超臨界機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性研究

袁俊文，孫德利，張國(guó)柱，黃玉軍

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2．華電能源股份有限公司，哈爾濱 150000;3．國(guó)網(wǎng)哈爾濱供電公司，哈爾濱 150000;4．國(guó)網(wǎng)鶴崗供電公司，黑龍江 鶴崗 154100)

頻率是電力系統(tǒng)重要的運(yùn)行參數(shù)之一，頻率變化對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響。電網(wǎng)負(fù)荷供求平衡關(guān)系的破壞是引起電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)的根本原因。所以對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷引起頻率的變動(dòng)，需拿出可行辦法對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)視和控制。目前，主要采取的辦法是通過(guò)一次調(diào)頻的有效投入，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷對(duì)頻率的快速響應(yīng)，維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。基于此，本文下面對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析研究。

1 一次調(diào)頻的主要技術(shù)指標(biāo)

1．1 速度變動(dòng)率

速度變動(dòng)率是機(jī)組一次調(diào)頻的主要指標(biāo)之一，在機(jī)組并網(wǎng)的情況下，速度變動(dòng)率可以反映機(jī)組負(fù)荷隨機(jī)組轉(zhuǎn)速靜態(tài)變化的程度。速度變動(dòng)率越大，參與調(diào)頻能力越弱，運(yùn)行時(shí)越穩(wěn)定，波動(dòng)越小;速度變動(dòng)率越小，調(diào)頻能力越強(qiáng)，運(yùn)行時(shí)越不穩(wěn)定，波動(dòng)越大。速度變動(dòng)率一般在3%～6%［1］。

機(jī)組負(fù)荷隨電網(wǎng)頻率變化的幅度很小，可按下式計(jì)算［2］:

式中:ΔN為一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整量，MW/(r·min－1);Ne為機(jī)組額定負(fù)荷，MW;δ為機(jī)組速度變動(dòng)率，%;ne為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，r/min。

1．2 轉(zhuǎn)速死區(qū)

為了在電網(wǎng)周波變化較小的情況下，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般在電調(diào)系統(tǒng)設(shè)置轉(zhuǎn)速死區(qū)。死區(qū)設(shè)置過(guò)小，機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，不安全;死區(qū)設(shè)置過(guò)大，將會(huì)減少機(jī)組參與一次調(diào)頻的次數(shù)和一次調(diào)頻性能的發(fā)揮。轉(zhuǎn)速函數(shù)斜率代表了電網(wǎng)對(duì)機(jī)組調(diào)頻負(fù)荷分配比例，斜率越大，機(jī)組調(diào)頻能力越強(qiáng);斜率越小，機(jī)組調(diào)頻能力越弱。將CCS與DEH中轉(zhuǎn)速死區(qū)設(shè)置 ±2 r/min(±0．034 Hz)。不同的是，CCS轉(zhuǎn)速差函數(shù)器輸出的是功率值，而DEH轉(zhuǎn)速差函數(shù)器輸出的是綜合閥位指令增量。

1．3 響應(yīng)時(shí)間

一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間波形如圖1所示。

圖1 一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間Fig．1 Primary frequency response time and stable time

一次調(diào)頻動(dòng)作后，機(jī)組的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于3 s(圖1中△t)，以保證快速性。

1．4 穩(wěn)定時(shí)間

機(jī)組負(fù)荷在一次調(diào)頻動(dòng)作后，負(fù)荷波動(dòng)到負(fù)荷穩(wěn)定的時(shí)間應(yīng)不超過(guò)60 s(圖1中t1)。

2 一次調(diào)頻的功能及實(shí)現(xiàn)方式

火力發(fā)電機(jī)組應(yīng)采取DEH+CCS的一次調(diào)頻實(shí)現(xiàn)方式［3］，其中，DEH 側(cè)是執(zhí)行級(jí)，是有差、開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，保證快速性，將頻差(轉(zhuǎn)差)信號(hào)轉(zhuǎn)換為綜合閥位指令增量疊加到原綜合閥位指令處;CCS側(cè)是校正級(jí)，是無(wú)差、閉環(huán)調(diào)節(jié)，保證持續(xù)性和精度，根據(jù)設(shè)計(jì)的速度變動(dòng)率指標(biāo)進(jìn)行功率校正。

2．1 DEH側(cè)一次調(diào)頻控制

DEH側(cè)的一次調(diào)頻功能是機(jī)組快速響應(yīng)頻率變化的主要手段，其沒(méi)有延時(shí)的動(dòng)作特性決定了負(fù)荷響應(yīng)的快速直接，在無(wú)其他干擾的情況下，其調(diào)頻能力的大小僅和汽輪機(jī)的調(diào)門特性有關(guān)。控制邏輯設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

