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        基于電網(wǎng)小頻差考核的供熱機(jī)組一次調(diào)頻優(yōu)化

        2022-02-21 01:52:32殷建華張國斌于海存
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:閥位高調(diào)抽汽

        殷建華,張國斌,賈 斌,于海存

        (內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司,呼和浩特 010020)

        0 引言

        為了保障電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行,促進(jìn)發(fā)電機(jī)組更好地投入、維護(hù)機(jī)組一次調(diào)頻功能,內(nèi)蒙古電網(wǎng)在2020 年正式啟動了機(jī)組的一次調(diào)頻性能考核工作。機(jī)組一次調(diào)頻性能考核包括15 s出力響應(yīng)指數(shù)考核、30 s 出力響應(yīng)指數(shù)考核以及電量貢獻(xiàn)指數(shù)考核[1]。針對火電機(jī)組,15 s出力響應(yīng)指數(shù)大于75%合格,30 s出力響應(yīng)指數(shù)大于90%合格,電量貢獻(xiàn)指數(shù)大于75%合格。通過分析內(nèi)蒙古電網(wǎng)一次調(diào)頻的性能考核數(shù)據(jù),日常的一次調(diào)頻考核事件多屬于小頻差擾動,頻率變化范圍都在50±0.05 Hz以內(nèi),由于火電機(jī)組主汽壓力波動、高調(diào)閥流量特性差、蓄熱量不足、調(diào)速系統(tǒng)遲緩率大等因素,導(dǎo)致火電機(jī)組對于負(fù)荷需求較小的小頻差擾動響應(yīng)能力普遍不足,很難合格,依靠原有的控制邏輯已經(jīng)無法滿足考核需求。為了適應(yīng)電網(wǎng)的考核,內(nèi)蒙古電網(wǎng)的火電機(jī)組普遍對分散控制系統(tǒng)(Distributed Control Sys?tem,DCS)和汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(Digital Electro Hydraulic Control System,DEH)中的一次調(diào)頻控制邏輯進(jìn)行了優(yōu)化。主要的優(yōu)化策略包括“加速沖量響應(yīng)[2]”“快動緩回[3]”以及“自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)反向調(diào)節(jié)閉鎖”。

        1 火電機(jī)組現(xiàn)有一次調(diào)頻優(yōu)化策略

        1.1 加速沖量響應(yīng)

        針對閥門流量非線性特性、主汽壓力波動以及調(diào)速系統(tǒng)遲緩率等因素帶來的負(fù)荷響應(yīng)遲滯、響應(yīng)不足的現(xiàn)象,內(nèi)蒙古電網(wǎng)火電機(jī)組普遍采用了出死區(qū)沖量響應(yīng)的策略,通過修改原有的一次調(diào)頻函數(shù),適當(dāng)放大小頻差對應(yīng)的負(fù)荷響應(yīng)值,加強(qiáng)機(jī)組對小頻差的負(fù)荷響應(yīng)能力。如圖1 所示,在原一次調(diào)頻函數(shù)中,插入±2.1 r/min 的轉(zhuǎn)速偏差,將該轉(zhuǎn)速偏差對應(yīng)的調(diào)頻功率值適當(dāng)放大,以更大的高壓調(diào)速汽閥(以下簡稱高調(diào)閥)動作量增大負(fù)荷響應(yīng)值。

        圖1 加速沖量響應(yīng)Fig.1 Acceleration impulse response

        該策略雖然能夠提高機(jī)組性能考核指標(biāo),但是也會加劇機(jī)組高調(diào)閥的擺動量,降低機(jī)組的穩(wěn)定性,對調(diào)速系統(tǒng)和抗燃油系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

        1.2 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖

        《內(nèi)蒙古電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》《內(nèi)蒙古電網(wǎng)發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》中規(guī)定:“當(dāng)機(jī)組一次調(diào)頻動作方向與AGC 指令方向相反時(shí),機(jī)組應(yīng)設(shè)置一次調(diào)頻優(yōu)先”[4]。為了抑制由于AGC 負(fù)荷需求與一次調(diào)頻負(fù)荷需求反向?qū)σ淮握{(diào)頻性能帶來的不利影響,火電機(jī)組普遍設(shè)置了反向閉鎖邏輯,即“一次調(diào)頻負(fù)荷需求與AGC 負(fù)荷需求反向時(shí)閉鎖AGC指令”[5]。

