古交電廠300 MW機(jī)組一次調(diào)頻的應(yīng)用及分析

李建勛

(山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 古交 030206)

隨著300 MW及以上機(jī)組在電網(wǎng)中的比例不斷增大，以及因電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差逐步加大，大機(jī)組的運(yùn)行方式也逐步產(chǎn)生了一些變化，大機(jī)組需要根據(jù)電網(wǎng)中心調(diào)度所的負(fù)荷需求量和電網(wǎng)的頻率偏差參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻。為進(jìn)一步提高電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、減小電網(wǎng)頻率的波動(dòng)、增強(qiáng)電網(wǎng)抗事故能力，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司的要求，山西省網(wǎng)各電廠展開(kāi)了大機(jī)組一次調(diào)頻性能的試驗(yàn)工作。山西古交電廠Ⅰ期工程2×300 MW機(jī)組DCS采用西屋Ovation控制系統(tǒng)，DEH采用的是東方汽輪機(jī)廠與美國(guó)西屋公司合作生產(chǎn)的全電調(diào)型汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)，液壓采用高壓抗燃油系統(tǒng)。該機(jī)組在2004年相繼投產(chǎn)后一次調(diào)頻功能一直在投入運(yùn)行，其在數(shù)次網(wǎng)頻波動(dòng)較大的工況下體現(xiàn)出了較快的響應(yīng)特性和有力的調(diào)節(jié)作用。

1 一次調(diào)頻概念及重要性

由汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)組負(fù)荷的增減，以適應(yīng)外界負(fù)荷需要、保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的方式，稱(chēng)為一次調(diào)頻。一次調(diào)頻有利于快速減小電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

隨著汽輪機(jī)組電調(diào)系統(tǒng)的大量應(yīng)用，液壓調(diào)速系統(tǒng)機(jī)組大量改造為純電調(diào)系統(tǒng)機(jī)組。由于一次調(diào)頻運(yùn)行方式對(duì)機(jī)組不利，卻對(duì)電網(wǎng)有利(電網(wǎng)系統(tǒng)更穩(wěn)定)，發(fā)電機(jī)組由于以往自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)考核方式和本身考慮的原因，在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)改造后一般不投一次調(diào)頻。這樣電網(wǎng)系統(tǒng)僅能依靠發(fā)電機(jī)組的二次調(diào)頻來(lái)維持。電網(wǎng)發(fā)電負(fù)荷和供電負(fù)荷的平衡，引起電網(wǎng)周波波動(dòng)很大，與發(fā)電機(jī)組液調(diào)改電調(diào)前相比電網(wǎng)更不穩(wěn)定。因此，在這種情況下，電網(wǎng)系統(tǒng)迫切需要發(fā)電機(jī)組參與一次調(diào)頻，發(fā)電機(jī)組原液壓調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部固有的一次調(diào)頻功能在汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，以滿(mǎn)足電網(wǎng)穩(wěn)定的要求。

一般來(lái)說(shuō)，一次調(diào)頻屬于有差調(diào)節(jié)，二次調(diào)頻屬于無(wú)差調(diào)節(jié)。在汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線(xiàn)上，一次調(diào)頻表現(xiàn)為負(fù)荷點(diǎn)在靜態(tài)特性曲線(xiàn)上移動(dòng)，而二次調(diào)頻表現(xiàn)為靜態(tài)特性曲線(xiàn)的平移。見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性線(xiàn)

2 一次調(diào)頻在電調(diào)機(jī)組中的實(shí)現(xiàn)策略

2．1 一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的可能情況分析

一次調(diào)頻并不是簡(jiǎn)單地在數(shù)字式電調(diào)系統(tǒng)中加入一次調(diào)頻功能和調(diào)頻函數(shù)曲線(xiàn)即可。一次調(diào)頻的實(shí)現(xiàn)，涉及到CCS和DEH系統(tǒng)，而這里認(rèn)為兩個(gè)系統(tǒng)都有各自的功率自動(dòng)回路和一次調(diào)頻回路。因CCS和DEH內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式不同，CCS的一次調(diào)頻回路在功率自動(dòng)投入后才能投入，而DEH的一次調(diào)頻回路、功率回路和調(diào)壓回路可以分別單獨(dú)投入，構(gòu)成了以下多種不同的組合方式。

2．1．1 純DEH實(shí)現(xiàn)方式

1)DEH功率回路投入時(shí)，一次調(diào)頻回路投入。這時(shí)一次調(diào)頻根據(jù)頻差信號(hào)，以一定的速度不等率計(jì)算出頻差校正值并對(duì)目標(biāo)負(fù)荷進(jìn)行修正，同時(shí)頻差校正信號(hào)通過(guò)速率限制處理后，形成新的負(fù)荷指令直接作用到功率調(diào)節(jié)器(PID)來(lái)改變調(diào)汽閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的快速隨動(dòng)。其本質(zhì)實(shí)際是通過(guò)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)回路實(shí)現(xiàn)，類(lèi)似于二次調(diào)頻，負(fù)荷最終穩(wěn)定在經(jīng)過(guò)修正的實(shí)際機(jī)組負(fù)荷指令。

