程榮新 李世波

（遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

循環(huán)流化床機(jī)組一次調(diào)頻功能優(yōu)化

程榮新 李世波

（遼寧調(diào)兵山煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

本文結(jié)合調(diào)兵山發(fā)電公司2X300MW機(jī)組一次調(diào)頻功能的優(yōu)化，介紹了一次調(diào)頻控制功能的原理和特征參數(shù)，詳細(xì)分析了調(diào)兵山發(fā)電公司循環(huán)流化床機(jī)組一次調(diào)頻功能的影響因素并具體給出了整改措施和控制邏輯的優(yōu)化方案。通過對其一次調(diào)頻功能的優(yōu)化實例，闡述了循環(huán)流化床機(jī)組一次調(diào)頻功能同樣具備調(diào)頻能力，為循環(huán)流化床機(jī)組一次調(diào)頻功能的完善提供了很好的借鑒。

一次調(diào)頻；循環(huán)流化床；控制策略；邏輯優(yōu)化

遼寧調(diào)兵山煤矸石電廠兩臺機(jī)組設(shè)計容量為300MW。汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠設(shè)計和制造的NZK300-16.7/537/537型，亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)；鍋爐采用上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界壓力中間一次再熱循環(huán)流化床鍋爐，設(shè)計煤種為鐵法地區(qū)劣質(zhì)煙煤；發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。

DCS控制系統(tǒng)采用杭州和利時自動化有限公司HOLLiAS-MACSV的集成化系統(tǒng)平臺，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）等各項控制功能。DEH主要控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和功率，即從汽機(jī)掛閘、沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、定速、同期并網(wǎng)、帶初負(fù)荷、帶全負(fù)荷的整個過程，通過TV、GV、RSV和IV實現(xiàn)，同時具備防止汽機(jī)超速的保護(hù)邏輯。

HOLLiAS-MACSV集成化系統(tǒng)的先進(jìn)性在于分散的結(jié)構(gòu)和基于微處理器的控制，這兩大特點加上冗余使得系統(tǒng)在具有更強(qiáng)的處理能力的同時提高了可靠性且其控制軟件組態(tài)靈活方便、易于調(diào)試維護(hù)。

1　一次調(diào)頻功能簡介

1.1一次調(diào)頻原理簡介

一次調(diào)頻是發(fā)電機(jī)組維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要功能。一次調(diào)頻是指發(fā)電機(jī)組的自動控制系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率升、降時自動減少、增加自身負(fù)荷，從而限制電網(wǎng)頻率的變化［1］。它主要利用機(jī)組的蓄能承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷變化，不需要電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行干預(yù)，其響應(yīng)時間約為幾秒。電網(wǎng)中各機(jī)組通常按容量相對值承擔(dān)一次調(diào)頻量，因此各機(jī)組的不等率設(shè)置大致相同，一般為4%-5%［2］。

鑒于遼寧電網(wǎng)新能源發(fā)展迅猛，風(fēng)電的大規(guī)模接入影響了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定［3］，而具備調(diào)頻優(yōu)勢的水電機(jī)組裝機(jī)容量又相對較少，因此，分析影響火電機(jī)組一次調(diào)頻能力的因素和優(yōu)化火電機(jī)組一次調(diào)頻功能，對電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定意義重大。

循環(huán)流化床鍋爐受制于其鍋爐的特殊性，在負(fù)荷的快速相應(yīng)上存在一定的劣勢，但考慮到一次調(diào)頻功能更多的是依靠機(jī)組本身的蓄熱能力，因此其一次調(diào)頻控制功能的有效實現(xiàn)，在理論上具備可行性。

1.2一次調(diào)頻特征參數(shù)

1.2.1調(diào)頻死區(qū)

調(diào)頻死區(qū)是指機(jī)組轉(zhuǎn)速在死區(qū)范圍內(nèi)變化時，機(jī)組的一次調(diào)頻不動作。其目的是在電網(wǎng)頻率變化較小的情況下提高機(jī)組運行的穩(wěn)定性。

1.2.2轉(zhuǎn)速不等率

轉(zhuǎn)速不等率也叫速度變動率，是指機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)在額定工況下給定值不變，汽輪機(jī)由空負(fù)荷到滿負(fù)荷的轉(zhuǎn)速變化量與額定轉(zhuǎn)速之比，用δ表示。其公式為：

采用美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實驗室(NOAA)的HYSPLIT 軌跡模式進(jìn)行氣流來向軌跡模擬，可進(jìn)行分辨率最高精確到小時的氣流來向及去向軌跡模擬，本研究選取模擬地面氣流的后向軌跡方案。計算后向軌跡所用的NCEP再分析資料、氣象數(shù)據(jù)來自GDAS數(shù) 據(jù)庫(ftp：//arlftp．a(chǎn)rlhq．noaa．gov/pub/archives/ gdasl)，分辨率為1°×1°，后向延伸時間為72h， 軌跡模擬高度設(shè)定為500m。

