2×300 MW燃煤發(fā)電機組一次調(diào)頻的優(yōu)化控制

侯春生,黃 皓,黃 勇,李金朋,黃思奧

(重慶開州發(fā)電有限公司,重慶 405400)

0 引言

當(dāng)前,我國仍然是以火力發(fā)電量為主,火力發(fā)電量占總發(fā)電量的70%左右[1]?；鹆Πl(fā)電廠機組一次調(diào)頻的能力是電網(wǎng)公司考核的重要指標,一次調(diào)頻的性能制約著電能質(zhì)量及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性[2-3]。隨著風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電的不斷發(fā)展,此類發(fā)電方式的功率波動具有隨機性和不確定性的特點[4],導(dǎo)致電網(wǎng)頻率存在較大偏差[5]。為了維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定,電網(wǎng)對火力發(fā)電企業(yè)一次調(diào)頻能力提出了更高的要求[6]。

由于該公司兩臺機組一次調(diào)頻合格率均在75%以下,一次調(diào)頻性能不能滿足電網(wǎng)公司“華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則(2019模擬運行版)”簡稱“兩項細則”中關(guān)于一次調(diào)頻的考核細則要求。因此,文中通過闡述并分析“兩項細則”考核內(nèi)容,結(jié)合機組的一次調(diào)頻控制邏輯、運行方式、調(diào)節(jié)閥特性曲線及滑壓參數(shù)等方面進行分析和優(yōu)化,在保證機組安全穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上將一次調(diào)頻合格率提高到了90%以上。

1 機組原一次調(diào)頻設(shè)計及問題

該公司2臺機組額定容量為300 MW,亞臨界中儲式汽包爐,鍋爐設(shè)計四角切圓燃燒方式,額定壓力為16.7 MPa,DCS控制系統(tǒng)采用TXP控制系統(tǒng),DEH控制系統(tǒng)為XDPS系統(tǒng)DEH-V,汽輪機進汽方式為順序閥運行方式(即CV1、CV2-CV3-CV4),機組正常運行負荷范圍為150～300 MW,深度調(diào)峰不投油最低穩(wěn)燃負荷為100 MW,其滑壓曲線如圖1所示。

圖1 機組滑壓曲線

1.1 參數(shù)設(shè)置及控制邏輯回路

機組原一次調(diào)頻設(shè)計參數(shù)為:死區(qū)0.033 Hz(2 rpm);速度變動率5%;限幅±8%,即±24 MW。原調(diào)頻控制回路邏輯中,一次調(diào)頻投入信號為機組實際負荷大于30 MW。機組調(diào)頻動作判斷為實際負荷大于150 MW且轉(zhuǎn)速大于3 002 rpm或小于2 998 rpm。

一次調(diào)頻控制采用DCS+DEH控制方式。DCS側(cè)判斷的調(diào)頻轉(zhuǎn)速為DCS系統(tǒng)I/O卡采集轉(zhuǎn)速,DEH側(cè)判斷的調(diào)頻轉(zhuǎn)速為DEH轉(zhuǎn)速卡測量轉(zhuǎn)速。原DEH一次調(diào)頻指令是通過5%不等率計算得出,疊加到DEH側(cè)功率控制PID前。原DCS側(cè)調(diào)頻指令是通過轉(zhuǎn)速對應(yīng)的負荷關(guān)系產(chǎn)生調(diào)頻指令直接送入汽機主控PID前設(shè)定值疊加,進行調(diào)頻負荷響應(yīng),同時在鍋爐主控負荷指令前饋中引用調(diào)頻疊加后的負荷指令,保證在調(diào)頻動作時,鍋爐能夠迅速做出燃燒調(diào)整。

1.2 存在的問題

由于轉(zhuǎn)速測量的精度,控制系統(tǒng)的掃描周期不同,導(dǎo)致判斷調(diào)頻動作時DCS與DEH不同步。機組采用協(xié)調(diào)運行方式運行,由于DCS側(cè)的轉(zhuǎn)速測量與實際的網(wǎng)頻存在較大偏差,導(dǎo)致機組在協(xié)調(diào)狀態(tài)下,機組實際一次調(diào)頻動作時間與電網(wǎng)頻率相差10 s以上,影響一次調(diào)頻響應(yīng)行為[6]。根據(jù)兩項細則規(guī)定,機組實際負荷小于46% BMCR,一次調(diào)頻性能可免考核,原有判斷調(diào)頻動作邏輯中實際負荷小于150 MW才進行調(diào)頻動作,導(dǎo)致低負荷時段,低頻響應(yīng)行為被考核的情況經(jīng)常發(fā)生。

