基于DCS系統(tǒng)的一次調(diào)頻系統(tǒng)研究及應(yīng)用

曹美杰，么穎林，王建東，孫 靜

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

引言

國內(nèi)某鋼廠2×300 MW 自備電廠設(shè)計(jì)為煤粉/高爐煤氣混燃鍋爐，該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)鍋爐，采用四角切圓燃燒方式。隨著電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展和科學(xué)水平的提高，電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性也越來越受到重視，并且《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》（簡稱“兩個(gè)細(xì)則”）均明確要求電廠提高發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻能力，并制定了相關(guān)考核指標(biāo)。該電廠充分利用現(xiàn)有控制系統(tǒng)硬軟件技術(shù)優(yōu)勢，采取了科學(xué)合理的控制策略，不僅確保了發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能的長期穩(wěn)定運(yùn)行，而且其一次調(diào)頻性能處在較優(yōu)水平，對(duì)保證當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)頻率穩(wěn)定、增強(qiáng)電網(wǎng)抗事故能力和提高電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性具有重要意義。

1 一次調(diào)頻原理與特征參數(shù)

1.1 一次調(diào)頻原理

電網(wǎng)頻率是衡量電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的一個(gè)重要參數(shù)，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)用戶耗電量與電廠發(fā)電量不平衡時(shí)，電網(wǎng)頻率會(huì)偏離目標(biāo)值，這時(shí)汽輪機(jī)蒸汽調(diào)門會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制策略快速動(dòng)作調(diào)整負(fù)荷，從而使發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率能夠及時(shí)調(diào)整完成電網(wǎng)負(fù)荷補(bǔ)償，修正電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在目標(biāo)值，確保電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，這個(gè)過程就是發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻[1]。電廠發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo)主要包括正確動(dòng)作率和響應(yīng)能力，即必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)，而且必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成頻率調(diào)整。因此科學(xué)合理的控制策略設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)就顯得尤為重要。

1.2 一次調(diào)頻特征參數(shù)

1.2.1 調(diào)頻死區(qū)

電網(wǎng)頻率在產(chǎn)生微小、可接受的波動(dòng)時(shí)，為了避免機(jī)組調(diào)門也頻繁動(dòng)作影響設(shè)備壽命和運(yùn)行安全，需要對(duì)調(diào)頻功能設(shè)定一個(gè)死區(qū)范圍，即在該范圍內(nèi)機(jī)組的一次調(diào)頻控制不起作用，這就是調(diào)頻死區(qū)。

1.2.2 轉(zhuǎn)速不等率

轉(zhuǎn)速不等率就是汽輪機(jī)空負(fù)荷轉(zhuǎn)速與滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速之差與額定轉(zhuǎn)速比值的百分?jǐn)?shù)，過大或過小均不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需要進(jìn)行合理設(shè)置，即一般轉(zhuǎn)速不等率的范圍為3%～6%，常用的為4.5%～5.5%。

1.2.3 遲緩率

調(diào)節(jié)系統(tǒng)各相關(guān)流程環(huán)節(jié)的設(shè)備運(yùn)行存在摩擦、間隙等情況，使得轉(zhuǎn)速上升和下降過程的靜態(tài)特性曲線所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不同，該轉(zhuǎn)速差與汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速之比即為遲緩率。

2 DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置

該電廠2 套機(jī)組采用的是I/A Series 控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置圖如圖1所示。

圖1 DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置圖

在集中控制室設(shè)有2 套機(jī)組的DCS 操作員站、工程師站、歷史記錄站和數(shù)據(jù)服務(wù)器等。每臺(tái)機(jī)組分散控制系統(tǒng)硬件設(shè)備主要包括：在1#機(jī)組電子設(shè)備間布置的1 號(hào)機(jī)組DCS 控制機(jī)柜35 面，公用系統(tǒng)DCS 控制機(jī)柜3 面；在2 號(hào)機(jī)組電子設(shè)備間布置的2號(hào)機(jī)組DCS控制機(jī)柜35面。

