基于火电机组冷端系统的负荷快速响应研究

第55卷第2期2013年4月汽轮机技术TURBINETECHNOLOGYV0L_55NO2APR2013基于火电机组冷端系统的负荷快速响应研究Q中华，刘吉臻，李凯阳，刘广建1华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206；2华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206摘要冷端系统作为火电机组的重要辅助系统，其设备运行状态对机组的经济性和安全性有重要影响。凝汽器压力在一定条件下可以认为是汽轮机背压，背压变化对机组的功率有很大的影响。在分析凝汽器和冷却塔工作原理的基础上，建立凝汽器背压计算模型，探究循环水流量的连续调节对机组背压及功率的影响规律。结果表明，通过调节冷端系统内循环冷却水流量能有效地改变凝汽器压力，进而调节机组出力。调节过程中，机组背压趋向于边界压力的速率不同，循环水流量变化对机组正向出力与反向出力影响深度具有不对称性。关键词冷端系统；背压；循环水流量；机组出力分类号2641文献标识码A文章编号10015884201302013104RESEARCHONOUTPUTRAPIDRESPONSEBASEDONCOLDENDSYSTEMOFTHERMALPOWERUNITNIANZHONGHUA，LIUJIZHEN，LIKAIYANG，LIUGUANGJIAN1DEPTOFCONTROLCOMPUTERENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BEIJING102206，CHINA；2DEPTOFENERGYPOWERMECHANICALENGINEERING，NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BEIJING102206，CHINAABSTRACTASANIMPORTANTAUXILIARYSYSTEMSOFTHERMALPOWERUNITS，COLDENDSYSTEMANDOPERATINGSTATUSOFTHEEQUIPMENTSINSIDEHAVEAMAJORIMPACTONTHEUNITSECONOMYANDSECURITYUNDERCERTAINCONDITIONS，CONDENSERPRESSURECANBECONSIDEREDASBACKPRESSUREOFSTEAMTURBINE，WHICHHAVEGREATINFLUENCEONTHEUNITPOWERBACKPRESSURECALCULATIONMODELWASDEVELOPEDFROMTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHECONDENSERANDCOOLINGTOWERTORESEARCHTHEEFFECTOFCIRCULATINGWATERFLOWCONTINUOUSCHANGEONBACKPRESSUREANDUNITOUTPUTRESULTSSHOWSTHATBYADJUSTINGCIRCULATINGCOOLINGWATERFLOWOFTHECOLDENDSYSTEMCANEFFECTIVELYCHANGETHECONDENSERPRESSUREANDTHENADJUSTTHEUNITOUTPUTADJUSTINGCIRCULATINGCOOLINGWATERFLOWHASDIFFERENTEFFECTSONTHEUNITFORWARDANDREVERSEOUTPUTANDTHERATEOFBACKPRESSURETENDINGTOTHESAFETYBOUNDARYISNOTEQUA1KEYWORDSCOLDENDSYSTEM；BACKPRESSURE；COOLINGWATERFLOW；UNITOUTPUT0前言现代科学技术暂时还不能解决大容量电能的经济性存储问题，电网中发供电设备的出力必须时刻与变动着的用电负荷保持动态平衡。随着国民经济的不断发展和用电结构的变化，电力系统面临电网峰谷差偏大，调峰能力不足的矛盾；另一方面，风电等大规模间歇性能源的并网发电，更加加剧了电网的波动性，因此，电网对火电机组参与调峰甚至是深度调峰提出了更高的要求。发电机组一次调频作为机组控制的一项重要功能，为电网的稳定与安全起着重要的作用，为保证电网质量奠定良好的基础，其实质就是当外界负荷发生变化时，通过控制机组的协调控制系统CCS和自动发电控制AGC策略，迅速调节机组的出力，尽可能减小负荷波动对电网频率波动的影响。保证进入汽轮机组的蒸汽初参数不变，改变终参数能有效地调节机组出力，影响机组的循环热效率。