原有控制回路中無論是協(xié)調(diào)模式還是DEH功率控制模式、DEH閥控模式,均無調(diào)頻快動回路設(shè)計,無法快速響應(yīng)調(diào)頻動作。原鍋爐主控中負荷指令采用疊加調(diào)頻后的指令,由于一次調(diào)頻動作特性為變化幅度較小、頻次較高的隨機變量,要求機組在10 s以內(nèi)快速動作,動作持續(xù)最長時間為1 min,鍋爐燃料量變化經(jīng)常受調(diào)頻動作的影響而變化,導(dǎo)致主蒸汽壓力控制不穩(wěn)定。同時,原一次調(diào)頻控制方案中,在機組閥控運行模式下沒有設(shè)置一次調(diào)頻動作回路。基于上述問題,該發(fā)電企業(yè)提出了一次調(diào)頻優(yōu)化控制方案。

2 一次調(diào)頻控制優(yōu)化方案

2.1 DEH、DCS側(cè)調(diào)頻動作同步優(yōu)化

DEH與DCS采用同一轉(zhuǎn)速偏差信號,保證DEH、DCS一次調(diào)頻動作具有同步性,在DEH側(cè)形成轉(zhuǎn)速偏差(實際轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速),通過4～20 mA硬接線接入DCS中。

2.2 一次調(diào)頻動作判斷與指令控制回路設(shè)計

統(tǒng)一DEH、DCS側(cè)一次調(diào)頻動作判斷和指令控制邏輯,將調(diào)頻判斷和指令的邏輯在DEH側(cè)形成后,通過硬接線方式接入DCS側(cè)。

2.2.1 一次調(diào)頻動作判斷邏輯

該邏輯包括一次調(diào)頻投入、一次調(diào)頻動作判斷。一次調(diào)頻投入條件為發(fā)電機并網(wǎng),且實際有功功率大于30 MW。一次調(diào)頻動作條件為一次調(diào)頻投入且轉(zhuǎn)速偏差絕對值大于2 rpm(死區(qū))。

2.2.2 一次調(diào)頻指令邏輯設(shè)計

調(diào)頻負荷指令形成回路:通過轉(zhuǎn)速不等率計算出不同轉(zhuǎn)差下對應(yīng)的調(diào)頻負荷修正量的FX函數(shù)關(guān)系式,將調(diào)頻負荷指令送入DEH功率控制PID前,和協(xié)調(diào)控制中汽機主控PID前作為設(shè)定值,進行閉環(huán)調(diào)節(jié)[7]。同時,在鍋爐主控中加入帶弱化和死區(qū)的調(diào)頻負荷指令修正函數(shù),保證機組在小范圍內(nèi)的調(diào)頻動作時,鍋爐燃燒穩(wěn)定,當(dāng)出現(xiàn)大的調(diào)頻動作時(調(diào)頻負荷變化超過10 MW),對鍋爐進行燃燒響應(yīng)。

調(diào)頻負荷指令限制回路:為了機組在較低負荷時不受調(diào)頻減負荷方向的影響;在滿負荷運行時,不受調(diào)頻加負荷方向的影響,保證機組安全穩(wěn)定運行設(shè)置調(diào)頻負荷指令限制回路[8]。當(dāng)實際負荷小于等于46% BMCR時,出現(xiàn)調(diào)頻動作,只允許低頻動作加負荷;當(dāng)實際負荷大于138 MW小于150 MW時,如果出現(xiàn)高頻動作減負荷時,最大只允許減負荷到138 MW;當(dāng)實際負荷大于等于300 MW,出現(xiàn)低頻動作加負荷時,最大允許加負荷到104% BMCR(即312 MW),需要根據(jù)機組實際出力情況來判斷,原則上是不低于103% BMCR)。