2)DEH功率回路不投(即在閥控方式下)，一次調(diào)頻回路投入。這時(shí)一次調(diào)頻直接對(duì)負(fù)荷參考指令進(jìn)行修正，即在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下按凸輪特性直接對(duì)調(diào)節(jié)汽門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行修正。一次調(diào)頻的負(fù)荷大小與該機(jī)組當(dāng)時(shí)的蒸汽參數(shù)有關(guān)。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，隨著負(fù)荷的變動(dòng)，主汽壓力發(fā)生改變，由于鍋爐調(diào)節(jié)的熱慣性，負(fù)荷會(huì)先利用蓄熱上升，然后下降，直到鍋爐調(diào)節(jié)跟上，負(fù)荷再上升并穩(wěn)定下來(lái)。這種工況實(shí)現(xiàn)了一次調(diào)頻，但由于功率自動(dòng)未投，無(wú)法實(shí)現(xiàn)AGC功能。

2．1．2 純CCS實(shí)現(xiàn)方式

這時(shí)，DEH在遙控方式，CCS投入功率自動(dòng)和一次調(diào)頻回路。該方式與純DEH方式1)相同，類(lèi)似于二次調(diào)頻。

2．1．3 DEH+CCS(CCS 手動(dòng))方式

DEH投入一次調(diào)頻回路，CCS在手動(dòng)方式。由于DEH投入遙控后，DEH的功率和調(diào)節(jié)級(jí)壓力回路會(huì)自動(dòng)切除，該方式與純DEH方式2)相同。

2．1．4 在汽機(jī)跟隨狀態(tài)一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的可能情況

這種情況下，一次調(diào)頻回路作用在CCS鍋爐調(diào)功回路，由于鍋爐的熱慣性，負(fù)荷即使調(diào)節(jié)，也失去了一次調(diào)頻的意義，反而給鍋爐人為地加了一個(gè)干擾源。同樣，DEH的一次調(diào)頻回路也不能投，否則會(huì)給汽機(jī)調(diào)節(jié)汽壓人為地加了一個(gè)干擾源。

2．2 一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)方案分析

在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，鍋爐跟隨方式下，利用鍋爐的蓄熱，采取CCS的功率自動(dòng)和一次調(diào)頻回路投入、DEH的一次調(diào)頻回路同時(shí)投入運(yùn)行的方式為最優(yōu)，能夠產(chǎn)生理論上所要達(dá)到的可控的一次調(diào)頻負(fù)荷增量。

3 一次調(diào)頻投入后對(duì)機(jī)組的影響

根據(jù)古交電廠300 MW機(jī)組按相當(dāng)于20 MW擾動(dòng)幅度(6．67%額定負(fù)荷)所做的汽機(jī)調(diào)門(mén)擾動(dòng)和鍋爐負(fù)荷指令擾動(dòng)的機(jī)組響應(yīng)特性試驗(yàn)，進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)機(jī)組調(diào)門(mén)階躍時(shí)，汽壓變化速率只在初始瞬間較大 0．1 ～0．2 MPa/s，平滑段汽壓變化率均在0．35 MPa/min以下;汽壓變化幅度很大，當(dāng)負(fù)荷變化13～24 MW 時(shí)，汽壓變化幅度達(dá)1．1～1．8 MPa。汽壓變化幅度過(guò)大，會(huì)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性產(chǎn)生影響;但限制汽壓變化幅度過(guò)多，也會(huì)影響機(jī)組的一次調(diào)頻能力。

2)在汽包水位自動(dòng)投入狀態(tài)下，水位波動(dòng)并不大，在±40 mm范圍內(nèi)。

3)機(jī)組調(diào)門(mén)階躍時(shí)，主汽溫變化不大。階躍開(kāi)調(diào)門(mén)，主汽溫先下降后上升，穩(wěn)定值與階躍前略有上升;階躍關(guān)調(diào)門(mén)，主汽溫先上升后下降，穩(wěn)定值與階躍前略有下降;總體變化幅度不大，在3℃ ～4℃以?xún)?nèi)。

4)機(jī)組調(diào)門(mén)階躍時(shí)，再熱汽溫變化不大。階躍開(kāi)關(guān)調(diào)門(mén)，再熱汽溫均略有下降：總體變化幅度不大，在4℃ ～5℃以?xún)?nèi)。

