空冷机组凝结水系统蓄能容量定量分析

练海晴，田　亮，张锐锋

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2.贵州电力试验研究院，贵州 贵阳 550002)



空冷机组凝结水系统蓄能容量定量分析

练海晴1，田亮1，张锐锋2

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北 保定 071003；2.贵州电力试验研究院，贵州 贵阳 550002)

摘要：合理利用凝结水系统蓄能是提高火电机组负荷响应速率的有效手段之一。在分析机组回热加热系统结构及工作机理的基础上，建立各低压加热器及除氧器的质量-能量平衡方程，根据等效焓降法分析凝结水流量同各级抽汽流量之间的关系，计算出凝结水流量变化与发电功率变化之间的静态增益；并依据除氧器容积定量计算出机组凝结水系统蓄能容量。进一步通过对比典型600 MW空冷机组和水冷机组的计算结果，发现相同负荷下空冷机组储能容量较水冷机组储能容量小20%左右；空冷及水冷机组凝结水系统蓄能容量都呈现随功率增加而增加的趋势。所涉及的计算过程及结论对我国华北、西北“富煤少水”地区空冷机组具有参考价值。

关键词：空冷机组；凝结水系统；蓄能容量；负荷调节；等效焓降

0引言

中国北方地区风电机组较多，但其扰动较大，电网消纳扰动性风电的能力是制约风电发展的瓶颈[1-2]。随着风电等间歇性能源的大规模并网，大容量蓄能技术的瞬时及精确负荷控制能力是目前的研究热点[3-4]。传统火电机组的协调控制对象具有大惯性，大迟延特性，单纯依靠改变燃料量响应机组负荷指令速度非常缓慢，需要合理利用机组蓄能来提高负荷响应速度[5-6]。

凝结水系统蓄能的利用，实质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加热器的抽汽量，从而快速调整机组发电负荷的过程。姚峻等[7]在900 MW超临界直流机组上通过实验验证了凝结水系统蓄能对调整发电负荷的可行性，之后在1 000 MW机组上得到具体实验数据。刘鑫屏等[3]得出在凝结水完全节流的状态下，凝结水流量变化与机组功率变化之间的传递函数。钱能等[8]得出凝结水流量与功率之间的传递函数并提出凝结水流量的模糊自适应控制算法。

刘鑫屏等[3]通过建立凝结水流量变化量与机组发电功率变化量之间的机理模型，得出在凝结水系统完全节流的工况下，机组发电功率变化量与其对应关系，但实际运行过程中不允许出现这种情况，需要对在合理工况下两者之间的对应关系，以及变化趋势进行分析。

1机理分析

i—各个加热器编号(i=1，2，3…，7)；Qes,i—各级抽汽流量，kg/s；hes,i—各级抽汽比焓，kJ/kg；Qcw—凝结水流量，kg/s；hcw,i—流出各个加热器凝结水比焓，kJ/kg；hcw,8—流入7号加热器凝结水比焓，kJ/kg；Qsw,i—各级疏水流量，kg/s；hsw,i—各级疏水比焓，kJ/kg；Qfw—给水流量，kg/s；hfw—给水比焓，kJ/kg图1　典型回热系统图Fig.1　Diagram of typical regenerative system

空冷机组一般采用3低压加热器、1除氧器、3高压加热器的回热加热系统。其结构如图1所示。根据图1建立各个加热器的质量平衡和能量平衡方程：

对于1、5号加热器(i=1，5)，有

(1)

(2)

对于2，3，6，7号加热器(i=2，3，6，7)，有

(3)

(4)

对于4号加热器(i=4)，有

(5)

(6)

式中：Mi为各个加热器内壳侧汽水工质总质量，kg；Ei为各个加热器内壳侧汽水工质总能量，kJ。

根据等效焓降法[9-11]，分析凝结水流量同各级抽汽流量之间的关系。

令：

(7)

(8)

(9)

式中：qi为单位流量蒸汽放热量，kJ/kg；τi为单位流量给水焓升，kJ/kg；γi为单位流量疏水放热量，kJ/kg。

在静态工况下，质量平衡和能量平衡方程左侧的微分项为零，将等效焓降法中的公式(7)～(9)代入公式(1)～(6)，令左侧等式为0[12]。可得出各级抽汽流量同凝结水流量或给水流量之间的对应关系，即各级抽汽系数的表达式为

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式中：αi为各级抽汽系数，无量纲。

静态工况下，当凝结水流量变化时，各级抽汽、凝结水、疏水温度压力变化很小[13-14]，因而其比焓变化也很小。为简便计算，则认为4～7号加热器凝结水流量同各级抽汽流量之间成比例变化，即抽汽系数不变，可得

(17)

各个加热器对应的等效焓降分别为

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：Hi为等效焓降，kJ/kg；hL为低压缸排汽比焓，kJ/kg。

