凝结水节流控制与经济效益分析

凝结水节流控制与经济效益分析
钱能;金生祥;王琪;赵岩;王六虎
【摘要】凝结水节流参与火电机组负荷调节,可以在提高或者不降低机组负荷响应性能的条件下,有效降低汽轮机调节阀的节流损失,提高机组运行的经济性和安全性.在分析凝结水节流动态模型的基础上辨识得到了某600 MW机组凝结水流量与负荷之间的传递函数,提出了凝结水节流的模糊自适应控制算法,在此基础上开发的凝结水节流控制系统在某600 MW亚临界机组上实际投运,效果良好.试验结果表明,在保证机组安全性的情况下,对凝结水最大节流幅度为800 t/h左右,调节负荷的响应时间为10 s,负荷响应幅值为9MW; KP值(机组所在电网考核机组调节性能综合指标)提高了10％左右,并且在400、450、500 MW3个典型负荷点高压缸效率提高1.42％、1.20％、0.99％,平均降低煤耗约1.77、1.26、0.91 g/(kW·h),从而证明了凝结水节流控制对负荷响应速度提高和经济性提高的有效性.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2014(047)003
【总页数】5页(P69-73)
【关键词】火电机组;负荷调节;AGC响应速率;凝结水节流;节能;控制算法
【作者】钱能;金生祥;王琪;赵岩;王六虎
【作者单位】清华大学热能工程系,北京 100084;京能集团,北京 100004;京能集团,北京 100004;京能集团,北京 100004;内蒙古京隆发电有限公司,内蒙古丰镇012100
【正文语种】中文
【中图分类】TK323;TM621.4
0 引言
目前各地电网都对火电机组的负荷升降速率提出了很高要求，根据《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》及《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》规定，火电机组发电量自动控制（AGC）响应速率能够达到机组额定负荷的
3%/min至5%/min，但大部分机组距离这一目标尚存在差距。

对火电机组凝结水进行节流，可提高AGC 响应能力，以下介绍其原理并进行动态特性分析。

1 原理及动态特性分析
凝结水节流参与协调控制系统的原理如图1所示，依靠回热系统加热器的自平衡能力，当凝结水量减少时，水侧温度上升，汽侧的饱和温度与压力也上升，使得抽汽压差减小从而抽汽量下降，则减少的抽汽流经汽轮机，致使输出电功率增加；当凝结水流量增加时，情况正好相反，输出电功率减少，从而实现了凝结水节流对机组功率的调整。

锅炉蓄热的延迟可以通过凝结水节流进行快速补偿，使负荷响应速度加快。

通过凝结水节流与机组原有协调控制系统相结合的优化控制，可以使负荷响应速率不能达标的机组提高响应速率，达到电网标准。

另外，目前不少机组为了加快负荷响应速率，往往提高滑压曲线，增加了部分调节级节流损失，降低了机组运行的经济性，如果使用凝结水节流优化来补偿部分负荷需求，则可以使运行滑压曲线更加接近设计滑压曲线，从而减少调节阀节流损失，提高机组运行的经济性。

图1 凝结水节流参与机组负荷调节原理示意Fig.1 CCS with condensated throttling
一般大型机组通常采用3 台高压加热器、 4台低压加热器以及1 台除氧器的回热加热系统，此类系统通过物料平衡和能量平衡，可以得到凝结水流量与机组负荷之间的传递函数[1]：
式中：ΔNE 为机组负荷变化量；Δqcw 为凝结水流量变化量； K 为比例系数； T 为时间常数； s 为传递函数中的拉普拉斯算子。

为了确定凝结水节流对负荷的动态特性，针对某电厂2 号机组（600 MW）进行了凝结水节流试验。

该机组汽轮机型号为 N600-16.7/538/538，为单轴、四缸四排汽、亚临界、一次中间再热、双背压、反动式、凝汽式，有2 个可调节高压主汽阀、 4 个可调节高压调节阀、 2 个开关式中压主汽阀及4 个可调节中压调节阀。

该机组锅炉型号为SG2059/17.5-M915，为亚临界参数、控制循环、四角切向燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢构架的Π 型汽包炉。

在考虑机组动态特性之前，首先对凝结水节流的负荷调节能力进行评估，根据机组热耗保证工况（THA 工况）来计算凝结水流量变化对应的机组负荷变化的比例系数K。

机组回热系统设计数据如表 1 所示。

表1 机组回热系统设计数据Tab.1 Design data of reheating system项目压力/MPa 温度/℃ 流量/（t·h-1）比焓/（kJ·kg-1）4 段抽汽 0.965 361.0 55.33 3 181.4 5 段抽汽 0.584 302.5 82.02 3 067.0 6 段抽汽 0.228 196.3 75.66 2 860.9 7 段抽汽 0.077 93.7 79.20 2 664.2低压缸排汽 0.015 54.0 1 218.3 2 434.9
根据表1 数据，假定凝结水全部进行节流，其抽气流过汽轮机做功，那么汽轮机的输出功率将增加 28.4 MW，此时，凝结水流量为 1 455.2 t/h，则比例系数 K ＝70.2（MJ/t）。

