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补汽阀投切对机组一次调频功率响应影响分析

2024-10-17 58 上传者：管理员

摘要：补汽阀技术能够有效提高机组灵活性，但对于设置补汽阀的机组，在投用过程中也存在着引起汽流激振、节流损失降低机组效率等问题，部分机组为了限制补汽阀开启将其阀限设置为-5%,但该做法容易引起积分饱和现象，严重影响机组功率控制。针对该问题，修改了控制逻辑，在控制系统中将补汽阀切除，有效解决了积分饱和的现象。讨论补汽阀切除后对机组一次调频功率响应的影响，通过仿真分析得到补汽阀切除后前馈系数仅为原系数的0.8倍，降低了一次调频功率支撑能力。提出了针对补汽阀切除前后设置不同流量特性函数或不同前馈系数模块，解决补汽阀投切对一次调频功率响应特性的影响。

关键词：
一次调频
切除
前馈
发电技术
补汽阀
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随着发电技术的进步，清洁能源和新能源受到越来越多的重视。传统火力发电机组面临前所未有的压力和考验。现代超超临界大型火力发电机组在大容量、高参数的基础上继续挖掘机组节能潜能空间的难度越来越大[1]。为了顺应清洁、高效和环保的要求，近些年火力发电机组纷纷进行节能减排和增容提效改造，而补汽调节阀技术可以有效提高汽轮发电机组的经济性和运行灵活性，目前在高参数大功率汽轮发电机组中得到广泛应用[2]。但是带补汽阀全周进汽机组在运行中同样存在问题，影响机组的运行。

1、补汽阀结构及其运行分析

补汽调节阀技术是指全周进汽汽轮机在滑压运行时调节阀调节余量不足时，为了实现机组调频或是快速调节负荷的要求从某工况开始从高压主汽阀后引出蒸汽，经补汽阀节流后进入汽轮机高压缸某级动叶后膨胀做功的一种措施。补汽阀其结构与其他调节阀相同，均由电液伺服系统调节开度。补汽阀一般布置在高压缸下部，是由高压主汽门后与高压调节阀并列引出的调节阀，见图1。

图1补汽阀布置图

与带有喷嘴的部分进汽形式汽轮机相比，全周进汽加补汽调节阀技术形式汽轮机具有节能高效、结构稳定、运行灵活等优点[3～4]。全周进汽结构形式的汽轮机，由于机组无调节级，第一级叶片与其他各级相同，其进汽压力与焓降均与流量成正比。根据彭泽瑛[2]等人研究，在超临界机组中，不同负荷下全周进汽机组滑压运行时热耗率相对于变压-喷嘴调节机组均有明显的降低。国内某300 MW机组，为实现增容提效，在保持蒸汽参数不变的条件下将高压缸调节级取消，提高了汽轮机效率实现了额定功率的增容。根据试验结果，改造前后汽轮机高压缸效率分别为85.30%和88.76%。

根据文献[3]所述，全周进汽汽轮机的调节阀设计理念为在30%～100%负荷范围内，采用滑压运行方式，调节阀全开，降低调节阀的节流损失，调节阀主要用来带基本负荷。在机组参与一次调频时，使用补汽阀进行调节。该设计方法能够弥补全周进汽滑压运行模式下蒸汽压力低于额定值降低循环效率的缺陷，同时能够满足机组快速响应电网频率变化的需求，减小主蒸汽压力的波动。虽然该类型机组存在较多优点，但是在补汽阀实际投入运行时仍存在着较多的实际问题，如引起汽流激振、节流损失降低机组效率等。由于近年来汽轮发电机组负荷率较低，超过额定功率发电的状况非常少，考虑到在额定主汽压下，调节汽门全开能够满足机组额定功率的要求，因此为运行安全考虑，部分机组在实际运行中闭锁补汽阀，并采用调节阀节流的方法实现机组对电网频率的快速响应。然而闭锁补汽阀运行同样也带来了积分饱和控制响应慢的问题。下文将分析补汽阀投切给机组运行尤其是一次调频能力带来的影响。

2、补汽阀闭锁对机组影响

以某百万超超临界机组为例，高压调阀0%～100%开度只对应0%～80%总流量指令，而在总流量指令78%～100%时，补汽阀开始参与调节，增加汽轮机进汽，其流量特性曲线见图2。

