基于特征流量辨識(shí)的機(jī)組一次調(diào)頻性能提升分析

曹 磊

(中國石油集團(tuán)電能有限公司熱電一公司, 黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻功能可以提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平,使電網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定[1-2]。為此,2020年9月東北電網(wǎng)下發(fā)《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《東北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》[3],對(duì)一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整范圍由原穩(wěn)燃負(fù)荷以上提高到全負(fù)荷調(diào)頻,僅龍江電網(wǎng)月考核達(dá)到一千萬以上,對(duì)火電機(jī)組一次調(diào)頻性能提出了更高的要求。某電廠2臺(tái)200 MW機(jī)組2021年一次調(diào)頻月度考核費(fèi)用(減免后)為137萬元,必須不斷提升一次調(diào)頻實(shí)際動(dòng)作性能,才能盡量減少電網(wǎng)的大幅度考核,提升機(jī)組實(shí)際發(fā)電效益。

1 一次調(diào)頻問題分析

1.1 一次調(diào)頻考核標(biāo)準(zhǔn)分析

按照《東北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》的規(guī)定,機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整響應(yīng)特性指標(biāo)為:1)一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間β1:小于3 s,為1,否則為0;2)負(fù)荷調(diào)整幅度β2:所有機(jī)組在15 s內(nèi)負(fù)荷調(diào)整幅度,應(yīng)達(dá)到15 s內(nèi)頻率極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的一次調(diào)頻理論調(diào)整負(fù)荷的90%;3)負(fù)荷調(diào)整幅度的偏差β3:在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)開始至60 s或至頻率變化回到一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)止,機(jī)組實(shí)際與理論調(diào)整負(fù)荷之差絕對(duì)值的平均值應(yīng)在理論調(diào)整負(fù)荷最大值的±25%內(nèi);4)頻率響應(yīng)指數(shù)Bu[4]:在電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)開始至60 s或至頻率變化回到一次調(diào)頻死區(qū)時(shí)止,機(jī)組一次調(diào)頻的實(shí)際加權(quán)積分電量要達(dá)到期望積分電量90%以上。其中一次調(diào)頻的負(fù)荷響應(yīng)滯后時(shí)間β1火電機(jī)組一般可以滿足要求,而負(fù)荷調(diào)整幅度β2、調(diào)整幅度的偏差β3和調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)Bu[5]這三項(xiàng)指標(biāo)不容易合格,特別是調(diào)整幅度的偏差β3。因機(jī)組自身原因無法投入?yún)f(xié)調(diào)或者協(xié)調(diào)控制精度較差,致使一次調(diào)頻負(fù)荷控制精度較差,無法滿足一次調(diào)頻的考核要求。

1.2 一次調(diào)頻控制存在的問題

1)汽輪機(jī)高調(diào)閥流量特性曲線與實(shí)際閥門特性不對(duì)應(yīng)。機(jī)組出現(xiàn)負(fù)荷控制超調(diào)或者欠調(diào)的現(xiàn)象,影響一次調(diào)頻效果。

當(dāng)汽輪機(jī)高調(diào)門進(jìn)行了解體、通流改造等檢修后,汽輪機(jī)閥門流量特性會(huì)發(fā)生變化,汽輪機(jī)閥門流量特性曲線是否與機(jī)組閥門特性相符,直接決定了一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)節(jié)的控制精度。

2)常規(guī)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻信號(hào)源采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速因轉(zhuǎn)速卡測(cè)量精度、被測(cè)轉(zhuǎn)盤齒輪粗糙等原因造成其精度較低,無法滿足控制要求,造成一次調(diào)頻頻繁波動(dòng),一次調(diào)頻合格率低,無法滿足一次調(diào)頻控制要求,影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

3)一次調(diào)頻控制策略無法適應(yīng)一次調(diào)頻考核指標(biāo)要求。常見的一次調(diào)頻控制策略有2個(gè)設(shè)定:減小一次調(diào)頻動(dòng)作死區(qū);加大“轉(zhuǎn)速差-功率”曲線斜率,增加一次調(diào)頻幅度。此控制策略雖然可提升一次調(diào)頻考核指標(biāo)中的負(fù)荷調(diào)整幅度β2和調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)Bu,但無法滿足調(diào)整幅度的偏差β3指標(biāo),而且會(huì)對(duì)機(jī)組造成大量無效擾動(dòng),負(fù)荷頻繁波動(dòng)[6],不利于發(fā)電機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 解決方案