根据公式(17)得出凝结水流量与各级抽汽流量成比例变化，则凝结水流量变化量与各级抽汽流量变化量同样成比例关系，即

(25)

式中：ΔQes,i为各级抽汽流量变化量，kg/s；ΔQcw为凝结水流量变化量，kg/s。

则机组发电功率增加：

(26)

将公式(25)代入公式(26)整理可得

(27)

式中：ΔNE为机组功率变化量，MW。

式(27)即为凝结水流量变化与机组功率变化之间的静态对应关系。

2计算实例

以某电厂600 MW典型空冷机组为例分析凝结水流量的变化量与机组发电功率变化量之间的对应关系。表1中列出机组在100%、75%、50%THA工况下回热系统热力性质参数。

根据表1中的数据，得出各工况下抽汽系数αi，以及等效焓降Hi，结果见表2。

将表2中的数据代入公式(27)可以得出， 600 MW的空冷机组在100%、75%、50%THA工况下机组功率的增益分别为0.085 MJ/kg，0.074 MJ/kg，0.060 MJ/kg，随发电功率降低成减小趋势。

文献[3]中得出600 MW机组在TNL工况下凝节水流量变化对应机组功率增益为0.11 MJ/kg。文献[15]在某660 MW超超临界火电机组上，现场进行凝结水节流调频负荷特性试验得出：凝结水流量变化量同负荷变化量成比例变化。从试验数据中得出：在试验负荷为495.2 MW时，机组功率的增益为0.109 MJ/kg；试验负荷为597.6 MW时，机组功率的增益为0.116 MJ/kg。其结果都与本文结论相同。

通过与文献[3]中600 MW水冷机组相比较，本文中600 MW空冷机组的功率增益明显小于水冷机组的功率增益。

表1　回热系统THA工况设计参数

表2　THA工况下等效焓降计算结果

3蓄能容量分析

凝结水系统的蓄能容量受凝汽器水箱水位和除氧器水箱水位的限制。因为凝汽器水箱容积较大且对水位的要求不严格，所以一般情况下凝结水系统的蓄能量主要受限于除氧器水箱水位。

电厂600 MW空冷机组的除氧器有效容积为230 m3，高报警水位2 470 mm，正常水位2 300 mm，低报警水位1 790 mm，长度31 846 mm，计算约有58 m3的水容积可以利用。为安全起见，工程中投入凝结水系统蓄能补偿，变化量取±50%。假设利用此容积的一半，根据表3中不同工况下的参数，得出凝结水系统总的蓄能容量。

表3　600 MW机组蓄能容量计算结果

表中：ρ为除氧器内水的密度，kg/m3；T为除氧器内可以利用的水容积维持给水泵正常工作的时间，s；C为凝结水系统可释放的总蓄能容量，MJ。

4结论

(1)在质量-能量守恒定律的基础上结合等效焓降法，得出凝结水流量变化量与机组功率变化量之间的对应关系，具有较高准确度。

(2)数值分析表明，不同负荷下，同一机组凝结水系统蓄能容量随功率增加而增加。

(3)相同负荷下，空冷机组储能容量较水冷机组储能容量小20%左右。

参考文献：

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Quantitative Analysis of Energy Storage Capacity of Air Cooling Units’ Condensate System

LIAN Haiqing1，TIAN Liang1，ZHANG Ruifeng2

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China； (2. Guizhou Electric Power Test and Research Institute, Guiyang 550002, China)

Abstract:Reasonable utilization of the energy storage of unit’s condensate system is one of the main effective methods to improve the thermal power unit’s load response rate. On the basis of analyzing the regenerative system structure and the working mechanism of the unit, this paper sets up the mass and energy equilibrium equations of low pressure heaters and deaerator. Then in order to calculate the static gain of condensate flow changes and the generation power changes, the relationship between the condensate flow and the heater extraction steam flow is analyzed by employing equivalent enthalpy drop method. Finally, the total energy storage capacity is worked out according to the deaerator volume. By comparing the calculation results of typical 600 MW air cooling unit and water cooling unit, it is found that under the same load, the air cooling unit energy storage capacity is about 20% smaller than the water cooling unit energy storage capacity. Both of the air and water cooling units energy storage capacity of condensate system increase with the increasing load trend. The calculation process and the conclusions involved can provide references to the air cooling units in North China and Northwestern China, which are rich in coal, but short of water.

Key words：air cooling unit; condensate system; heat storage capacity; load regulation; equivalent enthalpy drop

作者简介：练海晴(1990-)，女，硕士研究生，研究方向为大机组智能优化控制；田亮(1976-)，男，副教授，研究方向为火电机组建模与控制。

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1007-2691(2016)01-0071-05

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB215203)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014MS145).

收稿日期：2015-05-22.

doi:10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.01.12