火电机组凝结水节流系统一次调频性能的研究

减少化石能源利用，加快建设新能源为主体的新型电力系统是实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途经。截止2023 年底，我国非化石能源装机容量达 152，933 万 kW，占总装机容量的 52.4% ，发电量达 31907 亿 kW·h，占总发电量的 33.7% 。由于新能源发电具有随机性和不确定性，大规模并网势必对电网频率产生冲击。随着电源结构的调整，火力发电的角色正在从基础支撑性电源向灵活调节电源转变，挖掘火力发电机组调频潜力，不断提升机组灵活性势在必行。

传统汽轮机主蒸汽调节阀节流调频方式无法兼顾经济性和调频性能，为此部分学者提出利用汽轮机侧蓄能提高机组一次调频能力，凝结水节流可在一定程度上改变机组的能量分布，是一种有潜力的、可供选择的辅助调频手段。 对于凝结水节流的研究主要分为模型建立和控制器设计 2 个方面，通过构建凝结水节流系统静态模型，分析得出凝结水节流可以有效扩展机组变负荷范围。采用数据驱动的方法建立了凝结水节流系统模型，但数据模型存在物理意义不明确、状态参数无法对应表达等问题。采用机理建模和数据驱动相结合的方法，分别以除氧器和低压加热器(低加)为对象建立凝结水节流系统模型，但模型仅包含单个加热器特性，没有考虑多个加热器之间的耦合关系。 凝结水节流调节常采用PID 控制器，其结构简单、控制器参数整定方便，但存在工况变化的适应性问题。许多研究者对凝结水节流控制器进行优化设计，文献将模糊控制与 PID 控制相结合，利用模糊控制逻辑动态修正控制器参数，但在工况变化时，为求最优控制效果仍需手动调节 PID 控制器初始参数。文献基于模糊控制逻辑和多工况凝结水系统模型设计了单回路控制结构，可以在一定程度上提升对工况变化的适应性通过采用改进控制系统结构、调整负荷分配策略等方法优化凝结水节流的调节效果，从与直流机组耦合关系方面提升凝结水节流调频性能。

综上所述，目前对于凝结水节流调节的研究中，较少考虑多个加热器间的耦合关系，以及机组工况变化对凝结水节流特性的影响;同时，针对凝结水节流调节的研究常以PID 控制器为基础，控制算法比较传统。

1 凝结水节流一次调频原理

当发电侧有功功率与用户负荷不平衡时将引起电网频率波动，发电侧需通过一次调频快速响应，以防频率波动进一步恶化。对于火电机组，当感受到电网频率偏差时，可以通过增加或减少机组输出功率来调节发电机转速，进而抑制电网频率波动。而功率偏差可依据频率偏差和机组速度不等率进行计算:

式中:Δf 为电网频率偏差;ΔP 为机组功率偏差，本文所述均为去除死区后的偏差;P0 为机组额定功率; δ为速度不等率，一般取 5%;0 为电网额定频率。

在常规一次调频中，主蒸汽调节阀节流作为常用方式之一，存在节流损失问题，而凝结水节流利用汽轮机侧蓄能，可以在主蒸汽调节阀全开条件下实现负荷快速调节，是一次调频的辅助手段。

典型的纯凝式火电机组回热系统由3 个高压加热器、4 个低压加热器和 1 个除氧器组成，Di、Ddi 分别为第i 级加热器抽汽流量和疏水流量;Dcw、Dfw、Dst 分别为凝结水质量流量、给水质量流量和主蒸汽质量流量。凝结水节流调节所涉及的主要对象是低压加热器和除氧器。通过减小除氧器上水调节阀开度或降低凝泵频率，迅速减小通过低压加热器和除氧器的凝结水流量的调节方式。

在节流开始时，除氧器和各级低压加热器抽汽流量基本保持不变，所释放的热量并未发生较大变化，从而导致加热器内温度、压力升高，此时加热器内压力与汽轮机抽汽口压差减小，抽汽量减少，留在汽轮机内用于做功的蒸汽量增加，进而快速提高机组输出功率。由于加热器具有自平衡特性，随着时间推移，各参数会稳定到新的平衡状态，确保节流过程平稳安全，为凝结水节流投入调频提供基础保证。

值得注意的是，进入除氧器的凝结水流量快速减少，而流出除氧器的给水流量基本保持不变，这将导致除氧器内原有蓄水减少，从而引起除氧器水位降低，所以也可以认为凝结水节流调频利用的是除氧器的蓄能。

2 凝结水节流一次调频优势

传统的主蒸汽调节阀节流方式是通过预留一定调节阀开度来维持火电机组一次调频能力，这不仅会造成节流损失，降低机组经济性，还会降低主蒸汽阀门使用寿命。由于除氧器、再热器等大容积、大惯性设备存在，凝结水节流调频方式对机组主蒸汽压力等关键参数影响较小，同时凝结水节流作为一种利用机组回热系统蓄能的辅助调频手段，可以在不改变机组本身调频方式和调频能力的基础上，与多种调频方式协调工作，如过载补汽调节、高压加热器(高加)给水旁路等，提升机组一次调频性能，从而有效提高整个机组的安全性和运行效率。

3 凝结水节流控制策略设计

为解决凝结水节流系统在不同条件下动态特性不同的问题，并进一步提高其一次调频响应能力，本文提出了基于模型切换的模糊预测控制策略，此策略以预测控制作为凝结水节流系统的控制器主体，模糊控制逻辑基于控制偏差实时修正控制加权系数，保证在单次凝结水节流调频时拥有较好的控制效果，同时依据机组运行工况，动态切换预测模型，确保凝结水节流全局最优控制。当进行调频时，首先根据频率偏差及机组负荷经调频量计算模块计算得出所需负荷增量作为输出目标值，其中一次调频量计算模块包括死区、频差-功率运算、安全限幅等环节;其次基于负荷偏差和模糊切换逻辑计算控制加权系数，同时根据当前机组负荷确定预测模型;然后利用二次规划方法最小化目标准则求得最优凝结水流量;最后送入凝结水节流系统中进行节流控制，精确调节机组负荷，从而快速抑制频率波动。

4 凝结水节流系统开环一次调频能力分析

本算例以某亚临界600 MW 机组为研究对象，该机组额定主蒸汽压力为 16.67MPa ，主蒸汽流量为1，787 t/h，汽轮机为 N600-16.7/538/538 型、一次中间再热、三缸四排汽、八段抽汽、凝汽式汽轮机。 机组额定凝结水流量为 382kg/s ，最小保护流量为 95kg/s ，除氧器半径 ，除氧器长度d=30.0m ，以除氧器中心线为零水位点，正常运行水位为 0.2m ，即物理水位高度为 2.1m ，水位安全波动范围为 ±0.2m 。基于所建静态模型可求得凝结水节流调负荷范围和可持续时间。在实际一次调频过程中，减小主蒸汽调节阀开度即可较为经济地实现减负荷操作，因此这里仅考虑凝结水节流增负荷能力，在 100%THA、 75%THA 、50%THA、 30%THA 工况下，凝结水节流最大可增加机组出力分别为 37.6、29.1、9.0、1.9 MW，约可以提高 0.157、0.121、0.038、0.008 Hz 的调频能力。

参考文献

[1]陈二磊;张琪.网频小频差频繁波动下的火电机组一次调频优化. 大众用电，2023(05)

[2]黄灿兵;熊妮;吴伟;刘诗剑;张巧;杨锡运.虚拟电厂参与一次调频的优化调度策略研究. 浙江电力，2025(02)