1000MW 火電機(jī)組一次調(diào)頻方案優(yōu)化

王 會(huì)

（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江省寧波市，315612）

隨著華東電網(wǎng) 《并網(wǎng)運(yùn)行管理細(xì)則以及并網(wǎng)發(fā)電廠輔助管理細(xì)則》的實(shí)施，電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的快速響應(yīng)能力提出了更高的要求。1000 MW 機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換響應(yīng)速率較低，且直流鍋爐蓄熱能力比起汽包鍋爐要小得多，機(jī)組純滑壓運(yùn)行等條件制約，常規(guī)一次調(diào)頻手段難以適應(yīng)，從而影響機(jī)組滿足電網(wǎng)要求。本文主要針對(duì)國華寧海電廠1000 MW 超超臨界機(jī)組一次調(diào)頻的特點(diǎn)來進(jìn)行分析，對(duì)采用的優(yōu)化方案和結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)論述。

1 一次調(diào)頻概述

電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，電網(wǎng)的頻率反映了發(fā)電機(jī)有功功率和用電負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，是電力系統(tǒng)運(yùn)行的重要參數(shù)。對(duì)電網(wǎng)頻率的控制形式上分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻及三次調(diào)頻。一次調(diào)頻的作用主要是對(duì)小范圍內(nèi)、短周期的偶然性負(fù)荷波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，一般為秒到分鐘級(jí)的隨機(jī)負(fù)荷分量，一次調(diào)頻是有差調(diào)頻，能提前緩和電網(wǎng)頻率的惡化程度。國華寧海電廠二期DEH （汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)）中的一次調(diào)頻方案采用DEH+DCS （分散控制系統(tǒng)）的方式，DEH 側(cè)是將實(shí)際頻率與額定頻率的差值直接轉(zhuǎn)化為功差信號(hào)補(bǔ)償，控制結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

如圖1所示，頻率偏差Δf 經(jīng)過函數(shù)處理一路進(jìn)入OSB （西門子DEH 系統(tǒng)中的汽輪機(jī)進(jìn)汽流量設(shè)定值）PI調(diào)節(jié)器入口，一路作為前饋直接疊加在OSB出口，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)超出調(diào)頻死區(qū)時(shí)，頻差前饋迅速作用，使主汽門迅速開啟。但直流鍋爐蓄熱能力較小，為避免調(diào)門大范圍階躍波動(dòng)，該響應(yīng)值為額定參數(shù)下頻率偏差對(duì)應(yīng)的流量值的一半，非額定工況下不足一半，其余部分由PI調(diào)節(jié)器部分進(jìn)行調(diào)整。

圖1 DEH 側(cè)一次調(diào)頻控制結(jié)構(gòu)原理

圖中：Δf——頻率偏差；

PSW——為DEH 側(cè)功率設(shè)定；

PSE——機(jī)組實(shí)際功率；

F（x）——為頻差處理函數(shù)。

頻差前饋的設(shè)置包括頻差死區(qū)和轉(zhuǎn)速不等率兩個(gè)因素。頻差死區(qū)的設(shè)定為了防止在電網(wǎng)頻差小范圍變化時(shí)汽輪機(jī)調(diào)門的不必要的頻繁動(dòng)作，有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，但不能過大。根據(jù)電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則及大機(jī)組調(diào)速特性，1000 MW 機(jī)組一次調(diào)頻最大不超過60 MW 對(duì)應(yīng)的頻差，一次調(diào)頻特性曲線如圖2所示。

轉(zhuǎn)速不等率δ定義為：

式中：n1——汽輪機(jī)空負(fù)荷轉(zhuǎn)速；

n2——汽輪機(jī)滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速；

n0——汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速不等率δ 的數(shù)值一般要求設(shè)置在3%～6%，在相同頻差下，δ 值越小，汽輪機(jī)調(diào)門變化越大，調(diào)頻效果越明顯。由于直流爐蓄熱能力小，而且是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式，δ值過小，CCS （機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）側(cè)無法及時(shí)與DEH 側(cè)工況相匹配，會(huì)引起機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定。

圖2 一次調(diào)頻特性曲線

機(jī)組一次調(diào)頻的功率補(bǔ)償量 （ΔP ）：是由機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率δ 和電網(wǎng)頻率偏差 （或轉(zhuǎn)速偏差Δn）計(jì)算出來的，公式如下：

式中：PN——為機(jī)組的額定功率。

2 一次調(diào)頻存在的問題

國華寧海電廠一次調(diào)頻主要存在以下幾方面的問題：一次調(diào)頻與AGC （自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)）指令方向相反；機(jī)組有功在一次調(diào)頻動(dòng)作期間往復(fù)波動(dòng)，有效積分電量偏低；DEH 與DCS之間一次調(diào)頻信號(hào)的傳輸精度不夠；一次調(diào)頻動(dòng)作后鍋爐側(cè)動(dòng)作相對(duì)緩慢，無法與DEH 側(cè)及時(shí)匹配。

