上汽-西門子機(jī)型660MW機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化探討

海 浩，趙洪健

（寧夏棗泉發(fā)電有限責(zé)任公司，銀川 750409）

0 引言

隨著中國新能源發(fā)電的發(fā)展和特高壓電網(wǎng)建設(shè)尤其是特高壓直流輸電工程項(xiàng)目的快速推進(jìn)，作為輸電端和受電端的區(qū)域電網(wǎng)低頻事故風(fēng)險(xiǎn)增加[1]，這樣就要求特高壓直流輸電工程項(xiàng)目的電源電廠具有較好的一次調(diào)頻能力。棗泉電廠上汽-西門子超超臨界汽輪機(jī)原設(shè)計(jì)采用兩個(gè)高調(diào)閥全開進(jìn)汽，用補(bǔ)汽閥實(shí)現(xiàn)機(jī)組對(duì)一次調(diào)頻的快速響應(yīng)。但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)補(bǔ)汽閥開啟后汽輪機(jī)各軸承振動(dòng)均有一定幅度升高，影響機(jī)組安全運(yùn)行，有調(diào)查表明很多同類型機(jī)組均存在這一問題[2]。因此，棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組均已將補(bǔ)汽閥閥限設(shè)置為-5%，禁止補(bǔ)汽閥開啟，但這樣做將導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻性能下降甚至喪失。本文分析了包含DEH 流量指令死區(qū)問題在內(nèi)，導(dǎo)致寧夏棗泉電廠一次調(diào)頻性能差的幾個(gè)因素，提出優(yōu)化措施，并應(yīng)用于寧夏棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組，取得了較好的效果。

圖1 #1機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)曲線Fig.1 Primaryfrequency modulation response curve of unit 1

圖2 #2機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)曲線Fig.2 Primary frequency modulation response curve of unit #2

1 優(yōu)化前一次調(diào)頻問題分析

1.1 優(yōu)化前一次調(diào)頻擾動(dòng)響應(yīng)情況

2018 年7 月4 日16 時(shí)43 分，棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組均處于CCS 控制方式，一次調(diào)頻投入，兩臺(tái)機(jī)組負(fù)荷均保持在630MW。16 時(shí)43 分53 秒寧東至浙江800kV 輸電線路極Ⅰ閉鎖，電網(wǎng)頻率產(chǎn)生較大擾動(dòng)，棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速最高至3007.2r/min，一次調(diào)頻響應(yīng)曲線見圖1 和圖2 。

#1 機(jī)組在頻率上升時(shí)鍋爐主控指令與DEH 汽輪機(jī)流量指令方向正確。一次調(diào)頻理論積分值-681.71MW·s，實(shí)際積分值-6.42MW·s，一次調(diào)頻性能為0.94%，不滿足調(diào)頻要求。#2 機(jī)組一次調(diào)頻理論積分值-676.56MW·s，實(shí)際積分值-62.11MW·s，一次調(diào)頻性能為9.18%，同樣不滿足調(diào)頻要求。

1.2 原因分析

1.2.1 DEH流量指令死區(qū)問題

以#1 機(jī)組為例分析其一次調(diào)頻響應(yīng)緩慢的原因。由動(dòng)作曲線可以看出，一次調(diào)頻動(dòng)作瞬間機(jī)組處于微欠壓狀態(tài)，高調(diào)閥全開、補(bǔ)汽閥強(qiáng)制關(guān)閉，DEH 汽輪機(jī)流量指令86.95%，一次調(diào)頻動(dòng)作后流量指令開始下降，38s 后流量指令下降至80%，高調(diào)閥由100%開始關(guān)閉，負(fù)荷緩慢下降。即在本次一次調(diào)頻動(dòng)作后38s 時(shí)間內(nèi)，高調(diào)閥沒有對(duì)一次調(diào)頻作出響應(yīng)。檢查DEH 控制邏輯發(fā)現(xiàn)，調(diào)門在DEH 流量指令為80%時(shí)全開，流量指令在78%～100%區(qū)間時(shí)補(bǔ)汽閥參與調(diào)節(jié)，流量指令78%～100%對(duì)應(yīng)補(bǔ)汽閥指令0%～20%（見圖3）。

圖3 閥門開度與DEH流量指令對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Corresponding relationship between valve opening and DEH flow instructions

由圖3 可見，如果將補(bǔ)汽閥強(qiáng)制關(guān)閉，DEH 流量指令在80%～100%之間時(shí)機(jī)組負(fù)荷變化只能依靠鍋爐側(cè)響應(yīng)，這將是一個(gè)緩慢的過程，大約有3min 左右的延遲，無法起到快速響應(yīng)流量指令的作用。由此可見，切除補(bǔ)汽閥引起的DEH 流量指令死區(qū)問題是引起棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)不合格的主要原因。經(jīng)過計(jì)算得到，當(dāng)DEH 流量指令達(dá)到90.97%左右時(shí)，一次調(diào)頻高頻動(dòng)作高調(diào)閥開度指令延遲將會(huì)到達(dá)60s 左右，實(shí)際機(jī)組已經(jīng)基本喪失了一次調(diào)頻快速響應(yīng)能力。

