火電機(jī)組一次調(diào)頻性能提升實(shí)踐

吳　欣，吳　寧，孫海濤，任　林

（1.華電滕州新源熱電有限公司，山東　滕州　277599；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277100）

0　引言

“十三五”期間，山東電網(wǎng)進(jìn)入以“特高壓”為特征的快速發(fā)展期?！皷|縱”（錫盟—濟(jì)南）、“北橫”（榆橫—濰坊）特高壓交流工程分別于2016年、2017年年中投產(chǎn)，到2020年山東接受省外來電將達(dá)到3750萬kW，是2015年的5倍，約占全網(wǎng)用電的二分之一。在山東電網(wǎng)外供電力大幅提高的同時(shí)，省內(nèi)風(fēng)電、光伏新能源及核電在電源結(jié)構(gòu)中占比持續(xù)攀升，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及頻率、電壓調(diào)節(jié)能力總體呈下降趨勢(shì)，安全基礎(chǔ)不斷削弱。山東電網(wǎng)的裝機(jī)構(gòu)成中，沒有水電機(jī)組，燃?xì)怆姀S相對(duì)較少，抽水蓄能機(jī)組容量與總負(fù)荷比例太小。火電機(jī)組成為電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰的主力，調(diào)節(jié)性能日益受到重視。為了確保電網(wǎng)安全，山東電網(wǎng)已經(jīng)從2014年對(duì)小擾動(dòng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)考核，將一次調(diào)頻服務(wù)由基本服務(wù)轉(zhuǎn)成有償服務(wù)，用經(jīng)濟(jì)手段來促進(jìn)各火電廠提升機(jī)組調(diào)節(jié)性能。

通過采取網(wǎng)廠信號(hào)同源、閥門流量修正及主汽壓力校正等措施并對(duì)一次調(diào)頻裝置進(jìn)行了改造，大大改善了火電機(jī)組一次調(diào)頻功能，提升了參與電網(wǎng)輔助服務(wù)的能力。

1　機(jī)組一次調(diào)頻存在的主要問題

華電滕州新源熱電有限公司最初采取如下一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化方案：一次調(diào)頻死區(qū)減小，轉(zhuǎn)速死區(qū)由GB／T 30370—2013《火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則》[1-2]規(guī)定的 2 r／min 改為 1.85 r／min，希望用提前動(dòng)作來滿足一次調(diào)頻合格率的要求；加大調(diào)頻動(dòng)作幅度，調(diào)頻幅度由1.5 MW改為2 MW起步。采用提前動(dòng)作方法修正后的一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償量函數(shù)見表1，修正前后調(diào)頻補(bǔ)償負(fù)荷量差值見圖1。

機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)這種方案存在較大隱患：由于死區(qū)的縮?。ㄐ∮凇? r／min）和轉(zhuǎn)速不等率的增加，會(huì)造成機(jī)組自身頻繁的超調(diào)、振蕩，對(duì)機(jī)組尤其是汽輪機(jī)調(diào)門造成沖擊，機(jī)組出現(xiàn)了調(diào)門彈簧斷裂情況；過度的超調(diào)有可能引發(fā)機(jī)組控制系統(tǒng)的振蕩，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。并且過度減小一次調(diào)頻頻差死區(qū)，會(huì)造成一次調(diào)頻動(dòng)作提前，有時(shí)會(huì)形成誤調(diào)，反而影響一次調(diào)頻響應(yīng)開始時(shí)有功功率的起始取值，降低考核指標(biāo)[3]。

表1　修正后一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償量函數(shù)

圖1　修正前后一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償量曲線

引起上述問題的主要原因如下。

1）轉(zhuǎn)速信號(hào)不穩(wěn)定，精度不高，滿足不了調(diào)度小擾動(dòng)考核的技術(shù)要求。DEH側(cè)轉(zhuǎn)速和DCS側(cè)轉(zhuǎn)速信號(hào)存在0.5r／min左右偏差，對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)干擾作用較多，以4號(hào)機(jī)組為例，某日調(diào)度考核動(dòng)作次數(shù)為15次，而電廠DCS記錄機(jī)組實(shí)際動(dòng)作次數(shù)（死區(qū)為 1.95 r／min，取單次DCS系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)速差超2.2 r／min）近千次，誤動(dòng)作極高，嚴(yán)重影響AGC性能指標(biāo)。

2）高負(fù)荷區(qū)段，主汽壓力實(shí)際值偏離額定值較大時(shí)，因主汽壓力偏低造成一次調(diào)頻動(dòng)作不合格。

3）閥門流量特性未按要求定期整定。機(jī)組在高調(diào)門檢修后未做閥門流量特性整定，DEH內(nèi)閥門開度與流量不匹配，特別在投入順序閥后，閥門動(dòng)作幅度會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，對(duì)負(fù)荷造成擾動(dòng)，影響AGC和一次調(diào)頻的性能指標(biāo)。

