M701F燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻控制方式及應(yīng)用

鄧小明，朱明飄

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東惠州 516082)

現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷越來越高，其安全性也受到越來越多的關(guān)注.大多數(shù)發(fā)達(dá)國家的電網(wǎng)都對(duì)為其供電的電廠制定了嚴(yán)格的一次調(diào)頻要求，使電廠承擔(dān)起維護(hù)電網(wǎng)安全的責(zé)任.為了提高電網(wǎng)運(yùn)行水平和頻率質(zhì)量，消除電網(wǎng)負(fù)荷變化引起的頻率波動(dòng)，減少?zèng)_擊，對(duì)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的要求越來越高［1］.

一次調(diào)頻技術(shù)是保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段［2］.而一次調(diào)頻功能也是并網(wǎng)機(jī)組應(yīng)具備的主要功能之一，但由于天然氣短缺等客觀原因的限制，電網(wǎng)中的燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻開發(fā)和正常投運(yùn)的較少.實(shí)際上，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組具有啟停迅速、變負(fù)荷速率快的特點(diǎn)，可以快速響應(yīng)電網(wǎng)指令以及電網(wǎng)頻率的變化，比常規(guī)燃煤機(jī)組更適宜于電網(wǎng)調(diào)峰和調(diào)頻.其中，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因具有優(yōu)良的調(diào)峰能力在電網(wǎng)調(diào)峰中的作用越來越大，9F級(jí)燃?xì)鈾C(jī)組由于發(fā)電功率比9E級(jí)大，調(diào)峰能力更強(qiáng).隨著燃?xì)鈾C(jī)組在電網(wǎng)中的比重越來越大，且為了更好地發(fā)揮燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的調(diào)峰和調(diào)頻作用，對(duì)其一次調(diào)頻的功能進(jìn)行開發(fā)和研究顯得十分必要［3］.

廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司(以下簡稱惠州LNG電廠)一期工程3×390 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組中的1#機(jī)組已于2006年9月21日投產(chǎn)，這是廣東LNG燃機(jī)項(xiàng)目中第一臺(tái)投產(chǎn)的9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組.通過分析這一發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻控制方式，其調(diào)頻控制的方式及特點(diǎn)為同類型9F級(jí)機(jī)組的調(diào)頻提供了參考.

1 一次調(diào)頻的原理

1.1 一次調(diào)頻的概念

當(dāng)電網(wǎng)中某臺(tái)大功率的發(fā)電設(shè)備或供電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)發(fā)生一定變化，此時(shí)機(jī)組能快速響應(yīng)并改變出力，以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，則為機(jī)組的一次調(diào)頻功能［3］.

與二次調(diào)頻不同，一次調(diào)頻不完全是由電網(wǎng)AGC輸入信號(hào)進(jìn)行控制的，而是由電廠主動(dòng)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)頻率并進(jìn)行適時(shí)調(diào)整的行為.當(dāng)電網(wǎng)的頻率波動(dòng)超過允許范圍時(shí)，電廠一次調(diào)頻控制系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制機(jī)組有功功率的增加(頻率下降時(shí))或減少(頻率升高時(shí))，以使電網(wǎng)頻率迅速回到額定值范圍.一次調(diào)頻是保證電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量的首要步驟.

大型火電機(jī)組通過調(diào)節(jié)汽輪機(jī)閥門的開度，利用機(jī)組的蓄熱來快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化.火電機(jī)組普遍應(yīng)用DEH控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和有功功率［4］.

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組通過改變?nèi)剂狭亢瓦M(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉(IGV)的開度，改變發(fā)電機(jī)的出力，以達(dá)到系統(tǒng)功率的供需平衡，從而快速響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化，使頻率恢復(fù)到正常范圍.

1.2 一次調(diào)頻控制回路原理

一次調(diào)頻控制回路的原理如圖1所示.

