汽轮机组一次调频性能分析及优化改进

摘要

电网频率稳定对用电设备和电网自身的安全稳定运行至关重要。而电网频率的稳定取决于并网机组有功功率和电网负荷的供需平衡状态。对于蒸汽循环热力发电机组，外界负荷的快速变化与机组蒸汽产生过程的动态滞后矛盾，导致供滞后于需的不平衡，从而引起电网频率波动。为缓解这一矛盾，并网机组依靠自身蓄热的吸蓄或泄放快速调节机组功率输出，减小并网机组有功功率和电网负荷的供需不平衡度，实现电网频率的一次调节。机组一次调频负荷调节所利用的蓄热为锅炉蓄热，随着机组容量的增大以及直流锅炉的大量采用，锅炉蓄热能力相对于机组容量呈减小趋势，负荷调节能力随之降低。且锅炉蓄热的利用以牺牲主蒸汽压力波动为代价，当电网频率发生持续时间长的大频率偏差时，不仅一次调频性能不理想，主蒸汽压力变化也濒于超限。本文致力于探讨一次调频性能的改善方法，开发机组潜藏可利用的蓄热，使其秉持良好的调频性能，同时兼顾机组的安全性、经济性，减小主蒸汽压力的波动。
　　 本文通过分析一次调频的控制策略、锅炉蓄热的吸蓄或泄放过程、主蒸汽压力动态变化特性、机组中间容积时滞效应、回热加热系统的蓄热等，发掘影响一次调频性能的因素，探析其根本性制约因素。针对制约调频负荷调节的根本性因素:锅炉蓄热不足(主蒸汽压力变化限制)和机组中间容积时滞效应，本文研究采用高压调节汽门增开或多减的方式，以及采用利用除氧器和低压加热器抽汽蓄热进行负荷调节的凝结水节流技术与利用锅炉蓄热进行负荷调节的主蒸汽节流方式结合使用，共同响应一次调频，使一次调频效果满足电网要求的同时，不引起机组重要参数过量变化的复合策略和控制算法。
　　 本文所采用的主要研究方法为理论建模和仿真试验，因此，建立了电网频率扰动下，汽轮机组功率输出动态特性的数学模型。此模型包括汽轮机调节系统数学模型、汽轮机本体通流部分数学模型(包括汽轮机中间容积数学模型和汽轮机功率数学模型)、锅炉主蒸汽压力数学模型以及凝结水节流机组功率输出特性数学模型。在调频性能评价方面，本文分析电网对一次调频的考核方式，综合比较各电网区域对一次调频主要技术指标的要求，指出性能考核的关键之处在于负荷调整幅度和偏差、贡献积分电量。针对江西国电丰城发电有限公司二期2×660MW超临界发电机组，利用其机组设备技术规范和集控运行热力参数基于MATLAB/Simulink平台开发一次调频性能的仿真模型系统。通过仿真试验，获悉机组一次调频性能与电网要求的符合度;掌握凝结水节流负荷调节技术和主蒸汽节流负荷调节技术两者的负荷调节能力、负荷调节速率及对机组重要参数的影响;综合考虑机组的安全经济性和调频效果，制定采用高压调节汽门增开或多减，以及凝结水节流与主蒸汽节流复合调节实现一次调频的控制算法和参数设置策略。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究发展、现状和存在的问题

1．3 研究内容与技术路线

1．4 本文主要内容及成果

第二章 一次调频的基本原理及制约因素

2．1 一次调频的基本原理

2．1．1 一次调频的实质

2．1．2 一次调频的实现过程

2．1．3 一次调频的主要技术参数

2．1．4 一次调频的函数形式

2．2 一次调频制约因素及改善方案

2．2．1 技术参数的设置

2．2．2 控制策略方面制约因素和改善方案

2．2．3 汽轮机侧制约因素和改善方案

2．2．4 锅炉侧制约因素和改善方案

2．2．5 其他改善一次调频性能的措施

2．2．6 一次调频根本性制约因素

2．3 凝结水节流负荷调节技术的基本原理

2．3．1 凝结水节流负荷调节技术的基本原理

2．3．2 凝结水节流负荷调节技术的优缺点

2．4 本章小结

第三章 汽轮机组一次调频动态特性数学模型

3．1 汽轮机调节系统数学模型

3．1．1 汽轮机调节系统

3．1．2 电液伺服执行机构模型

3．2 汽轮机本体数学模型

3．2．1 中间容积动态模型

3．2．2 汽轮机功率模型

3．2．3 汽轮机传递函数模型

3．3 锅炉主蒸汽压力模型

3．3．1 锅炉蓄热系数的理论计算

3．3．2 锅炉主蒸汽压力模型

3．4 凝结水节流负荷调节模型

3．4．1 除氧器数学模型

3．4．2 低压加热器数学模型

3．4．3 凝结水节流负荷调节模型

3．5 本章小结

第四章 一次调频考核制度的分析与改善建议

4．1 各区域对并网发电机组一次调频的技术要求和考核制度

4．2 现有考核制度中存在的不合理问题

4．3 一次调频考核制度的改善措施

4．3．1 理论计算积分电量修正

4．3．2 投运率及性能考核

4．3．3 有效频率扰动

4．4 本章小结

第五章 基于Simulink仿真平台的汽轮机组一次调频仿真研究

5．1 各模型的仿真研究

5．1．1 主蒸汽压力模型的仿真试验

5．1．2 凝结水节流负荷调节模型的仿真试验

5．1．3 汽轮机组功率模型的仿真试验

5．1．4 一次调频效果的仿真试验

5．2 改善一次调频性能的研究

5．2．1 频率阶跃扰动下一次调频性能的改善

5．2．2 实际增负荷情况下的一次调频性能

5．2．2 减负荷情况下的一次调频性能

5．3 一次调频的经济性分析

5．3．1 主蒸汽节流对机组经济性的影响

5．3．2 凝结水节流负荷调节对机组经济性的影响

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果