2.1 提升一次調(diào)頻信號(hào)精度

采用機(jī)端頻率信號(hào)作為一次調(diào)頻信號(hào)源,同時(shí)獨(dú)立計(jì)算機(jī)組功率作為一次調(diào)頻被調(diào)量。

采集發(fā)電機(jī)出口TV計(jì)算機(jī)組頻率,同時(shí)采集發(fā)電機(jī)出口TA計(jì)算機(jī)組功率。頻率采集精度達(dá)到±0.001 Hz,功率信號(hào)不進(jìn)行濾波等信號(hào)處理,從而保證與同步相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit, PMU)信號(hào)一致性,為提升一次調(diào)頻性能提供準(zhǔn)確信號(hào)基礎(chǔ)[1]。

2.2 基于特征流量辨識(shí)的一次調(diào)頻性能優(yōu)化技術(shù)

常規(guī)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)被調(diào)量為機(jī)組功率,但是機(jī)組功率波動(dòng)次數(shù)較多,一次調(diào)頻為跟蹤負(fù)荷造成機(jī)組閥門擺動(dòng),而且不利于調(diào)整幅度的偏差β3指標(biāo)調(diào)整。高壓缸通流量能直接代表機(jī)組負(fù)荷[7](非供熱季),且較為穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生突變,所以采用高壓缸通流量作為一次調(diào)頻的輔助調(diào)節(jié)手段,與機(jī)組功率信號(hào)相結(jié)合,提升機(jī)組一次調(diào)頻負(fù)荷控制精度,特別是在機(jī)組協(xié)調(diào)控制功能無法投入狀況下,起到重要作用。

2.3 機(jī)組一次調(diào)頻控制回路優(yōu)化

1)主汽壓力保護(hù)控制回路影響一次調(diào)頻調(diào)節(jié)效果。在機(jī)組協(xié)調(diào)控制投入效果不佳狀況下,主汽壓力波動(dòng)較大,當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí),如主汽壓力波動(dòng)超越主汽壓力保護(hù)控制回路的死區(qū),造成汽機(jī)主控指令與一次調(diào)頻動(dòng)作方向相反,從而造成了一次調(diào)頻反應(yīng)緩慢,甚至反調(diào)[8]。

優(yōu)化方法:一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)將主汽壓力保護(hù)控制回路閉鎖,防止汽機(jī)主控反調(diào)。

2)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system, CCS)與汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(digital electronic hydraulic, DEH)指令疊加影響。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí),DEH側(cè)一次調(diào)頻指令直接作用在閥位總指令上,同時(shí)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)頻指令也會(huì)通過汽機(jī)主控進(jìn)行輸出,如汽機(jī)主控的PID參數(shù)設(shè)置過強(qiáng),則會(huì)造成一次調(diào)頻大幅超調(diào),甚至振蕩。

優(yōu)化辦法:適當(dāng)降低汽機(jī)主控PID的參數(shù)強(qiáng)度,或者在汽機(jī)主控被調(diào)量機(jī)組功率增加1～2 s的延遲濾波。

3)一次調(diào)頻控制回路運(yùn)算次序和運(yùn)算周期的影響。一次調(diào)頻控制回路屬于快速調(diào)節(jié)回路,如在DEH一次調(diào)頻控制回路中不注意運(yùn)算次序和運(yùn)算周期的問題,則會(huì)造成調(diào)節(jié)延遲,造成一次調(diào)頻指令輸出較慢,從而造成調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)較慢[9]。

優(yōu)化辦法:在停機(jī)檢修期間,修改一次調(diào)頻控制回路的運(yùn)算次序和運(yùn)算周期調(diào)整到50 ms。

2.4 全模式控制策略

針對(duì)機(jī)組狀況自動(dòng)切換相應(yīng)的控制策略,在機(jī)組全模式(CCS(協(xié)調(diào)控制方式)、TF(機(jī)跟隨方式)、BF(爐跟隨方式)、MAN(手動(dòng)方式)、MWI(功率回路投入方式))下,一次調(diào)頻性能都能得到保證。機(jī)組控制邏輯如圖1所示。