DCS監(jiān)控范圍包括：鍋爐及其輔助系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)及其輔助系統(tǒng)、除氧給水系統(tǒng)等。主要子系統(tǒng)如下：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）、鍋爐/汽機(jī)的輔機(jī)順序控制系統(tǒng)[SCS(B/T)]、鍋爐爐膛安全監(jiān)測系統(tǒng)（FSSS）、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、爐水加藥系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)等。所有子系統(tǒng)的CPU、電源、網(wǎng)絡(luò)模塊都是冗余配置，DEH系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)汽輪機(jī)伺服閥的卡件信號(hào)通道也是冗余配置，確保汽輪機(jī)蒸汽調(diào)門的控制精確穩(wěn)定，也能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻提供硬軟件保證。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）主要是將鍋爐和汽機(jī)作為一個(gè)整體，完成對(duì)機(jī)組負(fù)荷、鍋爐主汽壓力的控制，達(dá)到鍋爐風(fēng)、水、煤的協(xié)調(diào)動(dòng)作，機(jī)組與電網(wǎng)需求的協(xié)調(diào)主要使機(jī)組最快地響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的要求。DEH 系統(tǒng)和CCS 系統(tǒng)均與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制密切相關(guān)，兩者聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的一次調(diào)頻，確保電網(wǎng)頻率安全穩(wěn)定。各系統(tǒng)間通過交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、信息共享、協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體控制功能和優(yōu)化運(yùn)算。

3 一次調(diào)頻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

DEH 系統(tǒng)和CCS 系統(tǒng)作為該DCS 控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)共同作用實(shí)現(xiàn)該機(jī)組的一次調(diào)頻功能。DEH 側(cè)根據(jù)采集到的汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)計(jì)算得到轉(zhuǎn)速差，轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)通過調(diào)頻函數(shù)計(jì)算后得到調(diào)頻量和負(fù)荷調(diào)整指令后，直接向汽輪機(jī)蒸汽調(diào)門發(fā)出開度調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的前饋控制和調(diào)頻負(fù)荷的快速響應(yīng)功能；CCS 側(cè)功率控制回路同時(shí)會(huì)得到DEH 側(cè)的調(diào)頻指令信號(hào)，一方面是和機(jī)組功率指令、實(shí)際功率信號(hào)計(jì)算得到新的功率設(shè)定值實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻和功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，另一方面DEH 側(cè)調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過CCS 側(cè)功率調(diào)節(jié)器直接實(shí)現(xiàn)鍋爐前饋控制，消除鍋爐負(fù)荷調(diào)整的滯后性，確保爐機(jī)負(fù)荷控制調(diào)整協(xié)調(diào)一致。該電廠機(jī)組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 一次調(diào)頻控制系統(tǒng)框圖

該機(jī)組一次調(diào)頻采用的是協(xié)調(diào)控制與汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制相結(jié)合的控制方式，由圖2可知，DEH側(cè)采集到汽輪機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號(hào)后計(jì)算出頻率偏差，然后通過調(diào)頻函數(shù)計(jì)算得到負(fù)荷調(diào)整指令后發(fā)送給流量控制模塊，由流量控制模塊計(jì)算出汽機(jī)調(diào)門開度指令后通過調(diào)門開度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)進(jìn)汽負(fù)荷的快速調(diào)整，通過前饋控制實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻功能的快速響應(yīng)；負(fù)荷調(diào)整指令同時(shí)和功率指令、實(shí)際功率計(jì)算得到功率偏差信號(hào)后，通過負(fù)荷調(diào)節(jié)器計(jì)算處理得到負(fù)荷調(diào)整控制信號(hào)，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐負(fù)荷的前饋控制，使鍋爐負(fù)荷根據(jù)調(diào)頻負(fù)荷指令適度超前調(diào)整，另一方面實(shí)現(xiàn)功率和一次調(diào)頻的閉環(huán)控制，消除頻率誤差，穩(wěn)定電網(wǎng)頻率。

