基于補(bǔ)汽閥的一次調(diào)頻優(yōu)化技術(shù)研究

金宏偉，宋佳輝，張新勝，謝昊旻，丁寧

（1.浙江浙能臺州第二發(fā)電廠有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317108；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率在偏離額定值時，電網(wǎng)中運(yùn)行機(jī)組的一次調(diào)頻系統(tǒng)自動控制機(jī)組有功功率的增減，限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定。根據(jù)華東電網(wǎng)發(fā)布的“兩個細(xì)則”要求，實際動作積分電量與理論動作積分電量的比值作為一次調(diào)頻效果性能指標(biāo)，即電網(wǎng)頻率超出調(diào)頻死區(qū)0.033 Hz后的實際機(jī)組負(fù)荷與超出時刻（最大60 s）的機(jī)組負(fù)荷之差的積分電量同機(jī)組理論響應(yīng)負(fù)荷的積分電量的比值。按一次調(diào)頻動作次數(shù)、實際積分電量、性能達(dá)標(biāo)次數(shù)等作為考核點對上網(wǎng)機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻考核［1-5］。

近年來電網(wǎng)容量日益擴(kuò)大，為了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，快速響應(yīng)成為絕大多數(shù)一次調(diào)頻技術(shù)研究的首要目標(biāo)。尤其在機(jī)組處于欠壓工況下時，為響應(yīng)AGC（自動發(fā)電控制）系統(tǒng)，高壓調(diào)節(jié)閥會處于大開度或全開的狀態(tài)，此時一次調(diào)頻動作合格率將會大幅度降低［6-11］。陳濤［12］提出優(yōu)化凝結(jié)水泵變頻模式，通過凝結(jié)水系統(tǒng)供水主閥控制凝汽器液位，根據(jù)實際負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系開環(huán)控制凝結(jié)水泵變頻，改變凝結(jié)水流量，從而改變汽低壓加熱器抽汽量，降低或提高汽輪機(jī)低壓缸做功量，實現(xiàn)短時間內(nèi)改變機(jī)組負(fù)荷的功能。沈建峰［13］通過0號高壓加熱器抽汽調(diào)閥的快速動作，改變汽輪機(jī)高壓缸抽汽量，從而短時間改變機(jī)組負(fù)荷，調(diào)頻指令消失后，恢復(fù)抽汽調(diào)閥至原位。

以上兩種一次調(diào)頻技術(shù)都是通過改變汽輪機(jī)抽汽量，短時間內(nèi)增加汽輪機(jī)做功，從而達(dá)到提高一次調(diào)頻性能的目的。本文分析了試驗機(jī)組當(dāng)前一次調(diào)頻模式，針對其特殊性，通過補(bǔ)汽閥技術(shù)引入一套適應(yīng)性強(qiáng)、調(diào)節(jié)/調(diào)頻切換的一次調(diào)頻新模式，同時提出同類型機(jī)組負(fù)荷控制下的積分飽和缺陷，并進(jìn)行優(yōu)化。

1 機(jī)組概況

該機(jī)組采用上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的N1050-27.0/600/600 型汽輪機(jī)，為超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、八級回?zé)岢槠?、凝汽式汽輪機(jī)。

該汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽模式，由于沒有任何附加汽隙激振，使汽輪機(jī)具有比較好的軸系穩(wěn)定性。同時，高壓第一級葉片的焓降僅噴嘴調(diào)節(jié)部分進(jìn)汽滑壓的1/5，最大載荷僅1/4左右，徹底解決了第一級葉片的安全性問題，高壓缸葉片不再約束機(jī)組參數(shù)的提高和功率的增大。

從汽輪機(jī)兩側(cè)高壓主汽閥后、高壓調(diào)閥前蒸汽管道各引出一路管道（設(shè)計為額定流量8%），通過一個液動調(diào)閥（即補(bǔ)汽閥）將蒸汽送入高壓缸第五級動葉。根據(jù)等焓節(jié)流原理，主汽閥后的蒸汽進(jìn)入第五級動葉處，溫度將降低30 ℃，使得補(bǔ)汽閥蒸汽與主流蒸汽的溫差明顯縮小。

