超超臨界二次再熱機組不同調(diào)頻方式特性比較研究

荊雨田， 段立強， 田李果

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

近年來隨著新能源開發(fā)規(guī)模不斷增大，火電機組的整體占比及利用小時數(shù)有了明顯的降低。然而新能源具有波動性、間歇性等特點，對于電網(wǎng)整體的安全穩(wěn)定性有著負(fù)面影響。為了解決此矛盾需要火電機組承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，甚至長時間處于深度調(diào)峰狀態(tài)，然而我國火電機組的整體調(diào)峰能力較低[1]，需要提高火電機組靈活性。

二次再熱機組以其參數(shù)高、效率高、低排放等特點成為近年來燃煤機組中的主要發(fā)展方向，但二次再熱機組的一次調(diào)頻能力明顯弱于一次再熱機組[2]，故尋找提高二次再熱機組調(diào)頻能力的方法是首要任務(wù)[3]。

本文采用Ebsilon仿真軟件對某660 MW超超臨界二次再熱機組進行建模，在此基礎(chǔ)上分析高加旁路、高壓缸前補氣閥、凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻特性。以往對于高加旁路調(diào)頻的研究或著眼于單獨的切除某一級加熱器[4]或著眼于高加混合旁路及大旁路[5]，沒有進行對高加旁路調(diào)頻方式的完整對比。對于補氣閥調(diào)節(jié)目前的研究還較少，更多的是系統(tǒng)層面的分析[6]。凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻近年來的研究較為完善，但以超超臨界二次再熱機組為對象的研究很少。尤其在以往的研究中很少對不同類型調(diào)頻方式進行直接對比。

本文分別對機組采用高加旁路調(diào)頻、補氣閥調(diào)節(jié)、凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻特性進行研究，獲得不同調(diào)頻方式下機組負(fù)荷及熱經(jīng)濟性變化規(guī)律，對比三種調(diào)頻方式的優(yōu)劣，給出在機組需要進行調(diào)頻時的選擇建議。

1 系統(tǒng)模型說明

本文采用Ebsilon軟件搭建系統(tǒng)模型，搭建的模型是基于一臺660 MW超超臨界二次再熱機組(系統(tǒng)圖如圖1所示)，構(gòu)建的模型如圖2所示。表2為所搭建模型與機組設(shè)計參數(shù)的對比。

圖1 某660 MW超超臨界二次再熱機組系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of a 660 MW ultra-supercritical double reheating unit

圖2 軟件搭建的系統(tǒng)模型圖Fig.2 System model diagram built by software

表1 機組設(shè)計值與模型參數(shù)對比

本文所采用的的調(diào)頻手段是以4種典型運行負(fù)荷(THA、75%THA、50%THA、40%THA)為基礎(chǔ)開展研究，所以模型準(zhǔn)確性非常重要。由表1對比結(jié)果看，模型的精度滿足要求。

2 高加旁路調(diào)頻

高壓加熱器旁路調(diào)頻是指利用在高壓加熱器進出口兩端增設(shè)的給水旁路，使部分給水不經(jīng)過高壓加熱器的逐級加熱而直接流入省煤器并繼續(xù)后續(xù)流程的調(diào)頻手段[7]。高加旁路分為3種，高加小旁路、高加混合旁路、高加大旁路。以目前某660 MW超超臨界二次再熱機組為基礎(chǔ)，增設(shè)下面幾種旁路進行模擬試驗，設(shè)置如下：分別對1至4號高加設(shè)置獨立小旁路；對1/2號、1/2/3號設(shè)置混合旁路；對1號至4號高加設(shè)置整體大旁路。通過改變機組不同負(fù)荷、不同高加旁路開度進行對比實驗。

