M701F4燃?xì)廨啓C(jī)組的一次調(diào)頻測試功能改造

陳昭　黃啟昆

摘 要：本文介紹了三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，并著重闡述了一次調(diào)頻在線測試系統(tǒng)改造的設(shè)計、功能、實現(xiàn)過程、操作方式以及靜態(tài)試驗和各個負(fù)荷段下的動態(tài)試驗過程。結(jié)果表明，本次改造能有效實現(xiàn)三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)組的一次調(diào)頻在線測試功能，使電網(wǎng)實時掌握發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻性能，符合設(shè)計要求，更好地保障了電網(wǎng)安全，對燃?xì)廨啓C(jī)組，特別是同類型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的一次調(diào)頻測試、改進(jìn)或優(yōu)化等工作具有較大的參考意義。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī);一次調(diào)頻;靜態(tài)試驗;動態(tài)試驗

中圖分類號：TM611.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0040-03

Transformation of Primary Frequency Modulation Test Function

of M701F4 Gas Turbine Unit

CHEN Zhao HUANG Qikun

（Hangzhou Huadian Jiangdong Thermal Power Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： This paper introduces the current situation of primary frequency regulation control system of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， and focuses on the design， function， implementation process， operation mode， static test and dynamic test process under each load section. The results show that this transformation can effectively realize the primary frequency modulation on-line test function of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， make the power grid master the primary frequency modulation performance of generator unit in real time， meet the design requirements， and better ensure the safety of power grid The work of improvement or optimization has great reference significance.

Keywords： gas turbine;primary frequency modulation;static test;dynamic test

電網(wǎng)頻率變動范圍是電力質(zhì)量三個指標(biāo)中最重要的指標(biāo)，關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展全局[1]。隨著我國電網(wǎng)特高壓建設(shè)的不斷推進(jìn)，直流閉鎖故障時有發(fā)生，一旦發(fā)生閉鎖故障，受端電網(wǎng)輸入功率嚴(yán)重缺失，將會給電網(wǎng)運(yùn)行帶來巨大沖擊[2]，使電網(wǎng)頻率出現(xiàn)較大波動。而處在本地電網(wǎng)的發(fā)電廠側(cè)，參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率最快、最直接的手段是發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻。因此，一次調(diào)頻直接關(guān)系到電網(wǎng)對頻率突變工況的調(diào)節(jié)能力。為了提高調(diào)節(jié)能力、迅速克服頻率波動，保證各發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻性能就顯得尤為重要?；诖?，各發(fā)電廠逐步開展了一次調(diào)頻測試功能改造，使電網(wǎng)調(diào)度具備對并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻性能開展實時測試的能力。某電廠機(jī)組為日本三菱M701F4型燃?xì)廨啓C(jī)組，作為電網(wǎng)統(tǒng)一部署改造工作中的首批燃?xì)廨啓C(jī)組，實施了一次調(diào)頻控制系統(tǒng)的改造，并開展了相關(guān)試驗。結(jié)果表明，改造效果及機(jī)組一次調(diào)頻功能符合設(shè)計要求。

1 機(jī)組一次調(diào)頻控制現(xiàn)狀

1.1 機(jī)組控制模式

根據(jù)三菱設(shè)計，機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時，可通過功率控制（Load Limit）或轉(zhuǎn)速控制（Governor）方式對機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)速控制為有差調(diào)節(jié)，功率控制為無差調(diào)節(jié)[3]，負(fù)荷控制模式是與轉(zhuǎn)速控制模式互斥的模式[4]，轉(zhuǎn)速控制的負(fù)荷響應(yīng)速率遠(yuǎn)大于功率控制，滿足電網(wǎng)對機(jī)組一次調(diào)頻性能的要求。而當(dāng)葉片通道溫度（Blade Passage Temperature，BPT）或燃機(jī)排氣溫度（Exhaust Gas Temperature，EXT）超過溫控基準(zhǔn)線時，機(jī)組會自動進(jìn)入溫控模式。M701F機(jī)組溫度控制模式分為葉片通道溫度控制和排氣溫度控制兩種，用于防止過高的透平進(jìn)氣溫度[5]。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入溫控模式后，機(jī)組升負(fù)荷被限制，降負(fù)荷也需要先待溫度緩慢下降至溫控線以下、燃機(jī)脫離溫控模式后才能下降，過程比較緩慢，無法滿足一次調(diào)頻性能要求。因此，為滿足電網(wǎng)對一次調(diào)頻性能的要求，一般將機(jī)組置于轉(zhuǎn)速控制模式下運(yùn)行。