圖1 中虛框部分為自動(dòng)負(fù)荷控制回路.在此部分中設(shè)計(jì)了一次調(diào)頻功能，即將機(jī)組轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速設(shè)定值的偏差按設(shè)定的不等率死區(qū)限幅曲線加至功率指令，作為自動(dòng)負(fù)荷控制回路輸出的功率指令.這樣，控制系統(tǒng)中有兩個(gè)位置接收機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，分別位于自動(dòng)負(fù)荷控制回路和轉(zhuǎn)速控制回路.因此，機(jī)組一次調(diào)頻功能也可在兩種情況下實(shí)現(xiàn)，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式和自動(dòng)負(fù)荷控制的調(diào)節(jié)模式.在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式下，機(jī)組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定值的差值直接進(jìn)入純比例環(huán)節(jié)計(jì)算后即得到GVCSO值，進(jìn)而控制燃料調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，中間沒有死區(qū)限幅限速等環(huán)節(jié)，因此其調(diào)節(jié)速度非?？?，基本可在機(jī)組的一個(gè)運(yùn)算周期內(nèi)完成，這類似于常規(guī)汽輪機(jī)的DEH側(cè)一次調(diào)頻.

在自動(dòng)負(fù)荷控制模式中，將頻差在加至功率給定后，需經(jīng)一限速環(huán)節(jié)按照一定的速率改變機(jī)組的功率或轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設(shè)定值，因此其一次調(diào)頻的響應(yīng)速度就會(huì)慢得多，這類似于常規(guī)汽輪機(jī)的CCS 側(cè)一次調(diào)頻［4，5］.

2 一次調(diào)頻的控制方式

M701F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)有4種基本方式:ALR OFF模式下GOVERNOR;ALR OFF模式下LOAD LIMIT;ALR ON模式下GOVERNOR;ALR ON模式下LOAD LIMIT.

2.1 GOVERNOR方式

采用純比例P控制回路，不等率為4%(可以修改)進(jìn)行轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)［5］.在機(jī)組并網(wǎng)前，額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行自動(dòng)同期調(diào)節(jié)可進(jìn)行空負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié).機(jī)組并網(wǎng)后，若機(jī)組在GOVERNOR方式下運(yùn)行，通過改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值“SPSET”來改變機(jī)組的負(fù)荷，轉(zhuǎn)速設(shè)置3 000 r/min時(shí)為0 MW，轉(zhuǎn)速設(shè)置3 120 r/min(不等率為4%)［5］時(shí)為額定負(fù)荷，這與純液調(diào)機(jī)組通過改變同步器來改變機(jī)組負(fù)荷有點(diǎn)相似.GOVERNOR的調(diào)頻控制方式分為ALR ON模式和ALR OFF模式兩種.

在ALR ON模式下，GOVERNOR的轉(zhuǎn)速設(shè)定值由ALR的負(fù)荷設(shè)定值A(chǔ)LR SET與機(jī)組實(shí)際功率信號(hào)比較后得到，GOVERNOR輸出GVCSO使機(jī)組實(shí)際負(fù)荷始終等于ALR SET，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際上為閉環(huán)無差調(diào)節(jié)，此時(shí)機(jī)組是否具有一次調(diào)頻功能取決于ALR ON模式是否有調(diào)頻功能.

在ALR OFF模式下，GOVERNOR轉(zhuǎn)速設(shè)定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定，此時(shí)機(jī)組具有一次調(diào)頻功能.

GOVERNOR方式不等率的設(shè)置在TCS系統(tǒng)中，通過設(shè)置給定值模塊GC040_SG08的參數(shù)SG=4，則不等率為4%，具體設(shè)置見圖2.

圖2 GOVERNOR方式下轉(zhuǎn)速不等率邏輯設(shè)置

2.2 LOAD LIMIT方式

LOAD LIMIT方式與GOVERNOR方式在進(jìn)行調(diào)頻時(shí)兩者任選其一.LOAD LIMIT方式為功率閉環(huán)無差調(diào)節(jié)，機(jī)組功率設(shè)定值為 LDSET(LOAD SET).