为了更精确地得到这一系数，对该机组进行了凝结水节流动态特性试验，其结果
如图2 所示，当凝结水节流变化量为1 115.4 t/h 时，负荷变化量为 18.6 MW，得到比例系数 K＝59.4（MJ/t）。

根据图2 实验曲线，对机组动态特性进行辨识，得到传递函数为：
式（2）中惯性常数为 14.23，该时间常数受 2 部分因素影响，首先是凝结水流
量变化导致的抽汽量变化，其次为抽汽量改变导致汽轮机出力变化。

根据该机组
的试验结果，凝结水节流在保证机组安全性的情况下，最大的节流幅度为800
t/h 左右，其调节负荷的响应时间为10 s，负荷响应幅值为9 MW，在除氧器水位不超限的情况下能够维持2 min 的调节时间。

图2 凝结水节流试验结果Fig.2 Experiments of condensate throttling
2 凝结水节流控制算法研究
由上文分析可知，当机组AGC 指令发生变化时，可以通过改变凝结水泵变频指令，以凝结水节流方式补偿部分负荷。

但是在具体应用过程中，该控制过程涉及除氧器水位、凝汽器水位等较为重要的安全被控量，要求在安全的前提下最大限度地通过凝结水节流调节负荷，所以结合实际情况设计了基于模糊自适应算法的PID 控制器，对凝结水节流进行控制。

由PID 控制器各环节的作用可知，比例控制作用动态响应快；积分控制作用能消除静态误差，但动态响应慢；微分控制作用可加快系统的响应，减小超调量。

凝结水节流的主要作用是利用除氧器蓄热提高负荷响应速度，负荷的静态偏差由调
节阀闭环校正，所以凝结水节流控制选择PD 控制器，并采用基于专家经验的模
糊参数自适应算法对PD 控制器参数进行自适应，实现凝结水节流对负荷的快速、安全响应，控制策略如图3 所示。

设m 为负荷指令与实际负荷的偏差， l 为除
氧器水位设定值和实际水位的偏差， KP， KD 分别为PD 控制器的比例系数和微
分系数，该参数根据上述m， l 进行自适应调整。

图3 模糊参数自适应PIDFig.3 Fuzzy parameters adaptive PID
（1）模糊化。

m， l 的论域为{PB， PM， PS，0， NS， NM， NB}，分别对应正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。

KP， KD 的论域为{B， M，S}，分别对应大、中、小（见图 4）。

图4 模糊隶属度函数Fig.4 Fuzzy membership function
（2）设计输入量的合成算法，采用 AND 方法，则各规则的隶属函数表示为
（3）设计模糊规则。

根据上述的模糊化分类以及现场控制的专家经验，制定49 条模糊控制规则，例如其中一条典型规则如下：
（4）采用重心法解模糊。

式中： E 为模糊化后的输入误差， EC 为模糊化后的输入误差变化率。

i＝P（比例）、D（微分）；j＝1—7。

在实际投运过程中，采用上文给出的模糊自适应PID 控制器进行凝结水节流控制，可以在保证机组安全运行的情况下，最大程度地响应机组负荷需求。

3 凝结水节流对机组经济性影响的理论分析
根据上文分析可知，在保证机组安全性以及电网考核指标的前提下，若投入凝结水节流控制，可以响应9 MW 的负荷需求，则机侧在负荷调节时，相应地可以
减少9 MW，所以实际运行滑压曲线可以优化下降，以减少调节阀节流损失，
提高机组经济性。

滑压曲线如图 5 所示（图中仅给出了 300～480 MW滑压部分）。

图5 上方实
线表示一般情况下机组由于需要满足AGC 考核而采用的较高压力的滑压曲线；下方虚线为汽轮机制造厂给出的设计滑压曲线，机组在此滑压曲线下运行热经济性
较好，但是负荷响应慢；中间曲线为中间过渡值（取上下两条曲线的均值），用以进行过渡状态下机组经济性的比较和分析。

图5 滑压曲线（部分）Fig.5 The sliding pressure operation diagrams
为了从理论上分析某电厂2 号机组凝结水节流优化所产生的节能效果，对该机组
热力系统进行计算，得到了主蒸汽压力变化工况下系统的热耗率和标准煤耗。

3.1 抽汽焓的计算
凝结水节流优化控制的节能作用主要表现于所优化的滑压曲线，减少了调节级的
节流损失，所以本文认为随着滑压曲线的不同，调节级效率和高压缸效率也不同。

然而实际高压缸效率需要对汽轮机进行热力试验才能够得到，因没有针对该机组
的高压缸热力试验数据，故采用文献[2]中的滑压曲线优化的试验数据，进行线性插值后得到计算使用的高压缸效率（见表2）。

根据高压缸内效率ηhp 以及新蒸汽在高压缸内等熵焓降 Ha （hp），可以得到高压缸出口焓h2（式中h0 表示新
蒸汽焓）：
然后根据1、 2 级抽汽将高压缸分为3 个级组（汽轮机部分总7 级抽汽，将其分为8 个级组，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ…Ⅷ表示），使用原始数据计算得到Ⅱ、Ⅲ两
级的效率，认为其效率不随蒸汽量改变，则Ⅰ级的效率可以通过高压缸效率推算得到。

