火電機組適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求的對策

牟長信

（東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006）

在風(fēng)電比重越來越大,呼遼直流并入電網(wǎng),用電峰谷差逐漸增大等新形勢下,電網(wǎng)承受大的瞬態(tài)負荷沖擊概率逐漸增大,幅值逐漸增大,使電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的壓力不斷增大,電能質(zhì)量和電網(wǎng)的安全性問題越來越突出。為確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定,電網(wǎng)對火電機組一次調(diào)頻的依賴性越來越大,考核越來越嚴格。

作為機網(wǎng)協(xié)調(diào)一項重要內(nèi)容,一次調(diào)頻已經(jīng)得到政府監(jiān)管部門和電網(wǎng)企業(yè)的高度重視。依據(jù)國家電力監(jiān)管委員會發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》（電監(jiān)市場[2006]42號）和《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（電監(jiān)市場[2006]43號）的規(guī)定,東北電監(jiān)局于2008年12月發(fā)布了《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》,簡稱“兩個細則”?！皟蓚€細則”對東北電網(wǎng)一次調(diào)頻的性能指標(biāo)、投入率、考核標(biāo)準進行了嚴格的規(guī)定。

電網(wǎng)企業(yè)也出臺了相應(yīng)的管理規(guī)定,東北電網(wǎng)有限公司發(fā)布了《東北電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻調(diào)度管理暫行規(guī)定》,遼寧省電力有限公司發(fā)布了《遼寧電網(wǎng)發(fā)電機組一次調(diào)頻管理規(guī)定》。

2010年5月10日,國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》,將一次調(diào)頻的運行管理作為防止機網(wǎng)協(xié)調(diào)事故的重要措施,要求并網(wǎng)發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能參數(shù)應(yīng)按照電網(wǎng)運行的要求進行整定,一次調(diào)頻功能應(yīng)按照電網(wǎng)有關(guān)規(guī)定投入運行。

另一方面,火電機組自身的狀況也越來越不利于電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。發(fā)電企業(yè)負荷不足,為降低成本摻燒褐煤,煤質(zhì)差且多變,缺煤、斷煤時常發(fā)生;鍋爐制粉系統(tǒng)故障多,鍋爐燃燒不穩(wěn)定;為了節(jié)能減排,進行設(shè)備改造,改變了原設(shè)計的系統(tǒng)特性等,這些狀況都使機組運行的可操控性和穩(wěn)定性變差,嚴重制約了一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)能力。目前,由于風(fēng)電并網(wǎng)容量迅猛增加,電網(wǎng)一次調(diào)頻動作非常頻繁,對機組的正常運行和設(shè)備的壽命影響非常大。對于電網(wǎng)穩(wěn)定性和機組穩(wěn)定性,如何使兩者達到均衡,既能適應(yīng)電網(wǎng)需求,又能使機組運行參數(shù)滿足安全運行需要。

1 一次調(diào)頻考核的主要性能指標(biāo)

1.1 調(diào)頻死區(qū)

火電機組一次調(diào)頻的人工死區(qū)規(guī)定為：± 0.033 Hz（±2 r/min）。

1.2 速度變動率

速度變動率δ是指機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)在額定工況下,調(diào)速系統(tǒng)給定值不變,汽輪機由空負荷到滿負荷的轉(zhuǎn)速變化量與額定轉(zhuǎn)速之比,通常以百分數(shù)表示。

速度變動率：δ=4%～5%,統(tǒng)一設(shè)為5%。

1.3 功率補償量

功率補償量ΔP是由機組速度變動率δ和轉(zhuǎn)速偏差Δn等相關(guān)參數(shù)計算得出,公式為

式中 Pe——機組額定容量;

Ne——機組額定轉(zhuǎn)速;

Δn——轉(zhuǎn)速偏差（包含死區(qū)的機組轉(zhuǎn)速與3 000 r/min之差）,即Δn=n-3 000（r/min）;

Δ——轉(zhuǎn)差死區(qū);

（Δn—Δ）——扣除死區(qū)后能夠貢獻電量的實際轉(zhuǎn)速偏差。

1.4 火電機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度限制（見表1）

表1 火電機組參與一次調(diào)頻的負荷變化幅度限制

1.5 一次調(diào)頻的響應(yīng)特性

機組一次調(diào)頻的響應(yīng)特性主要包括一次調(diào)頻的負荷響應(yīng)滯后時間、一次調(diào)頻的最大負荷調(diào)整幅度。

一次調(diào)頻的負荷響應(yīng)滯后時間指運行機組從電網(wǎng)頻率越過該機組一次調(diào)頻的死區(qū)開始,到該機組的負荷開始變化所需的時間?；痣姍C組應(yīng)小于3 s。

