基于“凝结水节流”的一次调频技术在百万二次再热机组上的应用

冯志金

（广东大唐国际雷州发电有限责任公司，广东 湛江 524255）

广东大唐国际雷州发电有限责任公司(以下简称雷州发电公司)2×1000MW 汽轮发电机组汽轮机采用上海电气集团股份有限公司型号为N1000-31/600/620/620 的超超临界、二次中间再热、单轴、五缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机，该汽轮机采用全周进汽节流配汽方式。由于节流配汽相比调节级喷嘴配汽能提高机组额定工况下的运行效率。理论分析和性能试验均表明其最经济的运行方式是高压调节门全开滑压运行。

由于汽机调门接近全开，且超超临界机组锅炉蓄热小，难以满足电网调度对机组一次调频的性能要求。尤其在当前特高压电网和大规模直流输电的背景下，一旦由于输电线路故障，造成受电端供电负荷缺失。电网频率快速下降，需要本地机组快速增加负荷以实现一次调频功能。

1 凝结水节流一次调频技术原理

为了解决百万二次再热机组由于汽机调门接近全开，且超超临界机组锅炉蓄热小，难以满足电网调度对机组一次调频的性能要求的问题，通过理论研究和试验提出了基于“凝结水节流”的一次调频技术。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低压加热器的抽汽量，从而快速调整机组发电负荷的过程。

当电网要求快速变化负荷时，由于汽机高调门接近全开，无负荷调节裕度。现通过改变凝结水流量，来改变低压加热器的抽汽量，进而来改变机组负荷。凝结水流量变化引起低压加热器抽汽流量改变，从而改变汽轮机做功，是凝结水参与一次调频的基本原理。如图1 所示。

图1 凝结水一次调频原理

在充分测试机组凝结水一次调频特性，摸清凝结水流量变化后负荷的响应速度和幅度，并观察凝结水至低压加热器系统中凝汽器水位、除氧器水位、各低压加热器水位等主要参数变化过程。以开环试验的结果设计凝结水参与一次调频的控制方式和边界条件，保障凝结水参与一次调频的有效性和安全性。

2 凝结水节流一次调频试验设计

2.1 凝结水负荷响应特性的开环试验

为了验证凝结水节流对负荷的响应时间、幅度、除氧器水位变化等特性，对雷州发电公司1 号机组开展了凝结水节流响应负荷的开环试验。

凝结水负荷响应特性开环试验的主要步骤是：

（1）机组退出AGC 和一次调频功能，退出协调控制，机组处于手动方式。

（2）切除除氧器水位上水调门、凝结水泵变频至手动状态，维持除氧器水位稳定运行不少于10 分钟。

（3）由运行人员通过手动快速改变除氧器上水调门或凝结水泵变频转速来改变机组的凝结水流量，要求凝结水流量变化在300～500t/h。记录机组负荷、凝结水流量、除氧器水位、热井水位参数。

（4）改变凝结水流量后，待负荷稳定或除氧器水位变化至临界值附近，手动调整除氧器水位至正常值。试验反复多次进行。

本次优化过程是通过凝结水负荷响应的开环试验，确定凝结水流量变化后，负荷的响应速度和幅度，并观察凝结水至低压加热器系统中凝汽器水位、除氧器水位、各低压加热器水位等主要参数变化过程。以开环试验的结果设计凝结水参与一次调频的控制方式和边界条件，保障凝结水参与一次调频的有效性和安全性。

2.2 凝结水节流一次调频功能设计

从凝结水参与一次调频过程的安全性出发，根据凝结水负荷响应的开环试验结果，本次设计的凝结水参与一次调频功能如下：

（1）在凝结水节流一次调频功能按钮投入情况下，将除氧器水位、凝汽器水位和凝结水压力在正常范围运行的条件，作为凝结水参与一次调频动作的允许条件。

（2）将网频一次调频动作信号作为凝结水参与一次调频动作的触发条件。

（3）将网频一次调频动作信号消失、除氧器水位过低（过高）、凝器水位过高（过低）、凝结水压力过低（过高）和运行人员手动退出按钮作为凝结水参与一次调频动作的复位条件。

（4）设计凝结水一次调频回路，当凝结水参与一次调频动作信号触发后，自动将除氧器水位控制回路切至凝结水一次调频回路，该回路根据调频功率计算输出当前除氧器上水调门（或凝泵频率）指令下降一定量后的值，并在一次调频结束后以一定速率返回为动作前的除氧器上水调门指令（或凝泵频率）。当无凝结水参与一次调频动作信号，该回路输出跟踪除氧器水位正常调节回路。

（5）为保证除氧器水位、凝结水压力在一次调频动作期间的安全控制，设计凝结水参与一次调频间隔时间，确保不会发生短时间内凝结水参与一次调频多次动作。

（6）考虑南方电网对机组一次调频动作时间要求，设计凝结水参与一次调频最多动作时间为1 分钟。

3 凝结水节流一次调频试验过程

3.1 凝结水负荷响应特性可行性试验

为了检验雷州发发电公司1 号机组在凝结水节流过程中，其负荷响应能力和安全运行边界（除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等参数），特开展了凝结水一次调频特性的可行性试验，具体试验过程如下（由于雷州发电公司在负荷700WM 以上采用凝泵调水位的控制方式，负荷700WM 以下采用除氧器上水调门调水位，本次开环试验以调门为例，凝泵变频原理相同）：