圖1 機(jī)組控制邏輯

1)網(wǎng)頻動(dòng)態(tài)調(diào)整方法。機(jī)組在CCS模式下,一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí),機(jī)組在前15 s內(nèi)的負(fù)荷調(diào)整幅度取決于DEH調(diào)頻量,但如DEH調(diào)頻參數(shù)設(shè)置不當(dāng),會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷超調(diào)量大,或者調(diào)整幅度不夠的狀況。而網(wǎng)頻動(dòng)態(tài)調(diào)整方法,利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析網(wǎng)頻變化,總結(jié)出網(wǎng)頻超越死區(qū)(50±0.033) Hz時(shí)網(wǎng)頻變化斜率規(guī)律,確定網(wǎng)頻變化斜率的門檻值,以當(dāng)前網(wǎng)頻變化斜率是否超越門檻值為依據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整DEH調(diào)頻參數(shù),如網(wǎng)頻變化斜率較大(超過門檻值),則DEH調(diào)頻參數(shù)應(yīng)適當(dāng)放大;反之,則應(yīng)縮小。機(jī)組在CCS模式下采用網(wǎng)頻動(dòng)態(tài)調(diào)整方法,動(dòng)態(tài)調(diào)整一次調(diào)頻DEH參數(shù),避免出現(xiàn)負(fù)荷超調(diào)量大或者調(diào)整幅度不夠的情況,提升了機(jī)組一次調(diào)頻性能[10]。

2)負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)整方法。在非CCS模式下,機(jī)組負(fù)荷控制處于開環(huán)調(diào)節(jié),通常把DEH調(diào)頻參數(shù)設(shè)置過大,使調(diào)頻負(fù)荷超調(diào);但會(huì)出現(xiàn)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)主汽壓波動(dòng)過大的現(xiàn)象,機(jī)組穩(wěn)定性變差。而采用負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)整方法,建立機(jī)組主汽壓、閥門開度和負(fù)荷的三維度模型,動(dòng)態(tài)調(diào)整DEH調(diào)頻量。當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí),根據(jù)一次調(diào)頻理論調(diào)節(jié)負(fù)荷和當(dāng)前主汽壓力,反推需增加或減小的閥門開度,據(jù)此計(jì)算出DEH調(diào)頻參數(shù),實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻負(fù)荷的精準(zhǔn)控制,從而滿足一次調(diào)頻考核,不會(huì)出現(xiàn)大幅超調(diào)的現(xiàn)象。

2.5 汽輪機(jī)閥門流量特性曲線優(yōu)化

開展汽輪機(jī)閥門流量特性曲線試驗(yàn),優(yōu)化高壓調(diào)節(jié)閥流量特性,調(diào)整重疊度等參數(shù),使得負(fù)荷控制精度提高、閥門動(dòng)作無大波動(dòng)[11],實(shí)現(xiàn)負(fù)荷控制的線性化,提高一次調(diào)頻性能。

3 應(yīng)用效果

東北區(qū)域某200 MW機(jī)組一次調(diào)頻性能較差,一次調(diào)頻考核較多,自2023年5月開始,對(duì)某機(jī)組進(jìn)行了一次調(diào)頻信號(hào)源、閥門流量特性曲線及控制策略等方面優(yōu)化后,機(jī)組一次調(diào)頻各項(xiàng)考核指標(biāo)均已合格,滿足了一次調(diào)頻考核要求,實(shí)現(xiàn)免考試,提升了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。閥門流量特性曲線優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖2,優(yōu)化前后考核指標(biāo)見表1。

表1 優(yōu)化前后一次調(diào)頻考核指標(biāo)

圖2 汽輪機(jī)閥門特性優(yōu)化前后對(duì)比圖

4 結(jié) 語

以200 MW機(jī)組為例進(jìn)行分析,在不同運(yùn)行模式下,從頻率檢測(cè)和控制策略兩方面,優(yōu)化提升一次調(diào)頻性能,解決困擾機(jī)組運(yùn)行的一次調(diào)頻考核問題。無論從提升機(jī)組安全運(yùn)行和電網(wǎng)頻率穩(wěn)定角度,還是從機(jī)組“兩個(gè)細(xì)則”考核效益出發(fā),都具有重要意義。可為其他火電機(jī)組一次調(diào)頻優(yōu)化提供解決方案。