1.2 一次調(diào)頻回路

機(jī)組的主要控制均在三菱燃機(jī)控制系統(tǒng)（Turbine Control System，TCS）中實現(xiàn)。機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行時，汽機(jī)各主汽調(diào)門始終處于全開位，不參與機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)。因此，一次調(diào)頻功能就是依靠燃機(jī)的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力來實現(xiàn)的?？刂浦?，在機(jī)組負(fù)荷指令（Unit Load Command，CSO）上直接疊加一次調(diào)頻負(fù)荷增量，相加后通過機(jī)組主控回路分別作用于各燃?xì)庹{(diào)閥。當(dāng)機(jī)組處于轉(zhuǎn)速控制模式時，機(jī)組主控能迅速調(diào)整燃料量，使機(jī)組負(fù)荷快速響應(yīng)，從而達(dá)到設(shè)計的調(diào)頻能力。

一次調(diào)頻控制的相關(guān)參數(shù)設(shè)置在燃機(jī)控制系統(tǒng)，在機(jī)組基建調(diào)試或檢修改造結(jié)束后，將進(jìn)行一次調(diào)頻試驗。試驗報告上報電網(wǎng)，電網(wǎng)將依據(jù)報告判斷機(jī)組性能是否符合要求。但在正常生產(chǎn)中，若機(jī)組的一次調(diào)頻參數(shù)或性能出現(xiàn)變動，電網(wǎng)就無法及時掌握機(jī)組一次調(diào)頻的實際狀況，增加電網(wǎng)整體調(diào)頻能力的不確定性。因此，本次改造旨在實現(xiàn)一次調(diào)頻性能的在線測試功能，使電網(wǎng)調(diào)度能實時掌握機(jī)組的調(diào)頻能力，更好地保障電網(wǎng)安全。

2 機(jī)組一次調(diào)頻改造

2.1 硬件通道改造

電網(wǎng)與機(jī)組控制之間新增的各個信號，先通過電廠側(cè)的機(jī)組測控裝置，再通過硬接線的方式接入燃機(jī)控制系統(tǒng)中。

新增電網(wǎng)調(diào)度至機(jī)組控制的信號有一次調(diào)頻進(jìn)入/退出測試指令（開關(guān)量）、測試擾動頻率（模擬量）等。新增機(jī)組控制至調(diào)度的信號為一次調(diào)頻測試允許信號（開關(guān)量）、一次調(diào)頻進(jìn)入/退出測試返回（開關(guān)量）、機(jī)組有功功率（模擬量）、測試擾動頻率返回值（模擬量）、一次調(diào)頻負(fù)荷變動指令（模擬量）等。另外，燃機(jī)控制系統(tǒng)與分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）之間用于監(jiān)視、操作而新增的信號有一次調(diào)頻進(jìn)入/退出測試、允許測試人工投退、一次調(diào)頻動作報警、測試擾動頻率等。

2.2 邏輯控制改造

2.2.1 新增測試回路。原設(shè)計的一次調(diào)頻回路中，由實測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換頻率與50 Hz計算得出的頻差經(jīng)過一次調(diào)頻特性函數(shù)計算后直接疊加在機(jī)組負(fù)荷指令上再作用于機(jī)組CSO回路。此次改造是在實測頻差進(jìn)入一次調(diào)頻特性函數(shù)之前，增加一個選擇模塊，由調(diào)度來的一次調(diào)頻測試狀態(tài)信號和加入機(jī)組綜合判斷后的信號進(jìn)行選擇。在測試模式下，進(jìn)入一次調(diào)頻特性函數(shù)的實測頻差將切換至調(diào)度來的測試頻差，以此實現(xiàn)對運(yùn)行機(jī)組一次調(diào)頻特性函數(shù)及機(jī)組調(diào)頻性能的實時驗證。另外，測試頻差進(jìn)入主回路前還需要經(jīng)過量程轉(zhuǎn)換及限幅函數(shù)的轉(zhuǎn)換限制。改造后的控制邏輯如圖1所示。

2.2.2 允許、閉鎖及報警。當(dāng)機(jī)組處于某些特殊工況時，若進(jìn)行一次調(diào)頻擾動測試，將影響機(jī)組的安全穩(wěn)定，因此設(shè)計機(jī)組綜合判斷條件具體包括設(shè)置轉(zhuǎn)速故障、手動退出、測試擾動頻率信號質(zhì)量、機(jī)組負(fù)荷不在50%～100%額定負(fù)荷等條件。測試過程中，若出現(xiàn)判斷條件中的任一情況，則自動退出測試模式并報警。在測試開始前，若判斷條件中任一觸發(fā)或機(jī)組處于溫控模式，控制系統(tǒng)將閉鎖測試回路投入且將“一次調(diào)頻測試允許信號（開關(guān)量）”自動置0，電網(wǎng)調(diào)度收到該信號狀態(tài)則無法投入測試，避免機(jī)組在不正常狀態(tài)時進(jìn)行試驗。