2 一次調(diào)頻控制原理

如圖1所示，該機(jī)組DEH（汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)）一次調(diào)頻回路以轉(zhuǎn)速偏差（NSV-NT）/3 000乘以KDN（轉(zhuǎn)差）系數(shù)作為一次調(diào)頻前饋流量值，直接疊加在總流量指令上，用于快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)頻需求。轉(zhuǎn)速偏差除以轉(zhuǎn)速不等率作為調(diào)頻負(fù)荷設(shè)定值，用于彌補(bǔ)未達(dá)到調(diào)頻需求的工況。該機(jī)組KDN系數(shù)采用變參數(shù)方法進(jìn)行調(diào)頻，即隨著主汽壓力的降低，KDN系數(shù)升高，以彌補(bǔ)在低負(fù)荷區(qū)間調(diào)頻能力不足的缺陷［14-15］。

圖1 DEH一次調(diào)頻控制原理

在原一次調(diào)頻模式中，補(bǔ)汽閥與高壓調(diào)閥的流量指令為同一源頭，高調(diào)閥在總流量指令為80%時全開，補(bǔ)汽閥子流量指令在78%～100%時參與調(diào)節(jié)，導(dǎo)致在欠壓力、升負(fù)荷工況時，汽輪機(jī)總流量指令大于80%，主汽閥、補(bǔ)汽閥開度過大甚至全開，此時機(jī)組基本不再有額定的增負(fù)荷調(diào)頻快速響應(yīng)能力，只能通過CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）增加燃料來緩慢增負(fù)荷。同時在這種工況下，DEH負(fù)荷控制PID（比例-積分-微分控制）存在積分飽和現(xiàn)象，延長了高壓調(diào)閥在全開位置的停留時間，影響了機(jī)組降負(fù)荷及調(diào)頻性能。

3 改進(jìn)型一次調(diào)頻技術(shù)

3.1 一次調(diào)頻新模式

以補(bǔ)汽閥-頻差動態(tài)變化下的靈活調(diào)頻為基本思路對原一次調(diào)頻模式進(jìn)行修改，保留原一次調(diào)頻流量前饋和調(diào)頻負(fù)荷設(shè)定值回路，新模式投入后，切除總流量指令中的調(diào)頻前饋，調(diào)頻流量通過分配系數(shù)f(σN)獨立疊加至高壓調(diào)閥、補(bǔ)汽閥流量指令中。補(bǔ)汽閥不再接收總流量指令調(diào)配，只接受獨立的調(diào)頻流量指令，其原理如圖2所示。

圖2中，f(σN)是高調(diào)分配系數(shù)與頻差的對應(yīng)函數(shù)，補(bǔ)汽閥分配系數(shù)為1-f(σN)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。低頻差區(qū)間（2.0～2.8 r/min）由高壓調(diào)閥進(jìn)行頻率控制響應(yīng)，中等頻差階段（2.8～3.5 r/min）補(bǔ)汽閥按照高壓調(diào)閥調(diào)頻能力分配0.3的調(diào)頻流量指令補(bǔ)充高壓調(diào)閥調(diào)節(jié)不足，大頻差時（3.5～11 r/min）補(bǔ)汽閥全開響應(yīng)調(diào)頻。

圖2 補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻原理

表1 頻差-分配系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

3.1.1 轉(zhuǎn)速不等率約束

轉(zhuǎn)速不等率約束是根據(jù)觸發(fā)一次調(diào)頻后的調(diào)節(jié)情況，實時計算調(diào)頻過程轉(zhuǎn)速不等率。轉(zhuǎn)速不等率應(yīng)限制在3%～6%，當(dāng)?shù)陀?%時閉鎖補(bǔ)汽閥開，轉(zhuǎn)速不等率大于6%時進(jìn)行記錄，提示調(diào)頻性能不足。通過歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速不等率與頻差的對比分析，可以得出機(jī)組調(diào)頻性能的強(qiáng)弱，方便調(diào)頻參數(shù)的優(yōu)化。

