提高燃煤機組一次調(diào)頻性能研究

倪新宇，施政，方立

(中國華電集團望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

提高燃煤機組一次調(diào)頻性能研究

倪新宇，施政，方立

(中國華電集團望亭發(fā)電廠，江蘇 蘇州 215155)

在特高壓受電電網(wǎng)中，一次調(diào)頻的作用愈加重要。大型燃煤機組擔負著主要的一次調(diào)頻作用，還有較多機組沒有達到理想的性能指標，性能試驗又較難發(fā)現(xiàn)問題。通過對考核機組的分析，提出了禁止與調(diào)頻功率反向動作邏輯，提高調(diào)頻能力的修正滑壓曲線、修正前饋系數(shù)兩類優(yōu)化方案，供不同性能的機組選用。

一次調(diào)頻性能；控制邏輯優(yōu)化；去除調(diào)頻反邏輯；修正滑壓曲線；前饋系數(shù)修正

圖1 一次調(diào)頻控制原理

1 火電機組一次調(diào)頻形勢

隨著我國電網(wǎng)全國互聯(lián)戰(zhàn)略的實施，具有長距離、大容量和低損耗特點的特高壓輸電線路將得到高速發(fā)展，未來幾年，特高壓電網(wǎng)將逐步取代500 kV超高壓電網(wǎng)，成為全國互聯(lián)電網(wǎng)及區(qū)域電網(wǎng)的骨干網(wǎng)架[1]。2013年，錦蘇特高壓直流輸電工程已經(jīng)投運，輸送容量最高達720萬kW。特高壓輸電系統(tǒng)的自身故障會導(dǎo)致江蘇電網(wǎng)突然失去大功率電源，對電網(wǎng)頻率產(chǎn)生巨大沖擊，甚至威脅電網(wǎng)安全。實際運行經(jīng)驗證明，當電網(wǎng)突發(fā)大功率電源故障時，電網(wǎng)頻率在10 s左右就能降至最低點。近年來已經(jīng)整改到位的機組都采用了如圖1所示的協(xié)調(diào)、調(diào)速雙側(cè)一次調(diào)頻控制功能，理論上，在電網(wǎng)頻率發(fā)生突變時，具備一次調(diào)頻功能的發(fā)電機組應(yīng)能在3 s內(nèi)作出反應(yīng)，有效抑制電網(wǎng)頻率的波動幅度，縮短波動的過渡時間，迅速穩(wěn)定動態(tài)過程中電網(wǎng)頻率[2]。而在故障后的10 s級時間段內(nèi)，從電源側(cè)來看，唯一能夠?qū)﹄娋W(wǎng)頻率進行有效干預(yù)的只有發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能。

GB/T 30370—2013《火力發(fā)電機組一次調(diào)頻試驗及性能驗收導(dǎo)則》以及DL/T 657—2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程》，分別就一次調(diào)頻的試驗方法、試驗準備、試驗條件[3]、試驗品質(zhì)指標進行了詳細的規(guī)定，地方電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)發(fā)電機組運行考核辦法中又具體定義了下列參數(shù)的設(shè)置值，一次調(diào)頻投用負荷范圍、轉(zhuǎn)速不等率、頻差死區(qū)、一次調(diào)頻功率限幅值、人工測試的頻差值、一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)考核值。

電網(wǎng)考核辦法規(guī)定：100 MW及以上機組出力達到50%額定容量(Pe)以上直至100%Pe為考核區(qū)，一次調(diào)頻中機組功率以103%Pe為考核上限;燃煤機組要求達到0～15 s,0～30 s,0～45 s 3個時段的一次調(diào)頻性能響應(yīng)指數(shù)分別為0.4,0.6,0.7以上。