調(diào)頻流量(閥位)指令形成回路:根據(jù)汽輪機負荷與對應(yīng)流量的關(guān)系,將調(diào)頻負荷指令通過此函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化成調(diào)頻流量(閥位)指令。將形成的調(diào)頻流量(閥位)指令疊加到DEH總閥位指令輸出,作為快速響應(yīng)調(diào)頻動作前饋值[9-10]。機組無論在協(xié)調(diào)模式下還是DEH控制模式下的調(diào)頻流量指令只疊加在DEH控制回路中,DCS側(cè)汽輪機主控調(diào)節(jié)不設(shè)置調(diào)頻前饋疊加。 “快動”是一次調(diào)頻動作的首要法則,所以調(diào)頻流量(閥位)指令疊加的位置是保證機組調(diào)頻動作響應(yīng)正常的主要因素。

設(shè)置調(diào)頻快動慢回控制回路:當(dāng)出現(xiàn)調(diào)頻動作時,調(diào)頻作用以較快的方式開始,隨著頻率進入死區(qū),調(diào)頻動作結(jié)束前,調(diào)頻作用以較慢的速率恢復(fù),從而提供更多的調(diào)頻電量,減緩調(diào)門的振蕩。

設(shè)置調(diào)頻流量(閥位)指令修正回路:針對機組不同負荷階段和不同的主蒸汽壓力,設(shè)計了不同的調(diào)頻流量(閥位)指令修正函數(shù)。同時,針對不同控制方式(協(xié)調(diào)控制、功率控制、閥位控制)以及汽輪機調(diào)節(jié)閥進汽的方式不同(單閥或順序閥方式),分別設(shè)計了不同的調(diào)頻流量(閥位)修正函數(shù)。

由于汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥自身特性與主蒸汽壓力不匹配等因素影響,設(shè)計了一次調(diào)頻高頻動作和低頻動作不同的調(diào)頻流量(閥位)修正函數(shù)。通過設(shè)置不同的調(diào)頻流量(閥位)指令修正回路,使得整個一次調(diào)頻前饋控制策略由原來單一的一個增益函數(shù),變成了各種工況下的函數(shù)組合,系統(tǒng)調(diào)試更加方便有效,機組工況適應(yīng)性大大增強,調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性也大大提高[11]。

2.3 一次調(diào)頻動作輔助功能回路設(shè)計

2.3.1 設(shè)置AGC及DEH功率控制閉鎖功能

機組正常運行時,AGC和一次調(diào)頻功能投入,機組同時接收AGC和一次調(diào)頻指令,經(jīng)常發(fā)生AGC指令動作與一次調(diào)頻動作相反的情況,特別是AGC指令剛剛發(fā)出后,汽輪機PID閉環(huán)響應(yīng)剛開始動作,此時一次調(diào)頻要求反向動作。由于AGC閉環(huán)及一次調(diào)頻功能指令的疊加,機組考核的負荷量時常出現(xiàn)不達標的情況。試驗工況時,一般是在解除AGC工況下進行,為保證機組運行的穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)參數(shù)一般按照剛好能滿足技術(shù)規(guī)范的要求進行設(shè)置和調(diào)試,試驗指標往往能夠合格,但機組在實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)被考核?；诖?仔細分析考核辦法及機組一次調(diào)頻動作情況后,采取了在AGC指令動作過程中,如果發(fā)生一次調(diào)頻動作的方向與AGC指令變化方向相反,則將協(xié)調(diào)控制中變負荷速率置為“0”,當(dāng)一次調(diào)頻動作結(jié)束后,變負荷速率恢復(fù)。該方案有效地解決了AGC指令與一次調(diào)頻指令優(yōu)先性的問題,降低了機組響應(yīng)行為的考核。

2.3.2 主蒸汽壓力偏差對汽輪機主控的修正

機組在協(xié)調(diào)方式運行中,為避免主蒸汽壓力波動過大,汽輪機主控回路中采用了主蒸汽壓力偏差信號的函數(shù)修正作為控制回路設(shè)定值的前饋信號,當(dāng)主蒸汽壓力偏差較大時,為了避免汽輪機主控對主蒸汽壓力的影響,會疊加一個主蒸汽壓力偏差函數(shù)的一個負荷分量,該功能在一次調(diào)頻功能動作時,時常因為主蒸汽壓力偏差大,造成功率回路出現(xiàn)反調(diào)的現(xiàn)象[9]。為了避免此現(xiàn)象,設(shè)計了一次調(diào)頻動作時,如果主蒸汽壓力偏差修正量出現(xiàn)與一次調(diào)頻動作方向相反,則閉鎖汽機主控壓力修正環(huán)節(jié)中的負荷分量,減少機組主蒸汽壓力偏差引起的反調(diào)。