补汽阀开启点一般在机组负荷达到额定负荷后，此时为了增大汽轮机进汽流量增加机组功率从而开启补汽阀，使机组功率达到汽门全开(VWO)工况下的功率。此时通过补汽阀进入汽轮机的蒸汽直接进入高压缸第五级后进行做功。虽然该工况下机组功率增加，但是由于补汽阀的节流作用以及进入1～5级蒸汽流量的减少导致的汽轮机效率下降[5～6]。根据文献[7]对汽轮机补汽阀开启工况和关闭工况下的性能试验对比结果可知，补汽阀开启时汽轮机高压缸效率相对于关闭时降低2个百分点，试验热耗率升高约10%。同时在高负荷下，补汽阀的开启对机组轴系的稳定产生较大的扰动，容易引起汽流激振，破坏汽轮机转子的平衡，导致振动增大，威胁机组安全稳定运行。因此部分配有补汽阀的上汽超超临界机组在运行时选择将补汽阀闭锁，将补汽阀开度上限设为-5%,使其无法开启。

图2汽轮机流量特性曲线

根据图2所示流量曲线，如果将补汽阀开度最大值限制至-5%,则在流量总指令80%～100%区间内补汽阀不再参与机组功率调节。然而当机组由于锅炉蓄热不足，主汽压低于设定值时，实际功率无法快速跟踪功率指令时，负荷控制回路PID依旧在积分作用下增加流量指令至105%。此时虽然流量总指令增加，阀门开度不再变化，机组功率的增长只有待锅炉增加出力。而同样的在机组降负荷时流量总指令需由105%降至80%高调阀才开始关闭，机组功率开始响应调节指令。考虑到上汽机组调节阀为快开型调节阀，在70%以上开度时基本没有节流，也就是说在这一范围内虽然调节阀开度变化，但是汽轮机进汽流量变化很小，所以机组实际调节死区更大。上述流量总指令在积分的作用下一直在调节而机组实际功率不变的现象即为积分饱和现象。积分饱和严重影响了汽轮机组的功率调节特性，对机组响应AGC及一次调频都产生较大的影响[5]。

图3补汽阀切除前后高中压调节汽门流量特性曲线

为解决积分饱和的问题，部分超超临界机组在DEH控制逻辑中增加了补汽阀切除逻辑，即在原有流量指令分配逻辑下，增加切换功能，可切换至新流量分配曲线，总流量指令0%～80%改为0%～100%对应高调0%～100%,总流量指令16%～56%改为20%～70%对应中调0%～100%,可大幅度缓解负荷控制器积分饱和作用。新的流量总指令与调节阀及补汽阀关系见图3。

3、补汽阀切除对机组一次调频的影响

3.1 一次调频原理

在DEH控制逻辑中将补汽阀切除虽然能够解决控制系统的积分饱和现象，但是也对机组的一次调频能力带来了影响。

图4 DEH一次调频控制原理图

如图4所示，DEH一次调频回路由PID控制环节和前馈环节组成。PID控制环节为转速偏差除以转速不等率作为调频负荷设定值，与实际负荷及负荷设定值叠加计算得到调频负荷指令，用于弥补未达到调频需求的工况。前馈环节为转速偏差(NSV-NT)/3000乘以转差系数KDN作为一次调频前馈流量值，直接叠加在总流量指令上，用于快速响应电网调频需求[8]。

3.2 补汽阀切除对一次调频前馈系数的影响

由图2及图3可知，补汽阀切除后，汽轮机流量特性曲线相应做出了改变，将总流量指令0%～80%对应高调门0%～100%修改为0%～100%对应高调门0%～100%。在机组一次调频动作时，由于前馈系数不变，相同转速差下前馈环节对流量总指令的改变也不变。此时流量总指令对应的高调门开度的变化由于流量曲线的改变而发生变化。如图5所示，在流量特性函数变化后，相同的综合阀位指令变化量x引起的高调门开度变化量y1和y2呈现明显区别，说明一次调频的前馈量对高调门开度的影响变小。因此在补汽阀切除后，一次调频时实际的前馈量变小，也就是说前馈系数变小。

图5补汽阀切除前后前馈环节阶跃量对比

根据图3可知，汽轮机流量特性曲线并不是线性的，但是在机组实际运行时，为了提升机组控制性能满足一次调频需求，一般将汽轮机高调门节流在较低开度运行，此时高调门开度与流量总指令近似为线性关系。假设高调门始终运行在流量特性曲线呈线性关系区域，其关系可用下式(1)表示。

式中：φ表示流量总指令，%;GV表示高调门开度，%;k表示流量总指令与调门开度比例系数。

根据图5中对比曲线，如果达到相同的高调门阶跃量则补汽阀切除后的流量总指令变化量应为切除前的1.25倍，即在补汽阀切除后前馈系数KDN不变的情况下，实际前馈系数变为0.8KDN。在汽轮发电机组参与一次调频的过程中，一般功率变化主要来自于前馈环节，而PID控制环节仅是在前馈量不足时进行调节，而且其响应时间相对较长。根据火力发电机组一次调频试验及性能验收导则对一次调频响应速度的要求为燃煤机组达到75%目标负荷的时间应不大于15 s。因此机组一次调频前馈系数的减小会对机组的一次调频响应特性造成较大影响。

