M701F4 重型燃機(jī)負(fù)荷控制模式淺析

唐寶華 席建忠

(杭州華電江東熱電有限公司)

0 引言

M701F4 重型燃機(jī)主要通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)組的燃料給定(CSO) 來(lái)改變機(jī)組的負(fù)荷, 其調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由一個(gè)通過(guò)最小門選擇的多個(gè)控制回路組成。這些控制回路的輸出經(jīng)小選后再與最小CSO 大選作為機(jī)組的主控輸出。GVCSO 和LDCSO 分別為機(jī)組的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制回路的輸出指令, 運(yùn)行人員可選擇機(jī)組投入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(GOVERNOR)或負(fù)荷調(diào)節(jié)(LOAD LIMIT) 模式。選擇一個(gè)模式時(shí), 另一個(gè)模式會(huì)自動(dòng)退出控制并加上一個(gè)偏置后作為備用,這樣可使機(jī)組在電網(wǎng)頻率突升時(shí)快速降低燃料供應(yīng)防止轉(zhuǎn)速飛升, 而在電網(wǎng)頻率突降時(shí)不會(huì)增加燃料過(guò)快而導(dǎo)致機(jī)組熱通道溫度變化過(guò)大造成損壞。

1 負(fù)荷自動(dòng)控制(ALR CONTROL)

1.1 系統(tǒng)概述

M701F4 重型燃機(jī)為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的自動(dòng)控制,設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)負(fù)荷控制回路(ALR CONTROL) 來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的自動(dòng)增減。這是一個(gè)閉環(huán)的無(wú)差調(diào)節(jié)回路,它位于負(fù)荷控制和轉(zhuǎn)速控制回路的上層, 負(fù)責(zé)將機(jī)組的負(fù)荷指令(ALR SET) 自動(dòng)傳送到轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制回路中以實(shí)現(xiàn)控制, 這個(gè)回路可由運(yùn)行人員手動(dòng)投切。機(jī)組投入負(fù)荷自動(dòng)控制(ALR ON) 時(shí), 自動(dòng)負(fù)荷控制回路的負(fù)荷指令將送到轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制回路中參與控制, 退出負(fù)荷自動(dòng)控制(ALR OFF) 時(shí), 機(jī)組根據(jù)操作員設(shè)定的負(fù)荷指令進(jìn)行GVCSO 和LDCSO 計(jì)算。實(shí)際上機(jī)組并網(wǎng)后可有4 種負(fù)荷控制模式: 投入負(fù)荷自動(dòng)控制的負(fù)荷調(diào)節(jié)模式(ALR ON & LOAD LIMIT)、投入負(fù)荷自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式(ALR ON&GOVERNOR)、退出負(fù)荷自動(dòng)控制的負(fù)荷調(diào)節(jié)模式(ALR OFF & LOAD LIMIT)和退出負(fù)荷自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式(ALR OFF &GOVERNOR)。負(fù)荷自動(dòng)控制邏輯簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 燃機(jī)負(fù)荷自動(dòng)控制原理

1.2 AGC 與一次調(diào)頻

從圖1 中可以看出, 負(fù)荷指令(ALR SET) 在送給轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制回路前, 還疊加了一個(gè)被限速的頻率偏差值(AGC SET FREQUENCY BIAS) 函數(shù), 頻率偏差值計(jì)算公式為(GT SPEED/60 -50)*60。在轉(zhuǎn)速控制回路中, 機(jī)組轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速給定值的差值直接進(jìn)入純比例環(huán)節(jié)計(jì)算后即得到GVCSO 值, 進(jìn)而控制燃料調(diào)節(jié)閥動(dòng)作, 中間沒(méi)有死區(qū)限幅限速等環(huán)節(jié), 因此其調(diào)節(jié)速度非?？? 基本可在機(jī)組TCS 控制系統(tǒng)的1 個(gè)運(yùn)算周期(50ms) 之內(nèi)完成, 這類似于常規(guī)汽輪機(jī)的DEH 側(cè)一次調(diào)頻。相對(duì)而言, 自動(dòng)負(fù)荷控制回路中的頻差在加到功率給定上后, 需經(jīng)一個(gè)限速環(huán)節(jié)按照一定的速率改變機(jī)組的功率或轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)設(shè)定值,因此, 其一次調(diào)頻的響應(yīng)速度就會(huì)慢很多, 這類似于常規(guī)汽輪機(jī)的CCS 側(cè)一次調(diào)頻。