在LOAD LIMIT方式下，GOVERNOR方式處于跟蹤狀態(tài)，即將GOVERNOR的輸出跟蹤控制信號(hào)CSO加上5%.當(dāng)電網(wǎng)頻率以很快的速度上升，造成GOVERNOR的控制輸出GVCSO減少超過5%時(shí)，機(jī)組控制信號(hào)輸出CSO會(huì)暫時(shí)切換到GOVERNOR的CSO輸出，當(dāng)電網(wǎng)頻率一直上升，并使GVCSO減少超過6 s時(shí)，GOVERNOR會(huì)參與調(diào)頻，在電網(wǎng)頻率下降后使GVCSO恢復(fù)至正常;當(dāng)電網(wǎng)頻率下降時(shí)，GOVERNOR的控制輸出GVCSO只會(huì)增加，因此CSO不會(huì)切換到GVCSO.可見，這種模式下機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)頻作用意義不大，此時(shí)機(jī)組不具備一次調(diào)頻功能.LOAD LIMIT的調(diào)頻控制方式也分為ALR ON和ALR OFF兩種模式.

在ALR ON模式下，LOAD LIMIT的目標(biāo)功率設(shè)定值為ALR的負(fù)荷設(shè)定值A(chǔ)LR SET，此時(shí)機(jī)組是否具有一次調(diào)頻取決于ALR ON模式是否具有調(diào)頻功能.

在ALR OFF模式下，LOAD LIMIT的功率設(shè)定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定，此時(shí)機(jī)組沒有一次調(diào)頻功能.

2.3 ALR ON模式

自動(dòng)負(fù)荷運(yùn)行(AUTO LOAD RUN)，是在GOVERNOR方式和LOAD LIMIT方式基礎(chǔ)上更高層次的控制方式.在ALR ON條件下，ALR的輸出作為機(jī)組功率設(shè)定值A(chǔ)LR SET送到GOVERNOR方式和LOAD LIMIT方式的回路中.

ALR ON下還有ALR MAN和ALR AUTO兩種方式.在ALR MAN方式下，ALR目標(biāo)功率可以手動(dòng)給定或機(jī)組根據(jù)工況自動(dòng)給定.在 ALR AUTO方式下，ALR目標(biāo)功率跟蹤中將EMS調(diào)來的目標(biāo)負(fù)荷作為指令信號(hào)，即AGC的控制方式.

在ALR ON模式中，機(jī)組負(fù)荷是閉環(huán)無差調(diào)節(jié)的，在沒有進(jìn)入溫控模式下，若機(jī)組實(shí)際負(fù)荷比ALR功率設(shè)定值 ALR SET低，則自動(dòng)增加GOVERNOR方式的SPSET值或LOAD LIMIT方式的LDCSO值.若機(jī)組實(shí)際負(fù)荷比ALR目標(biāo)功率ALR SET高，則自動(dòng)降低GOVERNOR方式的SPSET值或LOAD LIMIT方式的 LDCSO值.同時(shí)，若下一級(jí)在 GOVERNOR方式下，雖然GOVERNOR有調(diào)頻功能，但若ALR ON沒有一次調(diào)頻功能，則GOVERNOR的調(diào)頻量會(huì)被ALR ON的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)抵消或減弱.

要實(shí)現(xiàn)ALR ON模式下機(jī)組的一次調(diào)頻功能，必須將頻差信號(hào)疊加到ALR功率設(shè)定值A(chǔ)LR SET上.在TCS的GC30頁邏輯設(shè)計(jì)有一個(gè)頻差-負(fù)荷函數(shù)曲線GC30_FX04，通過設(shè)置函數(shù)曲線GC30_FX04即可使ALR ON具有一次調(diào)頻功能.

根據(jù)電網(wǎng)要求，M701F機(jī)組額定功率Pn為390 MW，一次調(diào)頻最大調(diào)整量為+6%，即+23.4 MW，GC30_FX04的設(shè)置如表1所示.