于是便可以计算出每级抽汽对应的抽汽焓。

3.2 加热器参数的计算
按照弗留格尔公式，各个抽汽口的抽汽压力与新蒸汽量成正比：
考虑到管道压损后，加热器汽侧压力
根据上端差计算加热器出口温度
式中： pj 为 j 级抽汽压力； pj0 为 j 级抽汽压力原始数据； D0 为新蒸汽流量；D00 为新蒸汽流量原始数据；p′j 为考虑管道压损后的 j 级抽汽压力；Δpj 为j 级抽汽压损系数； tj 为j 级加热器出口温度； ts j为j 级抽汽饱和温度；θj 为j 级加热器上端差。

假定加热器水侧的压力均为所对应泵的出口压力，那么就可以得到加热器出口焓hwj。

一般认为加热器的出口水直接进入下一级加热器的入口，参数不发生改变。

由加热器入口的压力和焓得到加热器入口温度后，根据已知的下端差求出汽侧出口温度，由于汽侧出口状态均为饱和状态，计算得到出口焓。

3.3 热耗率的计算
通过 3.1 和 3.2 的计算，得到了用于计算热耗率的回热系统参数后，通过汽轮机热力说明书给出的THA 工况参数，计算在不同主蒸汽压力下的热耗率，结果如表2 所示。

从表2 可见，过渡滑压曲线与实际滑压曲线相比，在 300～450 MW 区间，可以平均降低煤耗约（1.37＋1.03＋0.41）/3＝0.94 g/（kW·h）。

考虑到在实际滑压曲线下的调节阀负荷调节裕量约为20 MW，在设计滑压曲线下负荷的调节裕量为5 MW，因此可以近似通过线性插值计算得到过渡滑压曲线下机组负荷调节裕量为12.5 MW；考虑到凝结水节流能够有9 MW 的负荷调节裕量，因此在结合凝结水节流控制的过渡滑压曲线下，机组的负荷调节裕量为21.5 MW，大于当前的20 MW。

因此，预计通过试验确定的优化的滑压曲线将更加优于过渡滑压曲线，也即考虑凝结水节流后的滑压曲线优化能够带来大于 0.94 g/（kW·h）的节能效益。

4 实际投运效果
以本文研究的控制策略为基础开发的凝结水节流控制系统，在某600 MW 亚临界
机组上进行了试投运，并将当前的滑压曲线300 MW 处下移约 0.5 MPa， 600 MW 保持不变，其他部分线性下移作为优化后的滑压曲线（见图6），以减少调节阀的负荷调节裕量来降低调节阀稳态工况下的节流损失。

图6 优化前后滑压曲线对比Fig.6 Contrast diagram of sliding press curve
对比投运凝结水节流前后的KP 值（该机组所在电网考核机组调节性能综合指标），投入节流优化后，机组的平均 KP 值提高了 10%，由 3.65 提高到3.93，说明投入凝结水节流后部分提高了机组的负荷响应速度。

另外对修改后的滑压曲线分别
在 400、 450、 500、 550、 600 MW 工况点对凝结水节流投入前后的高压缸效率进行了统计，发现400、 450、 500 MW 工况下高压缸效率提高1.42%、1.20%、 0.99%，对应降低煤耗约 1.77、1.26、 0.91 g/（kW·h），在 550 MW 和 600 MW 工况下高压缸效率基本不变。

表2 不同滑压曲线下系统热耗率Tab.2 The heat rates on different sliding pressure curves项目负荷压力/MPa 高压缸效率/% 热耗率/（kJ·（kW·h）-1）热耗差/（kJ·（kW·h）-1）煤耗差/（g·（kW·h）-1）实际运行滑压曲线厂家设
计滑压曲线厂家设计滑压曲线300 11.20 82.72 8 604.80 - -360 12.64 83.52 8 978.40 - -450 14.70 84.92 8 223.30 - -480 15.36 86.87 8 141.00 - -300 9.20 86.32 8 539.70 65.10 2.22 360 11.00 86.48 8 926.40 52.00 1.78 450 12.90 88.16 8 201.30 22.00 0.75 480 14.30 88.78 8 130.20 10.80 0.37 300 10.20 84.52 8 564.60 40.20 1.37 360 11.82 85.00 8 948.30 30.10 1.03 450 13.80 86.54 8 211.40 11.90 0.41 480 14.83 87.83 8 134.70 6.30 0.22
5 结语
将本文开发的凝结水节流控制系统应用于600 MW 机组负荷调整实践，结果表明，在投入凝结水节流并适当优化滑压曲线后，机组KP 值提高了 10%左右，并且在400、 450、 500 MW 3 个典型负荷点，高压缸效率分别提高 1.42%、 1.20%
和0.99%，折合煤耗降低值较为可观，从而证明了凝结水节流控制对负荷响应速度提高和经济性提高的有效性。

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