式中：nmax為汽輪機(jī)空負(fù)荷轉(zhuǎn)速，rpm；nmin為汽輪機(jī)滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速，rpm；n0為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rpm。

1.2.3負(fù)荷變化幅度

機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷變化幅度，是考慮當(dāng)頻率變化過大時，機(jī)組負(fù)荷不再隨頻率變化，以保證機(jī)組穩(wěn)定運行。

1.2.4遲緩率

在汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于部件摩擦、鉸接間隙、滑閥重疊度等影響存在著遲緩現(xiàn)象，使得機(jī)組靜態(tài)特性曲線在轉(zhuǎn)速上升和下降時不再是同一條，而是近于平行的兩條曲線。將上升曲線與下降曲線在同一功率下的轉(zhuǎn)速差?n與額定轉(zhuǎn)速n0之比的百分?jǐn)?shù)稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的遲緩率，用于反映調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性品質(zhì)［4］。遲緩率用ε表述為：

式中：?n為轉(zhuǎn)速差，rpm；n0為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rpm。

1.3一次調(diào)頻控制邏輯組態(tài)

通常，火電機(jī)組的一次調(diào)頻控制邏輯有以下幾種方案：DEH方式、CCS方式、CCS與DEH聯(lián)合方式。在DEH方式下時，一次調(diào)頻功能并沒有將一次調(diào)頻動作效果疊加在CCS負(fù)荷指令回路中，因此在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的作用下，會將調(diào)頻作用導(dǎo)致的負(fù)荷變化消除，影響一次調(diào)頻作用效果，最終導(dǎo)致欠調(diào)現(xiàn)象；在CCS方式下，雖可以通過負(fù)荷指令的變化，實現(xiàn)最終負(fù)荷的響應(yīng)。但此種方式并不能有效的利用機(jī)組的蓄熱能力，在快速性上存在不足；現(xiàn)今階段，多采用CCS與DEH聯(lián)合方式來實現(xiàn)機(jī)組的一次調(diào)頻控制功能。

圖1　一次調(diào)頻控制策略框圖

圖2　5號高調(diào)門（CV5）動作滯后

2　一次調(diào)頻考核指標(biāo)及問題分析

2.1一次調(diào)頻考核指標(biāo)

一次調(diào)頻考核結(jié)果由B1、B2、B3與Bu指標(biāo)合格與否決定。根據(jù)考核細(xì)則可知各指標(biāo)要求如下：

B1：頻率越過死區(qū)（±0.033）后，一次調(diào)頻立即動作，并且保證機(jī)組出力在3秒內(nèi)向著一次調(diào)頻調(diào)整方向變化。則B1指標(biāo)合格。B1指標(biāo)用于考量機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的快速性。

B2：一次調(diào)頻動作后15秒內(nèi)，其動作幅度最大值超過頻率極值點對應(yīng)出力的90%，則B2指標(biāo)合格。B2指標(biāo)用于考量機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的調(diào)整幅度。

B3：從第3秒開始至60秒或一次調(diào)頻考核結(jié)束，所有采樣點的實際出力與理論計算出力偏差的平均值與此次調(diào)頻過程中最大理論增量的比值小于25%，則B3指標(biāo)合格。B3指標(biāo)表征機(jī)組響應(yīng)一次調(diào)頻的控制精度。

Bu：指電網(wǎng)頻率出現(xiàn)偏差時機(jī)組為恢復(fù)電網(wǎng)頻率實際變化積分電量與期望變化積分電量之比。比值大于0.9則Bu指標(biāo)合格。Bu值越高，一次調(diào)頻變負(fù)荷速率越快，幅度越大，對電網(wǎng)頻率恢復(fù)的貢獻(xiàn)就越大。

2.2一次調(diào)頻問題分析

通過對機(jī)組運行狀況的調(diào)研及相關(guān)邏輯的梳理發(fā)現(xiàn)如下制約因素：

①機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入效果不佳。這既有循環(huán)流化床鍋爐特性導(dǎo)致的滯后原因，也有協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制策略簡單和控制參數(shù)設(shè)置不合理的原因。因此需對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化完善。

②通過對一次調(diào)頻考核數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻動作存在明顯的滯后性。通過現(xiàn)場試驗檢查發(fā)現(xiàn)CV3與CV5兩個調(diào)門在控制上存在明顯滯后，這對一次調(diào)頻響應(yīng)的快速性有較大的影響。因此需要對上述兩個調(diào)門進(jìn)行調(diào)整。

③協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的壓力拉回回路在動作時會抑制一次調(diào)頻作用，致使一次調(diào)頻作用削弱，甚至不起作用。因此需針對一次調(diào)頻動作時壓力拉回回路的作用效果進(jìn)行修正。