3.1.2 振動邊界約束

補(bǔ)汽閥最大開度已限制在20%，但是對1號、2 號軸承振動會有一定影響，所以增加1 號和2 號軸承振動高報警值作為補(bǔ)汽閥閉鎖動作的約束條件。任意高報警觸發(fā)，補(bǔ)汽閥閥限至0，振動消除后，閉鎖動作解除，累計超過3次振動報警則需要進(jìn)行人工確認(rèn)，恢復(fù)補(bǔ)汽閥投運(yùn)。

3.1.3 0號高加保護(hù)

補(bǔ)汽閥的快速開啟對0號抽汽管道及加熱器有超溫超壓的影響，故在一次調(diào)頻新模式下，當(dāng)補(bǔ)汽閥開度大于5%且0 號抽汽溫度上升至保護(hù)值時，全關(guān)高加抽汽調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)機(jī)組全負(fù)荷調(diào)節(jié)工況增加補(bǔ)汽閥調(diào)頻/調(diào)節(jié)功能靈活切換的功能。由于補(bǔ)汽閥需要在額定負(fù)荷以上才能起到負(fù)荷調(diào)節(jié)超發(fā)和調(diào)頻作用，所以在低負(fù)荷段（實際負(fù)荷小于750 MW），切除補(bǔ)汽閥的調(diào)節(jié)流量指令與調(diào)頻指令，并對補(bǔ)汽閥的閥限控制為0%；在中高負(fù)荷段（750～1 020 MW），一次調(diào)頻新模式自動投入，調(diào)節(jié)功能切除，補(bǔ)汽閥閥限自動恢復(fù)至20%，根據(jù)實時頻差參與一次調(diào)頻；在超高負(fù)荷升負(fù)荷階段（1 020～1 050 MW），機(jī)組限速后負(fù)荷指令MWD＞1 020 MW 后，一次調(diào)頻新模式自動撤出，同時補(bǔ)汽閥閥限至0%，可通過運(yùn)行人員手動更改閥限參數(shù)。補(bǔ)汽閥按速率重新接收總流量指令進(jìn)行AGC升降負(fù)荷調(diào)節(jié)。在降負(fù)荷段，MWD＜970 MW 后，一次調(diào)頻新模式自動投入，補(bǔ)汽閥切除調(diào)節(jié)流量指令且閥限至0%；保證補(bǔ)汽閥關(guān)至0%且切除調(diào)節(jié)后，重新釋放補(bǔ)汽閥閥限至20%，參與一次調(diào)頻。

3.2 消除積分飽和

原流量指令回路的中高壓調(diào)閥0%～100%開度只能對應(yīng)0%～80%流量總指令。在流量指令80%以上的情況下，負(fù)荷控制回路PID 仍在積分作用下增加流量指令至105%，而降負(fù)荷時流量指令降至80%高壓調(diào)閥才開始關(guān)閉，即積分飽和現(xiàn)象。故在原有流量分配系數(shù)下增加切換功能，可切換至新流量分配曲線，將對應(yīng)中壓調(diào)閥0%～100%的總流量指令0%～80%改為0%～100%對應(yīng)高壓調(diào)閥0%～100%，相應(yīng)地，將總流量指令由16%～56%改為20%～70%，可大幅度緩解負(fù)荷控制器積分飽和現(xiàn)象。

如圖3 所示，DEH 在負(fù)荷調(diào)節(jié)模式時，負(fù)荷控制器在PID 輸出大于額定總流量與PIRYU（負(fù)荷前饋）之差時，PID進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，積分將不會起作用，切換模塊T 輸出由PID 輸出切換為PIRYU，此時PID輸出與PIRYU值相近。機(jī)組額定總流量值為105%，負(fù)荷前饋為當(dāng)前負(fù)荷指令的80%，所以在高壓調(diào)閥全開（該機(jī)組高壓調(diào)閥只允許開至97%，對應(yīng)總流量99.61%）時，負(fù)荷控制PID 仍然有一定的積分飽和作用（99.61%～105%），故將額定總流量根據(jù)高壓調(diào)閥流量特性修改為99.61%，以完全消除負(fù)荷控制下的積分飽和現(xiàn)象。

