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第二十八卷 第三期，安徽电气工程职业技术学院学报 年 月 火力发电机组一次调频技术对比分析及改进建议欧阳宫喆（大唐安徽发电有限公司淮南洛河发电分公司，安徽 淮南）摘 要：随着大规模的新能源发电的并网，电网的负荷 频率调节正逐渐成为双侧不确定系统，电网对火电机组参与一次调频的性能提出了更高的要求。文章从释放锅炉侧、汽机侧蓄热、储能三个方向，系统地综述了当前火力发电机组主流及辅助的一次调频手段，对其优缺点进行了对比分析，并提出了一些改进建议，为发电机组的一次调频控制提供参考。关键词：一次调频；节流调频；补汽技术；回热抽汽系统；储能中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：欧阳宫喆（），男，安徽淮南人，工程师，主要从事电厂热控设备维护及管理工作。（，）：，：；引言随着碳中和、碳达峰目标推进，大规模新能源发电将会接入电网，同时大量新型用电设备接入电网，发电侧和用电侧的随机性均逐渐增加，造成电网的负荷 频率调节正逐渐成为双侧不确定系统，为配合风电、光伏等不可控能源的接入，电网对火力发电机组参与一次调频的性能提出了更高的要求。另外，为进一步推进节能减排工作，我国目前建设和投产的火电机组以大容量的超（超）临界机组为主，超（超）临界机组的蓄热特性小以及部分全周进汽型的深度滑压运行机组调门调节裕度小的特点，是影响火电机组一次调频性能的重要问题。在锅炉以汽包炉占主流市场的情况下，一次调频的响应主要通过汽轮机高调门动作释放锅炉侧蓄热；随着锅炉参数的逐渐增加，直流炉占比逐渐增加，直流炉的炉侧蓄热小，提高汽机侧蓄热利用率来增加发电机组的一次调频响应能力成为研究方向；随着节能降耗要求的提高、储能技术的发展及电网对发安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期电机组一次调频响应能力要求的提高，如何减少机组节流，综合利用多种调频手段成为了新的探索方向。锅炉侧蓄热锅炉侧包含了大量的蓄热载体，在机组进行一次调频时可以通过调整汽轮机的进汽流量来瞬时释放锅炉的蓄热，从而改变机组的出力。利用锅炉侧蓄热是最直接的改变机组出力的方法，主要通过调整高压调门及补汽阀开度的方式来改变机组的发电功率。高压调门节流调频高压调门节流参与一次调频是应用最广泛的调频方式。高压调节门节流调频要求调门始终维持在节流状态，当一次调频动作时，机组自动调整汽轮机调门开度，利用锅炉蓄热改变蒸汽流量，从而实现负荷的升降。一次调频的调节主要由、控制回路共同完成。侧将转速差信号经转速不等率设计函数直接叠加在汽轮机调速汽门或燃机燃料调节门总阀位指令处，此种控制方式为开环控制方式，直接控制调节阀开度，具有响应速度快但有差调节的特点。侧控制回路根据转速不等率设计指标进行调频功率定值叠加，且叠加的调频功率定值部分不经过速率限制，侧一次调频响应具有精准闭环调节但响应速度慢的特点。汽轮发电机组的一次调频控制方式一般选择“”共同实现的方式，可以在保证调频快速性的同时，提高响应的精准性。补汽系统调频补汽阀位于主汽门后、调节门前，蒸汽从阀门引出后接入中间级后方。汽源经过补汽阀节流后进入高压外缸和内缸之间的封闭腔室内，与主蒸汽混合，然后继续膨胀做功。补汽技术的应用可以使机组在采用滑压、主调阀全开的模式运行时依然具有参与一次调频的能力，当一次调频动作时，通过调整补汽阀的开度来改变高压缸的进汽量，从而改变机组出力。补汽技术的应用可以有效减少机组的节流损失，提高汽轮发电机组的经济性及灵活性，在高参数大功率机组中得到了推广应用。但是通过补汽阀进入汽轮机的蒸汽垂直于气缸内蒸汽流动方向，会改变主蒸汽原本的流动。