④一次調(diào)頻前饋作用不足，進(jìn)一步造成一次調(diào)頻的作用太弱，甚至不起作用。因此需對一次調(diào)頻控制邏輯進(jìn)行有針對性的優(yōu)化。

3　一次調(diào)頻功能優(yōu)化

本文主旨是對一次調(diào)頻功能的優(yōu)化進(jìn)行說明與總結(jié)，因此對于上文3.2中提及的問題，其中第一條與第二條涉及協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化與高調(diào)門的設(shè)備調(diào)整，在本文不再贅述。

針對第三條問題，除調(diào)整壓力拉回參數(shù)，減小其對一次調(diào)頻的擾動外，還可在壓力拉回邏輯中增加調(diào)頻動作時輸出自保持功能：在一次調(diào)頻動作且主汽壓力偏差不大于安全值的情況下，閉鎖壓力拉回輸出，使得一次調(diào)頻期間調(diào)節(jié)閥不參與主汽壓力調(diào)節(jié)。當(dāng)壓力偏差越限時，則自動恢復(fù)壓力拉回作用，保護(hù)機(jī)組的安全穩(wěn)定運行?？刂撇呗匀鐖D3所示：

圖3　CCS側(cè)壓力拉回控制策略

針對第四條問題，對機(jī)組一次調(diào)頻邏輯進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，特別修正了DEH側(cè)一次調(diào)頻的前饋作用，使其滿足快速性和調(diào)頻幅度的要求，具體邏輯如圖4所示。

圖4　DEH側(cè)一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化

針對B1、B2與B3考核指標(biāo)的特點，通過對DEH側(cè)一次調(diào)頻邏輯的優(yōu)化，以15秒這一時間節(jié)點采用了分段變參數(shù)控制策略。在一次調(diào)頻動作的前15秒內(nèi)，采用較高的參數(shù)用于實現(xiàn)調(diào)速汽門對一次調(diào)頻控制功能的快速響應(yīng)。15秒后，為保證B3穩(wěn)態(tài)偏差控制指標(biāo)的合格，將DEH側(cè)前饋系數(shù)降低，依靠CCS閉環(huán)控制系統(tǒng)提高一次調(diào)頻的負(fù)荷控制精度。

優(yōu)化后電網(wǎng)側(cè)一次調(diào)頻考核曲線如圖5所示?？梢?，采用此控制策略后，遼寧調(diào)兵山煤矸石電廠兩臺機(jī)組的一次調(diào)頻控制效果得到明顯改善，控制品質(zhì)取得了有效的提升。

圖5　電網(wǎng)一次調(diào)頻考核曲線

4　結(jié)論

近年來，隨著電網(wǎng)公司一次調(diào)頻考核細(xì)則的出臺，火電機(jī)組的一次調(diào)頻功能得到了更多的關(guān)注，一次調(diào)頻的控制策略也更加趨于成熟。循環(huán)流化床鍋爐雖受制于鍋爐側(cè)響應(yīng)的滯后性，但通過對外部的硬件設(shè)備的問題排查及對內(nèi)部的控制策略調(diào)整和控制邏輯優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)其一次調(diào)頻控制指標(biāo)的合格。

本文提出的一次調(diào)頻控制系統(tǒng)優(yōu)化方案合理、可行，一次調(diào)頻控制效果比優(yōu)化前得到了明顯的改善，優(yōu)化過程中取得的經(jīng)驗可以為其他機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻優(yōu)化提供借鑒作用。

［1］李建軍，王禮，王英薈.超（超）臨界燃煤機(jī)組一、二次調(diào)頻研究與應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（8）：13-16.

［2］朱北恒.火電廠熱工自動化系統(tǒng)試驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］許睿超，羅衛(wèi)華.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術(shù)，2011，32（2）：1-4.

［4］代云修，張燦勇.汽輪機(jī)設(shè)備及系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］Q/GDW 669-2011，火力發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻試驗導(dǎo)則［S］.

Optimization of Primary Frequency Regulation Function for Circulating Fluidized Bed Unit

Cheng Rongxin Li Shibo
（Liaoning DiaobingshanCoal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Diaobingshan Liaoning 112700）

This article introduces the principle and characteristic parameters of primary frequency regulation and control function，carries out a detailed analysis on the influencing factors of primary frequency regulation function for the circulating fluidized bed unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.，and proposes the concrete corrective measures and control logic optimization scheme combining with the optimization of primary frequency regulation function for 2X300MW unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.Through the optimization examples of its primary frequency regulation function，it expounds that the primary frequency regulation function of circulating fluidized bed unit also has frequency regulation ability，which provides a good reference for the perfection of primary frequency regulation function of the circulating fluidized bed unit.

primary frequency regulation；circulating fluidized bed；control strategy；logic optimization

TK229.66

A

1003-5168（2015）12-0125-4

2015-12-10

程榮新（1972－），男，碩士，高級工程師，研究方向：電氣及熱工自動化。