陳永剛

(上海奉賢燃機發(fā)電有限公司，上海 201403)

1 自動發(fā)電控制概述

自動發(fā)電控制(AGC)是現(xiàn)代電網(wǎng)控制的一項基本和重要功能，是建立在電網(wǎng)高度自動化的能量管理系統(tǒng)(EMS)與發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)間閉環(huán)控制的一種先進技術(shù)手段。實施AGC可獲得以高質(zhì)量電能為前提的實時電力供需平衡，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，減少電網(wǎng)及電廠調(diào)度運行人員的勞動強度。隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，AGC已成為實現(xiàn)電網(wǎng)經(jīng)濟、優(yōu)化運行的重要一步，也是電力技術(shù)向高層次發(fā)展的必然趨勢。

目前，國內(nèi)電網(wǎng)一般都要求火電廠機組負荷調(diào)節(jié)參與AGC，在火力發(fā)電中占有主力地位的燃煤電廠已普遍投入，國內(nèi)對燃煤機組的AGC研究已經(jīng)比較深入。燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠具有高效、低排、啟/停靈活、調(diào)峰性能好等優(yōu)點，在目前的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，越來越多地承擔(dān)著調(diào)峰的任務(wù)。目前，電網(wǎng)AGC功能要求越來越高，但對燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組AGC的研究國內(nèi)還比較欠缺，特別是對于國內(nèi)投用數(shù)量較多的E級燃氣輪機AGC的研究，可以說是一個比較新的課題。參考文獻［1］研究了聯(lián)合循環(huán)電廠試投運AGC時出現(xiàn)的一些問題，參考文獻［2］嘗試研究使用一種開環(huán)的負荷控制策略去實現(xiàn)AGC，這些研究都涉及了聯(lián)合循環(huán)電廠AGC的一些基本問題，但沒有發(fā)掘出全面系統(tǒng)地按照電網(wǎng)的要求去實現(xiàn)AGC的完整控制方案。

本文以上海奉賢燃機發(fā)電有限公司(以下簡稱奉賢發(fā)電公司)的PG9171E型燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組為對象，力求探索出適合E級天然氣調(diào)峰電廠的AGC最優(yōu)策略，為國內(nèi)眾多的E級機組優(yōu)化運行方式、適應(yīng)新時代電網(wǎng)要求積累寶貴的經(jīng)驗。

奉賢發(fā)電公司共有4套聯(lián)合循環(huán)機組，是上海市主力調(diào)峰電廠之一，采用雙軸“一拖一”布置方式。燃氣輪機為GE公司的9E系列產(chǎn)品，汽輪機由上海汽輪機有限公司制造。設(shè)計工況下(環(huán)境溫度15℃)燃氣輪機額定功率為120MW，汽輪機額定功率為60MW。余熱鍋爐由杭州鍋爐集團制造，為無補燃的強制循環(huán)立式汽包爐。其中，燃氣輪機控制采用GE公司的Mark V系統(tǒng)，余熱鍋爐和汽輪機控制采用FOXBORO公司的I/A’S系統(tǒng)。

2 AGC整體策略設(shè)計

聯(lián)合循環(huán)機組由于調(diào)峰性能良好，AGC要求要高于常規(guī)燃煤機組，但具體能達到何種指標，國內(nèi)的研究還較為欠缺。國內(nèi)對大規(guī)模投用的9E級聯(lián)合循環(huán)機組在投入AGC時各系統(tǒng)響應(yīng)特性及主要控制策略方面的研究較少，還需進行系統(tǒng)的研究、分析及測試，才能得出相應(yīng)的結(jié)論。但可以確定的是，要參照燃煤機組的AGC要求，提出盡可能高的要求與目標，進行高起點的研究。

2．1 AGC 目標

對于聯(lián)合循環(huán)機組，由于研究起點高，參照燃煤機組的AGC要求，初步提出了以下目標:

(1)調(diào)節(jié)范圍為50%～100%額定負荷;