如圖1所示，火電機組在2016年完成滿足協(xié)調(diào)側(cè)與調(diào)速側(cè)的雙側(cè)一次調(diào)頻控制要求。功率閉環(huán)控制回路的功率設(shè)定是調(diào)頻功率與來自機組自動發(fā)電功率控制(AGC)指令的汽機主控相疊加，功率控制器與調(diào)頻閥位增量相加后作用在機組上，最終使管理控制器達到平衡狀態(tài)。在一次調(diào)頻動作期間產(chǎn)生的負荷變化量作為一次調(diào)頻裝置的做功，即電網(wǎng)調(diào)度考核的依據(jù)。機組在一次調(diào)頻期間負荷指令的變化量是一次調(diào)頻功率與AGC指令變化量的和。

表1 歷次考核記錄

2 機組一次調(diào)頻屢遭考核原因

2×660 MW超超臨界機組#3與#4，于2015年9月19日華東電網(wǎng)著名的一次大頻差動作中表現(xiàn)優(yōu)異，全年僅考核2.5萬元，到了2016年，猛增至63.0萬元，2017年3月考核32.0萬元。為了迅速扼制這股勢頭，分析發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻的人工測試合格率非常高，需要進一步分析一次調(diào)頻不合格原因，進而找到解決辦法。歷次月度考核時一次調(diào)頻性能見表1。

一次調(diào)頻遭遇考核期間，表中沒有列出的機組各運行參數(shù)如主汽壓力、溫度、中間點溫度、主汽調(diào)門等，均在安全范圍中。從表中的5次考核可以看出，除了有1次人工測試不合格，其余全是系統(tǒng)實測被考核。事例1作為實際動作的特例，與其他4次考核相比頻差較大。其他規(guī)律還需下文仔細分析。

2.1同向同幅頻差下不同結(jié)果的分析

對表1中的事例2，3相同機組相同工況下、不同一次調(diào)頻性能進行分析。事例2如圖2所示，3個時段電量指數(shù)分別是：0.72，0.82，0.82。汽機主控功率指令與調(diào)頻功率同方向，汽機主控功率幅度達到4 MW/45 s，使機組做功大于僅一次調(diào)頻功率下的量，所以本次考核指標全部達標。

圖2 功率指令與調(diào)頻功率同方向

事例3如圖3所示，3時段電量指數(shù)分別是：0.56，0.65，0.57。汽機主控與調(diào)頻功率反方向，汽機主控功率變化幅度在45 s時達到了2.4 MW，使機組做功變化小于僅一次調(diào)頻功率指令下的量，所以本次考核的第3時段指標不合格。

圖3 功率指令與調(diào)頻功率反方向

主要區(qū)別在汽機主控指令方向不同，削弱了一次調(diào)頻功率指令的作用，隨著AGC指令的反方向的不同幅度變化，就有了不同的性能指數(shù)，反向的幅度越大，性能指數(shù)就越差。

2.2人工測試一次調(diào)頻時不同性能的分析

事例5如圖4、圖5所示，2臺同型號機組的人工測試一次調(diào)頻性能比較見表2，區(qū)別在于AGC指令變化大小以及方向，造成實際功率指令的變化量減小，是造成第3時段做功變化小的直接原因。

圖4 調(diào)頻功率減測試

圖5 調(diào)頻功率增測試

這點同上一節(jié)分析的原因相同，結(jié)果均為汽機主控與一次調(diào)頻反向的第3時段指數(shù)不合格。

2.3調(diào)頻功率增減的區(qū)別

(1)如圖5所示，機組在90%以上的高負荷區(qū)，主汽調(diào)門開度達到41%以上，主汽調(diào)門開度增加到動作前開度值的1倍多，主汽壓力下降0.4 MPa，相比圖4的調(diào)頻功率減工況，主汽調(diào)門動作幅度小，調(diào)門開度僅減小6.5%，說明調(diào)頻功率增比減要困難得多，在優(yōu)化時，可以區(qū)別對待。

