，魏路平，等.1 000 MW机组一次调频性能优化[J].中国电力，2010，43（4）：63-66.

[3]姚峻，祝建飞，金峰.1 000 MW机组节能型协调控制系统的设计与应用[J].中国电力，2010，43（6）：79-84.

[4]刘鑫平，田亮，曾德良，等.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）：80-83.

[5]王国凯，张峰，展宗波，等.凝结水节流技术在电厂的应用探讨[J].内蒙古电力技术，2011，29（2）：45-47.