二次再热机组一次调频能力探讨

部俊锋，李昌卫，刘 浩

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.山东中实易通集团有限公司，山东 济南 250003）

0 引言

二次再热机组比一次再热机组的发电效率提高了2%～3%，是高效低碳的火电技术。自2015年国内首台二次再热机组在华能安源电厂投产以来，二次再热机组得到了大力发展。

目前，二次再热机组一次调频性能的考核都沿用针对一次再热机组制定的标准，从多台机组一次调频试验的结果看，二次再热机组对电网频差的响应性能普遍达不到现行标准的要求，明显弱于同容量的一次再热机组，已成为制约二次再热机组运营和推广的障碍［1-2］。

随着国家构建以新能源为主体的电力系统的推动，电网要消纳更多具用波动性、随机性的新能源，作为电网频率主要支撑的火电机组，其一次调频功能将更加重要，也会面临更多的考核。

通过分析现行一次调频考核标准的制定原理，以及根据二次再热机组的结构特性，建立数理模型计算其一次调频性能，可为探讨现行标准下二次再热机组一次调频能力提供依据；也为制定针对二次再热机组一次调频性能的考核标准提供参考。

1 现行一次调频考核标准的制定原理

现行一次调频的考核标准主要执行中国国家标准化管理委员会2013 年颁布的《火力发电机组一次调频试验及性能验收》，以及国家电网公司2011 年颁布的《火力发电机组一次调频试验导则》。制定这些标准时，我国还没有二次再热机组投运，因此，标准中都没有考虑二次再热机组一次调频性能的特殊性。

根据现行标准的要求，火电机组一次调频性能要达到：响应滞后时间小于3 s；达到75%目标负荷的响应时间小于15 s，达到90%目标负荷的响应时间小于30 s；响应稳定时间小于60 s［3-4］。

机组一次调频功能的实现，要串联经过信号测量环节、逻辑运算环节、主调门电液伺服环节、蒸汽管道和汽轮机汽缸组成的功率环节。从数理建模的角度看，这些环节都可用一阶惯性环节仿真，因此，一次调频回路是由多个一阶惯性环节组成的、具有高阶惯性环节特性的系统。

由于大容量火电机组都采用先进的计算机测控技术和高压抗燃油电液伺服系统，正常情况下，其一次调频回路的测量、运算和伺服环节的惯性时间常数都很小，这些惯性时间理论上不会引起机组负荷响应滞后3 s。现场试验也证明，参与一次调频的一次和二次再热机组，其响应滞后时间都小于3 s。因此，机组一次调频性能主要是考核其功率环节的负荷响应速度、幅度和稳定时间。

一次再热机组功率环节包括三部分：汽轮机的高压调门汽室和高压缸；再热器及蒸汽管道、汽轮机的中压调门汽室和中压缸；汽轮机的低压连通管道和低压缸。其数理模型是三个一阶惯性环节组成的三阶惯性环节，如图1所示［5］。

图1 一次再热机组功率环节数理模型

图1 中，G为进入汽轮机的蒸汽流量（热功率），主要受主调门开度和主汽压力影响；P为汽轮机的机械功率输出；Tch为高压调门汽室容积时间常数，一般0.2～0.5 s；Trh为再热蒸汽容积时间常数，一般8～15 s；Tco为低压连通管容积时间常数，一般0.3～0.7 s；rFHP、rFIP、rFLP分别为 稳态时高压缸、中压缸、低压缸的功率占整机功率的百分比，又称功率系数，rFHP+rFIP+rFLP=1，一般取0.3、0.3、0.4；λ为高压缸功率自然过调系数，表征因再热蒸汽容积的惯性作用，造成高压缸排汽压力变化的延滞，使得动态过程中高压缸的功率系数大于rFHP，可取0.8［6］。

在进行由多个一阶惯性环节组成的高阶惯性环节计算时，可根据一阶惯性环节的时间常数做简化处理：若时间常数偏差大于4 倍以上，高阶惯性环节可以简化为以时间常数较大者组成的一阶惯性环节。这样，图1可简化为图2。

图2 简化的一次再热机组功率环节模型

图2 模型可用式（1）进行计算，其结果可理解为一次调频引起的功率变化，最终值的54%是快速（小于3 s）达到的，其余46%要经过一阶惯性环节渐进达到。

时间常数为T的一阶惯性环节阶跃响应特性如图3 所示，响应在1T、2T、3T、4T、5T时间点分别达到最终值的百分比为63.2%、86.5%、95%、98.25%、99.3%。

图3 一阶惯性环节的阶跃响应曲线

依据式（1）和图3，以再热容积时间常数为15 s的一次再热机组为例，当一次调频引起汽轮机进汽量阶跃变化后，15 s（1T）时所引起的负荷变化可达到目标值的百分比为：0.54+0.46×0.632≈0.83，大于考核标准75%的要求；30 s（2T）时所引起的负荷变化可达到目标值的百分比为：0.54+0.46×0.865≈0.96，大于考核标准90%的要求；60 s（4T）时所引起的负荷变化可达到目标值的百分比为：0.54+0.46×0.982≈1，符合考核标准中60 s内稳定在目标值的要求。