一次調(diào)頻的最大負荷調(diào)整幅度指運行機組從電網(wǎng)頻率越過該機組一次調(diào)頻的死區(qū)開始計時的60 s以內(nèi)或者到電網(wǎng)頻率恢復(fù)到該機組的一次調(diào)頻的死區(qū)范圍以內(nèi)為止,該機組的有功功率相應(yīng)進行調(diào)整（頻率越上限時減少有功、頻率越下限時增加有功）的幅度。

所有火電機組應(yīng)在15 s內(nèi)達到一次調(diào)頻最大負荷調(diào)整幅度的90%。

1.6 調(diào)整幅度的偏差

在電網(wǎng)頻率變化超過機組一次調(diào)頻死區(qū)時開始的45 s內(nèi),機組實際出力與響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)在調(diào)整幅度的±5%以內(nèi)。

2 一次調(diào)頻試驗

一次調(diào)頻試驗用于驗證機組的一次調(diào)頻控制是否具備投入條件,指標(biāo)是否滿足電網(wǎng)要求。

2.1 相關(guān)文件規(guī)定

按照國家電網(wǎng)公司《一次調(diào)頻試驗導(dǎo)則》要求,新建機組必須進行一次調(diào)頻試驗,并且必須合格。合格后上報相關(guān)試驗報告及有關(guān)材料,并且可隨時投入一次調(diào)頻功能。機組大修或機組控制系統(tǒng)發(fā)生重大改變（重大改變包括：DCS改造、DEH改造、控制方案或參數(shù)改變等）后,應(yīng)重新進行一次調(diào)頻試驗,以保證一次調(diào)頻性能和機組安全,并且試驗必須合格。一次調(diào)頻試驗遵循以下原則。

一次調(diào)頻試驗依據(jù)一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間、負荷調(diào)整幅度及調(diào)整幅?度偏差指標(biāo)判定一次調(diào)頻試驗結(jié)果是否合格,結(jié)論應(yīng)包括各種試驗工況下,各擾動試驗的動態(tài)轉(zhuǎn)速不等率、遲緩率等性能指標(biāo)分析,在不同工況下隨頻率變化的機組實際出力曲線（采樣時間不大于1 s）。經(jīng)電力調(diào)度機構(gòu)批準后,該機組方可正式投入一次調(diào)頻功能,并附完整的調(diào)試試驗報告。

2.2 單機一次調(diào)頻試驗情況

2007～2010年,東北電力科學(xué)研究院有限公司對東北電網(wǎng)有限公司直調(diào)和遼寧省電力有限公司直調(diào)共80多臺機組進行了一次調(diào)頻試驗,本次試驗對并網(wǎng)機組投入一次調(diào)頻起到了很大的推動作用,試驗前部分機組DCS未設(shè)計一次調(diào)頻控制邏輯,大部分機組雖然設(shè)計了控制邏輯,但未進行參數(shù)設(shè)置或設(shè)計不合理,在試驗前都得到了完善,使得機組在軟硬件基礎(chǔ)上具備了投入一次調(diào)頻的條件。

先期試驗時只在單閥工況、80%負荷下進行,后期試驗在以下幾個方面進行了重大改進：

a.運行工況的選擇,包括單閥方式和順序閥方式下的試驗;

b.試驗在60%PN、75%PN、90%PN、100%PN負荷工況下進行;

c.在每個負荷工況點下,至少分別進行±0.067 Hz（1 r/m in）、±0.1 Hz（6 r/min）、最大雙向頻差階躍擾動試驗,全面檢驗機組各種狀況下的一次調(diào)頻性能。

2.3 全網(wǎng)一次調(diào)頻試驗情況

2009年11月3日,在東北電網(wǎng)有限公司網(wǎng)調(diào)的統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)下,進行了東北全網(wǎng)（遼、吉、黑、蒙東）上網(wǎng)火電機組一次調(diào)頻及電網(wǎng)頻率動態(tài)特性試驗,107臺機組參與了試驗。試驗在白山發(fā)電廠分兩次進行,第一次解列1臺300 MW機組,第二次解列2臺300 MW機組。

第二次調(diào)頻試驗時,2臺機組同步解列甩負荷600 MW,試驗前電網(wǎng)頻率50.003 29 Hz,在機組解列4 s左右頻率下降到最低點49.89 Hz,在10 s左右頻率上升至49.94 Hz。