4 影響一次調(diào)頻性能因素的分析解決

影響機(jī)組一次調(diào)頻性能的因素主要有調(diào)頻信號(hào)采集測量、調(diào)頻死區(qū)設(shè)置、一次調(diào)頻控制邏輯等。針對(duì)這些影響因素需要制定科學(xué)合理的解決方案才能確保一次調(diào)頻控制系統(tǒng)作用的精確穩(wěn)定。

4.1 調(diào)頻信號(hào)測量采集

機(jī)組的一次調(diào)頻需要實(shí)時(shí)采集機(jī)組頻率信號(hào)和參與控制，如果其精確性不符合要求或信號(hào)不同源很可能無法達(dá)到一次調(diào)頻控制指標(biāo)要求。汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速測量信號(hào)作為一次調(diào)頻控制信號(hào)不僅測量精度可能達(dá)不到要求，而且可能與電網(wǎng)實(shí)際頻率存在偏差，在電網(wǎng)頻率發(fā)生較小波動(dòng)時(shí)難以反映電網(wǎng)頻率的真實(shí)波動(dòng)情況，很可能會(huì)造成誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況發(fā)生[1]，會(huì)影響一次調(diào)頻控制的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)效果。針對(duì)此情況，該機(jī)組采用了頻率同源裝置，將PMU（同步項(xiàng)量測量裝置）上的頻率和功率信號(hào)引入DEH 和CCS，不僅保證DEH 和CCS系統(tǒng)調(diào)頻和功率信號(hào)采用單一信號(hào)和同源信號(hào)，而且解決了頻率采集的可靠性和負(fù)荷傳輸?shù)囊恢滦裕蟠蠼档土艘淮握{(diào)頻系統(tǒng)誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率。

4.2 調(diào)頻死區(qū)設(shè)置

一次調(diào)頻系統(tǒng)執(zhí)行器設(shè)備在出現(xiàn)較小的可接受的頻率差信號(hào)時(shí)如果頻繁的動(dòng)作和調(diào)節(jié)，必然會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)影響設(shè)備安全和壽命，因此有必要設(shè)置一個(gè)調(diào)頻死區(qū)，一般機(jī)組參與一次調(diào)頻死區(qū)應(yīng)不大于±0.033 Hz 或±2 r/min，并且轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)為4%～5%。

4.3 一次調(diào)頻控制設(shè)計(jì)

4.3.1 DEH側(cè)控制設(shè)計(jì)

在DEH 側(cè)實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的前饋控制調(diào)節(jié)時(shí)，會(huì)受到汽輪機(jī)蒸汽調(diào)門流量特性曲線、主蒸汽壓力波動(dòng)等因素的影響，可能會(huì)造成機(jī)組一次調(diào)頻效果不理想，因此需要在前饋控制環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的邏輯控制修正才能達(dá)到理想的控制效果。

通常DEH 中調(diào)頻的流量變化是在額定蒸汽壓力下計(jì)算的，如果調(diào)頻時(shí)主汽壓力有較大偏差，前饋控制帶來的負(fù)荷變化量可能偏大或不足，影響一次調(diào)頻效果[2]，因此在DEH 系統(tǒng)實(shí)施頻差控制前饋時(shí)需要考慮主蒸汽壓力信號(hào)的波動(dòng)，需要將主蒸汽壓力信號(hào)參數(shù)作為前饋控制的修正信號(hào)，這樣可以提高一次調(diào)頻性能在主蒸汽壓力偏離額定參數(shù)時(shí)的響應(yīng)性能，保證調(diào)頻性能更加穩(wěn)定可靠。