2　機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化方案

2.1　一次調(diào)頻信號(hào)同源問題

調(diào)度側(cè)一次調(diào)頻考核系統(tǒng)，采用電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量裝置（PMU）送出的高精度電網(wǎng)周波信號(hào)來考評(píng)一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)，給出動(dòng)作指令。電廠用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速信號(hào)精度遠(yuǎn)低于電網(wǎng)周波系統(tǒng)，造成偏差太大。

經(jīng)分析后，決定使用電力系統(tǒng)同步相量測(cè)量裝置（PMU）送出的高精度電網(wǎng)周波信號(hào)作為頻率控制信號(hào)，來輸入DEH和CCS作為調(diào)頻動(dòng)作依據(jù)，減少誤動(dòng)概率和次數(shù)。

滕州電廠3號(hào)、4號(hào)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻綜合優(yōu)化后，實(shí)際運(yùn)行中單次一次調(diào)頻的動(dòng)作幅值得到有效控制，使閥門的瞬間動(dòng)作幅度得到有效控制，降低了對(duì)閥門本體等設(shè)備的沖擊破壞。以3號(hào)機(jī)組為例，對(duì)比改造前后一次調(diào)頻控制的歷史曲線，可以明顯看出，經(jīng)過改造后，單日的動(dòng)作次數(shù)明顯降低，單次的動(dòng)作幅值明顯縮小，改造效果明顯。

表2　同源改造后一次調(diào)頻動(dòng)作情況

從表2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化改造后機(jī)組的誤動(dòng)作得到有效控制，由原來的千次降低為百次，同時(shí)機(jī)組的一次調(diào)頻合格率超過85%，滿足電網(wǎng)考核要求。

2.2　主汽壓力控制優(yōu)化

優(yōu)化在AGC工況下的主汽壓力調(diào)節(jié)功能。文獻(xiàn)[4]將主汽壓力的反饋信號(hào)引入DEH邏輯中，根據(jù)主汽壓力的增、減量，反向增減汽輪機(jī)調(diào)速汽門的開度，保證汽輪機(jī)進(jìn)汽量跟蹤機(jī)組負(fù)荷的變化系，同時(shí)，為了鍋爐主汽壓力參數(shù)穩(wěn)定，增加AGC狀態(tài)下燃燒層自動(dòng)投入數(shù)量，維持鍋爐輸出汽流量和燃燒量的平衡。

2.3　閥門流量試驗(yàn)

修正閥門流量系數(shù)。結(jié)合機(jī)組檢修，進(jìn)行閥門行程與實(shí)際進(jìn)汽量測(cè)試，控制閥門開啟速率與實(shí)際功率相應(yīng)需要相匹配，并根據(jù)閥門行程與實(shí)際進(jìn)汽量測(cè)試情況，進(jìn)行調(diào)速汽門的重疊度的優(yōu)化調(diào)整，減少順序閥方式下負(fù)荷擾動(dòng)。

2.4　一次調(diào)頻控制裝置

研發(fā)了一次調(diào)頻控制裝置，并在二期機(jī)組試驗(yàn)。可以滿足同源要求以及不用修改DEH邏輯和CCS邏輯下，在調(diào)頻裝置內(nèi)對(duì)一條調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行在線修正。

一次調(diào)頻智能控制系統(tǒng)包含兩套一次調(diào)頻智能控制裝置，冗余配置，布置在一面機(jī)柜內(nèi)，機(jī)柜內(nèi)配備工控機(jī)，主控畫面里包含：A、B裝置實(shí)時(shí)頻率、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、實(shí)時(shí)調(diào)頻量、裝置故障狀態(tài)、負(fù)荷補(bǔ)償曲線以及實(shí)時(shí)頻率曲線，同時(shí)具備在線試驗(yàn)功能。一次調(diào)頻裝置改造原理見圖2。

圖2　一次調(diào)頻裝置改造原理

2.5　方案特點(diǎn)

提高了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的精度。原一次調(diào)頻動(dòng)作均采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或ECS中頻率變送器作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本方案直接測(cè)取電網(wǎng)頻率，采集精度達(dá)到電網(wǎng)要求的±0.001Hz，精度遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速或頻率信號(hào)的測(cè)量精度，提高了一次調(diào)頻動(dòng)作的正確率。