2.4 順序閥模式下調(diào)節(jié)閥重疊度的優(yōu)化

高壓閥門的流量特性是調(diào)節(jié)閥開度與通過調(diào)節(jié)閥的蒸汽流量的對應(yīng)關(guān)系,如果汽輪機調(diào)節(jié)閥流量特性曲線與實際流過調(diào)節(jié)閥的流量特性相差較大,在機組變負荷和一次調(diào)頻動作時,會出現(xiàn)負荷突變和調(diào)節(jié)緩慢的問題,影響機組的安全性以及變負荷能力[12]。

該公司2臺機組采用順序閥進汽方式,高壓調(diào)節(jié)閥CV1、CV2均全開,高壓調(diào)節(jié)閥CV4處于備用狀態(tài),高壓調(diào)節(jié)閥CV3作為主要調(diào)整負荷的手段,閥門特性曲線如圖2所示。若CV3調(diào)節(jié)閥處于流量特性較差的區(qū)間,則會使一次調(diào)頻貢獻度不足,造成考核。

圖2 調(diào)節(jié)閥特性曲線

從圖2可以看出:當(dāng)總閥位指令處于70%左右時,CV3調(diào)節(jié)閥的開度為9%,接近拐點處,此拐點處以上至調(diào)門開度40%,是負荷響應(yīng)比較明顯的范圍,40%開度以上為負荷響應(yīng)特別不明顯的范圍; CV1和CV2開度為69%,也接近拐點處,此拐點處以上調(diào)門開度為負荷響應(yīng)特別不明顯范圍;CV4調(diào)門處于備用狀態(tài)。

通過實際負荷響應(yīng)發(fā)現(xiàn):CV1和CV2調(diào)節(jié)閥開度高于60%,負荷響應(yīng)不明顯,CV3調(diào)節(jié)閥開度低于10%,負荷響應(yīng)不明顯,在15%～30%開度負荷響應(yīng)特別明顯,超過35%以上時,負荷響應(yīng)不明顯。從實際負荷響應(yīng)和閥門曲線設(shè)置上可以看出,CV1和CV2調(diào)節(jié)閥曲線設(shè)置與實際流量特性情況匹配。 但從曲線函數(shù)上看:CV3調(diào)節(jié)閥在0～10%時,是負荷響應(yīng)較好范圍,但是從實際負荷響應(yīng)情況來看,CV3調(diào)節(jié)閥在此范圍對負荷響應(yīng)并不明顯。因此,可以判斷CV3調(diào)節(jié)閥在10%以下開度時的實際流量特性與設(shè)置的曲線不吻合。

綜上,在機組150 MW負荷以下運行時,CV3調(diào)節(jié)閥開度長時間位于7%左右,一次調(diào)頻考核較為嚴重。根據(jù)此情況,提出在低負荷運行時,通過降低滑壓設(shè)定值的方式,讓主蒸汽壓力降低,促使CV3調(diào)節(jié)閥開至15%左右。優(yōu)化后,機組在低負荷運行時,一次調(diào)頻貢獻電量明顯增加,提升了一次調(diào)頻的合格率。

通過一次調(diào)頻試驗,結(jié)合電網(wǎng)公司的考核數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),當(dāng)機組負荷在200 MW以上時,一次調(diào)頻響應(yīng)不明顯。通過圖2與機組實際運行情況對比分析,機組負荷在200 MW時,CV3調(diào)節(jié)閥開度處于40%,進入調(diào)門變化對負荷響應(yīng)特別不明顯范圍,此時CV4調(diào)節(jié)閥開度還處于0%,當(dāng)CV4調(diào)節(jié)閥開啟后,負荷響應(yīng)較為迅速。因此,可以判斷:在機組負荷200 MW以上時,由于CV3、CV4調(diào)節(jié)閥的重疊度過大,導(dǎo)致負荷變化緩慢。此時,若通過降低主蒸汽壓力的方式,讓CV4調(diào)節(jié)閥開啟來保證一次調(diào)頻貢獻度,機組的經(jīng)濟性能將大幅降低,能耗會增加。從圖2分析可知:總閥位指令位于84.5%時CV3調(diào)節(jié)閥開度40%,CV4調(diào)節(jié)閥在開啟初始點,此時由于CV3調(diào)節(jié)閥已經(jīng)處于負荷響應(yīng)不明顯范圍,所以必須將CV4調(diào)門開度提前。因此,提出對CV3、CV4調(diào)節(jié)閥的重疊度進行修改,修改后的調(diào)節(jié)閥特性曲線如圖3所示。