2.1 高加小旁路負(fù)荷響應(yīng)對比

單獨旁路1至4號高加分別設(shè)為實驗一至實驗四，在機組THA下開展試驗，旁路流量為100%。

表2 四種高加小旁路負(fù)荷響應(yīng)對比

從表2數(shù)據(jù)可以看出，1號、2號高加旁路對于機組提升負(fù)荷有明顯作用，而3號、4號旁路不具有單獨開啟改變機組負(fù)荷的能力。1號高加旁路可提升機組負(fù)荷達(dá)到48.22 MW，約占原負(fù)荷的7.25%，原因是1號高加的蓄熱能力較強，減少的抽汽繼續(xù)在后續(xù)機組做功且做功能力強，后續(xù)幾級抽汽量均有所增加但因增加的抽汽而減少的做功量較少。2號高加旁路可提升機組負(fù)荷達(dá)14.33 MW，約占原負(fù)荷的2.15%，調(diào)頻能力不如1號強，分析原因是2號高加蓄熱能力較1號高加低一些且2號旁路開啟時1號高加抽氣量有顯著增加，從而降低了部分調(diào)頻能力。3號、4號高加旁路對機組負(fù)荷無明顯影響，原因為因旁路減少的抽汽而增加的做功，與其他級抽汽量增加而減少的做功量基本一致，從而導(dǎo)致機組負(fù)荷無明顯變化。

機組熱經(jīng)濟性方面，高加旁路對于機組的熱經(jīng)濟性是產(chǎn)生負(fù)面影響的，打開旁路會降低機組的絕對內(nèi)效率，增高熱耗率。其中實驗一對于機組的熱經(jīng)濟性影響最大，效率降低0.31%，熱耗率提高43.48 kJ/kW·h，原因是1號高加的抽汽做功能力最強，對機組的影響最大。

2.2 高加小旁路、混合旁路、大旁路負(fù)荷響應(yīng)對比

實驗在THA工況下、按照機組考核爬坡要求5%的負(fù)荷，即機組功率增加33.26 MW條件下進行對比，實驗一為1號高加小旁路，實驗二為1/2混合旁路,實驗三為1/2/3混合旁路，實驗四為1/2/3/4高加大旁路。

表3 四種旁路形式負(fù)荷響應(yīng)對比

從表3數(shù)據(jù)中可以觀察到，當(dāng)機組負(fù)荷都提高相同數(shù)值時，所打開的旁路流量開度是不同的。實驗一到實驗四所打開的旁路流量依次減少，說明調(diào)頻能力是依次增大的。在前面分析高加小旁路調(diào)頻特性時，3號、4號作為單獨高加旁路時是沒有調(diào)頻能力的，但加入整體大旁路后，起到了較明顯的正向作用。

可以觀察到4種旁路方式對于給水溫度的影響接近，但是4種旁路方式對加熱器自身的熱沖擊差異較大。在實驗一中被旁路的抽汽全部來自于1號高加，其他加熱器只有均勻微小的提升，因此這種方式對1號高加的熱沖擊較大。實驗四中可以觀察到各級抽汽相較于正常運行時均有所改變，但改變較小，故這種方式是4種方式中對各級加熱器熱沖擊最小的。實驗二和三則介于兩者之間。機組熱經(jīng)濟性方面，當(dāng)機組提升負(fù)荷一致時，實驗一和實驗二的內(nèi)效率和熱耗率性能指標(biāo)最好，但是四組實驗整體相差不大。

2.3 不同流量開度對機組參數(shù)的影響

實驗選擇1/2號混合旁路、1/2/3號混合旁路、高加大旁路在THA工況下進行不同流量開度的實驗，以研究在不開度下機組功率，給水溫度，機組熱耗率的變化規(guī)律。