5)機(jī)組調(diào)門(mén)階躍時(shí)，高壓第一級(jí)溫差變化較大。階躍開(kāi)關(guān)調(diào)門(mén)，高壓第一級(jí)汽溫變化較大，從而使高壓第一級(jí)汽溫與金屬溫度的溫差變化較大，對(duì)汽機(jī)熱應(yīng)力有一定影響。尤其在關(guān)調(diào)門(mén)動(dòng)作時(shí)，第一級(jí)汽溫是呈下降趨勢(shì)，低負(fù)荷工況有可能出現(xiàn)負(fù)溫差，產(chǎn)生負(fù)應(yīng)力，而汽輪機(jī)承受負(fù)應(yīng)力的能力相對(duì)弱的多，應(yīng)進(jìn)一步加以關(guān)注。

6)在汽機(jī)調(diào)門(mén)凸輪特性擬合不好的區(qū)段，產(chǎn)生負(fù)荷超調(diào)現(xiàn)象。

7)鍋爐燃燒率試驗(yàn)的純遲延響應(yīng)時(shí)間約為2．5 min。

在以上試驗(yàn)過(guò)程中，分別記錄機(jī)組有功功率、主汽壓力和溫度、調(diào)節(jié)級(jí)壓力和溫度、第一級(jí)金屬溫度、汽機(jī)參考指令、調(diào)門(mén)開(kāi)度、汽包水位、蒸汽流量、給水流量、除氧器水位、燃料量、風(fēng)量等主要參數(shù)的變化，分析機(jī)組的響應(yīng)特性。

4 火電機(jī)組投運(yùn)一次調(diào)頻應(yīng)采取的措施

1)對(duì)電液型汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的遲緩率進(jìn)行測(cè)試，使其滿(mǎn)足一次調(diào)頻的要求。否則一次調(diào)頻將失去其意義。

2)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的速度不等率，一般速度不等率為3%～5%，對(duì)于同樣的網(wǎng)頻變動(dòng)幅度速度不等率越大，一次調(diào)頻負(fù)荷量越小;反之速度不等率越小，一次調(diào)頻負(fù)荷量越大。在速度不等率為5%時(shí)，電網(wǎng)頻率每變化0．016 7 Hz(相當(dāng)于汽機(jī)轉(zhuǎn)速每變化1 r/min)，機(jī)組負(fù)荷將改變0．667%額定負(fù)荷。

3)應(yīng)對(duì)一次調(diào)頻最大汽壓變化量進(jìn)行限幅，保證單元機(jī)組的穩(wěn)定。

4)應(yīng)對(duì)一次調(diào)頻機(jī)組最大負(fù)荷調(diào)節(jié)量的限制，如對(duì)一次調(diào)頻的負(fù)荷控制范圍按系統(tǒng)頻率發(fā)生±0．25 Hz變化、死區(qū) ±0．033 3 Hz時(shí)(相當(dāng)于6．67%額定負(fù)荷量)的對(duì)應(yīng)補(bǔ)償負(fù)荷進(jìn)行限幅，以保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

5)應(yīng)對(duì)一次調(diào)頻快速調(diào)整負(fù)荷的汽輪機(jī)熱應(yīng)力監(jiān)視，如對(duì)高壓第一級(jí)溫差變化進(jìn)行監(jiān)視，防止應(yīng)力過(guò)大。

6)當(dāng)機(jī)組汽輪機(jī)電調(diào)系統(tǒng)的凸輪特性曲線(xiàn)與實(shí)際閥門(mén)流量特性不相配時(shí)，有可能造成一次調(diào)頻超調(diào)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)產(chǎn)生反向調(diào)節(jié)作用。需要測(cè)試機(jī)組的調(diào)門(mén)特性，調(diào)整DEH的凸輪特性曲線(xiàn)。

5 結(jié)論

1)采用計(jì)算機(jī)電液調(diào)節(jié)DEH系統(tǒng)的300 MW燃煤機(jī)組完全具備了一次調(diào)頻投入功能，且機(jī)組一次調(diào)頻功能可以適應(yīng)不同的參數(shù)，在不同頻率死區(qū)和轉(zhuǎn)速不等率情況下，調(diào)頻效果良好。

2)一次調(diào)頻功能效果與投入方式有很大關(guān)系，按負(fù)荷調(diào)整時(shí)間與動(dòng)態(tài)偏差排序依次為：第(1)CCS投入一次調(diào)頻功能，DEH一次調(diào)頻回路投入，但DEH功率回路不投，此方式最好;第(2)CCS解列，DEH投一次調(diào)頻和功率回路，此方式較好;第(3)CCS投入一次調(diào)頻功能，DEH一次調(diào)頻和功率回路都不投，第(1)CCS解列，DEH僅投一次調(diào)頻，此方式次之。

［1］ 段 南，李國(guó)勝，王玉山．大型火電機(jī)組一次調(diào)頻功能投入的研究［J］．華北電力技術(shù)，2003(10)：1－4．