另外, 機(jī)組投入AGC 時(shí)也是將AGC 指令送到自動(dòng)負(fù)荷控制回路中并通過(guò)該回路進(jìn)入轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制回路, 換言之, 機(jī)組AGC 投入時(shí)必須投入自動(dòng)負(fù)荷控制回路。綜上所述, 機(jī)組在三種模式下都具有一次調(diào)頻的功能, 分別是投入自動(dòng)負(fù)荷控制的負(fù)荷調(diào)節(jié)模式、投入自動(dòng)負(fù)荷控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式和退出自動(dòng)負(fù)荷控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式, 這三種模式的調(diào)頻功能會(huì)在轉(zhuǎn)速控制和負(fù)荷控制里面具體分析。

2 轉(zhuǎn)速控制(GVCSO)

2.1 轉(zhuǎn)速控制模式介紹

當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速控制模式時(shí), 負(fù)荷控制模式會(huì)自動(dòng)退出并加上一個(gè)5%的偏置作為備用。轉(zhuǎn)速控制方式表面上看是以增減燃機(jī)轉(zhuǎn)速為目的來(lái)控燃料量的增減,但是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行, 燃機(jī)轉(zhuǎn)速在燃料投入量適當(dāng)增減時(shí)不會(huì)變化, 而燃料增減時(shí)會(huì)直接改變?nèi)紮C(jī)輸出功率, 進(jìn)而達(dá)到了調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出功率的目的。比如當(dāng)AGC 負(fù)荷指令大于發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)出的功率時(shí),ALR 接受到AGC 指令后比較判斷出AGC 指令大于實(shí)際功率, ALR 就會(huì)發(fā)出升負(fù)荷指令, 轉(zhuǎn)速控制模塊就會(huì)將升負(fù)荷指令轉(zhuǎn)變?yōu)樯D(zhuǎn)速指令, 增加燃料量, 但機(jī)組轉(zhuǎn)速受限于電力系統(tǒng)固有頻率而不會(huì)輕易改變,所以GVCSO 開始變大, 控制燃料投入量增加, 最終增加了發(fā)電機(jī)的輸出功率。當(dāng)輸出功率等于AGC 指令時(shí),ALR 發(fā)出負(fù)荷保持指令, 轉(zhuǎn)速控制模塊維持燃料量不變, 至此升負(fù)荷過(guò)程結(jié)束。在升負(fù)荷過(guò)程中如果燃機(jī)轉(zhuǎn)速確實(shí)有增長(zhǎng), 則GVCSO 控制燃料量的增加速率會(huì)馬上減小, 從而保證了升負(fù)荷過(guò)程中燃機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定, 這也就是轉(zhuǎn)速控制的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)速控制策略圖如圖2 所示:

圖2 轉(zhuǎn)速控制策略框圖

從圖2 可以看出, 當(dāng)SAUTO=0 時(shí), 轉(zhuǎn)速設(shè)定值由運(yùn)行人員設(shè)定, 此時(shí)機(jī)組具有一次調(diào)頻功能; 當(dāng)SAUTO=1&GVMD=1 時(shí), 負(fù)荷自動(dòng)回路會(huì)把負(fù)荷設(shè)定值A(chǔ)LR SET 和實(shí)測(cè)負(fù)荷的偏差轉(zhuǎn)換成增減轉(zhuǎn)速設(shè)定值的指令, 機(jī)組也具備一次調(diào)頻功能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是以轉(zhuǎn)速設(shè)定值SPREF 與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速SPEED 的差值Δn作為調(diào)節(jié)信號(hào), 來(lái)改變?nèi)剂祥y的開度, 從而控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速, 它是一個(gè)純比例環(huán)節(jié), 只要轉(zhuǎn)速偏離給定值(Δn≠0), 調(diào)節(jié)系統(tǒng)立即響應(yīng)直到Δn =0, 調(diào)節(jié)過(guò)程才結(jié)束。此種調(diào)節(jié)方式響應(yīng)快, 并且具有很強(qiáng)的抗內(nèi)擾能力, 但精度不高, 且容易產(chǎn)生振蕩。轉(zhuǎn)速控制GVCSO 的計(jì)算公式為:

