凝结水节流参与的超超临界机组一次调频控制方法

1项目背景

电网频率是电能质量的主要指标之一，是衡量发电功率与用电负荷平衡的标志。火电机组响应一次调频的本质是在电网频率出现扰动时快速改变机组有功出力，维护电网功率平衡和频率稳定。超临界、超超临界机组由于没有汽包作为机炉侧缓冲，受协调系统能力限制的影响，普遍存在调频能力不足、机组运行参数尤其是主蒸汽压力波动大等问题。因此，如何进一步提高该类机组一次调频能力是亟待解决的问题。

2论文所解决的问题及意义

凝结水节流的调节负荷作用具有速率快，幅度小，暂时性的特点，符合一次调频的调节特性。本文在深入研究凝结水节流对机组功率影响的热力学机理基础上，提出基于凝结水节流的一次调频控制方法。通过计算凝结水节流蓄能对凝结水节流参与一次调频的调节能力进行定值分析，提出多尺度分解理论对一次调频指令进行分解，由凝结水节流系统和机炉侧一次调频系统分担一次调频任务，共同调节实现火电机组一次调频的快速安全稳定控制。

3论文重点内容

（1）凝结水节流系统蓄能计算

凝结水节流原理可概括为利用除氧器上水阀调节凝结水流量，影响低压加热器热平衡从而改变低压缸抽汽量，进而改变机组负荷。然而，受除氧器尺寸的制约凝结水系统蓄能容量有限。为方便描述凝结水节流系统蓄能，参考容积蓄热系数概念，定义节流蓄能系数如下：除氧器中的蓄能介质在单位水位变化时，变化体积部分造成的汽轮机低压缸侧抽汽量变化中携带的热量能够转化为电能的部分，单位(kJ/m)。

对“功率增量-节流量”增益系数进行计算过程如下：机组凝结水流量的变化会导致除氧器和各级低压加热器抽汽做功份额发生改变，即4~8级加热器做功份额。基于运行数据分析，可以将凝结水节流引起的5号低加抽汽做功变化作为节流引起的机组功率变化的表征量。对抽汽流量等无测点参数进行软测量计算后，整理获得凝结水节流功率的非线性计算模型。

利用凝结水节流扰动实验数据对节流蓄能系数进行验证。90%额定负荷下节流量238kg/s，计算机组功率增量16.47MW，实际机组功率增量16.2MW，相对误差1.67%，说明建立的功率增量-节流量增益模型能够反映出凝结水节流量对机组功率增量的影响情况。

定义机组功率增量与凝结水节流量的增益系数。节流增益系数与当前运行工况关系密切，为方便计算将该系数拟合为机组工况的函数，拟合结果如图1所示。

图1 节流增益系数与机组工况关系曲线

处于安全因素考虑需要对凝结水系统蓄能容量进行计算。根据除氧器内工质质量平衡对除氧器内工质容量进行计算并拟合为除氧器水位的二阶函数，结合功率增益系数计算获得除氧器水位变化单位高度引起的抽汽量改变转化成汽轮机侧热量的变化关系，利用该关系系数可以评估当前状态下凝结水节流系统参与机组负荷调节的能力大小。

（2）基于多尺度分解的一次调频联合控制方法

现有的火电机组一般采用一次调频“CCS+DEH”控制策略。设计利用凝结水节流参与一次调频方法的思路是将超出现有协调控制所能接受的变负荷速率范围外的功率指令分解出来，送入凝结水节流系统进行调节。针对凝结水节流参与机组功率的调节过程中只能有限度被利用的特点，提出基于多尺度分解的一次调频指令分配方法，对凝结水节流系统和主机一次调频系统定值进行优化。

基于变化速率的多尺度信号分解的过程可看做是：首先将一个信号分解为通过速率限制的部分（慢变部分）和剩余部分（快变部分），然后再对快变部分继续分解，如此反复n次，将信号分解为不同速率变化的分量。每个限速环节对应被控对象变负荷调节速率能力：其中慢变的、持续的第1层信号适用于燃料能量，快变的、暂时性的第2层信号适用于凝结水蓄能。如图2所示。由于凝结水节流蓄能有限，因此需要对节流功率指令进行限幅，使节流调频负荷指令包围面积不超过节流可利用蓄能。

图2 阶跃指令信号的多尺度分解

（3）仿真与结果分析

将基于多尺度分解的一次调频联合控制方案应用于被控机组，优化前后的机组一次调频响应情况如图3所示。

图3 优化前后的机组一次调频响应情况

凝结水节流方式下误差绝对值积分IAE=333.897，传统控制方式下IAE=497.216。可见凝结水节流与机炉侧相比响应速度更快，其可以通过快速调节凝结水流量对节流蓄能利用进行精确控制，同时分解指令缓解了机炉侧控制的压力，从而获得更好的动态控制效果。仿真中体现凝结水节流参与一次调频控制的另一优势在于：优化后的机组参数尤其是主蒸汽压力在调频过程中更加稳定，这是由于优化后由于凝结水节流控制系统承担了调频负荷指令中快变的部分，机炉协调侧承担的负荷指令更加缓和，平衡了汽机侧与锅炉侧的动态特性，从而提高了机炉侧参数的控制质量。

另外，基于尺度分解的节流一次调频指令通过对凝结水节流量进行约束，保证了除氧器水位运行在安全区间内（一般为水位设定中值±200mm），且一次调频功率指令具有小幅双向波动的特点，短时反复的凝结水流量变化避免了除氧器水位的剧烈波动，因此其能够保证凝结水节流系统参与一次调频控制的投入率。

4结论

凝结水节流本质是一种利用汽轮机回热系统蓄能影响机组出力的方法。本文提出节流蓄能系数概念，通过对凝结水节流系统蓄能进行分析，定量评估了凝结水节流在参与一次调频过程中的能量贡献能力，结合所提出的基于多尺度分解的一次调频联合控制方法，使机组在提高一次调频动态响应能力、改善运行参数稳定性的同时保证了凝结水节流系统的投入率，具有可观的实际应用价值。