在一定条件下凝汽器压力可以认为是汽轮机背压，背压变化对机组的功率有较大的影响。冷端系统如图1所示作为火力发电系统重要组成部分，影响着机组运行的安全性与经济性。通过循环水流量的连续调节，能有效释放机组蓄能，达到快速响应负荷变化的目的。此外，在实现冷端系统的优化运行确定循环水泵的最优运行方式时，多数文献都以循环水入口温度相等为前提，而实际中多数电厂采用闭式循环水系统，冷却塔的冷却效果直接决定了冷却塔的出塔水温即凝汽器入口循环水温度进而影响着机组背压以及出力J。匝图1简化的冷端系统图收稿日期20120911作者简介年中华1988一，男，河南省项城市，研究生在读，专业方向控制理论与控制工程。132汽轮机技术第55卷本文在分析凝汽器和冷却塔的工作原理的基础上，建立凝汽器背压的计算模型，探究循环水流量连续变化时对机组为凝汽器压力以及机组功率的影响规律。1凝汽器背压模型的建立本文采用机理建模方法建立凝汽器背压的模型，模型结构如图2所示。图中出塔水温计算模型的输人为机组负荷、环境条件包括干球温度、湿球温度、大气压力、冷却水流量、进塔水温，输出为出塔水温；得到的出塔水温近似等于凝汽器入口循环水温度，再根据机组负荷及冷却水流量等条件通过背压计算模型得到凝汽器背压值。干球温度湿球温度大气压力进塔水温机组负荷循环水流量背压图2凝汽器背压计算模型11冷却塔出塔水温的确定常见的求解冷却塔出塔水温的方法为三变量法和麦克尔焓差法J，本文采用麦克尔焓差法进行求解。麦克尔焓差理论的基本方程如下所示NANT21式中，NA为冷却塔特性数；T为冷却塔的冷却数。NA表征在一定淋水填料及塔型下冷却塔所具有的冷却能力，与填料特性、结构、几何尺寸、冷却水量有关。一般由实验获得，可写为NAAA2式中，A为气水比；A、M为常数，由实验获得。NT受干球温度、湿球温度、凝汽器热负荷等影响，与冷却塔的结构无关，可写为RTLCNTJDT9。，一，日式中，T、T为冷却塔的进、出塔水温，；C为水的比热，KJKG；”为水温为T时的饱和空气比焓，KJKG；H为空气比焓，KJKG。由于水温不是空气焓的直接函数，故直接积分比较困难，因此，求解上式时一般采用近似积分方法，辛普逊积分法是较为常用的方法。12凝汽器内压力P值的确定凝汽器中的工质状态是汽、液两相共存，工质处于湿饱和蒸汽状态。湿蒸汽是由压力温度相同的干饱和蒸汽和水按不同的质量比组成，其温度和压力是两个相互依赖的参数，即压力由汽水的热力平衡温度唯一决定。通过凝汽器饱和蒸汽温度T，由经验公式可计算凝汽器的真空压力，计算公式如下PR9810KPA4由凝汽器的工作原理可知，主凝结区的蒸汽凝结温度TTL5式中，T为冷却水进口温度，；AT为冷却水温升，；为凝汽器传热端差，。循环水入口温度T，主要取决于电站所在地的气候和季节。冬季F低，T也低，真空高，夏季T高，也高，真空低；当采用冷却塔或喷水池时，T还决定于冷水塔或者喷水池的冷却效果。冷却水温升由下式决定ZIT4187DD4187M6式中，MDD称为凝汽器的冷却倍率或者循环倍率。凝汽器传热端差由下式决定6TL7E4187D“一1式中，为凝汽器的总体传热系数，WINK；A为凝汽器换热面积，NL。2背压瞬时变化速率由前式背压的计算公式4，求偏导得OD等OT，茜AD詈46S103OT5766OD，、击OD茜OD击OD。其中，Y。DH一H4187D假定运行过程中D值不变，DH一H丢EY10一J41了87ODJA，E、ODE一1DJ茜丽AK一亩12一IJI一JLL为便于比较，此过程中分两种情况进行考虑1不考虑循环水量发生变化时对冷却塔出塔水温的影响，即。为定值，则，0。A工，2考虑循环水流量发生变化时对的影响，由麦克尔焓差方程不易求得OTWL，则可近似认为，CTWLMTWL。联立以上各式，便可得到凝汽器背压瞬时变化速率计算公式3背压变化对机组功率的影响根据热工基础理论可知，提高进入汽轮机组的蒸汽初参数和降低蒸汽终参数，能有效地提高机组循环热效率。当蒸汽初参数不变时，降低其排汽压力，可以增大蒸汽在汽轮机年中华等基于火电机组墨竺第2期三翟誓喜嚣釜器压力变化对机组运行功率影响就近似寺同亍罔匝变化7的0汽轮机背压变化对机组功率增量下面介绍两种常用的汽轮机背地，笠化L砜午帽一汽轮机真空变化通用曲线来确定背压变蠢葚蒜昙盖薹萎薹别精确，因而有必要对通用曲线进仃修止，以迫兴循环水流量D106560TH。采用前述背压模型，使用MAT1B软件进行程序编写及仿真。运行结果如图4一图6所示。一是由排汽焓的变化所引起的有效焓降的变化，式中，九为变工况下的排汽焓，KJKG；H。为额定工况下的排汽焓，K温度改变所引起的最末级回热抽汽量的变二是凝结水温度改变所引起的最末缴凹恐猁亘刚艾化，进而影响机组做A。，F田LNO汽轮机排汽压力变化后L低压加热希剐舣半掌篓簧DO的汽轮背压变化使得因此，对于主蒸汽流