圖3 流量開度-機組功率特性曲線.Fig.3 Opening-power characteristic curve

圖4 流量開度-給水溫度特性曲線Fig.4 Opening-feed water temperature characteristic curve

圖5 流量開度-熱耗率特性曲線Fig.5 Opening-heat rate characteristic curve

由圖3～圖5三張圖可看出，9條特性曲線均近似呈現(xiàn)線性變化，這對于在實際電廠中的操作起到重要的指導(dǎo)作用，改變開度獲得功率、給水溫度、熱耗率變化特性。對于流量開度-功率曲線，可以發(fā)現(xiàn)高加大旁路調(diào)頻能力最強，在改變同樣的旁路開度時，高加大旁路對功率的改變能力也是最強的。流量開度-給水溫度曲線中，對于給水溫度影響最大的是大旁路，其最大溫度差達(dá)到40.9 ℃，其次是1/2/3混合旁路，最小是1/2混合旁路。對于流量開度-熱耗率曲線可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟性最好的是1/2混合旁路，最差的是大旁路。故從以上三者的角度綜合考慮，在后續(xù)的研究中，會不再考慮1/2/3此種混合旁路，由于其經(jīng)濟性不占優(yōu)，調(diào)頻能力同樣不占優(yōu)。

3 補氣閥調(diào)節(jié)

補氣閥是安裝在主調(diào)閥前的一個閥門。該閥門將主蒸汽引至高壓缸中的某一級，使主蒸汽與做功后的上一級排氣混合，共同進入下一級膨脹做功[8]。當(dāng)機組需要一次調(diào)頻時，可以打開補氣閥閥門，從而增加機組的功率輸出[9]。實驗選擇在機組THA、75%THA、50%THA運行方式下，依次改變補氣閥流量開度從10%至90%，比較其負(fù)荷及熱經(jīng)濟性變化，如圖6～圖11所示。

圖6 THA運行工況下機組功率及熱經(jīng)濟性變化Fig.6 Changes of power and thermal performance of unit under THA operating condition

圖7 THA運行工況下機組內(nèi)效率及熱耗率極值點Fig.7 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under THA operating condition

圖8 75%THA工況下機組功率及熱經(jīng)濟性變化Fig.8 Changes of power and thermal performance of unit under 75%THA operating condition

圖9 75%THA運行工況下機組內(nèi)效率及熱耗率極值點Fig.9 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under 75%THA operating condition

圖10 50%THA工況下機組功率及熱經(jīng)濟性變化Fig.10 Changes of power and thermal performance of unit under 50%THA operating condition

圖11 50%THA運行工況下機組內(nèi)效率及熱耗率極值點Fig.11 Extreme value points of unit internal efficiency and heat consumption rate under 50%THA operating condition

先觀察THA運行工況情況下，如圖6所示，補氣閥調(diào)門開度從10%至90%的數(shù)據(jù)變化，補氣閥開度整體的調(diào)頻能力不強，最多時可增加機組原功率的3.47%；機組的絕對內(nèi)效率受補氣閥開度影響較小，而機組熱耗率是呈先上升后下降的趨勢，可以看到補氣閥開度60%時，機組絕對內(nèi)效率達(dá)到最低點50.19%且熱耗率處于7 173.16 kJ/kW·h，當(dāng)閥門開度從60%減小或者從60%增大，機組內(nèi)效率會逐步上升，熱耗率會逐漸減小。

橫向?qū)Ρ热N不同運行工況下，整體的趨勢相同，機組負(fù)荷增加量隨補氣閥流量開度增大隨之增加。機組熱耗率從補氣閥開度10%至90%范圍內(nèi)呈先上升后下降的趨勢，存在熱耗率最大點，按照機組運行工況依次下降排列，最大點分別出現(xiàn)在64%、59%、59%補氣閥開度下。汽輪機的絕對內(nèi)效率隨補氣閥流量開度的增大變化不明顯，但具有先降低后增加的趨勢，故有一效率最低點，按照機組運行工況依次下降排列，最小點分別出現(xiàn)在64%、58%、55%補氣閥開度下。

4 凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的原理是，利用除氧器上水調(diào)門或者改變凝結(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來達(dá)到短時間內(nèi)減少或增大進入低壓加熱器及除氧器的凝結(jié)水流量，從而改變各級低壓加熱器及除氧器的抽氣量，最終達(dá)到改變機組負(fù)荷的目的[10，11]。本節(jié)探討在不同負(fù)荷下利用凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻對于機組負(fù)荷的影響，及相同負(fù)荷下不同節(jié)流量對于機組的熱經(jīng)濟性影響，如圖12～圖15所示。