(2)AGC調(diào)節(jié)速率≥5%機組額定功率/min;

(3)AGC響應(yīng)時間≤1min。

2．2 AGC的技術(shù)難點

AGC的技術(shù)難點主要有2方面:其一是快速響應(yīng)的燃氣輪機與反應(yīng)較為遲緩的汽輪機在變負荷時的協(xié)調(diào)問題，要使其既能滿足電網(wǎng)負荷快速響應(yīng)的需求，又能滿足機組安全、穩(wěn)定運行的要求;其二是AGC投運與機組其他重要控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，如與主汽溫度控制系統(tǒng)、汽包水位控制系統(tǒng)、汽輪機主汽壓力控制系統(tǒng)等重要控制子系統(tǒng)的完美統(tǒng)一。余熱鍋爐汽包水位及主蒸汽溫度控制品質(zhì)的好壞直接影響機組投運AGC后負荷變化速率的大小，汽輪機主汽壓力變化速率與燃氣輪機負荷變化速率及機組固有設(shè)計直接相關(guān)。因此，這些都是限制機組投運AGC后負荷變化速率的決定因素?？梢哉f，這些重要子系統(tǒng)在各工況下的表現(xiàn)直接決定了AGC投運的成功與否。

2．3 AGC整體設(shè)計策略

通常的負荷控制方式為:燃氣輪機運行于“預(yù)選負荷”模式，具有快速的負荷響應(yīng)能力;而汽輪機采用滑壓運行模式，調(diào)門基本處于全開狀態(tài)，汽輪機負荷跟隨燃氣輪機負荷變化;確定AGC以一套聯(lián)合循環(huán)為單位，對燃氣輪機和汽輪機的總負荷進行控制。控制策略為:通過直接控制燃氣輪機負荷，同時實現(xiàn)對汽輪機負荷的間接控制，最終使聯(lián)合循環(huán)的總負荷滿足電網(wǎng)調(diào)度指令的要求。當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度中心改變聯(lián)合循環(huán)總負荷指令時，若需增加負荷，燃氣輪機首先增加出力，快速響應(yīng)電網(wǎng)的負荷要求，等燃氣輪機加負荷帶來的蒸發(fā)量增加使汽輪機負荷開始緩慢上升時，燃氣輪機則開始減少出力，使總負荷與調(diào)度指令保持一致，直到汽輪機負荷上升過程結(jié)束為止。減負荷與增負荷的過程相同，均是利用燃氣輪機的快速負荷響應(yīng)特性，提高聯(lián)合循環(huán)機組的負荷響應(yīng)速率，因此，燃氣輪機在變負荷過程中均存在超調(diào)。

2．4 AGC控制功能的具體邏輯設(shè)計框圖

聯(lián)合循環(huán)總負荷控制采用前饋加PID的控制方式，當(dāng)總負荷指令改變時，前饋環(huán)節(jié)根據(jù)燃氣輪機負荷占機組總負荷的比例按一定速率改變?nèi)細廨啓C負荷指令，PID控制器的作用主要是微調(diào)和消除靜差。針對燃氣輪機和汽輪機負荷響應(yīng)速度的差異，采用前饋加PID的控制方式，可避免汽輪機負荷變化過程中控制回路出現(xiàn)振蕩。分散控制系統(tǒng)(DCS)輸出燃氣輪機負荷指令，送給燃氣輪機的Mark V控制系統(tǒng)，燃氣輪機的轉(zhuǎn)速/負荷閉環(huán)控制回路再根據(jù)指令調(diào)節(jié)燃料量，使燃氣輪機實際負荷與指令一致。除自動控制外，還設(shè)有2個手操站。手操站2可直接設(shè)置燃氣輪機負荷，手操站1可直接設(shè)置聯(lián)合循環(huán)機組的總負荷。AGC負荷控制原理框圖如圖1所示。