此外，手動退出按鈕設(shè)置在操作員站畫面中，若操作員發(fā)現(xiàn)機(jī)組出現(xiàn)異常，則不宜開展測試或繼續(xù)進(jìn)行測試，可操作手動退出按鈕。手動退出狀態(tài)下，系統(tǒng)將閉鎖測試投入或自動撤出測試狀態(tài)，并將允許信號0位送至調(diào)度。

3 一次調(diào)頻測試試驗

3.1 靜態(tài)試驗

靜態(tài)測試在機(jī)組停運(yùn)狀態(tài)下進(jìn)行。試驗開始前，對系統(tǒng)回路及參數(shù)進(jìn)行檢查。用信號模擬的方法確認(rèn)允許條件、報警等組態(tài)的正確性。用離線和在線對照的方法檢查一次調(diào)頻頻差死區(qū)、轉(zhuǎn)速不等率、負(fù)荷調(diào)節(jié)限幅等值是否與設(shè)計值一致。

電廠對機(jī)組組態(tài)及參數(shù)檢查完成后，與電網(wǎng)共同開展信號靜態(tài)試驗。電廠側(cè)與電網(wǎng)調(diào)度對新增通信信號依次聯(lián)調(diào)，確認(rèn)狀態(tài)、量程等正確，模擬量誤差在允許范圍內(nèi)。

3.2 動態(tài)試驗

當(dāng)機(jī)組未投入自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）且負(fù)荷穩(wěn)定在額定負(fù)荷的75%左右（370 MW）時，進(jìn)行一次調(diào)頻測試并做好相關(guān)記錄。試驗過程包括以下幾個步驟：第一，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行于370 MW左右，確認(rèn)未進(jìn)入溫控模式、未投入自動增益控制、一次調(diào)頻功能投入;第二，確認(rèn)機(jī)組葉片通道溫度、燃機(jī)排氣溫度、燃料閥位、機(jī)組振動、主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫度等各項參數(shù)在正常范圍內(nèi)且保持穩(wěn)定;第三，操作員投入一次調(diào)頻測試允許;第四，電網(wǎng)調(diào)度投入機(jī)組一次調(diào)頻測試;第五，調(diào)度將機(jī)組測試頻差由0 Hz設(shè)置為0.067 Hz，并持續(xù)不少于1 min后復(fù)歸，現(xiàn)場監(jiān)視機(jī)組功率及其他參數(shù)響應(yīng)情況，直至參數(shù)穩(wěn)定;第六，依次開展±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差在線擾動測試試驗;第七，調(diào)度退出機(jī)組一次調(diào)頻測試，采集相關(guān)測試數(shù)據(jù)、曲線并恢復(fù)設(shè)備狀態(tài)，試驗結(jié)束。

選取試驗中0.183 Hz的響應(yīng)曲線，如圖2所示。對動態(tài)試驗中±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差的各個測試曲線、數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，結(jié)果如表1所示。

電網(wǎng)關(guān)于機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)時間要求小于3 s，一次調(diào)頻穩(wěn)定時間要求小于1 min，燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻動作時達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷時間要求小于15 s。對動態(tài)試驗中±0.067 Hz，±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差給定的各個測試曲線、數(shù)據(jù)開展統(tǒng)計分析并與電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)比對，機(jī)組一次調(diào)頻性能滿足電網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻要求。

4 結(jié)語

經(jīng)改造驗證，機(jī)組已實現(xiàn)一次調(diào)頻在線測試功能，改造設(shè)計符合電網(wǎng)要求，使電網(wǎng)調(diào)度能實時測試機(jī)組一次調(diào)頻性能，有效掌握克服頻率波動的能力，達(dá)到設(shè)計效果。分析試驗曲線并對照電網(wǎng)要求，M701F4燃?xì)廨啓C(jī)組在轉(zhuǎn)速控制模式下的一次調(diào)頻各項響應(yīng)能力皆符合要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張寶.浙江電網(wǎng)火電機(jī)組一次調(diào)頻功能的應(yīng)用[J].華東電力，2007（3）：55-59.

[2]韓冰，姚建國，於益軍，等.負(fù)荷主動響應(yīng)應(yīng)對特高壓受端電網(wǎng)直流閉鎖故障的探討[J].電力系統(tǒng)自動化，2016（18）：1-5.

[3]潘蕾.重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)一次調(diào)頻控制策略及電網(wǎng)調(diào)度的仿真研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2003（6）：368-371.

[4]吳志方.某電廠M701DA型燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻功能分析及改進(jìn)[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2013（1）：67-72.

[5]席亞賓，李洪濤，馬永光.M701F燃機(jī)控制系統(tǒng)分析[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2009（3）：21-26.