4.1 不同運行方式下的凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻

對機組在4種不同運行方式下，改變凝結(jié)水節(jié)流比例從0至100%，用仿真模型進行模擬，記錄最終機組負(fù)荷變化的比例，實驗結(jié)果如下。

圖12 不同運行方式下負(fù)荷變化比例與凝結(jié)水節(jié)流比例關(guān)系Fig.12 Relation between ratio of load change and ratio of condensate throttling under different operation modes

由圖9可以發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：4種運行方式下，負(fù)荷變化比例與凝結(jié)水節(jié)流比例均呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。對比不同運行方式，可觀察到機組運行的負(fù)荷越高，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的能力也越強，機組的負(fù)荷低，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的能力也越低。

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的能力較強。在THA及75%THA運行方式下，當(dāng)凝結(jié)水節(jié)流比例到達(dá)70%時，即可增加機組5%以上的負(fù)荷，達(dá)到機組考核要求。在50%THA運行方式中則需要凝結(jié)水節(jié)流比例達(dá)到80%時，可增加機組負(fù)荷達(dá)5%。而40%THA運行方式下，僅利用凝結(jié)水節(jié)流較難達(dá)到增加5%負(fù)荷的目的。在相同運行方式下，機組負(fù)荷變化比例隨凝結(jié)水節(jié)流比例提高而增加，并且具有雙向可調(diào)的性質(zhì)。線性變化的優(yōu)勢是，控制閥門每增加相同的凝結(jié)水節(jié)流量，機組增加的負(fù)荷量是相同的，這樣的性質(zhì)有利于實際運行中的操控。

4.2 不同凝結(jié)水節(jié)流比例對機組熱經(jīng)濟性的影響

對比機組在THA、75%THA、50%THA三種不同運行方式下，當(dāng)改變凝結(jié)水節(jié)流比例，研究凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻給機組熱經(jīng)濟性變化帶來的影響。

圖13 THA工況機組負(fù)荷變化及熱經(jīng)濟性表現(xiàn)Fig.13 Load change and thermal performance of unit under THA working condition

圖14 75%THA工況機組負(fù)荷變化及熱經(jīng)濟性表現(xiàn)Fig.14 Load change and thermal performance of unit under 75%THA working condition

圖15 50%THA工況機組負(fù)荷變化及熱經(jīng)濟性表現(xiàn)Fig.15 Load change and thermal performance of unit under 50%THA working condition

由圖10～圖12可得出如下結(jié)論：機組在不使用凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻時，三種運行方式的絕對內(nèi)效率分別為51.05%、48.95%、46.07%。通過比較可以發(fā)現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻不同于高加旁路調(diào)頻、補氣閥調(diào)頻等手段，此種方式在提升機組負(fù)荷的同時不會降低機組的絕對內(nèi)效率，并且效率會隨著凝結(jié)水節(jié)流比例的增加而提高，最大出現(xiàn)在THA運行方式下80%凝結(jié)水節(jié)流比例時，可以提高3.09%的內(nèi)效率。

機組正常運行時，三種運行方式下的熱耗率分別為7 051.58 kJ/kW·h、7 184.06 kJ/kW·h、7 352.21 kJ/kW·h。通過比較可以得出使用凝節(jié)水節(jié)流進行調(diào)頻時，不會對機組的熱耗產(chǎn)生負(fù)面影響，相反隨著凝結(jié)水節(jié)流比例的增加機組的熱耗會隨之降低，熱耗降低最多出現(xiàn)在THA運行方式下80%凝結(jié)水節(jié)流比例時，可降低機組熱耗達(dá)402.04 kJ/kW·h。