随着补汽阀开度的增加，机组的振动会随之增大，因此在实际生产过程中，出于对机组安全稳定运行的考虑，补汽系统参与一次调频应用受到了一定的限制。针对补汽阀应用存在的问题，文献通过修改补汽阀的流量指令函数、添加振动边界约束等方法，实现了在机组振动无明显上升的情况下，补汽阀灵活参与一次调频的方案，并在生产运行的机组中得到了验证，为补汽阀能更大程度地参与一次调频提供了技术参考。文献从补汽阀的选型、补汽阀开启点优化技术等方面进行阐述，从补汽阀的设计角度论证了补汽阀参与一次调频，提高机组在宽负荷范围内运行效率的可行性。汽机侧回热汽机侧回热抽汽系统利用从汽轮机中间级抽出的部分蒸汽，用于锅炉给水的加热。利用汽机侧回热来改善机组的一次调频特性，即通过回热抽汽量的重新分配来改变机组的实际出力。回热抽汽量减少时，进入汽轮机做功的蒸汽量增加，机组短时间内做功能力增加，反之，回热抽汽量增加时，机组做功能力下降。抽汽流量决定于汽轮机抽汽口和加热器之间的压差，汽轮机抽汽口压力与通流部分的蒸汽流量呈正比，回热加热器的壳侧压力为抽汽在加热器壳侧的凝结温度所对应的饱和压力，回热抽汽的凝结温度等于加热器管侧出口温度加上加热器的上端差。若快速减小回热加热器管侧的流量，管侧的换热温升将增大，加热器管侧出口温度升高，引起回热加热器的壳侧压力升高，抽汽管道上下侧的压差减小，由管道流动方程可知，抽汽管道内的抽汽流量将会减小，对应进入汽轮机内膨胀做功的蒸汽流量增加，机组的发电欧阳宫喆：火力发电机组一次调频技术对比分析及改进建议功率增大。回热加热器分为除氧器、高压加热器及低压加热器三类，其加热汽源由汽轮机的各级抽汽口引出，通过抽汽管道送入各级加热器。利用汽机侧回热抽汽系统改变机组做功能力的主要调节手段可用的实现方式包括凝结水节流和高加给水旁路。凝结水节流调频凝结水节流调频技术从开始被重视到逐步扩大应用，该项技术的探索与实践已持续多年。基于凝结水节流技术的一次调频，就是由主凝结水阀快速减小凝结水流量，减小各级低压加热器的回热抽汽流量，利用低压加热器回热系统蓄能，从而改变汽轮机做功，增加机组的发电出力。凝结水节流因其具有可操作性，且对机组的热耗影响小、安全性高，是目前最常用的一次调频辅助手段。在凝结水节流参与一次调频增负荷过程中，凝汽器的出水量减少，汽轮机的排汽流量近似不变，此时凝汽器水位将会升高，流入除氧器的水变少，而为了维持炉侧的汽水平衡，除氧器流出的给水量维持不变，因此除氧器的水位会降低。因此凝结水节流会给凝汽器和除氧器水位造成波动，超过水位报警值会对机组的安全运行造成不良影响，凝结水节流所能调整的负荷量及持续的时间，取决于凝汽器和除氧器所能接受的水位波动范围。为了解决上述问题，应在凝结水节流调频回路中添加除氧器水位、凝汽器水位的保护动作回路，当出现水位高或低时都应切除该调频回路，同时在回路中应增加调频动作回路与原控制回路之间的切换逻辑，设置调频动作上下限，保证机组的安全运行。总的来说，凝结水节流利用了除氧器蓄热的缓冲，对机组的金属热应力影响较小，且具有一定的负荷调节能力。但是由于凝结水节流是一种间接调频技术，中间涉及了改变抽汽流量从而改变换热过程，具有一定的滞后性，因此机组负荷对凝结水流量变化的响应具有一定的延迟，在一次调频动作初期，其调节速度明显慢于调门预节流调频，存在调频前期响应不足的缺陷，这难以满足电网对一次调频快速性的要求，可以作为调频中后期的功率响应手段、调节阀预节流的辅助手段。高加抽汽调频高加抽汽的汽源参数要高于低加抽汽，因此其做功能力更强，其可参与的一次调频范围更广。利用高加储能参与一次调频有两种方式：一种是通过高加给水旁路减少进入高加的水量；一种是通过高加抽汽节流减少进入高加的蒸汽量。高加给水旁路即在给水泵出口增加一个旁路控制阀，旁路给水与经过高加的主给水混合后共同进入省煤器，这样可以保证锅炉给水流量不变，但是进入高加的给水流量减少，根据加热器的自平衡原理，高加的回热蒸汽流量会减小，进入汽轮机膨胀做功的蒸汽增加，机组的发电功率增加。