3 一次調(diào)頻的優(yōu)化方案

3.1 一次調(diào)頻與AGC指令協(xié)調(diào)優(yōu)化

由于機(jī)組AGC 工況下時(shí)常出現(xiàn)AGC 指令和一次調(diào)頻動(dòng)作目標(biāo)兩者之間調(diào)節(jié)作用反向的情況，造成一次調(diào)頻動(dòng)作實(shí)際積分電量與目標(biāo)電量反向，這種反向動(dòng)作情況嚴(yán)重影響了機(jī)組一次調(diào)頻正確動(dòng)作率，也使得調(diào)頻效果受很大影響。國華寧海電廠1000 MW 萬機(jī)組一次調(diào)頻方案首先通過閉鎖邏輯來協(xié)調(diào)一次調(diào)頻與AGC 指令步調(diào)一致，如圖3所示。當(dāng)AGC 在增負(fù)荷且一次調(diào)頻要求減負(fù)荷對(duì)AGC指令進(jìn)行閉鎖，且閉鎖時(shí)間限制在30s以內(nèi)。當(dāng)AGC 在減負(fù)荷且一次調(diào)頻要求加負(fù)荷對(duì)AGC指令進(jìn)行閉鎖，且閉鎖時(shí)間限制在30s以內(nèi)，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用效果驗(yàn)證，該方法在對(duì)AGC 運(yùn)行影響較小的情況下可顯著提升一次調(diào)頻的正確動(dòng)作率，進(jìn)而改善調(diào)頻效果。

當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作閉鎖后，去DEH 側(cè)的調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行了負(fù)荷的限制，邏輯如圖4所示。在低頻信號(hào)動(dòng)作時(shí)，去DEH 的負(fù)荷指令 （DEH 側(cè)一次調(diào)頻功能輸出的指令轉(zhuǎn)化為功差信號(hào)）加上實(shí)際負(fù)荷與AGC負(fù)荷指令的偏差值，偏差限制在0～5MW之間，當(dāng)?shù)皖l信號(hào)消失時(shí)偏差值切為0 MW。在高頻信號(hào)動(dòng)作時(shí)，去DEH 的負(fù)荷指令加上實(shí)際負(fù)荷與AGC 負(fù)荷指令的偏差值，偏差限制在-5～0 MW 之間，當(dāng)高頻信號(hào)消失時(shí)偏差值切為0 MW。

3.2 一次調(diào)頻動(dòng)作積分電量偏低的優(yōu)化

一次調(diào)頻超出動(dòng)作死區(qū)時(shí)，DEH 功率回路一次調(diào)頻的前饋分支立即響應(yīng)，調(diào)頻指令使閥門按設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行階躍變化，由于直流鍋爐的蓄熱能力較小，調(diào)門的變化引起主汽壓力迅速變化，隨著壓力偏差的增加汽機(jī)主控回路中的壓力拉回回路迅速動(dòng)作，對(duì)功率指令進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，使調(diào)門的動(dòng)作與前期動(dòng)作方向相反，使DEH 側(cè)機(jī)組有功還未達(dá)到指定功率，就被迅速拉回，機(jī)組有功產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致一次調(diào)頻動(dòng)作期間積分電量偏低，一次調(diào)頻動(dòng)作緩慢。

國華寧海電廠1000 MW 機(jī)組汽機(jī)主控中將壓力拉回回路的限制死區(qū)適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行了放大，如圖5所示，即汽機(jī)主控的輸入變量在功差的基礎(chǔ)上疊加了壓力偏差，避免汽機(jī)調(diào)功時(shí)實(shí)際壓力過度偏離壓力設(shè)定。穩(wěn)態(tài)工況、變負(fù)荷過程中，汽機(jī)主控中壓力偏差的權(quán)重有所不同。在增減負(fù)荷中，為了滿足負(fù)荷響應(yīng)的需要，汽機(jī)主控的壓力偏差權(quán)重減弱。為了保證汽機(jī)能量輸出、鍋爐能量輸入之間的平衡，送給汽機(jī)主控的功率指令增加了慣性遲延環(huán)節(jié)，并且根據(jù)不同的變負(fù)荷幅值對(duì)應(yīng)不同的慣性時(shí)間，負(fù)荷變化量與慣性時(shí)間成正比，使得機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)能有快速響應(yīng)一次調(diào)頻的性能，這時(shí)機(jī)組的一次調(diào)頻基本需求由機(jī)組的蓄熱來消化。該策略對(duì)機(jī)組在AGC 小幅值控制方式下的有功合格率和機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)的一次調(diào)頻都有較好的效果。

圖3 一次調(diào)頻動(dòng)作閉鎖

圖4 一次調(diào)頻負(fù)荷限制

圖5 汽機(jī)主控中壓力拉回回路

3.3 一次調(diào)頻信號(hào)精度的優(yōu)化

由DCS送至DEH 的功率指令由于信號(hào)傳遞方式精度影響，導(dǎo)致二者之間存在較大偏差，對(duì)調(diào)頻效果造成影響。

（1）針對(duì)各系統(tǒng)存在精度識(shí)別的誤差，寧海1000MW 機(jī)組將DEH 側(cè)頻率信號(hào)放大10倍，提高了一次調(diào)頻的精度，送回到DCS側(cè)時(shí)，再將一次調(diào)頻縮小到正常值，提高了一次調(diào)頻的傳輸精度。