5 三種調(diào)頻方式對比

上文對于超超臨界二次再熱機組的幾種調(diào)頻手段分別作了特性分析，本節(jié)將三種調(diào)頻手段放到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)下對比，比較對象選擇1號高加旁路、1/2號高加混合旁路、高加大旁路、補氣閥調(diào)節(jié)、凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻，如圖16～圖20所示。

5.1 提升機組相同負(fù)荷各調(diào)頻方式熱經(jīng)濟性

在機組THA運行方式下，提升負(fù)荷分別選擇20 MW(實驗一)和45 MW(實驗二)兩組實驗。由于補氣閥最高僅有23.08 MW的提升空間，而1號小旁路和凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的最大提升負(fù)荷分別為48.22 MW和47.78 MW。在同一負(fù)荷提升標(biāo)準(zhǔn)下，比較單獨利用各調(diào)頻手段，對機組熱經(jīng)濟性的影響。

圖16 THA工況下機組負(fù)荷提升20 MW各調(diào)頻手段熱經(jīng)濟性數(shù)據(jù)Fig.16 Thermal performance data of various frequency modulation methods for unit load enhancement of 20 MW under THA working condition

圖17 THA工況下機組負(fù)荷提升45 MW各調(diào)頻手段熱經(jīng)濟性數(shù)據(jù)Fig.17 Thermal performance data of various frequency modulation methods for unit load enhancement of 45 MW under THA working condition

機組正常運行在THA工況時，絕對內(nèi)效率51.05%，熱耗率7 051.58 kJ/kW·h。從結(jié)果中可以看到高加旁路的三種旁路方式，在提升相同負(fù)荷時，絕對內(nèi)效率與熱耗率三者基本相同，其中高加大旁路的內(nèi)效率相對較低，熱耗率較高。而1號高加小旁路和1/2混合旁路的改變對于機組的熱經(jīng)濟性影響幾乎一致，不會受到調(diào)頻負(fù)荷的影響而出現(xiàn)較大差異。在實驗一中補氣閥調(diào)節(jié)是所有調(diào)頻手段中熱經(jīng)濟性最差的，其內(nèi)效率最低，與最高者相差2.37%；其熱耗率最高，與最低者相差323.66 kJ/kW·h。究其原因，從汽輪機高壓缸中直接調(diào)節(jié)，與利用回?zé)嵯到y(tǒng)的蓄熱來進行調(diào)節(jié)，前者對于機組的影響更大，是從源頭改變了機組的負(fù)荷，速度雖然會更快，但對熱經(jīng)濟性的影響更大。凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻是唯一可以在提升機組負(fù)荷的同時可以改善機組經(jīng)濟性的調(diào)頻方式，其內(nèi)效率比正常運行時高出1.53%，熱耗率比正常運行時低204.8 kJ/kW·h。對比實驗一與實驗二可以發(fā)現(xiàn)隨著調(diào)頻負(fù)荷的提升，高加旁路調(diào)頻方式與凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的熱經(jīng)濟性差異也隨之增大，凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻的優(yōu)勢更為凸顯。

5.2 相同開度比較不同調(diào)頻方式的潛力

繼續(xù)比較上述的5種調(diào)頻方式，現(xiàn)在設(shè)定機組在4種運行情況下，各打開30%、50%、70%的閥門開度，比較在各種運行方式中，不同調(diào)頻方式的潛力。

圖18 四種運行工況下各調(diào)頻方式30%開度機組負(fù)荷增量Fig.18 Load increment of each frequency modulation mode at 30% valve opening degree under four operating conditions

圖19 四種運行工況下各調(diào)頻方式50%開度機組負(fù)荷增量Fig.19 Load increment of each frequency modulation mode at 70% valve opening degree under four operating conditions

圖20 四種運行工況下各調(diào)頻方式70%開度機組負(fù)荷增量Fig.20 Load increment of each frequency modulation mode at 70% valve opening degree under four operating conditions