2．2 CCS側(cè)一次調(diào)頻控制

CCS側(cè)一次調(diào)頻控制的作用是防止CCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將DEH參與的一次調(diào)頻作用作為內(nèi)擾而被克服掉。CCS頻率校正回路對(duì)一次調(diào)頻的影響如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，CCS和DEH協(xié)同調(diào)頻，利用了兩側(cè)回路在調(diào)節(jié)特性和時(shí)序上的互補(bǔ)性，有效地實(shí)現(xiàn)了快速持久的一次調(diào)頻。CCS側(cè)一次調(diào)頻控制邏輯設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖2 DEH側(cè)一次控頻控制方案Fig．2 Primary frequency modulation control scheme of DEH side

圖3 CCS頻率校正回路對(duì)一次調(diào)頻的影響Fig．3 CCS frequency correction circuit on primary frequency regulation effect

3 一次調(diào)頻試驗(yàn)及結(jié)果分析

國(guó)電哈爾濱平南熱電廠2×350 MW機(jī)組，1號(hào)機(jī)組分別在60%(210 MW)、75%(262．5 MW)、90%(315 MW)負(fù)荷的運(yùn)行工況下，測(cè)試汽輪機(jī)的負(fù)荷對(duì)頻率的響應(yīng)特性。試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組采用單閥控制方式，DEH操作員自動(dòng)方式，功率回路和壓力回路切除，處于遙控狀態(tài)，CCS側(cè)與DEH側(cè)一次調(diào)頻按鈕均投入。

圖4 CCS側(cè)一次調(diào)頻控制方案Fig．4 Primary frequency modulation control scheme of CCS side

在一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用德國(guó)HBM生產(chǎn)的DIMENSION 4i數(shù)據(jù)采集分析儀對(duì)不同工況下的一些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，采集周期為50 ms，如表1所示。

表1 一次調(diào)頻試驗(yàn)過(guò)程中采集到的部分動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)Tab．1 Part of dynamic data collected primary frequency regulation test process

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程得到的數(shù)據(jù)分析，調(diào)頻動(dòng)作對(duì)主蒸汽壓力的影響最為直接。一次調(diào)頻過(guò)程主蒸汽壓力波動(dòng)值與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 一次調(diào)頻過(guò)程主蒸汽壓力波動(dòng)值與轉(zhuǎn)速差的關(guān)系曲線Fig．5 Relative curve of main steam pressure fluctuation value in primary frequency modulation process and speed difference

從圖5可以看到，同一負(fù)荷時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)由±4 r/min增大到±6 r/min時(shí)，主蒸汽壓力偏差波動(dòng)呈增大趨勢(shì)，但都處于正常調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷為75%且轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)為±14 r/min時(shí)，主蒸汽壓力偏差波動(dòng)較大，最大達(dá)到了1．206 MPa。這主要是由于直吹式制粉系統(tǒng)的機(jī)組鍋爐熱慣性大，汽壓偏離慢，恢復(fù)也慢，容易造成較大的偏差，但短時(shí)間的偏離不會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于主蒸汽溫度來(lái)說(shuō)，由于一次調(diào)頻幅度限制，燃燒與蒸汽的瞬間擾動(dòng)對(duì)其不會(huì)產(chǎn)生較大影響。轉(zhuǎn)速差為±14 r/min時(shí)機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程各參數(shù)的變化曲線如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)表明，CCS與DEH共同參與的一次調(diào)頻既保證了一次調(diào)頻的響應(yīng)速度，又保證了機(jī)組參與一次調(diào)頻的持續(xù)性。二者協(xié)同調(diào)頻，利用了兩側(cè)回路在調(diào)節(jié)特性和時(shí)序上的互補(bǔ)性，有效地實(shí)現(xiàn)了快速持久的一次調(diào)頻。此方案一次調(diào)頻的響應(yīng)滯后時(shí)間最短，即對(duì)頻率變化的響應(yīng)最快，因此采用該方案是比較合理、可行的。

圖6 轉(zhuǎn)速差為 ±14 r/min時(shí)機(jī)組一次調(diào)頻過(guò)程Fig．6 Primary frequency modulation process ofunits at speed difference is±14 r/min

［1］李華，張文華．水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻的影響［J］．西北電力技術(shù)，2005，33(3):6-8．LI Hua，ZHANG Wenhua．Influence of adjustment parameters of turbine governor on unit primary frequency regulation［J］．Northwest China Electric Power，2005，33(3):6-8．

［2］段南，李國(guó)勝．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．DUAN Nan，LI Guosheng．Research on primary frequency modulation function operating on large fossil-fuel power plants［J］．North China Electric Power，2003(10):1-4．

［3］尹峰．CCS參與的火電機(jī)組一次調(diào)頻能力試驗(yàn)研究［J］．中國(guó)電力，2005，38(3):74-77．YIN Feng．Test and research on CCS-jointed primary frequency regulation of thermal power units［J］．China Electric Power，2005，38(3):74-77．