表1 一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速-負(fù)荷修正量的設(shè)置

負(fù)荷調(diào)整量如圖3所示，按轉(zhuǎn)速不等率為5%設(shè)置，即電網(wǎng)頻率超出設(shè)置死區(qū)后，負(fù)荷調(diào)整量為 +2.6 MW/r·min－1;若轉(zhuǎn)速不等率為 4%，則負(fù)荷調(diào)整量為 +3.25 MW/r·min－1.

圖3 GC030_FX04一次調(diào)頻頻差-負(fù)荷曲線設(shè)置

增加ALR ON一次調(diào)頻功能后，送到中調(diào)EMS的“機(jī)組一次調(diào)頻投入”信號(hào)也作相應(yīng)修改，可實(shí)時(shí)將機(jī)組一次調(diào)頻投/退狀態(tài)送到中調(diào).

3 一次調(diào)頻投/切狀態(tài)試驗(yàn)步驟

一次調(diào)頻投/切狀態(tài)的試驗(yàn)步驟如下:

(1)強(qiáng)制“機(jī)組一次調(diào)頻投入”信號(hào)為0;

(2)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在切除狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(3)強(qiáng)制“機(jī)組一次調(diào)頻投入”信號(hào)為1;

(4)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在投入狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(5)恢復(fù)“機(jī)組一次調(diào)頻投入”強(qiáng)制信號(hào);

(6)將機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在180～300 MW;

(7)將機(jī)組切換到ALR OFF模式下的LOAD LIMIT方式或確認(rèn)機(jī)組已在此方式下;

(8)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在切除狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(9)將機(jī)組切換到 ALR OFF模式下的GOVERNOR方式，或確認(rèn)機(jī)組已在此方式下;

(10)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在投入狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(11)將機(jī)組切換到ALR ON模式下的GOVERNOR方式或確認(rèn)機(jī)組已在此方式下，投入FREQUENCE ON到ON位置，此時(shí)機(jī)組投入了一次調(diào)頻;

(12)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在投入狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(13)將FREQUENCE ON切換到OFF位置，聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在切除狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(14)將機(jī)組切換到ALR ON模式下的LOAD LIMIT方式或確認(rèn)機(jī)組已在此方式下，投入FREQUENCE ON到ON位置，此時(shí)機(jī)組投入了一次調(diào)頻;

(15)聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在投入狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(16)將FREQUENCE ON切換到OFF位置，聯(lián)系中調(diào)，確認(rèn)EMS顯示機(jī)組一次調(diào)頻在切除狀態(tài)，若顯示狀態(tài)不一致，則暫停試驗(yàn)，待查明原因消除故障后重做試驗(yàn);

(17)將機(jī)組切換到ALR OFF和LOAD LIMIT方式或確認(rèn)機(jī)組已在此方式下;

(18)試驗(yàn)結(jié)束，恢復(fù)調(diào)頻-負(fù)荷修正量的強(qiáng)制信號(hào).

4 試驗(yàn)結(jié)果

筆者對(duì)3臺(tái)機(jī)組分別進(jìn)行了一次調(diào)頻功能的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)試驗(yàn)，并對(duì)擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析.

4.1 負(fù)荷在350 MW時(shí)的3 r/min和8 r/min偏差擾動(dòng)試驗(yàn)

其試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.由圖4a可知，在轉(zhuǎn)速增加或減小3 r/min時(shí)，負(fù)荷也隨之相應(yīng)地增加或減少.在此過程中GVCSO＞BPCSO，葉片通道溫度(BPT)變化不大，調(diào)節(jié)品質(zhì)能夠良好地表現(xiàn)出來.

圖4 負(fù)荷在350 MW時(shí)的擾動(dòng)趨勢(shì)

由圖4b可知，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速跳躍增加8 r/min后，負(fù)荷也隨之增加.在此過程中，由于機(jī)組處于較高負(fù)荷下，迅速增加的負(fù)荷使得BPCSO瞬間大于GVCSO，機(jī)組進(jìn)入溫控狀態(tài)，由于內(nèi)燃機(jī)的自身特點(diǎn)，使得負(fù)荷的增加速率不會(huì)很快.