1.2.2 滑壓曲線不合理

通過負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)觀察機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)各負(fù)荷段高調(diào)閥開度，發(fā)現(xiàn)330MW 時(shí)高調(diào)閥開度較小，但在負(fù)荷高于580MW 時(shí)高調(diào)閥長時(shí)間處于全開狀態(tài)。汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)閥開度越大，節(jié)流損失越小，機(jī)組的熱效率也越高，與此同時(shí)調(diào)閥開度大將會(huì)導(dǎo)致一次調(diào)頻雙向調(diào)節(jié)裕量減小。

現(xiàn)在國內(nèi)有部分機(jī)組開發(fā)了凝結(jié)水節(jié)流調(diào)頻[3,4]、高加抽汽調(diào)頻[5]等新型的調(diào)頻方式，但短期內(nèi)顯著提升調(diào)頻效果難度很大，現(xiàn)在最有效的方式依然是減小調(diào)閥開度。有研究表明，上汽-西門子機(jī)型機(jī)組在運(yùn)行參數(shù)與熱力參數(shù)不變的條件下，高調(diào)閥在50%開度運(yùn)行時(shí)，僅靠調(diào)門調(diào)整至全開狀態(tài)仍能提供4.27%左右的負(fù)荷參與快速響應(yīng)，并且高調(diào)閥在50%～100%開度間節(jié)流損失增加不大[6]。汽輪機(jī)的閥點(diǎn)工作位置與汽輪機(jī)滑壓曲線密切相關(guān)[7]。由此可見，可以通過優(yōu)化滑壓曲線，將機(jī)組各負(fù)荷段穩(wěn)態(tài)時(shí)高調(diào)閥開度保持在40%～50%之間，在保證汽輪機(jī)熱效率的情況下提高機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)能力。

1.2.3 機(jī)組變負(fù)荷階段一次調(diào)頻響應(yīng)慢

在機(jī)組變負(fù)荷過程中，由于主汽壓力擾動(dòng)較大，導(dǎo)致調(diào)門開度不穩(wěn)定。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組在變負(fù)荷過程中，調(diào)門經(jīng)常處于全開狀態(tài)，此時(shí)若電網(wǎng)出現(xiàn)低頻擾動(dòng)，機(jī)組將無法做出正確、迅速的響應(yīng)。變負(fù)荷過程中主蒸汽壓力穩(wěn)定與否直接表征了機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，所以解決這一問題需要對(duì)機(jī)組變負(fù)荷過程中的協(xié)調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化后閥門開度與DEH流量指令對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 The valve opening corresponds to the DEH flow instruction after optimization

2 系統(tǒng)優(yōu)化及效果

2.1 系統(tǒng)優(yōu)化

2.1.1 增加補(bǔ)汽閥投切按鈕

補(bǔ)汽閥開啟后汽輪機(jī)軸承振動(dòng)突增問題短時(shí)間內(nèi)無法得到有效解決，為了消除DEH 流量指令死區(qū)問題對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻性能的影響，經(jīng)過與上汽廠家協(xié)商，共同制定了解決方案——增加補(bǔ)汽閥投切功能。該功能具體內(nèi)容為：當(dāng)補(bǔ)汽閥切除時(shí)，補(bǔ)汽閥閥限設(shè)置為-5%，禁止其開啟，高調(diào)閥與DEH 流量指令對(duì)應(yīng)關(guān)系由原來的高調(diào)閥開度指令0%～100%對(duì)應(yīng)流量指令0%～80%轉(zhuǎn)換為0%～100%對(duì)應(yīng)0%～100%，中壓調(diào)閥也做相應(yīng)修改；當(dāng)補(bǔ)汽閥投入時(shí)，保持現(xiàn)在的對(duì)應(yīng)關(guān)系不變（見圖3），具體流量指令與高調(diào)閥開度指令曲線變動(dòng)情況見圖4。

優(yōu)化完成后，徹底解決了切除補(bǔ)汽閥導(dǎo)致的DEH 流量指令死區(qū)問題，使高調(diào)閥在流量指令的全行程都可以參與調(diào)節(jié)，機(jī)組一次調(diào)頻能力和負(fù)荷響應(yīng)速度將會(huì)得到明顯提升，但是隨之而來將面臨這樣幾個(gè)問題：

1）高調(diào)閥全開概率下降，機(jī)組節(jié)流損失增加[8]。這個(gè)問題可以通過調(diào)整滑壓曲線和CCS 系統(tǒng)控制性能，使高調(diào)閥保持在40%～50%開度，機(jī)組節(jié)流損失不超過允許范圍。