表2 人工測試中不同結(jié)果的比較

(2)以圖5中機組表現(xiàn)的一次調(diào)頻性能為例，如果機組在高負荷區(qū)發(fā)生一次調(diào)頻功率增6%Pe時，主汽調(diào)門全開也不能滿足要求，像這種工況需要增加主汽調(diào)門的節(jié)流，增加機組蓄熱，或采用其他手段增加汽輪機做功，如配置補汽調(diào)門的機組，可以瞬間提高實際功率。

(3)一次調(diào)頻測試前10 s，機組增加調(diào)頻功率的做功能力偏小，不如減功率，可以適當修正前饋系數(shù)。

2.4AGC指令的運行

AGC指令由電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)通過遠動裝置傳給機組的分散控制系統(tǒng)(DCS)，DCS中協(xié)調(diào)控制器(CCS)經(jīng)過速率模塊、限幅、保護禁增減等模塊，再將功率主控指令發(fā)送給鍋爐和汽機的功率控制器。

由于電力調(diào)度交易機構(gòu)發(fā)出的AGC指令是非常靈活地頻繁跳變著的，經(jīng)過變負荷速率作用后的汽機主控指令大概率為AGC設(shè)定速率的斜線。在一次調(diào)頻產(chǎn)生時，遇到上升、下降的機會是均等的(少數(shù)情況下才有不升降的機會)，所以接近一半是與一次調(diào)頻功率同方向，還有近一半機會是與一次調(diào)頻功率反方向的。

2.5人工測試與系統(tǒng)實測的區(qū)別

為什么研究機組在系統(tǒng)實測一次調(diào)頻的性能指數(shù)的總體表現(xiàn)要更差，可歸結(jié)為2點，第1是頻差大小不同，第2是頻差的變化不同，見表3。

表3 人工測試與系統(tǒng)實測的比較

一次調(diào)頻動作時的頻差越小，越容易被反向變化的AGC指令削弱。AGC指令速率一般設(shè)定2%Pe/min，當與AGC指令變化反向的一次調(diào)頻功率越小，則越容易被AGC指令的變化削弱，一次調(diào)頻性能指數(shù)就越低。一次調(diào)頻動作時的頻差越小，越容易被反向變化的AGC指令削弱。

3 控制優(yōu)化的前提條件

對于靠調(diào)節(jié)主汽流量進行一次調(diào)頻的汽輪發(fā)電機組，汽輪機調(diào)門開度需保持一定的節(jié)流，便于快速增加負荷時，利用機組的蓄熱量轉(zhuǎn)化成發(fā)電量。主汽調(diào)門在一次調(diào)頻動作期間，注意調(diào)門的開度變化，避免頻繁來回動作造成閥門磨損、機組振動等。

一次調(diào)頻各試驗動作時，機組參數(shù)波動范圍應(yīng)不危及機組安全運行，更不能引起機組保護動作跳閘。特別是機組薄弱環(huán)節(jié)尤其要注意，如直流鍋爐需注意爐管金屬溫度超限，主汽壓力偏差超限等。

一次調(diào)頻不等率函數(shù)及其控制邏輯應(yīng)符合當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)度的統(tǒng)一要求。

4 控制邏輯優(yōu)化1：去除調(diào)頻反邏輯

如果AGC指令變化方向與一次調(diào)頻功率指令方向相反，這違背了一次調(diào)頻與AGC二次調(diào)頻的一致性原則，就要設(shè)法消除。

4.1功率設(shè)定的禁止反向動作

如圖6中CCS回路的禁增或禁減，轉(zhuǎn)差大于正向設(shè)的有死區(qū)的門檻值，控制AGC速率模塊輸出信號禁止增。同理轉(zhuǎn)差小于負向門檻值，控制AGC速率模塊輸出禁止減。同時也禁止了鍋爐主控指令的反向動作，保證了鍋爐、汽機主控與一次調(diào)頻功率指令不發(fā)生反向動作，協(xié)同應(yīng)對電網(wǎng)周波的變化。驅(qū)動禁增或禁減的轉(zhuǎn)差也可以用發(fā)電機轉(zhuǎn)速值或者電網(wǎng)頻率值代替，也可以是一次調(diào)頻功率。

