1000MW机组要供热 还要满足一次调频 控制起来真不容易

［摘要］1000MW机组经过热网系统的改造后，需要更大的抽汽量被供热使用，低压缸负荷调节幅度及响应速度降低，导致机组响应一次调频能力减弱。结合电厂实际运行情况，对供热调门进行适当优化，作为一次调频能力的补充手段，为机组安全经济运行提供了保障。

（来源：《上海节能》  作者：上海上电漕泾发电有限公司 韩岗 陈梁 徐晓辉）

0 前言

上海漕泾发电有限公司（以下简称“漕泾电厂”）位于上海化工区西侧，装机容量为2×1 000MW超超临界压力机组，锅炉为上海锅炉厂有限公司生产的SG-2956/27．46-M534超超临界压力的直流锅炉，汽轮机为上海汽轮机厂生产的单轴四缸四排汽凝汽式汽轮发电机组。为减少节流损失,机组采用CTF运行方式,即滑压运行。随着漕泾化工区内拜耳、巴斯夫、英国石油化工等数十家大型跨国化工企业的入驻，用热需求不断增加。为了开拓供热市场，漕泾电厂对供热系统进行了改造。由于汽机抽汽蓄热的使用，供热抽汽量增大时，调频阀位指令能得到更大的高中压缸调频负荷，但低压缸负荷调节幅度及响应速度降低，不利于机组一次调频功能对负荷需求的快速有效响应，尤其是机组#0抽汽改造完成后，导致原设计的汽轮机补汽阀一次调频加负荷功能与#0抽汽供热不能同时使用。

图1 供热系统改造图

1 供热系统简介

漕泾电厂在克服各项边界条件的限制后完成了供热系统的综合改造，使两台机组都具备抽汽供热系统。抽气供热分为高压抽汽供热和中压抽汽供热系统，分别引至高压供汽管网及中压供汽管网。为了保证机组在低负荷情况下能安全、稳定对外进行高压供热，从汽轮机补气阀前将蒸汽引出经减温减压后作为高压供热汽源的补充。供热系统示意图见图1。

2 供热系统参与调频方案设计

2.1 过载补汽阀的适时投用

漕泾电厂完成#0抽汽供热改造并投用供热后，如果汽轮机过载补汽阀打开，主蒸汽会直接进入到#0抽汽供热管道，导致供热蒸汽超温超压，影响供汽品质。因此，在#0抽汽供热投用情况下，对补汽阀进行闭锁，导致机组在此工况下一次调频的部分功能缺失。在#0抽汽不投用的情况下，可以重新投用补汽阀参与一次调频。

2.2 供热系统快速加负荷的方案设计

上海市一次调频考核主要判断在60秒内机组能够贡献的积分电量增值。在此情况下，可利用机组发电过程中存储于热力系统中的能量补充燃料响应的惯性和迟延。燃料量调节负荷存在大惯性大迟延，而利用机组热网具有的蓄热能量，当电网出现低频故障时，借助前馈控制快速、准确的优点，快速关小高压或中压供热调门的方式来响应一次调频动作，利用减少汽轮机的抽汽量，为机组贡献负荷。同时由于供热管网的蓄热作用，关小供热调压阀门短时间内对热网影响不大。一般情况下，一次调频发生的持续时间较短，这段时间内减少抽汽量对整个供热系统的压力和温度的影响不大，从而实现机组的供热系统蒸汽参数在热网许可的变化范围内，进行抽汽供热参与一次调频。

虽然热网储能兼具容量大和负荷调节速度快的优点，但其容量有限，与锅炉储能相同，最终仍需要燃料能量来补充。因此，利用热网储能快速增加负荷的方案，必须实现能量在不同尺度上的配合。快速增加负荷响应方面，借助前馈控制，将一次调频加负荷指令分别作为燃料、给水和供热调门的前馈，形成多尺度前馈控制方案。

2.3 供热系统的经济运行

漕泾电厂供热运行使用一抽或冷再供汽时，如因负荷较低而不能满足热网要求，可适时切换至压力高一等级的抽汽供汽（如：冷再切至一抽，一抽切至#0抽），在满足供热要求的情况下，应尽量使用低压力的抽汽供汽，从而达到机组经济运行的效果。因此，当一次调频低频动作，要求加负荷时尽量选择相对参数较高的供热汽源进行优先切除，同时增加了高、中压缸的做功效率。