2．5 AGC 功能設(shè)計

機組具備AGC功能后，負荷有下列3種控制方式，且負荷控制權(quán)可在3種模式間無擾動地切換。

(1)燃氣輪機負荷單控模式。在機組啟、停過程中，運行人員可對燃氣輪機負荷進行單獨控制。

(2)機組負荷電廠側(cè)控制(AGC手動)。機組負荷電廠側(cè)控制即AGC就地模式，DCS根據(jù)運行人員設(shè)置的聯(lián)合循環(huán)總負荷指令自動調(diào)節(jié)燃氣輪機和汽輪機負荷，使總負荷達到指令要求。

圖1 AGC負荷控制原理框圖

(3)機組負荷調(diào)度側(cè)控制(AGC自動)。機組負荷調(diào)度側(cè)控制即AGC遠方模式，聯(lián)合循環(huán)總負荷同樣由DCS控制回路自動調(diào)節(jié)，差別僅在于負荷指令來自電網(wǎng)調(diào)度。AGC能投遠方的條件為:“電廠指令”和“調(diào)度指令”的差值小于10MW。

3 AGC動態(tài)試驗與結(jié)果分析

根據(jù)機組的基本特性，在設(shè)置和優(yōu)化好AGC的相關(guān)控制參數(shù)后，分別對4套機組進行了電廠側(cè)的動態(tài)試驗和電網(wǎng)的聯(lián)調(diào)試驗。試驗顯示，各項控制策略基本正確，試驗結(jié)果符合預(yù)期要求。圖2為#1機組與電網(wǎng)進行的動態(tài)聯(lián)調(diào)試驗曲線。

圖2 #1機組與電網(wǎng)聯(lián)調(diào)試驗曲線

3．1 AGC投用負荷范圍分析

(1)投用負荷上限。受環(huán)境溫度影響，不同季節(jié)燃氣輪機的最大運行負荷有10MW左右的偏差。GE公司按環(huán)境溫度為15℃計算出的燃氣輪機最大負荷為120MW，并提供實際大氣溫度對最大出力的修正曲線。

(2)投用負荷下限。試驗預(yù)定AGC技術(shù)標準要求投用負荷下限為50%額定功率。現(xiàn)場試驗過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃氣輪機進口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(IGV)全關(guān)后，燃氣輪機負荷從75MW降到65MW的過程中，燃氣輪機排氣溫度和主蒸汽溫度從525℃迅速下降到495℃，過大的溫度降幅會對機組運行造成不利影響，因此，建議聯(lián)合循環(huán)機組的投用負荷下限設(shè)為約60%額定負荷。

3．2 AGC變負荷速率分析

(1)基本變負荷速率。根據(jù)機組的試驗數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)變負荷指令速率為8MW/min時，機組升、降負荷均能及時響應(yīng)。此速率為燃氣輪機的缺省負荷變化速率，由于調(diào)門的非線性，在不同的負荷段實際速率略有不同，但偏差小于缺省值的5%。

當(dāng)燃氣輪機按8MW/min的負荷變化速率在正常工況運行時，余熱鍋爐的高壓汽包壁溫變化率、高壓汽包壓力變化率、過熱汽溫變化率等關(guān)鍵參數(shù)均符合要求;汽輪機主要參數(shù)也符合要求;各主要控制回路如高壓汽包水位、低壓汽包水位等被控參數(shù)也在安全運行范圍內(nèi)。

(2)影響變負荷速率的因素。對聯(lián)合循環(huán)機組而言，變負荷速率主要取決于燃氣輪機的變負荷速率，汽輪機被動的變負荷速率較小。當(dāng)燃氣輪機負荷達上限或下限值不能繼續(xù)增、減時，汽輪機由于響應(yīng)速度慢，負荷還未達到對應(yīng)的上限和下限，此時機組總體變負荷速率會小于8MW/min。

當(dāng)燃氣輪機升負荷到“基本負荷”進入溫控模式時，排氣溫度控制回路輸出的燃料量小于負荷控制回路的輸出。由于負荷控制回路起初維持正偏差，在燃氣輪機負荷指令開始降低的前幾分鐘，負荷控制回路輸出的燃料量仍大于溫控回路輸出值。即進入溫控模式后降負荷的前幾分鐘內(nèi)，機組的變負荷速率達不到缺省值。