可以發(fā)現(xiàn)在機組同樣運行方式時，五種調(diào)頻方式均隨著閥門開度的增加而增強。調(diào)頻能力與機組所運行的負(fù)荷有直接關(guān)系，調(diào)頻能力隨機組負(fù)荷增高而增大。從圖中可以明顯分辨出幾種調(diào)頻方式的調(diào)頻能力。調(diào)頻能力最強的是高加大旁路，在THA運行工況70%開度下，與最低的補氣閥調(diào)節(jié)機組負(fù)荷增加量之差可達(dá)75.55 MW，占原負(fù)荷的11.36%。調(diào)頻能力其次的是1/2混合旁路，在THA運行工況70%開度時，負(fù)荷提升量是1號小旁路的兩倍，體現(xiàn)出混合旁路較小旁路更強的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。1號高加小旁路與凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻在機組低負(fù)荷運行時調(diào)頻能力相當(dāng)，在機組負(fù)荷升高時，調(diào)頻能力差距逐漸增大。調(diào)頻潛力最小的是補氣閥調(diào)節(jié)，在THA運行工況70%開度時僅提升機組負(fù)荷的2.6%。

5.3 調(diào)頻方式的選擇

從前文的結(jié)果中，可以看出幾種調(diào)頻方式中，從機組的熱經(jīng)濟性方面比較，排名如下：

凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻>1號小旁路≈1/2混合旁路>高加大旁路>補氣閥調(diào)節(jié)

從機組調(diào)頻潛力方面比較，排名如下：

高加大旁路>1/2混合旁路>凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻>1號小旁路>補氣閥調(diào)節(jié)

所以綜合以上結(jié)果，如果需要提升較大負(fù)荷時應(yīng)該考慮高加大旁路；如果需要提升的負(fù)荷不大，而考慮經(jīng)濟性優(yōu)先時，優(yōu)先選用凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻；當(dāng)既需要提升負(fù)荷，也需要考慮經(jīng)濟性時，推薦采用1/2混合旁路或者高加大旁路。1號小旁路在各項比較中均不突出，而補氣閥調(diào)節(jié)因其響應(yīng)速度最快，可以作為調(diào)頻初期的方法，然后迅速采用其它調(diào)頻方式作為負(fù)荷提升的補充。

6 結(jié) 論

本文分析比較了三種典型調(diào)頻方式特性，主要結(jié)論如下：

(1)高加旁路調(diào)頻特性

四個高加小旁路中，僅有1號及2號高加旁路具有負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，1號高加的調(diào)節(jié)能力顯著強于2號，但兩者熱經(jīng)濟性相仿，故選用1號高加進行后續(xù)對比。

比較1號高加，1/2、1/2/3混合旁路，高加大旁路，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力依次提高，3、4號高加旁路單獨使用沒有效果，但與其他加熱器組合后有了明顯的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。四者中對于機組加熱器管路的熱沖擊大旁路最為均勻，1號高加旁路的熱沖擊性最差。

對比混合旁路及大旁路，1/2混合旁路的熱耗率及給水溫度表現(xiàn)最好但負(fù)荷調(diào)節(jié)能力最低，大旁路負(fù)荷調(diào)節(jié)能力最強，但熱耗率最高，給水溫度下降最多。1/2/3混合旁路三項表現(xiàn)均處于中間位置，故在后續(xù)實驗中不再參與討論。

(2)補氣閥調(diào)節(jié)特性

負(fù)荷調(diào)節(jié)能力最弱，熱經(jīng)濟性最低，但因其響應(yīng)速度最快，可作為調(diào)頻初期使用方法。

(3)凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻特性

它是唯一在提升機組負(fù)荷的同時還能提高機組熱經(jīng)濟性的調(diào)頻方法，并且呈線性表現(xiàn)，其負(fù)荷調(diào)節(jié)能力與1號高加旁路相近。

(4)對于幾種調(diào)頻方式的選擇，機組負(fù)荷需求較高時采用高加大旁路；對于經(jīng)濟性要求較高時采用凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻；對兩者均有考慮時可選擇1/2混合旁路或高加大旁路，在響應(yīng)初期可打開補氣閥做出最快反應(yīng)。