给水旁路的负荷提升特性随机组负荷的增加而增强，在中高负荷段负荷提升效果明显，且给水旁路在一分钟内的响应量占到旁路开启后负荷总提升量的 以上，可以在一次调频考核范围内提供有效支撑。但是给水系统与省煤器直连，通过旁路会直接影响省煤器的进水温度，导致机组循环热效率下降，同时锅炉主蒸汽参数会产生较大波动。因此在使用高加给水旁路参与一次调频时，应充分考虑省煤器的金属抗疲劳能力、省煤器蓄热恢复时间、高加水位的波动等连锁反应，设置合理的边界条件。高加抽汽节流即在抽汽管道安装专用的抽汽节流阀门，当一次调频动作时，快速关小抽汽节流阀开度来增加汽轮机做功。抽汽流量的快速变化引起加热器壳侧压力和饱和温度的急剧下降，加热器金属管壁将会承受较高的热应力水平，严重影响金属管材的使用寿命及机组安全运行，因此，不推荐通过高加抽汽节流方式释放高加储能。蓄热综合利用调频蓄热综合利用是指结合第、节所述的多种方法来实现机组的一次调频，充分利用锅炉侧和汽机侧的蓄热。文献针对节流配汽机组特点，研究了在汽轮发电机组高压调节门全开的情况下，综合利用安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期补汽阀调节、凝结水节流、高压加热器回热系统等技术，可以使机组在中小频差的一次调频响应能力得到大幅提升，有效减少了调节门节流运行方式带来的节流损失。文献设计了根据电网频差变化多种调频资源有序参与电网深度调频控制策略，在利用锅炉蓄热、凝结水节流的基础上，添加了切除低加、高加的优化控制，充分释放汽机侧蓄热，为提高机组在电网低频事故下的一次调频能力提供参考。储能技术碳达峰、碳中和的需求日益紧迫，我国的新能源发电装机容量不断上升，同时新能源电车等新型负荷接入电网导致电负荷波动日益增加，储能参与电网侧一次调频能更好地维持电力系统频率稳定。储能技术的发展为火力发电机组更快的响应电网的一次调频需求也提供了新的思路，越来越多的研究也证明了火电机组储能的有效性。飞轮储能具有响应精准、寿命长、充放电次数多等优势。文献提出了一种机组实时出力增量的量化预测模型，充分考虑了机组主蒸汽压力及主蒸汽流量对机组出力的影响，通过软测量和增量模型，预测机组出力增量，量化机组实时一次调频能力，设计实现了动态工况下飞轮储能出力的自适应调整，实现了火电飞轮储能的系统控制的优化，在提高机组一次调频响应能力的同时减少了主蒸汽压力的波动。文献提出了一种火电机组飞轮储能协调控制策略及飞轮储能容量优化配置方案，该方法可有效减少机组磨损、抑制反向调频、实现储能电量持续性管理、提高经济性。超级电容具有功率密度大、充放电速度快、循环寿命长的特点，与常规蓄电池相比具有更高的充放电速率、更宽的温度适应范围、更大的功率密度。文献探索了超级电容辅助火力发电机组一次调频的可行性，增加超级电容后，发电机组的主调阀可以处于基本无节流运行状态，为电厂带来了较为可观的收益。电池储能系统主要由电池系统、电池管理系统、功率变换系统和监控系统组成。其具有双向调节能力，既可以通过放电快速提高有功功率的输出，迅速弥补功率偏差，也可以通过充电吸收存储有功功率，减少功率输出。电池储能系统接收来自电网的频率信号，当发生一次调频时，可以利用电池储能系统的双向调节能力，起到很好的辅助调频作用 。文献充分考虑了一次调频过程中的频率偏差和频率偏差变化率的特征，提出了一种基于虚拟惯性和虚拟下垂动态结合的电池储能电源参与电网一次调频的自适应控制策略，有效降低了电池的额定功率配置，延长储能电池的使用寿命。各调频技术对比释放锅炉侧蓄热、汽机侧蓄热和储能技术都能够有效提高机组一次调频的能力，但是每种调节手段在响应速度、经济性及成本造价方面有所区别。