在聯(lián)合循環(huán)機組啟動的前幾個小時內(nèi)，考慮到汽輪機的應(yīng)力，機組變負荷的速率和幅度均有限制，變負荷速率受限的時間長短與啟動狀態(tài)有關(guān)(冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)等)。建議待汽輪機充分完成暖機，無應(yīng)力限制后再投入AGC運行。

4 AGC投入后的實際效果

4．1 AGC投運經(jīng)驗總結(jié)

奉賢發(fā)電公司實現(xiàn)AGC投運后，經(jīng)過一段時間的試運行檢驗，基本可以得出以下有關(guān)9E聯(lián)合循環(huán)機組AGC功能的一些控制策略與指標。

(1)聯(lián)合循環(huán)機組的AGC調(diào)節(jié)速率主要為燃氣輪機的變負荷速率，一般每套機組均為8MW/min，約為4．5%額定功率/min。

(2)每套機組的AGC響應(yīng)時間均小于1min。

(3)聯(lián)合循環(huán)機組AGC投用負荷上限受環(huán)境溫度影響，不同季節(jié)時燃氣輪機可運行的最高負荷約有10MW左右的偏差。

(4)當(dāng)燃氣輪機負荷較低時，IGV全關(guān)，排氣溫度和主蒸汽溫度均大幅下降，不利于汽輪機運行。因此，建議聯(lián)合循環(huán)機組的投用負荷下限設(shè)為約60%額定功率。

以上指標基本能滿足上海市電網(wǎng)快速調(diào)峰的要求，明顯優(yōu)于常規(guī)燃煤機組，但其AGC投用負荷上、下限及變負荷速率受機組本身特點影響，與預(yù)期設(shè)計目標略有差距。

4．2 AGC投運后有待進一步解決的問題

燃氣輪機與常規(guī)汽輪機調(diào)節(jié)有功出力的方式有所不同，除需調(diào)節(jié)天然氣或燃油調(diào)門外(汽輪機為主蒸汽調(diào)門)，還需IGV配合來維持排氣溫度穩(wěn)定。投AGC后燃料量隨負荷指令而改變，IGV也勢必隨之頻繁波動。IGV頻繁波動對設(shè)備的影響及如何改善控制特性等問題有待進一步研究。鑒于燃氣輪機響應(yīng)AGC的優(yōu)勢在于持續(xù)大幅度的負荷變化，而非往復(fù)性的小幅度負荷變化，故建議調(diào)度側(cè)投AGC閉環(huán)自動時采用合適的控制模式，以減少聯(lián)合循環(huán)機組的負荷調(diào)節(jié)頻率。

5 結(jié)論

本文針對當(dāng)前9E型聯(lián)合循環(huán)機組AGC技術(shù)研究的現(xiàn)狀，提出了各項9E型聯(lián)合循環(huán)機組AGC指標，明確了實現(xiàn)AGC負荷控制的主要策略及控制方法，確定了完備的整體方案，并在實際生產(chǎn)中得到了驗證。這為E級聯(lián)合循環(huán)機組AGC的廣泛投用作出了有益的探索，對于國內(nèi)E級燃氣輪機響應(yīng)電網(wǎng)控制、提高自動化水平、提升電廠的競爭力都具有較高的借鑒意義。

［1］王克勤，傅洪軍．電網(wǎng)自動發(fā)電控制(AGC)技術(shù)在聯(lián)合循環(huán)電廠中的應(yīng)用［C］//中國電機工程學(xué)會燃氣輪機發(fā)電專業(yè)委員會2000年年會論文集．深圳:中國電機工程學(xué)會燃氣輪機發(fā)電專業(yè)委員會，2000．

［2］祝建飛，沈叢奇，胡靜．多軸布置燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組AGC功能開發(fā)和試驗研究［J］．華東電力，2008，36(3):91－95．