控制框圖如圖3 所示，在調(diào)門閥位修正部分需要每年利用機(jī)組的檢修機(jī)會(huì)測試蒸汽調(diào)門的流量特性曲線并進(jìn)行修改完善，優(yōu)化機(jī)組調(diào)門管理函數(shù)，確保調(diào)門流量特性偏差控制在要求范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)流量負(fù)荷的精確調(diào)節(jié)；在主蒸汽壓力修正部分，需要根據(jù)主蒸汽壓力偏差變化與蒸汽流量的函數(shù)關(guān)系制定相應(yīng)的閥位控制修正策略，確保頻率負(fù)荷調(diào)整響應(yīng)快速精確。

圖3 DEH側(cè)一次調(diào)頻設(shè)計(jì)框圖

4.3.2 CCS側(cè)控制邏輯設(shè)計(jì)

CCS 側(cè)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)如圖4 所示，該控制系統(tǒng)作為機(jī)組一次調(diào)頻的閉環(huán)控制，在調(diào)頻響應(yīng)要求時(shí)間內(nèi)可消除頻率誤差，同時(shí)在控制回路進(jìn)行了死區(qū)設(shè)定，在頻率發(fā)生微小可接受的范圍波動(dòng)時(shí)可避免負(fù)荷頻繁調(diào)整，確保執(zhí)行器設(shè)備安全和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí)也對(duì)負(fù)荷做了高低限限制，確保負(fù)荷在規(guī)定范圍內(nèi)穩(wěn)定調(diào)整。CCS側(cè)還將機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令疊加調(diào)頻負(fù)荷增量的校正回路，且CCS 中的校正指令不經(jīng)速率限制，以保證機(jī)組調(diào)頻負(fù)荷不回調(diào)。

圖4 CCS側(cè)一次調(diào)頻設(shè)計(jì)框圖

5 試驗(yàn)效果分析

在75%(235 MW)和90%(270 MW)兩種負(fù)荷工況下，對(duì)DEH 和CCS 側(cè)同時(shí)模擬電網(wǎng)頻率±0.067 Hz（或汽機(jī)轉(zhuǎn)速±4 r/min）、±0.1 Hz（或汽機(jī)轉(zhuǎn)速±6 r/min）階躍變化量（增減各1 次）進(jìn)行試驗(yàn)。記錄調(diào)節(jié)級(jí)壓力、主汽壓力、有功功率、頻差信號(hào)（轉(zhuǎn)速偏差）、調(diào)門反饋等信號(hào)，觀察機(jī)組參數(shù)響應(yīng)情況，直至參數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)通過每一步的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)一次調(diào)頻方案中的參數(shù)進(jìn)行必要的修改和優(yōu)化，表1 為試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和結(jié)果，圖5 和圖6 為轉(zhuǎn)差變負(fù)荷試驗(yàn)效果趨勢圖。

表1 75%和90%額定負(fù)荷工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表1 可分析出，該電廠一次調(diào)頻控制系統(tǒng)在上述各負(fù)荷工況下分別對(duì)±4 r/min、±6 r/min 轉(zhuǎn)差的一次調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)滿足15 s 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)調(diào)頻負(fù)荷量的75%、30 s 內(nèi)達(dá)到目標(biāo)調(diào)頻負(fù)荷量的90%的的要求，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均合格，而且由圖5 和圖6 試驗(yàn)趨勢圖可分析出，在變負(fù)荷工況和轉(zhuǎn)速值偏離額定目標(biāo)值時(shí)，一次調(diào)頻控制系統(tǒng)能夠過快速響應(yīng)（響應(yīng)時(shí)間<3 s），且動(dòng)態(tài)偏差小，一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)間<1 min，調(diào)頻動(dòng)作精確，穩(wěn)定性好，主要參數(shù)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良，達(dá)到了預(yù)期控制效果。

圖5 235MW工況（±4 r/min，±6 r/min）轉(zhuǎn)差變負(fù)荷試驗(yàn)趨勢圖