2）降低了DEH 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度。對(duì)流量指令與高調(diào)閥閥位對(duì)應(yīng)關(guān)系的修改，相當(dāng)于放大了高調(diào)閥調(diào)節(jié)范圍，而DEH 系統(tǒng)中負(fù)荷/轉(zhuǎn)速控制回路PID 參數(shù)不變，這樣相當(dāng)于降低了DEH 系統(tǒng)的響應(yīng)速度。實(shí)際上DEH 系統(tǒng)有自己的負(fù)荷變化速率，且對(duì)應(yīng)關(guān)系的修改對(duì)DEH 系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度影響很小，經(jīng)過觀察優(yōu)化后的機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度幾乎不受影響。

表1 滑壓曲線修改數(shù)據(jù)Table 1 Slip curve modification data

圖6 #1機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化后負(fù)荷響應(yīng)曲線Fig.6 #1 Unit coordination and optimization post-load response curve

表2 優(yōu)化后部分時(shí)段一次調(diào)頻性能Table 2 One-time FM performance in some post-optimization periods

2.1.2 機(jī)組滑壓曲線的調(diào)整

棗泉電廠兩臺(tái)機(jī)組滑壓曲線采用廠家的初始設(shè)計(jì)，是一條理論工況下的曲線，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)將無法滿足機(jī)組實(shí)際需要。確定機(jī)組滑壓曲線的方法有很多，例如試驗(yàn)法、閥點(diǎn)分析法、重點(diǎn)與因素分析法等[7]。由于已經(jīng)確定了高調(diào)閥理想的工作閥位，所以采用了試驗(yàn)法確定并調(diào)整了機(jī)組滑壓曲線。

2.1.3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能優(yōu)化

在進(jìn)行機(jī)組負(fù)荷擺動(dòng)試驗(yàn)后，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化：

1）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況重新整定了水、煤基準(zhǔn)線。

2）調(diào)整機(jī)組的變負(fù)荷前饋，適應(yīng)機(jī)組的變負(fù)荷要求，減小變負(fù)荷過程中汽壓的動(dòng)態(tài)偏差，提高機(jī)組實(shí)際變負(fù)荷速率。

3）適當(dāng)加快主蒸汽壓力偏差對(duì)鍋爐負(fù)荷指令的修正速率，加快燃料發(fā)熱量自動(dòng)校正回路（BTU）對(duì)燃料量的修正以提高機(jī)組對(duì)燃料發(fā)熱量變化的適應(yīng)能力。

圖5 滑壓曲線修改前后曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of curves before and after the modification of the slip curve

4）減小了焓控PID 的積分時(shí)間，增強(qiáng)了積分作用，加快焓控的調(diào)節(jié)，并重新整定了給水調(diào)節(jié)的慣性時(shí)間，縮短了升負(fù)荷時(shí)的慣性時(shí)間。

2.2 優(yōu)化后效果

機(jī)組協(xié)調(diào)性能優(yōu)化工作完成后，協(xié)調(diào)性能整體有較大提升，負(fù)荷響應(yīng)迅速，靜態(tài)主蒸汽壓力設(shè)定值與實(shí)際值偏差減小，變負(fù)荷過程中調(diào)門開度波動(dòng)情況明顯好轉(zhuǎn)，穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下能夠長期保持在40%～50%左右開度，確保了一次調(diào)頻的雙向調(diào)節(jié)裕度充足。

有機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)性能大幅提高作為鋪墊，加上增加補(bǔ)汽閥投切按鈕后，徹底消除了切除補(bǔ)汽閥后DEH 流量指令死區(qū)對(duì)機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力的影響，一系列的優(yōu)化完成后，兩臺(tái)機(jī)組的一次調(diào)頻性能有了明顯好轉(zhuǎn)，近期電網(wǎng)頻率發(fā)生的幾次波動(dòng)，機(jī)組負(fù)荷都能夠快速響應(yīng)，一次調(diào)頻實(shí)際積分電量基本能夠滿足要求。

3 結(jié)束語

本文分析了導(dǎo)致棗電兩臺(tái)機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)慢的原因，通過增加補(bǔ)汽閥投切功能，優(yōu)化機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等方法，將高調(diào)閥開度控制在40%～50%左右，提高了機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)速度；同時(shí)提高了機(jī)組一次調(diào)頻雙向調(diào)節(jié)裕度與響應(yīng)速度。本文介紹的幾種優(yōu)化措施，可以在機(jī)組付出較小熱耗的情況下大幅度提高一次調(diào)頻能力，可以為同類型機(jī)組提供一次調(diào)頻優(yōu)化參考，同時(shí)也期待更加節(jié)能的一次調(diào)頻技術(shù)的出現(xiàn)。