3.3 仿真分析及处理

为验证前馈系数对机组一次调频能力的影响，基于电力系统暂态稳定仿真软件(BPA)对补汽阀切除前后的机组一次调频响应特性进行仿真。对某百万千瓦超超临界汽轮发电机组参数进行仿真，其具体参数如表1所示。

表1超超临界机组BPA模型参数

基于表6中机组参数，在BPA仿真软件中模拟电网频率出现0.15 Hz的频差，对机组一次调频响应特性进行仿真，并将仿真结果与实际汽轮机实际功率响应曲线进行比较，见图6。

根据前文所述，补汽阀切除后逻辑中设置前馈系数KDN不变时，一次调频实际前馈系数KDN1=0.8KDN,按此前馈系数对机组进行相同工况下的频率扰动，其一次调频响应特性仿真如图7所示。

图6补汽阀切除前机组一次调频响应特性(KDN=0.9)

图7补汽阀切除后机组一次调频响应特性(KDN1=0.72)

根据补汽阀切除前后机组一次调频响应特性仿真结果，其高压缸最大出力增量以及一次调频响应速度对比见表2。

表2补汽阀切除前后机组一次调频响应特性结果对比

根据火力发电机组一次调频试验及性能验收导则对一次调频响应速度的要求为燃煤机组达到75%目标负荷的时间应不大于15 s, 达到90%目标负荷的时间应不大于30 s。由表2可知，在补汽阀切除前后其各项指标均能够满足标准要求。但对比补汽阀投入前后参数可知，补汽阀切除后如继续使用原一次调频逻辑参数，其高压缸最大功率增量相对于切除前减小32%,而达到目标负荷时间相对于切除前有较明显增大，而且其响应时间已接近标准要求值。由于仿真过程并未考虑机组主蒸汽压力的变化，而在机组实际参与一次调频时，随着其高调门开度的变大，主蒸汽压力降低，其功率响应速度也会降低。因此，在补汽阀切除后如继续采用原控制参数会严重影响机组一次调频性能，导致机组一次调频不合格率增加。

根据前文分析以及仿真结果可知，在补汽阀投切前后同一套一次调频参数对机组一次调频性能产生较大影响。针对该问题本文提出两种解决方法：一是对机组一次调频参数进行重新整定，采用T选择模块，在补汽阀投入于切除时对应不同的前馈系数；二是补汽阀切除前后不改变高压调节汽门的流量特性曲线，在流量总指令生成模块后增加一增益模块，分别设置不同的增益系数，这样就能保证前馈环节产生的流量总指令变化值对应的阀门开度的变化相同。

4、结论

本文通过对补汽阀投入与切除对机组带来的影响进行分析，由于补汽阀投入带来汽流激振以及影响汽轮机效率等问题，汽轮发电机组在正常运行时一般将补汽阀闭锁，防止其参与功率调节时打开影响机组安全。但这同样带来了积分饱和现象，影响AGC响应速度等问题。部分发电机组在DEH逻辑中增加补汽阀切除逻辑以此解决积分饱和等现象的产生，但该做法对机组一次调频能力产生了较大的影响。通过理论计算及仿真分析发现，在补汽阀切除后，机组实际一次调频前馈系数仅为补汽阀切除前前馈系数的0.8倍，会造成机组一次调频考核不合格率增加。针对该问题，本文提出两种解决方法，在实际运行中可选择其一执行，能够有效解决该问题。

参考文献:

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[2]彭泽瑛,顾德明.补汽调节阀技术在百万千瓦全周进汽汽轮机中的应用[J].热力透平,2004,(4):223~227.

[3]康志勇.补汽阀参与机组调频的问题及调频策略分析[J].热力透平,2018,47(1):71~75.

[4]樊印龙,张宝,顾正皓,等.节流配汽汽轮机组一次调频经济代价分析[J].中国电力,2016,49(7):86~89.

[5]陈小强,罗志浩,尹峰.补汽阀投用对1000 MW机组夏季运行工况的影响[J].中国电力,2011,44(4):63~66.

[6]何翊皓,李群,童小忠,等.大型汽轮机配汽相关问题的分析与优化[J].浙江电力,2013,32(8):43~47.

[7]朱红兵,刘晓宏,曹剑锋,等.过载补汽技术在大型汽轮机中的应用[J].热力发电,2014,43(7):128~130.

[8]张永军,陈波.火电机组一次调频性能分析及优化[J].浙江电力,2010,29(9):31~35.

文章来源:金宏伟,鲍文龙,谢昊旻,等.补汽阀投切对机组一次调频功率响应影响分析[J].电站系统工程,2024,40(06):47-50.