（2）同時(shí)國華寧海電廠1000 MW 機(jī)組將DCS與DEH 之間一次調(diào)頻傳輸?shù)目ǖ肋M(jìn)行了校準(zhǔn)，保證了一次調(diào)頻小數(shù)位的傳輸，提高了DCS與DEH 兩側(cè)動(dòng)作一致性。

（3）國華寧海電廠1000MW 機(jī)組將DCS邏輯中增加修正回路，將DEH 功率信號(hào)反送回DCS，將兩者偏差經(jīng)過處理后疊加到指令回路，從而降低功率信號(hào)偏差，保證了機(jī)、爐兩側(cè)功率調(diào)節(jié)的一致性與準(zhǔn)確性，如圖6所示。

圖6 DCS與DEH 接口示意圖

3.4 一次調(diào)頻動(dòng)作鍋爐側(cè)響應(yīng)緩慢優(yōu)化

由于鍋爐燃燒優(yōu)化的影響，國華寧海電廠1000 MW 機(jī)組2011年下半年一次調(diào)頻效果略有惡化，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，鍋爐側(cè)煤、水反應(yīng)速度相對(duì)較慢，鍋爐蓄熱小，主蒸汽壓力等達(dá)不到設(shè)定值。對(duì)此做了以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）滑壓曲線的優(yōu)化。國華寧海電廠1000 MW 機(jī)組的壓力設(shè)定是根據(jù)負(fù)荷變化得到的，負(fù)荷小于200 MW 時(shí)壓力對(duì)應(yīng)8.5 MPa，此段為定壓運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷大于200 MW 時(shí)，機(jī)組為純滑壓運(yùn)行狀態(tài)，壓力設(shè)定是根據(jù)機(jī)組壓力-負(fù)荷函數(shù)得出的。在電廠運(yùn)行中，由于受機(jī)組負(fù)荷、循環(huán)水流量、循環(huán)水入口溫度、機(jī)組凝汽量、真空嚴(yán)密性等諸多因素的影響，背壓經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，從而影響機(jī)組的出力和機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)壓力偏差過大的問題，國華寧海電廠1000 MW 機(jī)組對(duì)滑壓曲線進(jìn)行了優(yōu)化，并引進(jìn)汽輪機(jī)凝汽器背壓修正，進(jìn)而提高了一次調(diào)頻的效果。汽輪機(jī)組的所有熱力參數(shù)中，凝汽器背壓是對(duì)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性影響較大的參數(shù)。超超臨界機(jī)組背壓變化對(duì)機(jī)組負(fù)荷影響可按 （3）式計(jì)算：

式中：ΔPT——汽輪機(jī)功率變化，kW；

PT——汽輪機(jī)額定功率，kW；

ΔP ——凝汽器壓力變化，MPa。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷因鍋爐吹灰、機(jī)組向外供輔助蒸汽、投用再熱器減溫水及參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值等原因會(huì)有一定差異，尤其是季節(jié)變化將引起循環(huán)水溫度變化，從而影響凝汽器背壓，使得修正后負(fù)荷與運(yùn)行負(fù)荷間產(chǎn)生較大差異。因此，為使優(yōu)化的滑壓曲線滿足全年不同季節(jié)運(yùn)行要求，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可使用凝汽器背壓對(duì)滑壓曲線中的負(fù)荷項(xiàng)進(jìn)行修正，進(jìn)而提高機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性，修正如圖7所示。

圖7 凝汽器背壓對(duì)滑壓曲線負(fù)荷項(xiàng)修正邏輯

因機(jī)組未配備測量凝汽器背壓絕對(duì)值的壓力變送器，經(jīng)過研究低壓缸排汽溫度可以準(zhǔn)確的確定凝汽器背壓。圖6中F（x）為排氣溫度與凝汽器背壓之間的擬合函數(shù)，該F（x）函數(shù)為式4所示：

4 結(jié)語

通過對(duì)鍋爐和汽機(jī)側(cè)一次調(diào)頻回路的不斷優(yōu)化、改進(jìn)，使寧海1000 MW 機(jī)組超超臨界機(jī)組一次調(diào)頻能力不斷提高，兩臺(tái)百萬機(jī)組一次調(diào)頻的月平均效果達(dá)到80%，動(dòng)作正確率大于0.8，這些措施極大的增強(qiáng)了1000 MW 超超臨界直流機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)的快速性和可持續(xù)性，得到了電網(wǎng)的獎(jiǎng)勵(lì)，為該公司帶來了直接的經(jīng)濟(jì)效益，也為百萬千瓦火電機(jī)組一次調(diào)頻的優(yōu)化和 研究工作提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，對(duì)國內(nèi)百萬機(jī)組一次調(diào)頻的投入具有指導(dǎo)意義。

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