圖3 DEH負(fù)荷控制PID原理

4 試驗驗證

4.1 補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗

4.1.1 試驗方法

試驗選取60%Pe（機(jī)組額定負(fù)荷）、75%Pe、90%Pe 3個負(fù)荷段作為代表性工況，其中60%Pe作為試驗參考工況，與其他工況的試驗參數(shù)作對比。機(jī)組撤出AGC模式，在CCS模式下穩(wěn)定負(fù)荷及汽輪機(jī)高壓調(diào)閥開度，試驗前關(guān)閉0號高加抽汽調(diào)閥至5%，以避免對負(fù)荷造成影響。補(bǔ)汽閥新模式不投入，強(qiáng)制改變汽輪機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速至2 989 r/min，保持強(qiáng)制狀態(tài)1 min，獲取當(dāng)前負(fù)荷和高壓調(diào)閥開度下高壓調(diào)閥在15 s、30 s、60 s 的調(diào)頻能力，1 min 后恢復(fù)至汽輪機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速。機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定后，投入補(bǔ)汽閥新模式，強(qiáng)制改變汽輪機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速至2 989 r/min，保持強(qiáng)制狀態(tài)1 min，獲取相同負(fù)荷和高壓調(diào)閥開度下高壓調(diào)閥和補(bǔ)汽閥共同作用后15 s、30 s、60 s 的調(diào)頻能力，以及補(bǔ)汽閥開啟后對軸承振動、0號高加抽汽等參數(shù)的影響。

4.1.2 試驗結(jié)果

根據(jù)圖4 所示60%Pe 補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗結(jié)果，得出補(bǔ)汽閥功能投入前后的負(fù)荷增幅對比?？梢妰纱卧囼灨鲿r間點的負(fù)荷增幅無明顯差別，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 60%Pe試驗負(fù)荷增幅

圖4 60%Pe補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗

與補(bǔ)汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)相比較，補(bǔ)汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補(bǔ)汽閥投入試驗中隨著補(bǔ)汽閥的開啟較補(bǔ)汽閥未投入時有上升趨勢，峰值、均值增加了2 μm和3.3 μm，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 60%Pe試驗參數(shù)對比

根據(jù)圖5 所示的75%Pe 補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗結(jié)果，得出補(bǔ)汽閥功能投入前后的負(fù)荷增幅對比?？梢妰纱卧囼灨鲿r間點的最終負(fù)荷增幅無明顯差別，但補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻可以更快達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 75%Pe試驗負(fù)荷增幅

圖5 75%Pe補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗參數(shù)曲線

與補(bǔ)汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)作比較，補(bǔ)汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補(bǔ)汽閥投入試驗中隨著補(bǔ)汽閥的開啟與補(bǔ)汽閥未投入時相比有明顯上升趨勢，峰值、均值增加了4.6 μm 和10.6 μm，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 75%Pe試驗參數(shù)對比

根據(jù)圖6 所示的90%Pe 補(bǔ)汽閥一次調(diào)頻試驗結(jié)果，得出補(bǔ)汽閥功能投入前后的負(fù)荷增幅對比?？梢妰纱卧囼炟?fù)荷增幅有明顯偏差，且該負(fù)荷點下補(bǔ)汽閥未投入的負(fù)荷增幅比75%Pe 負(fù)荷點的偏少，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 90%Pe試驗負(fù)荷增幅

圖6 90%Pe一次調(diào)頻試驗參數(shù)曲線

與補(bǔ)汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)作比較，補(bǔ)汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補(bǔ)汽閥投入試驗中隨著補(bǔ)汽閥的開啟較補(bǔ)汽閥未投入時有明顯上升趨勢，峰值、均值增加了4.5 μm和4.9 μm，數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 90%Pe試驗參數(shù)對比