在600MW 负荷工况，将机组控制方式切至手动方式，维持凝汽器水位、除氧器水位、低加水位等参数稳定，由运行人员手动阶跃下降除氧器上水调门20%，观察负荷、除氧器水位、低加水位等参数变化。其试验结果如表1 和图2 所示。

表1 600MW 工况下，凝结水流量变化270t/h 时各参数变化表

图2 600MW 工况下，凝结水变化270t/h 时负荷响应特性

根据开环试验结果数据分析，1 号机组凝结水流量变化后负荷、除氧器水位、凝汽器水位、低加水位等参数变化存在以下特点：

（1）在不同负荷工况下，凝结水流量瞬间变化超过200t/h 时，机组负荷变化的幅度和响应时间才会起到辅助一次调频的作用。

（2）开环试验整体过程时间均在60 秒左右，凝汽器水位和低加水位在此过程中无明显变化，因此对于考核时间在60 秒的一次调频过程，凝结水变化辅助一次调频过程，凝汽器水位和低加水位的安全性运行可以得到保障。

（3）结合开环试验结果，本次优化将凝结水参与一次调频动作的范围设定在凝结水流量约在200t/h～350t/h 之间，对应除氧器上水调门在15%～20%，凝泵变频在3～5Hz。

3.2 凝结水节流参与一次调频控制逻辑

本次优化过程，凝结水参与一次调频动作的控制逻辑设计为三部分：凝结水一次调频触发回路、凝结水一次调频复位回路和凝结水一次调频动作回路。

结合凝结水系统的控制运行方式，根据高低负荷段上水调门和凝泵变频的自动运行方式，自动切换上水调门和变频作为参与凝结水调频的方式。

3.2.1 凝结水一次调频触发回路

从一次调频动作机理、凝结水调频需要注意的相关参数安全角度考虑，本次优化过程对凝结水一次调频触发的条件设计如下：

（1）触发条件（相与）：

运行人员投入按钮；

调频功率绝对值大于5MW，延时3 秒；

上水调门处于水位模式时，自动投入上水调门参与调频控制；

变频处于水位模式时，自动投入变频参与调频控制；

除氧器水位偏差在-200mm～200mm 之间, 延时30 秒；

除氧器水位在1800mm～2200mm 之间, 延时30 秒；

除氧器水位变化微分绝对值小于50mm（10 秒微分）；

凝结水压力大于1.1Mpa；

除氧器水位变频调节在自动；

凝汽器水位在800mm～150mm 之间，延时60 秒。

（2）凝结水条件触发后，为了避免凝结水连续动作对系统的冲击，设计了间隔5 分钟触发凝结水一次调频的控制策略，并考虑电网只考核一次调频60 秒的基本原则设计凝结水一次调频动作信号为跟随脉冲60s。

3.2.2 凝结水一次调频复位回路

凝结水一次调频复位回路主要作用是在一次调频结束和凝结水系统出现异常问题时，及时切除凝结水一次调频功能，保证机组运行的安全性。本次优化过程对凝结水复位条件设计如下：

复位条件（相或）：

运行人员复位按钮；

调频功率绝对值小于2MW；

除氧器上水调门和凝泵变频均不在水位自动模式；

除氧器水位偏差绝对值大于280mm,延时1 秒；

除氧器水位小于1500mm 或大于2300mm；

凝结水压力小于1.0MPa；

凝汽器液位大于1600mm 或小于700mm；

除氧器水位变频调节在手动；

3.2.3 凝结水一次调频动作回路

凝结水一次调频动作回路是关键控制回路，本次优化过程将凝结水一次调频动作回路的功能设计为以下几项：

凝结水一次调频动作前，凝结水一次调频动作回路处于跟踪状态；

凝结水一次调频动作时，原有的凝结水泵变频控制自动由除氧器水位控制回路切至凝结水一次调频动作回路；

凝结水一次调频动作时，设计了凝结水变频频率跟随调频功率变化的插值函数（如表2 所示），并设置当前凝结水泵频率指令浮动±5Hz（或上水调门指令浮动±20%）作为回路输出的动态上限和下限，保证凝结水泵频率在一次调频动作时的快速响应和安全运行。

表2 调频功率与变频指令插值函数

凝结水一次调频动作结束时，为了保证使凝结水系统快速恢复稳定，设计除氧器上水调门指令（或凝结水泵变频指令）的返程控制，即快速恢复至一次调频动作前的指令记忆值，且在逻辑设计时，设计有“快动慢回”回路。

4 优化结果

凝结水节流一次调频技术于2020 年3 月10 在雷州发电公司1 号机组投入运行，投入后凝结水参与一次调频动作正常，机组一次调频考核电量由原来的每月500MWh 降为0MWh，经济性良好，具体对比数据如表3。

表3 1 号机组优化前后一次调频考核数据对比表

5 结论

由2020 年3 月10 日以后的一次调频考核数据可知，雷州发电公司1 号机组经过凝结水节流一次调频优化后，其一次调频性能得到大幅提升，减少了1 号机组一次调频的考核次数。因此本项目提出和实施的凝结水一次调频技术，能很好解决超（超）临界机组蓄热小和高调门无调节裕度带来的调频性能不佳问题，值得在超超临界百万机组中推广应用。