此次試驗是對全網(wǎng)一次調(diào)頻投入情況的一次檢驗。遼寧省電力有限公司直調(diào)火電機組中有17個電廠40臺機組、東北電網(wǎng)有限公司直調(diào)7個電廠18臺機組參與了一次調(diào)頻試驗。試驗取得了預(yù)期的效果,大部分機組一次調(diào)頻功能發(fā)揮作用,對于電網(wǎng)頻率的回升產(chǎn)生了作用。但是,根據(jù)對各機組一次?調(diào)頻動?作后數(shù)據(jù)的分析,很多機組一次調(diào)頻的指標(biāo)距電網(wǎng)公司的要求還有較大差距,部分機組一次調(diào)頻甚至沒有動作。

3 一次調(diào)頻問題分析

一次調(diào)頻品質(zhì)差,主要表現(xiàn)在負荷響應(yīng)超過3 s、負荷反向調(diào)節(jié)、負荷增量不足、負荷持續(xù)時間短等,歸納為以下幾個方面。

3.1 測量信號問題

a.部分電廠一次調(diào)頻控制所采用的頻率變送器,其輸出為4～20mA電流信號,量程通常為± 5 Hz,分辨率低,小信號時誤差大;一次調(diào)頻控制采用的汽輪機轉(zhuǎn)速信號擾動較大,不能滿足一次調(diào)頻的要求;一次調(diào)頻控制邏輯中,在CCS側(cè)采用頻率信號進行頻差計算,而在DEH側(cè)采用汽輪機轉(zhuǎn)速信號進行頻差計算,信號不一致。

建議采用網(wǎng)頻信號進行頻差計算,頻率變送器應(yīng)該穩(wěn)定、可靠,測量誤差≤0.2%,量程范圍為±0.3 Hz。

b.PMU測量環(huán)節(jié)有干擾,導(dǎo)致送電網(wǎng)公司的數(shù)據(jù)存在誤差。

3.2 汽機調(diào)門問題

從調(diào)通中心PMU實際負荷曲線可知,有的機組調(diào)門本身在網(wǎng)頻正常時就處于抖動狀態(tài),造成負荷振蕩,有的機組達到幾MW,當(dāng)電網(wǎng)頻差超過設(shè)定死區(qū)時,一次調(diào)頻小頻差變動時根本反映不出負荷變化。

汽機調(diào)門流量特性曲線與調(diào)節(jié)閥實際流量特性不相符,是大部分機組具有的共性問題,現(xiàn)象是當(dāng)一次調(diào)頻動作時,閥位變化,但負荷不變化,或負荷變化斜率過大、過小,實際上,在這些點速度變動率已經(jīng)改變。閥門特性曲線與實際不符是造成一次調(diào)頻偏差大的直接原因之一。

3.3 運行方式的影響

a.機爐協(xié)調(diào)控制方式的影響。煤種不穩(wěn)定,煤質(zhì)不好,是目前電廠存在的普遍問題,有的電廠為了保證鍋爐參數(shù)穩(wěn)定,采用機跟爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式,這種方式無法快速響應(yīng)電網(wǎng)的負荷需求。為了滿足一次調(diào)頻的需要,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須以負荷調(diào)節(jié)為優(yōu)先,必須采用爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式,加強對負荷的調(diào)節(jié)作用。

b.滑壓運行的影響。一次調(diào)頻過程中,滑壓和變負荷對汽機調(diào)門的動作要求相反,滑壓運行會抑制汽機調(diào)門快速調(diào)節(jié)負荷的能力,不利于一次調(diào)頻的控制。如果改為定壓方式運行或提高節(jié)流,可以改善一次調(diào)頻控制效果,但增加節(jié)流會使機組的效率降低,對經(jīng)濟運行不利。

c.為了減少節(jié)流提高機組效率,大部分機組在正常運行時都采用順序閥控制方式運行,這種運行方式下的機組,當(dāng)汽門位置處于重疊區(qū)時,汽輪機調(diào)門之間有死行程,在這個區(qū)域里閥門的開度與汽輪機進汽量不對應(yīng),對一次調(diào)頻的響應(yīng)不靈敏,嚴重影響一次調(diào)頻效果。

3.4 煤種的影響

由于煤種不穩(wěn)定,設(shè)備運轉(zhuǎn)不可靠或沒有調(diào)節(jié)裕度,機組運行本來就不穩(wěn),而一次調(diào)頻的頻繁動作則造成鍋爐給水、主汽溫度、主汽壓力進一步頻繁、劇烈波動,導(dǎo)致機爐協(xié)調(diào)控制失調(diào),進一步制約了一次調(diào)頻的調(diào)節(jié)品質(zhì),起到正反饋效應(yīng),造成惡性循環(huán)。