4.2 負(fù)荷在260 MW時(shí)的3 r/min和8 r/min偏差擾動(dòng)試驗(yàn)

其試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.由圖4和圖5可知，與3 r/min擾動(dòng)相比較，8 r/min擾動(dòng)下負(fù)荷變化率明顯增大，其調(diào)節(jié)品質(zhì)也較出色.

圖5 負(fù)荷在260 MW時(shí)的擾動(dòng)趨勢(shì)

5 結(jié)果分析

經(jīng)過對(duì)3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行帶負(fù)荷的擾動(dòng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，雖然M701F燃機(jī)因自身特點(diǎn)使得其一次調(diào)頻功能與常規(guī)燃煤機(jī)組略有不同，但能很好地滿足電網(wǎng)的一次調(diào)頻要求.其一次調(diào)頻的具體特點(diǎn)如下:

(1)燃機(jī)運(yùn)行中當(dāng)外界氣溫(進(jìn)氣溫度)較高時(shí)，在高負(fù)荷下可能會(huì)進(jìn)入溫控狀態(tài)，即CSO=BPCSO，此時(shí)若電網(wǎng)頻率有較大變化，負(fù)荷的變化率將較小;

(2)由于正常運(yùn)行中燃機(jī)所帶負(fù)荷最低不能低于240 MW，在此情況下負(fù)荷只能向上調(diào)而不能向下調(diào);

(3)在給定擾動(dòng)偏差試驗(yàn)中，如果給定偏差前轉(zhuǎn)速在向給定偏差相反方向變化而偏差較小時(shí)，負(fù)荷改變量不會(huì)很明顯;

(4)由于在轉(zhuǎn)速控制模式下機(jī)組啟動(dòng)較快，但在燃機(jī)正常運(yùn)行過程中，負(fù)荷控制模式下的一次調(diào)頻質(zhì)量要高于轉(zhuǎn)速控制模式下的調(diào)頻質(zhì)量，因此建議以轉(zhuǎn)速控制模式啟動(dòng)，當(dāng)機(jī)組達(dá)到需要投入一次調(diào)頻功能的負(fù)荷后，再切換到負(fù)荷控制模式.

6 結(jié)論

(1)在3種運(yùn)行方式下機(jī)組具有一次調(diào)頻功能，其中ALR OFF GOVERNOR方式下一次調(diào)頻是系統(tǒng)固有的，不能退出.而 ALR ON GOVERNOR和ALR LOADLIMIT方式下的一次調(diào)頻可以根據(jù)需要進(jìn)行投/切.另外，一次調(diào)頻開關(guān)投/切顯示與實(shí)際對(duì)應(yīng)，滿足機(jī)組一次調(diào)頻投入的要求.

(2)ALR ON方式下機(jī)組參與一次調(diào)頻的死區(qū)為 ±0.05Hz(±3r/min)，ALROFF GOVERNOR方式下一次調(diào)頻無死區(qū)設(shè)置;機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率為4%～5%;通過查看三菱的內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)調(diào)門試驗(yàn)報(bào)告，機(jī)組遲緩率不大于0.2%.

(3)ALR ON方式下機(jī)組一次調(diào)頻最大幅值為 ±6%Pn(約為 ±23.4 MW)，ALR OFF GOVERNOR方式下一次調(diào)頻最大幅值沒有限制，但在調(diào)頻量超過5%時(shí)會(huì)自動(dòng)降低調(diào)節(jié)速率;當(dāng)電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間在3 s內(nèi);

(4)機(jī)組3種運(yùn)行方式下，在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)開始時(shí)的45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與響應(yīng)目標(biāo)偏差均不大于4.91%Pn，滿足《惠州LNG電廠3×390 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行調(diào)度協(xié)議》中不大于9%Pn的要求.

［1］張秋生.大型火電機(jī)組一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置及其對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響［J］.河北電力技術(shù)，2004(5):9-11.

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