3 供热调门控制逻辑设计

根据一次调频低频故障快速响应负荷和漕泾电厂供热运行规程，两台机组并列向同一母管供热时，控制两机供热调门后压力、流量相近，单机供热流量拟大于30t/h，便于减温水的调节，在供热调门控制上达到快切慢回的控制效果。

根据上文2．2节的方案预想，采用多尺度--前馈控制（详见图2），即利用前馈控制把供热阀位快速、准确的关至预设定位置，从而快速增加机组负荷；再通过函数，把一次调频加负荷指令分解，增加燃料量、给水量，从而补充系统内的能量，达到一次调频的控制要求。

图2 供热调门多尺度-前馈控制框图

为了缓慢恢复到一次调频前工况，在控制逻辑中，引入记录当时调频前历史供热工况机制，保留供热调门切除前的反馈位置，变为恢复供热的目标值，此过程跟踪实际供热压力，为了减少供热调门自调频恢复状态到自动调压过程后的系统扰动，从而达到一次调频信号消失后，逐步恢复，缓慢提高蒸汽流量。

结合以上两点，如发生电网低频事故，把供热调门快速关闭至20%左右（保留单机供热量至30t/h以上）。当一次调频低频差信号消失，在2分钟内，以匀速的速率把供热调门恢复至记忆的目标阀位。同时把调节阀在2分钟恢复后的蒸汽压力，与压力目标值的偏差写入到供热调节偏置中，由运行人员手动进行微调，从而避免可能出现的控制系统大幅扰动的问题。

供热系统参与一次调频控制过程中，引入一次调频功能退出机制，如果发生供热温度及供热压力偏差大，或者运行人员手动干预，退出该供热调阀并退出一次调频调节。重新投入自动后恢复原调压方式。

4 高压抽汽供热、中压抽汽供热一次调频低负荷试验

4.1 高压供热抽汽系统扰动试验

图3为机组负荷825MW时进行高压供热调门快速关小时机组负荷的变化情况。

如图3所示，高压供热调门从65%降至20%，供热流量减少约68 t/h左右，机组在60秒内增加的负荷约10．5MW，整个过程中最大增加约15．4MW。由于供热调门后有减温水调温阀，能根据供热量进行自动调节，因此供热扰动过程中供厂外计量站的供热温度下降2℃。供热量快速变化时，供热压力变化较小，至计量站的供热压力仅下降0．19MPa。高压供热调门在不同扰动下负荷响应及计量站温度压力变化情况见表1。

图3 高压供汽扰动约66t/h时负荷变化情况

表1 高压供热调门扰动试验相关统计数据

从表1统计数据可以看出，高压供热调门扰动下，机组在增加一定负荷的同时，对厂外计量站供汽压力及供汽温度的影响较小。

4.2 中压供热抽汽系统扰动试验

图4为机组负荷940MW时中压供热调门快速关小时与机组负荷的变化情况。

由图4可见，中压供热调门由70%降至30%，供热流量快速减至71t/h,机组负荷在60s内增大11MW，整个过程负荷最大增加14．1MW。中压供热调门扰动过程中，厂外计量站出口温度基本维持稳定，但供热压力有明显下降。当供热量扰动70 t/h时，供热阀后压力下降了0．7MPa，至计量站时供热压力下降约0．66MPa。中压供热调门在不同扰动下负荷响应及计量站温度压力变化情况见表2。

图4 中压供热扰动约70 t/h时负荷变化情况

表2 中压供热调门扰动试验相关数据统计

由表2统计数据可见，相比较于高压供热调门扰动，中压供热调门扰动下，计量站供热压力波动较大。

4.3 试验结果分析

与漕泾电厂对接（计量站出口）的化工区热网参数为：高压蒸汽压力范围在4．9 MPa～5．4MPa，温度330℃～345℃；中压蒸汽压力范围在3．0 MPa～3．7MPa，温度290℃～295℃。高压供热蒸汽压力下降了0．19MPa，中压供热蒸汽压力下降了0．66MPa，对热网供应系统影响较小。温度指标基本保持不变，高压供热扰动试验调节效果优于中压供热。