3.5 控制方式的影響

有的機組采用保壓方式運行,當(dāng)機組一次調(diào)頻動作時,由于汽機調(diào)門開度變化,導(dǎo)致壓力變化,使得壓力控制回路動作,造成壓力控制的調(diào)門動作與一次調(diào)頻控制的調(diào)門動作方向相反,結(jié)果當(dāng)一次調(diào)頻動作時,負荷響應(yīng)不靈敏或反調(diào)。

3.6 控制策略不合適

新建機組或控制系統(tǒng)改造后的機組,一次調(diào)頻控制邏輯和參數(shù)設(shè)置在初設(shè)時都采用了典型設(shè)計,這在機組設(shè)備狀況和運行特性理想的情況下是可行的,但每臺機組的設(shè)備構(gòu)成和運行特性差異較大,不量體裁衣是無法提高機組調(diào)頻能力的。

4 提高機組一次調(diào)頻能力的建議

4.1 加強對一次調(diào)頻工作的認識

a.通過一次調(diào)頻試驗驗證是否具備投入條件,性能指標(biāo)是否合格,不是做完試驗就算合格。一次調(diào)頻試驗后,在試驗報告中對存在的問題,給出了治理優(yōu)化的建議,但真正重視、認真查找和解決問題的電廠較少。

b.一次調(diào)頻試驗合格不等于每次動作都合格。一次調(diào)頻試驗采用的信號是一個階躍的、持續(xù)一定時間的方波,實際上一次調(diào)頻動作時,其動態(tài)頻率信號往往是不規(guī)則的,當(dāng)一次調(diào)頻動作信號產(chǎn)生時,如果此時汽機調(diào)門在運動過程中,慣性作用就可能造成功率增幅不足或超調(diào)。此外,由于網(wǎng)內(nèi)所有機組同時參與一次調(diào)頻調(diào)節(jié),機組動態(tài)特性的差異,負荷調(diào)節(jié)存在不同程度的滯后,又使網(wǎng)頻變化脫離原來的軌跡,對并網(wǎng)機組的一次調(diào)頻動作產(chǎn)生干擾,使一次調(diào)頻性能指標(biāo)變壞。

c.一次調(diào)頻優(yōu)化涉及到熱控、汽機、鍋爐、電氣及檢修和運行專業(yè),如重新整定閥門特性曲線的試驗問題、治理鍋爐磨煤機可靠性差的問題,查找PMU信號干擾問題,多次進行變負荷試驗等,都需要其他專業(yè)的整改和配合,須進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)。

d.一次調(diào)頻和AGC的性能指標(biāo)不合格,不僅僅是簡單的調(diào)整,它是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到管理更新和技術(shù)創(chuàng)新?？刂苾?yōu)化需要從設(shè)備治理和改善性能入手,在此基礎(chǔ)上優(yōu)化運行方式、優(yōu)化控制策略,理順運行指標(biāo)考核與一次調(diào)頻和AGC投入的關(guān)系。

e.一次調(diào)頻性能的改善不是短時間能完全解決的問題。電廠的熱力系統(tǒng)是一個非線性、大慣性、強耦合的系統(tǒng),再加上燃燒劣質(zhì)煤,所以在進行一次調(diào)頻控制優(yōu)化時要考慮和兼顧多方面的因素,要解決負荷變化“快”和壓力、溫度變化“慢”的矛盾。如何既滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻指標(biāo)要求,又確保機組主要運行參數(shù)穩(wěn)定,每臺機組的情況不同,甚至2臺同類型機組運行特性差異都很大,沒有一個固定的模式和控制策略,需要反復(fù)觀察、試驗、分析、制訂方案、修改策略、再試驗、再分析、再修改策略的過程,通過修改幾個控制參數(shù)就使一次調(diào)頻指標(biāo)滿足要求不現(xiàn)實。

4.2 管理是改善一次調(diào)頻指標(biāo)的基礎(chǔ)

應(yīng)建立并強化一次調(diào)頻的考核管理制度。強化監(jiān)督,定期檢查,定期考核,定期進行動作分析,強化機組大修后及DCS改造后一次調(diào)頻的管理與考核。各廠應(yīng)派技術(shù)好、責(zé)任心強的專責(zé)人員,負責(zé)一次調(diào)頻控制和AGC的分析研究和日常維護,對其功能定期進行自查,經(jīng)常與電網(wǎng)公司調(diào)度溝通,掌握一次調(diào)頻和AGC動作情況。