圖3 修改后的調(diào)節(jié)閥特性曲線

通過圖3分析可知:CV3、CV4調(diào)節(jié)閥的重疊度修改后,總閥位指令位于79.2%時,CV3調(diào)節(jié)閥開度處于26.7%左右,負荷變化響應(yīng)比較明顯,此時CV4調(diào)節(jié)閥處于開啟初始點,CV3、CV4調(diào)節(jié)閥的重疊度減小。

如果過度的減小重疊度,則會引起機組負荷的振蕩,危及機組安全運行[13]。通過負荷擾動試驗、閥門切換試驗,修改重疊度后的CV3、CV4調(diào)節(jié)閥在切換閥的過程中負荷、壓力變化平穩(wěn),沒有出現(xiàn)明顯波動。并且在機組200MW負荷以上,一次調(diào)頻動作時,有CV4調(diào)節(jié)閥的提前介入,調(diào)頻負荷響應(yīng)明顯,貢獻電量增加,一次調(diào)頻動作滿足要求。

修改CV3、CV4調(diào)節(jié)閥重疊度的同時,對CV4調(diào)節(jié)閥開度在18%～30%范圍進行平滑優(yōu)化。在機組高負荷階段或主蒸汽壓力變化較慢時,CV1、CV2、CV3調(diào)節(jié)閥全開狀態(tài)下,能夠保證負荷變化響應(yīng)明顯,既能滿足一次調(diào)頻貢獻電量,又能保證機組平穩(wěn)過渡到額定參數(shù)運行狀態(tài)。

3 一次調(diào)頻優(yōu)化結(jié)果

由于重慶電網(wǎng)屬于小網(wǎng),川、渝、鄂背靠背運行后,電網(wǎng)頻率波動更加頻繁、波動幅度更大,一次調(diào)頻動作次數(shù)及幅度都大幅度增加。經(jīng)統(tǒng)計,一次調(diào)頻每天平均動作至少超過100次,最高能達到600～1 000次,調(diào)頻壓力非常大。在此次一次調(diào)頻優(yōu)化前,該公司一次調(diào)頻月合格率只有75%左右,遠低于電網(wǎng)公司要求的90%/月的合格率,每個月因一次調(diào)頻考核的電量嚴重影響到該公司的實際發(fā)電量。

經(jīng)過此次對一次調(diào)頻的優(yōu)化后,該公司一次調(diào)頻動作合格率能達到95%以上,按照電網(wǎng)公司新版“兩項細則”考核辦法規(guī)定,月合格率超過90%可免于考核。因此,此次一次調(diào)頻優(yōu)化結(jié)果給該公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益,同時保證了機組高壓調(diào)節(jié)閥動作、主蒸汽壓力等參數(shù)的穩(wěn)定性,保證了機組在46%～100% BMCR調(diào)頻范圍內(nèi)的可靠性。

4 結(jié)語

通過采取DEH和DCS側(cè)調(diào)頻動作同步優(yōu)化、一次調(diào)頻動作判斷與指令控制回路設(shè)計、一次調(diào)頻動作輔助功能回路設(shè)計、順序閥模式下調(diào)節(jié)閥重疊度的優(yōu)化方案后,得到如下結(jié)論:

(1)一次調(diào)頻合格率由75%左右提升至95%以上;

(2)機組在46%～100% BMCR調(diào)頻范圍內(nèi)可靠性提高;

(3)調(diào)節(jié)閥的實際流量特性與設(shè)計曲線在一定范圍內(nèi)不匹配,在某一負荷階段機組不能在額定參數(shù)下運行,導(dǎo)致機組能效降低,在協(xié)調(diào)控制模式、變負荷過程中,主蒸汽壓力控制超過規(guī)定要求,調(diào)節(jié)閥大范圍的動作使其處于非有效行程范圍內(nèi),導(dǎo)致一次調(diào)頻、AGC不滿足要求,針對此問題,后續(xù)將進一步進行優(yōu)化,使機組一次調(diào)頻合格率達到更高水平。