释放炉侧蓄热反应快，一般作为基础的调频手段，释放机侧蓄热和储能一般作为辅助调频手段，进一步提高机组调频能力及经济性。对于不同的机组类型，可以根据实际情况选择多种调频方式的组合，并添加合适的边界条件，确保机组在安全运行的同时提高一次调频响应能力。具体的调频手段优劣对比及改进方案如表 所示。表 各种调频手段优缺点对比及相应改进方案调频手段优点缺点改进方案锅炉侧（充分利用炉侧蓄热，反应较快）调门节流 调频方式，结合了 的快速性和 的 准 确 性 的优点。机组在节流方式运行，经济性较差。结合其他辅助调频手段，进一步提高一次调频合格率。补汽阀可以减少机组高调门的节流损失，响应速度较快。补汽阀进汽对主蒸汽的流动方向带来扰动，造成机组振动增加。可以通过改善机组控制逻辑或补汽阀结构改造、优化补汽阀开启点，增加补汽阀参与一次调频的灵活性。欧阳宫喆：火力发电机组一次调频技术对比分析及改进建议续表调频手段优点缺点改进方案汽机侧（利用机侧回热，属于间接过程，速度相对炉侧较慢）凝结水节流对机组热耗影响较小，不会为金属带来额外的热应力。反应较慢，同时其调频能力受到凝汽器及除氧器水位的限制。添加除氧器水位、凝汽器水位的保护动作回路；设 置 调 频 动 作 上下限。高加抽汽节流给水旁路方式可参与的负荷调节范围宽。给水旁路方式会导致省煤器入口给水温度降低，导致主蒸汽参数波动。充分考虑省煤器的金属抗疲劳能力，省煤器蓄热恢复时间，高加水位的波动等连锁反应，设置合理的边界条件。储能技术（响应快，造价高）超级电容储能响应快，准确度高。造价高，后期存在环保回收等环境生态问题。飞轮储能响应快，准确度高，无污染。能量密度低，静态损失大，占地面积大。电池储能系统响应快，准确度高。造价高。通过先进控制策略，优化储能在动态工况下的自适应调整能力，充分发挥储能的调频效果；平滑储能电源的充电放电深度，提高储能电源的寿命。结论本文从释放锅炉侧蓄热、汽机侧蓄热和储能三个方面，系统地阐述了提高汽轮发电机组一次调频能力的方法，对比分析了各类调频手段的优缺点，并针对性地给出了改进方法。为今后改进燃煤机组一次调频控制策略提供参考。参考文献：曾鸣，杨雍琦，向红伟，等 兼容需求侧资源的“源网荷储”协调优化调度模型 电力自动化设备，（）：康志勇 补汽阀参与机组调频的问题及调频策略分析 热力透平，（）：金宏伟，宋佳辉，张新胜，等 基于补汽阀的一次调频优化技术研究 浙江电力，（）：钱海川，韩岗，陈梁 过载补汽阀在 汽轮发电机组上的综合应用 上海节能，（）：井芳波，袁永强，卫栋梁，等 喷嘴 补汽新型调节技术的经济性分析 热力发电，（）：范谊章，康明，吴仕芳 超超临界汽轮机补汽系统优化研究 热力透平，（）：，余海鹏，赫广迅，刘鑫，等 超超临界机组补汽阀选型设计与调峰运行技术研究 浙江电力，（）：张宝，童小忠，罗志浩，等 凝结水节流调频负荷特性测试与评估 浙江电力，（）：王寒雨，周丽丽，胥建群，等 超超临界 机组凝结水节流特性研究 汽轮机技术，（）：，赵征，于悦波，孙昊天 基于凝结水节流的新型协调优化控制策略 动力工程学报，（）：，祝建飞，姚峻，曹卫峰，等 超（超）临界机组新型节能协调控制系统的研究和应用 华东电力，安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第三期，（）：冯志金 基于“凝结水节流”的一次调频技术在百万二次再热机组上的应用 科学技术创新，（）：陈涛 利用凝结水节流控制实现 机组的一次调频功能 东方电气评论，（）：凌晨 超超临界二次再热机组一次调频性能优化 南京：东南大学，汤可怡 大型机组一次调频控制策略优化 南京：东南大学，陈波，周慎学，丁宁，等 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