傳統(tǒng)的一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化從減小一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū)和增大調(diào)頻負(fù)荷動(dòng)作幅度兩個(gè)方向著手。雖然能滿足電網(wǎng)考核標(biāo)準(zhǔn)要求，但會(huì)對(duì)機(jī)組造成大量無效擾動(dòng)，造成機(jī)組調(diào)門頻繁波動(dòng)而影響設(shè)備安全運(yùn)行。本方案采用基于電網(wǎng)功率變化動(dòng)態(tài)調(diào)整的控制策略，對(duì)電網(wǎng)不同頻差采用不同的動(dòng)作幅值，既能確保電網(wǎng)公司的考核指標(biāo)，又降低了一次調(diào)頻的動(dòng)作次數(shù)。

通過對(duì)滕州公司3號(hào)、4號(hào)機(jī)組的優(yōu)化改造，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況證明通過調(diào)頻信號(hào)同源改造輔助以一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化，是能夠有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻考核要求。

3　應(yīng)用效果

在山東電網(wǎng)一次調(diào)頻考核模式下，可將機(jī)組正常一次調(diào)頻動(dòng)作負(fù)荷量由原來的±3.8 MW左右降低至±2 MW以內(nèi)，確保一次調(diào)頻動(dòng)作幅度降低30%以上，降低了一次調(diào)頻對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)設(shè)備的沖擊；一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)大幅度減少，經(jīng)過優(yōu)化改造后機(jī)組的誤動(dòng)作得到有效控制，由原來的日均千次降低為日均百次，動(dòng)作次數(shù)下降90%，同時(shí)機(jī)組的一次調(diào)頻合格率超過85%，滿足電網(wǎng)考核要求，也一定程度上延長(zhǎng)了汽輪機(jī)調(diào)速汽門的運(yùn)行壽命。

在確保機(jī)組一次調(diào)頻合格率達(dá)到80%以上的同時(shí)，不影響AGC的性能。2015年5月改造優(yōu)化，改造前后兩臺(tái)機(jī)組AGC指標(biāo)和一次調(diào)頻指標(biāo)如表3所示。3號(hào)、4號(hào)機(jī)組在投運(yùn)AGC情況下，一次調(diào)頻合格率達(dá)到80%以上，不統(tǒng)計(jì)AGC情況下一次調(diào)頻合格率可達(dá)到85%以上，3號(hào)、4號(hào)機(jī)組AGC綜合性能指標(biāo)達(dá)到山東電網(wǎng)前10名左右水平。

表3　2015年AGC和一次調(diào)頻指標(biāo)

增設(shè)一次調(diào)頻專用裝置提升機(jī)組一次調(diào)頻能力的技術(shù)方案，已在山東省內(nèi)多家電廠進(jìn)行推廣應(yīng)用，但仍存在以下問題：如供熱季節(jié)期受抽汽量大影響，機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)性能指標(biāo)及一次調(diào)頻動(dòng)作指標(biāo)較純凝工況期間下降；機(jī)組的AGC及一次調(diào)頻指標(biāo)性能如何能繼續(xù)提升到更高的標(biāo)準(zhǔn)等問題。

4　結(jié)語(yǔ)

機(jī)組一次調(diào)頻測(cè)量信號(hào)，可采取更換高精度頻率變送器或增加同源頻率測(cè)量裝置，并根據(jù)機(jī)組自身情況，合理修正一次調(diào)頻補(bǔ)償函數(shù)，宜根據(jù)機(jī)組所處的電網(wǎng)頻率變化的差異的和機(jī)組的特性進(jìn)行死區(qū)及變速率的修正。

對(duì)于部分投運(yùn)AC-R模式后對(duì)一次調(diào)頻影響較大的機(jī)組，可以考慮增加一次調(diào)頻短暫閉鎖邏輯，以優(yōu)先確保調(diào)頻效果。可增加AGC與一次調(diào)頻反向閉鎖AGC邏輯，以確保一次調(diào)頻的動(dòng)作品質(zhì)。定期進(jìn)行閥門流量特性曲線試驗(yàn)并嚴(yán)控機(jī)組大修后一次調(diào)頻驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，確保機(jī)組修后的一次調(diào)頻能力在技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)。

[1]全國(guó)電站過程監(jiān)控及信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)及性能驗(yàn)收導(dǎo)則：GB／T 30370—2013[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[2]國(guó)家電網(wǎng)公司.火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)導(dǎo)則：Q／GDW 669—2011[S].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[3]張彬，陳立新，王亦新.火電廠模擬量控制系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012

[4]趙建立.大型火電機(jī)組熱工控制技術(shù)與實(shí)例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[5]張斌.自動(dòng)發(fā)電控制及一次調(diào)頻控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2005.