(1) GVCSO=(SPREF-SPEED/30)*GV GAIN+NO LOAD CSO

(2) 其中: SPREF = SPSET +100, 正常情況下SPSET 的范圍為( -4, 6), 做超速試驗(yàn)時(shí)SPSET 的范圍為( -4, 12);

(3) GV GAIN 為調(diào)速器增益, 在假設(shè)燃料全部為氣體的情況下, 滿載時(shí)燃料輸出指令為80%、空載燃料指令為24%, 不等率為5%, 其計(jì)算公式為GV GAIN=(80% -24%)/5=11.2%, 燃油工況下, 滿載時(shí)燃料輸出指令為84.6%、空載燃料指令為27.2%, GV GAIN=(84.6% -27.2%)/5 =11.48%。

(4) NO LOAD CSO 為燃?xì)廨啓C(jī)的空載燃料信號(hào),燃?xì)夤r時(shí)設(shè)定值為24%, 燃油工況時(shí)設(shè)定為27.2%。

2.2 正常啟動(dòng)各階段GVCSO 的變化

正常啟動(dòng)包括LDON (點(diǎn)火升速)、MD2 (全速空載)、MD3 (并網(wǎng)帶負(fù)荷), 下面我們分析各個(gè)階段GVCSO 的變化。

(1) 在LDON 為零時(shí), 跟蹤信號(hào)Ts 為1, SPSET=0.266, 所 以SPREF = (100 + 0.266) *30, 約 為3008rpm。SPSET 加上100 后為100.266, 減去實(shí)際轉(zhuǎn)速百分比得到偏差值INPUT, 對(duì)該偏差進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。在此期間, GVCSO 的大小會(huì)由100%慢慢降為24%。

(2) 在MD2 時(shí), 跟蹤信號(hào)Ts 為0。此時(shí)操作員使同期裝置投入自動(dòng), 自動(dòng)同期裝置則會(huì)根據(jù)同步并網(wǎng)的要求分別產(chǎn)生SPEED UP 和SPEED DOWN 的信號(hào), 使SPSET (轉(zhuǎn)速設(shè)定值) 以一定的斜率增減, 從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率的匹配。

(3) MD3 時(shí), 并網(wǎng)后一個(gè)計(jì)算周期內(nèi), Ts 信號(hào)會(huì)跟蹤Tr 的值, 此時(shí)Tr 是在SPSET 的基礎(chǔ)上加0.1 的值,GVCSO 使機(jī)組升負(fù)荷至初始負(fù)荷21MW。一個(gè)計(jì)算周期后跟蹤信號(hào)為0, GVCSO 工作狀況則與MD2 時(shí)相同。

2.3 非正常工況下各階段GVCSO 的變化

以上分析了燃機(jī)正常啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速指令GVCSO 的變化情況, 下面再來(lái)分析非正常工況HOUSE LOAD、RUNBACK 時(shí)GVCSO 的變化。

(1) 當(dāng)GT HOUSE LOAD OPERATION (孤島運(yùn)行) 條件觸發(fā)時(shí), 燃機(jī)控制模式將由負(fù)荷控制切換至轉(zhuǎn)速控制。HOUSE LOAD 信號(hào)出現(xiàn)的同時(shí)會(huì)觸發(fā)GT LOAD RUN BACK (快速降負(fù)荷), LOAD RB (MOMENT) 信號(hào)讓轉(zhuǎn)速AM 模塊的跟蹤信號(hào)Ts 為1,HOUSE LOAD 信號(hào)則讓跟蹤值Tr 選擇為0.25 (計(jì)算公式為5.0/100.0 *GT SPEED REGULATION, GT SPEED REGULATION 為常數(shù)5.0), 兩者共同作用使GT SPSET 迅速減小為0.25, 而HOUSE LOAD 觸發(fā)時(shí)燃機(jī)轉(zhuǎn)速又會(huì)迅速升高, 這樣燃機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值與實(shí)際值之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的差值, 根據(jù)GVCSO 的計(jì)算公式可知, GVCSO 會(huì)急劇減小至MIN (CSO)19.2%以下。所以, 在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi), 當(dāng)CSO 的小選輸出值小于MIN (CSO) 時(shí), 燃機(jī)輸出CSO 將一直保持19.2%不變。隨著轉(zhuǎn)速的緩慢下降, GVCSO會(huì)不斷增大, 最終將會(huì)取代MIN (CSO) 成為主CSO輸出。