在技術(shù)管理方面,對不能滿足一次調(diào)頻記錄要求的DCS數(shù)據(jù)庫進行修改,在數(shù)據(jù)庫中至少需要記錄的數(shù)據(jù)包括：機組轉(zhuǎn)速、電網(wǎng)頻率、機組負荷、閥門開度、閥位指令、主汽壓力、主汽溫度、一次調(diào)頻負荷增量（根據(jù)規(guī)定要求需要達到的負荷增量值）、實際負荷增量、一次調(diào)頻負荷增量與實際負荷增量的差值和百分比等。在CRT顯示畫面中增加一次調(diào)頻動作實時趨勢圖和歷史曲線追憶功能,以便于查詢分析。

DCS的數(shù)據(jù)傳輸需經(jīng)過硬接線幾個環(huán)節(jié)的傳輸才能到達電網(wǎng)公司,傳輸距離長、轉(zhuǎn)換過程多,容易出現(xiàn)信號斷線、輸入輸出模件故障等情況,影響AGC的投入率。因此需要加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃匝芯俊?/p>

建議電廠要求PMU廠商提供PMU一次調(diào)頻的數(shù)據(jù)曲線分析軟件（與電網(wǎng)公司相同）,以便檢驗和分析調(diào)整效果。

4.3 幾個必要的控制優(yōu)化手段

a.必須確保網(wǎng)頻信號和發(fā)送到電網(wǎng)公司的PMU信號準確、穩(wěn)定、可靠,這是優(yōu)化工作的前提條件。

b.協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須采用鍋爐跟隨方式,在機組變負荷時,能合理利用鍋爐蓄能的變化提高機組對負荷指令的響應(yīng)速度。利用鍋爐的蓄熱就是在機組變負荷時允許主汽壓力的合理波動,在機組變負荷開始時取消壓力偏差對汽機調(diào)門的限制作用,以達到弱化壓力拉回的作用。升負荷初期允許主汽壓力適當(dāng)下降,開始降負荷時則允許主汽壓力適當(dāng)上升。

在直吹式制粉系統(tǒng)控制的設(shè)計中,增強煤量和一次風(fēng)量的前饋作用,充分利用磨煤機內(nèi)的蓄粉,迅速改變給煤量,使鍋爐的燃燒率發(fā)生變化,縮短純遲延時間。

c.通過抑制AGC的調(diào)節(jié)來保證一次調(diào)頻的正確動作方向。在機組投入一次調(diào)頻和AGC功能時,經(jīng)常會出現(xiàn)AGC的負荷指令變化方向和一次調(diào)頻要求的負荷指令變化方向不一致的情況,如果一次調(diào)頻受AGC的影響使其調(diào)節(jié)效果達不到“兩個細則”所要求的““機組的一次調(diào)頻功能貢獻量為正”的結(jié)果,就會被統(tǒng)計為“該機組一次調(diào)頻不正確動作1次”。由于對一次調(diào)頻不正確動作的考核嚴于對AGC調(diào)節(jié)精度與速度的考核,所以在AGC的負荷指令變化方向和一次調(diào)頻要求的負荷指令變化方向不一致時,應(yīng)閉鎖AGC指令的調(diào)節(jié),優(yōu)先滿足一次調(diào)頻的控制需要。

d.當(dāng)壓力偏離額定值時,會影響一次調(diào)頻效果,為此可以考慮引入壓力補償,使一次調(diào)頻的綜合閥位階躍增量既同設(shè)計的速度變動率及頻差相關(guān),也能同機前壓力相關(guān)。轉(zhuǎn)差信號經(jīng)調(diào)頻閥位函數(shù)轉(zhuǎn)換后得到當(dāng)前調(diào)頻需要的綜合閥位開度增量,機前壓力通過壓力補償函數(shù)產(chǎn)生壓力補償系數(shù),兩者相乘得到補償后的綜合閥位開度增量。通過壓力補償,減弱主汽壓力對一次調(diào)頻的影響。

e.由于風(fēng)電投運容量的增大,造成電網(wǎng)頻率波動過死區(qū)的幾率大幅度增加,這種波動幅值小,持續(xù)時間短,從調(diào)度考核曲線看,大部分機組在小頻差的情況下一次調(diào)頻的指標(biāo)都較差,很容易被考核?？蓪㈩l差函數(shù)在過死區(qū)時起始階段的斜率設(shè)置得陡一些,或設(shè)置成起始值階躍方式,使其能快速響應(yīng)一次調(diào)頻變化。

f.利用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)提高一次響應(yīng)速度。在凝汽器和除氧器允許的水位變化內(nèi),改變凝泵出口調(diào)門的開度,改變凝結(jié)水流量,從而改變抽汽量,暫時獲得或釋放一部分機組的負荷。