4.2綜合閥位指令的禁止反向動作

一次調(diào)頻系統(tǒng)實測中，調(diào)頻功率一般10 s左右達到最大值，然后回調(diào)。利用此規(guī)律，由轉(zhuǎn)差控制綜合閥位指令禁止增或減，如圖6所示，直到頻差恢復(fù)正常。這樣汽輪發(fā)電機組相比此優(yōu)化前能夠多做功，同時主汽調(diào)門由于動作次數(shù)減少，有利于減少閥桿等機械設(shè)備的磨損。

以上2種優(yōu)化各有優(yōu)點，不管是人工測試還是系統(tǒng)實際測試，都對一次調(diào)頻動作具有積極的意義。

5 控制邏輯優(yōu)化2：增強調(diào)頻能力

5.1增加鍋爐主控燃料量(標煤量)指令的前饋控制

在一次調(diào)頻增功率中，增加標煤量指令的前饋控制，可以盡快補充鍋爐蓄熱，減少主汽壓力擾動。此優(yōu)化邏輯需注意水、煤、風的協(xié)調(diào)控制。

圖6 控制邏輯優(yōu)化

5.2修正滑壓曲線

有的機組經(jīng)過改造增加了供熱抽汽，原來的熱力平衡可能影響到了主汽門節(jié)流量，如本文中圖5的情況，一次調(diào)頻增負荷能力不夠，需要修正AGC控制邏輯中的滑壓曲線；反之，一次調(diào)頻增負荷能力有多余，可以向下修正滑壓曲線。由于抽汽量的變化，為了精確修正滑壓曲線，可以增加總供熱抽汽流量的主汽壓力設(shè)定修正量，如圖7所示。

圖7 主汽壓力修正量與供熱抽汽流量的關(guān)系

5.3前饋系數(shù)修正

從圖4、圖5一次調(diào)頻增負荷測試的前10 s相比較，對機組增加做功能力而言，增負荷測試不如減負荷測試能力強，可以區(qū)別對待2個方向的優(yōu)化，適當修正前饋系數(shù)。如圖8所示，一次調(diào)頻動作頻差比較小，已經(jīng)達到了電網(wǎng)調(diào)度考核的條件，經(jīng)過考核計算，3個時段的性能指數(shù)均不合格，且考核金額較大。為了滿足電網(wǎng)調(diào)度考核計算辦法，僅對小頻差增加一次調(diào)頻前饋系數(shù)，方法如圖9所示。在調(diào)速側(cè)的一次調(diào)頻邏輯中增加前饋修正系數(shù)曲線，來修正不同一次調(diào)頻功率下的主汽調(diào)門動作變化強度(僅對一次調(diào)頻做功欠缺的情況進行修正)。

圖8 小頻差動作性能

圖9 前饋修正系數(shù)曲線

6 結(jié)束語

每臺機組根據(jù)自己的特性，以及控制系統(tǒng)的特點，制定適合自己的優(yōu)化方案，使機組不僅在不同的負荷下、不同的頻差下，還要在不同的供熱量、不同的AGC運行方式下，都能發(fā)揮出機組一次調(diào)頻的功能，且性能達標，使電網(wǎng)運行更加安全。

[1]江蘇電力調(diào)度控制中心. 江蘇電網(wǎng)機組一次調(diào)頻性能提升分析報告[R].江蘇省電力技術(shù)監(jiān)督會議，2017.

[2]火力發(fā)電機組一次調(diào)頻試驗及性能驗收導(dǎo)則:GB/T 30370—2013[S].

[3]火力發(fā)電廠模擬量控制系統(tǒng)驗收測試規(guī)程:DL/T 657—2015[S].

(本文責編：齊琳)

2017-07-03；

:2017-08-20

TM 621

：A

：1674-1951(2017)09-0016-04

倪新宇(1970—)，男，江蘇蘇州人，工程師，從事火電廠熱工控制方面的工作(E-mail:chdwdnxy@163.com)。