(2) 當(dāng)GT LOAD RUN BACK 信號(hào)觸發(fā)時(shí), 因受到LDCSO TRACKING COMMAND AVAILABLE (負(fù)荷控制的跟蹤信號(hào)) 限制(該信號(hào)始終為OFF), 所以RB 信號(hào)并不會(huì)讓轉(zhuǎn)速的AM 模塊跟蹤。

3 負(fù)荷控制(LDCSO)

當(dāng)選擇負(fù)荷控制模式時(shí), 轉(zhuǎn)速控制回路會(huì)自動(dòng)退出并加上一個(gè)5%的偏置作為備用。負(fù)荷控制方式為閉環(huán)無(wú)差調(diào)節(jié), 適用于帶負(fù)荷運(yùn)行工況下的負(fù)荷控制, 與轉(zhuǎn)速控制互斥, 其控制策略圖如下。

從圖3 可以看出, 當(dāng)LAUTO=0 時(shí), 功率設(shè)定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定, 此時(shí)機(jī)組沒(méi)有一次調(diào)頻功能, 當(dāng)LAUTO=1&&GVMD=0 時(shí), 負(fù)荷設(shè)定值LDREF 則是由自動(dòng)負(fù)荷回路ALR SET 的值經(jīng)限速后給定, 機(jī)組也具備一次調(diào)頻功能。負(fù)荷調(diào)節(jié)是以負(fù)荷設(shè)定值LDREF 與實(shí)測(cè)負(fù)荷LOAD 的差值Δn 作為調(diào)節(jié)信號(hào), 因?yàn)橐肓朔e分環(huán)節(jié), 所以負(fù)荷調(diào)節(jié)提高了系統(tǒng)的無(wú)差度, 但是響應(yīng)速度也會(huì)變慢。

燃機(jī)在升速階段且尚未并網(wǎng)時(shí), LDON 為0 時(shí), 負(fù)荷設(shè)定AM 模塊處于跟蹤模式, 此時(shí)LDSET=20MW, 負(fù)荷調(diào)節(jié)模塊PIQ 也處于跟蹤模式, LDCSO=60%, 所以其不可能通過(guò)最小選門。同步時(shí)LDSET 為下限值20MW(初始負(fù)荷), 等到GVCSO 使機(jī)組并網(wǎng)帶初負(fù)荷后,LDON 信號(hào)變?yōu)?, 此時(shí)燃機(jī)轉(zhuǎn)由LDCSO 進(jìn)行控制。

在負(fù)荷控制方式下若選擇ALR ON 模式時(shí), LDSET 會(huì)以20MW/min 的速率跟隨ALR SET 的值, 當(dāng)ALR SET 與LDSET 偏差大于0.3 時(shí)會(huì)給LDSET 的AM模塊發(fā)增指令, 偏差小于-0.3 時(shí)發(fā)減指令, 當(dāng)機(jī)組檢測(cè)到負(fù)荷設(shè)定值LDSET 與一階濾波后的負(fù)荷實(shí)際值A(chǔ)CTLD 有偏差時(shí), PIQ 模塊會(huì)進(jìn)行比例積分調(diào)節(jié)來(lái)控制LDCSO 的大小, 從而達(dá)到控制負(fù)荷升降的目的。機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷后, 在溫度控制還沒(méi)有投入的前提下,頻率/負(fù)荷調(diào)節(jié)才能發(fā)揮作用。此時(shí)無(wú)論機(jī)組處于何種模式下運(yùn)行, 另外一種模式都會(huì)對(duì)此進(jìn)行跟蹤。