综上所述，现行一次调频考核标准的制定，符合一次再热机组负荷响应的惯性特性，影响一次再热机组惯性特性的主要因素是再热容积时间常数。现役各种参数和容量的一次再热机组，在满足一次调频现行标准的要求方面尚有裕度，不会影响一次再热机组的安全性和经济性运行。

2 二次再热机组的结构和一次调频特性

2.1 二次再热机组的结构和建模

二次再热机组比一次再热机组多了一个超高压汽缸（个别机组还多了一个低压缸）和一次蒸汽再热，蒸汽参数也大幅提高。表1为已投产的超临界1 000 MW一次再热机组和二次再热机组蒸汽参数比较［7］。

二次再热机组功率环节的数理模型可按照一次再热机组的办法简化：将中、低压缸看作一体，并忽略超高压缸调门汽室和中/低压缸连通管的容积时间。图4为简化的二次再热机组功率环节数理模型。

图4 简化的二次再热机组功率环节数理模型

图4 中0.2、0.2、0.6 分别为稳态时超高压缸、高压缸、中/低压缸的功率系数；T1和T2分别为一次再热和二次再热容积时间常数；λ1和λ2分别为超高压缸和高压缸的功率自然过调系数。

功率自然过调系数的计算公式为［6］

式中：ε为汽缸排汽压力与进汽压力的比值；k为过程绝热指数，对于过热蒸汽k=1.3［8］。根据表1 的数据，超高压缸和高压缸的ε都近似0.3，计算后的λ值可取为0.7。

再热容积时间常数的计算公式为［9］

式中：V为再热系统容积，根据厂家资料，表1 二次再热机组一次再热系统容积为440 m3，二次再热系统容积为475 m3；GV为额定功率下的再热系统容积流量，m3/s；n为多变指数，代表蒸汽在再热容积内是个复杂的多变过程。

再热容积时间常数可用汽轮机的阶跃扰动试验测取，也可用集总参数法作近似计算。计算时，再热系统内蒸汽的参数可取额定工况下再热器进、出口蒸汽压力和温度的平均值，在视为等温过程的情况下，多变指数n=1。

表1 中的二次再热机组，在额定工况下，其一次再热器进、出口蒸汽压力和温度的平均值为11.3 MPa和521 ℃，此参数下的蒸汽比容为0.03 m3/kg；对应表1中一次再热质量流量的容积流量GV=2 517×1 000÷3 600×0.03≈21（m3/s）。则一次再热容积时间常数T1=440÷21≈21（s）。

表1 中的二次再热机组，在额定工况下，其二次再热器进、出口蒸汽压力和温度的平均值为3.43 MPa和522.5 ℃，此参数下的蒸汽比容为0.1 m3/kg；对应表1 中二次再热质量流量的容积流量为GV=2 161×1 000÷3 600×0.1≈60（m3/s）。则二次再热容积时间常数T2=475÷60≈8（s）。

表1 一次再热和二次再热1 000 MW机组蒸汽参数比较

将一、二次再热容积时间常数和超高压缸、高压缸的功率自然过调系数代入图4，可得到模型的计算式（4）。式（4）的结果表明，二次再热机组功率变化最终值的34%是快速（小于3 s）达到的，20%要经过一阶惯性环节渐进达到，46%要经过二阶惯性环节渐进达到。

2.2 二次再热机组的一次调频特性

依据式（4）和图3 一阶惯性环节的阶跃响应曲线，可计算出二次再热机组一次调频负荷响应分别在15 s、30 s、60 s达到目标值的百分比。

同样方法可分别计算出30 s、60 s 时，一次调频的负荷达到目标值的百分比为81%、96%，也达不到考核标准90%、100%的要求。

进一步，用同样方法计算其他时间点的响应百分比，可知，一次调频的负荷23 s 后才能大于目标值75%，40 s后大于90%，85 s后大于99%。

由于早期投产的二次再热机组普遍存在再热汽温偏低的问题，后期的机组都增加了再热器的受热面，使得再热容积时间常数又有所增大［10］。理论上其一次调频负荷响应比上述引用机组还要差。

综上所述，二次再热机组不同于一次再热机组的结构特点，使其一次调频性能离现行标准的要求差距较大。现场一次调频试验也证明，必须采取大幅偏离滑压运行曲线的蒸汽参数，才能在部分工况下取得成功的试验结果，这种运行方式不仅影响机组的经济性和安全性，也难以同时满足一次调频双向调节都达标。

3 结语

现行一次调频考核标准是在我国还没有二次再热机组的情况下制定的，符合一次再热机组的负荷响应特性。二次再热机组增加了一个超高压汽缸和一次蒸汽再热，与一次再热机组相比，负荷响应最快的超高压缸的功率占比减少了；而功率占比最高的中低压缸，因再热容积惯性的增加，其负荷响应进一步延缓了。这就造成二次再热机组的一次调频性能难以达到现行标准的要求。

通过对某1 000 MW 二次再热机组的一次调频性能进行建模计算，其负荷响应在15 s、30 s、60 s 分别只能达到目标值的60%、81%、96%；负荷响应达到目标负荷75%、90%的响应时间分别大于23 s、40 s，响应稳定时间大于85 s。这些计算结果可为考核二次再热机组一次调频能力提供参考依据。