机组滑压运行，在不同的负荷、主汽压力不同，相同频差扰动下，调频能力差别很大。随主汽压力升高，调频能力增加。从不同负荷下高、中压调门扰动试验看，825MW负荷，切除供热蒸汽流量68t/h,60s负荷变化量为10．5MW，940MW负荷，切除供热蒸汽流量70t/h,60s负荷变化量为11MW。参考祁伟《不同抽汽工况对供热机组调频能力影响分析》中的机组在不同主汽压下调频能力的仿真试验，当机组处于较高主汽压力时，调频能力大，有利于提高电网对频率调节的精度；当机组处于较低主汽压力时，调频能力小不一定能满足电网的要求(漕泾电厂机组滑压运行，负荷越高主汽压力越高),由此得知，机组负荷下降的同时，调频能力也在下降，故在机组低负荷阶段（80%负荷以下）减少相应抽汽量，增加高中压缸作功比例，提升一次调频能力。

5 供热切除经济性选择

根据漕泾电厂实际热网运行情况，冷段抽汽在900MW以上供高压蒸汽，700MW～900MW供中压蒸汽，抽汽量均为100t/h。一级抽汽可以在660MW以上供高压蒸汽，500MW以上供中压蒸汽，抽汽量均为100t/h。500MW～900MW由一级抽汽向外供汽。采用一级抽汽向外供热，作为低负荷时冷段供汽的备用，可以改善冷段供热的可靠性和稳定性的不足（冷段和一级抽汽不考虑同时对外供蒸汽）。为了提高机组的经济性且在满足供热的情况下，制定了三处抽汽口协调控制的策略，详见表3。

表3 三个抽汽口协调控制的策略

在同一负荷工况下，低参数抽汽口供汽相对经济，其原因是这部分蒸汽在高压缸内作功多了，对汽轮机的效率越有利。由于#0抽汽的压力、温度参数比#1抽汽高；#1抽汽的压力、温度参数比冷段高。故得出冷端供汽的经济性大于#1抽，#1抽供汽的经济性大于#0抽,详见表4。为了提高机组的经济性且在满足供热的情况下，可以制定优先保留低参数抽汽口供汽策略。

表4 三个抽汽口蒸汽参数表

6 调频加负荷方案选择

综合高、中压供热抽汽的系统扰动试验，从高压及中压供汽阀门扰动情况，结合供热网络特性在压力波动允许的范围情况确定，利用合适的抽汽供热蓄能利用量，参与电网一次调频低频动作，快速增加负荷是可行的，高压供汽调节效果相对较好。同时，结合三处抽汽口利用供热系统经济性，去除蒸汽品质参数高越经济的方案，优先切除蒸汽品质高的气源，有利于汽轮机的效率，保障了机组的经济运行。

当电网低频差大于4转时，负荷工况大于70%，且0#抽汽供热未投用情况下，优先使用补汽阀进行一次调频，电网低频差大于5转时，切除供热气源作为调频功能的辅助手段。电网低频差大于4转时，负荷工况小于70%，且0#抽汽供热投用情况下，补汽阀调频功能闭锁,优先切除供热的0#抽的供热汽源。出现较大低偏差（大于5转）时，再切除其他供热汽源。

根据试验分析的结论，低负荷情况下，在主蒸汽压力低的情况下，一次调频的能力会有所减弱，再减少供热抽汽量，在80%负荷以下多切一路供热汽源,从而提高一次调频加负荷性能。具体方案见表5。

表5 不同负荷工况下的一次调频方案

在#0抽不投用情况下，以补汽阀调节为主，在#0抽投用情况下，切除#0抽为主，在低负荷阶段（80%负荷以下），加大减少抽汽量的使用，再把切除#1抽或冷再作为大频差调节辅助手段从而形成供热机组一次调频低频差加负荷方案的一个有效补充。

7 小结

对于供热改造完成的超超临界机组，尤其是#0抽投用后，在此工况下失去了继续开大补汽阀，快速增加负荷的一个手段。结合机组特点对高、中压抽汽供热蓄能利用进行试验和分析，总结出一套较完整的方案，能实现电网低频下快速增加负荷的一次调频功能，满足一次调频的性能要求。供热调节阀被切除后，在恢复阶段，由于热网工况有所波动，暂时不能实现过程全自动控制，这将是今后的研究方向。

参考文献

[1]杨洁峰，徐晓辉《1000MW机组节能降耗的供热应用》[J].上海节能.2015

[2]邓拓宇《供热机组储能特性分析与快速变负荷控制》[D].华北电力大学.2016

[3]祁伟《不同抽汽工况对供热机组调频能力影响分析》[D].华北电力大学.2018

注：原文发表于《上海节能》2019年第8期，标题为：浅析1000MW机组供热一次调频控制应用