為了保護(hù)機(jī)組熱通道, 減小熱沖擊, 對(duì)負(fù)荷控制回路的升速率增加了限制。在燃機(jī)負(fù)荷為218 MW 以下時(shí), 負(fù)荷升速率為18.3 MW/s; 負(fù)荷245MW 以上時(shí), 負(fù)荷升速率速率為16 MW/s; 機(jī)組負(fù)荷在330 MW 以上時(shí), 負(fù)荷升速率位20 MW/s 左右。

4 控制模式特點(diǎn)

在投入負(fù)荷自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式下, 調(diào)頻動(dòng)作分以下三種情況:

(1) 電網(wǎng)頻率升高, GVCSO 下降未超過(guò)5%, 控制方式保持為L(zhǎng)DCSO 控制;

(2) 電網(wǎng)頻率升高, GVCSO 下降超過(guò)5%, 控制方式由LDCSO 切換為GVCSO 控制;

(3) 電網(wǎng)頻率降低, GVCSO 上升, 控制方式一直為L(zhǎng)DCSO 控制。

在投入負(fù)荷自動(dòng)控制的負(fù)荷控制模式下, 機(jī)組由LDCSO 控制, 電網(wǎng)頻率的升高導(dǎo)致轉(zhuǎn)速突升時(shí),GVCSO 也會(huì)有一個(gè)突降的過(guò)程, 只要突降的幅度不超過(guò)5% (負(fù)荷控制方式時(shí), GVCSO 指令是在CSO基礎(chǔ)上加5%跟蹤), 此時(shí)GVCSO 仍然大于LDCSO,轉(zhuǎn)速控制未介入。轉(zhuǎn)速擾動(dòng)時(shí), 自動(dòng)負(fù)荷控制指令A(yù)LRSET 立刻產(chǎn)生階躍, 被置為理論的調(diào)頻負(fù)荷, 而負(fù)荷控制回路目標(biāo)值LDSET 則由于限速環(huán)節(jié)的作用,按照一定速率降到這個(gè)理論的調(diào)頻負(fù)荷, 機(jī)組負(fù)荷也基本跟隨這個(gè)目標(biāo)值降低, 調(diào)節(jié)基本沒(méi)有偏差。轉(zhuǎn)速下降擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況與轉(zhuǎn)速上升擾動(dòng)類似, 在擾動(dòng)過(guò)程中GVCSO 突升, 而后機(jī)組在負(fù)荷控制回路作用下逐漸提升負(fù)荷, 然后慢慢達(dá)到理論調(diào)頻值。

當(dāng)電網(wǎng)頻率升高造成GVCSO 減少超過(guò)5%時(shí), 此

投入負(fù)荷自動(dòng)控制的負(fù)荷控制模式下的調(diào)頻類似于AGC 動(dòng)作, 其響應(yīng)速度最慢, 但調(diào)頻可實(shí)現(xiàn)無(wú)差,機(jī)組功率穩(wěn)定, 對(duì)機(jī)組的擾動(dòng)小。頻率波動(dòng)大時(shí)該方式調(diào)頻效果較差。退出自動(dòng)負(fù)荷控制的負(fù)荷控制方式是直接通過(guò)增加燃料量來(lái)改變?nèi)紮C(jī)輸出功率進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)輸出功率。在升降負(fù)荷時(shí)不受燃機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋影響, 所以升降負(fù)荷快速平穩(wěn), 這是負(fù)荷控制的優(yōu)點(diǎn),但發(fā)電頻率是電能質(zhì)量的主要指標(biāo), 負(fù)荷控制(LOAD LIMIT) 這種不直接引入轉(zhuǎn)速反饋的控制方式無(wú)法快速有效的調(diào)整發(fā)電機(jī)頻率就成為了它的一大缺點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

我廠的M701F4 重型燃機(jī)在國(guó)內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)時(shí)間也有近十年了, 但對(duì)其控制理論的了解深度做的還不夠, 希望通過(guò)本文能與同行進(jìn)行溝通, 互相學(xué)習(xí),以更好地了解M701F4 重型燃機(jī)的控制理念, 對(duì)今后的自主化邏輯優(yōu)化建立基礎(chǔ)。由于作者的能力有限,文中有不足之處還請(qǐng)讀者海涵。