由3個實驗對比得出，補(bǔ)汽閥調(diào)頻能力隨著機(jī)組負(fù)荷的升高而提高，高負(fù)荷段補(bǔ)汽閥響應(yīng)一次調(diào)頻功能明顯。補(bǔ)汽閥的開啟對機(jī)組1號軸承振動有明顯的影響，緩慢開啟或一次調(diào)頻動作后再開啟補(bǔ)汽閥，負(fù)荷無明顯增幅。3 組試驗中，0 號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，均未觸發(fā)轉(zhuǎn)速不等率約束及振動限制。在中低負(fù)荷段由于調(diào)頻能力不明顯且增加了汽輪機(jī)熱耗，經(jīng)濟(jì)性差，故在該負(fù)荷段，補(bǔ)汽閥既不響應(yīng)一次調(diào)頻也不參與升負(fù)荷調(diào)節(jié)。在中高負(fù)荷段，補(bǔ)汽閥只參與一次調(diào)頻動作，在某些特殊工況機(jī)組負(fù)荷指令目標(biāo)在1 020～1 050 MW時，補(bǔ)汽閥先緩慢退出一次調(diào)頻模式，重新接收總流量指令進(jìn)行升負(fù)荷調(diào)節(jié)。

4.2 積分飽和

負(fù)荷控制回路優(yōu)化前，流量指令-閥門開度曲線如圖7所示。當(dāng)前負(fù)荷指令500 MW，由于鍋爐欠壓造成流量指令達(dá)到105%，高壓調(diào)閥開至97%，穩(wěn)定一段時間后，在CCS 控制下實際負(fù)荷微高于負(fù)荷指令，總流量指令在負(fù)荷控制器作用下開始下降。由于負(fù)荷控制器死區(qū)（2 MW）與積分飽和作用，高壓調(diào)閥無關(guān)閉趨勢。260 s 后，高壓調(diào)閥緩慢關(guān)閉。

圖7 積分飽和優(yōu)化前流量指令-閥門開度曲線

負(fù)荷控制回路優(yōu)化后，流量指令-閥門開度曲線如圖8所示。工況與優(yōu)化前相同，總流量指令和高壓調(diào)閥均達(dá)到上限（99.61%和97%），實際負(fù)荷大于負(fù)荷指令后，DEH 負(fù)荷控制器在負(fù)荷偏差超出調(diào)節(jié)死區(qū)后開始下降，同時高壓調(diào)閥開始關(guān)閉。

圖7、圖8中的總流量指令與高壓調(diào)閥開度下降趨勢基本一致。

圖8 積分飽和優(yōu)化后流量指令-閥門開度曲線

5 結(jié)語

通過不同負(fù)荷段補(bǔ)汽閥參與/切除的一次調(diào)頻功能試驗，證明補(bǔ)汽閥調(diào)頻能力隨著負(fù)荷的升高而提高，高負(fù)荷段效果明顯，且與補(bǔ)汽閥開啟時間也有關(guān)聯(lián)。一次調(diào)頻動作后再開啟補(bǔ)汽閥，負(fù)荷無明顯增幅。

在各組補(bǔ)汽閥參與一次調(diào)頻試驗中，0號抽汽溫度、2 號軸承振動均無上升趨勢。1 號軸承振動有明顯上升趨勢，但幅度在機(jī)組軸系振動接受范圍內(nèi)。

分配系數(shù)f（σN）是個開放性函數(shù)，可以根據(jù)機(jī)組實際調(diào)頻性能持續(xù)優(yōu)化高壓調(diào)閥與補(bǔ)汽閥的系數(shù)占比。

通過高調(diào)閥流量曲線-總流量指令的重新分配、負(fù)荷控制模式PID 的跟蹤狀態(tài)優(yōu)化，機(jī)組在欠壓或升負(fù)荷導(dǎo)致高壓調(diào)閥長時間在滿開度后恢復(fù)的工況時，消除積分飽和產(chǎn)生的無效行程，高壓調(diào)閥實時跟隨流量指令的下降而關(guān)閉。該優(yōu)化措施保證了機(jī)組在升降負(fù)荷切換、欠壓導(dǎo)致高壓調(diào)閥全開的工況下，能迅速回調(diào)，保證機(jī)組快速恢復(fù)一次調(diào)頻能力。