        反向閉鎖功能雖然能夠一定程度閉鎖反向調(diào)節(jié),但是對于閉鎖前負(fù)荷給定和實(shí)際負(fù)荷已經(jīng)存在的殘余偏差卻無能為力,殘余偏差同樣會削弱一次調(diào)頻,降低性能考核指標(biāo)。

        1.3 快動緩回策略

        為提高電量貢獻(xiàn)指數(shù)(積分電量),火電機(jī)組主要采用快動緩回策略,對正向的調(diào)節(jié)動作迅速響應(yīng),通過適當(dāng)增延長頻率偏差回死區(qū)的過程,增加機(jī)組積分電量,提高一次調(diào)頻動作期間的正向貢獻(xiàn)電量。

        2 兼顧機(jī)組穩(wěn)定性的一次調(diào)頻綜合優(yōu)化策略

        上述3 種優(yōu)化策略,在提高一次調(diào)頻性能指標(biāo)的同時(shí),也會帶來高調(diào)閥波動增大、機(jī)組穩(wěn)定性變差的不良后果。為了進(jìn)一步提高火電機(jī)組的一次調(diào)頻性能指標(biāo),同時(shí)兼顧機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性,提出以下改進(jìn)措施。

        2.1 針對殘余偏差的AGC反向閉鎖優(yōu)化

        為了避免反向期間,由于負(fù)荷給定值和實(shí)際值的殘余偏差帶來的反向調(diào)節(jié)動作,提出以下兩種改進(jìn)措施。

        (1)在AGC變負(fù)荷期間,判斷其與一次調(diào)頻的負(fù)荷需求反向后,在閉鎖負(fù)荷給定變化的同時(shí),將經(jīng)過速率限制未疊加一次調(diào)頻負(fù)荷修正的負(fù)荷給定值直接切換為當(dāng)前的實(shí)發(fā)功率并予以鎖定,使得汽機(jī)主控比例-積分-微分控制器(PID)的偏差輸入為零,消除一次調(diào)頻修正以外的負(fù)荷偏差,抑制由于殘余負(fù)荷偏差帶來的反向調(diào)節(jié)動作。具體方案見圖2。

        圖2 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖改進(jìn)措施1Fig.2 Improvement measure 1 of AGC reverse regulation locking

        (2)在反向期間除了閉鎖負(fù)荷給定變化,同時(shí)閉鎖汽機(jī)主控PID輸出值。高頻時(shí)閉鎖調(diào)閥開大的輸出;低頻時(shí),閉鎖高調(diào)閥關(guān)小的輸出。調(diào)節(jié)方向同向時(shí),不產(chǎn)生閉鎖動作,最大程度降低AGC 調(diào)節(jié)對一次調(diào)頻性能的不利影響。方案見圖3。

        圖3 AGC反向調(diào)節(jié)閉鎖改進(jìn)措施2Fig.3 Improvement measure 2 of AGC reverse regulation locking

        第一種閉鎖方式,可以最大限度地提高機(jī)組調(diào)頻響應(yīng)值,即便反向,汽機(jī)主控也可產(chǎn)生正向調(diào)節(jié)作用,對提高積分電量最為有利;第二種優(yōu)化策略,僅可以閉鎖反向后的反調(diào)作用,但是汽機(jī)主控在反向期間無法貢獻(xiàn)正向的調(diào)節(jié)作用,只能依靠DEH的閥位前饋?zhàn)饔脕眄憫?yīng)一次調(diào)頻。但是第二種優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)簡便,多數(shù)DCS的模擬量手操器均自帶增減閉鎖功能,在線組態(tài)較為方便。

        為了避免閉鎖結(jié)束后高調(diào)閥出現(xiàn)大幅擺動,在退出閉鎖功能時(shí),可以對之前的閉鎖對象加以限制,可通過速率限制使其緩慢恢復(fù),減小機(jī)組的功率波動。

        2.2 DEH閥位前饋反向調(diào)節(jié)閉鎖

        火電機(jī)組的一次調(diào)頻功能,大多采用DEH側(cè)的前饋響應(yīng)加協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的聯(lián)合響應(yīng)策略[6]。DEH中的閥位前饋?zhàn)饔玫暮脡闹苯記Q定了機(jī)組一次調(diào)頻性能考核指標(biāo)的優(yōu)劣。一次調(diào)頻的閥位前饋?zhàn)饔檬穷l差的比例調(diào)節(jié),會隨著網(wǎng)頻的變化而波動,由于汽輪機(jī)高調(diào)閥流量特性為非線性且高調(diào)閥動作遲滯,會導(dǎo)致調(diào)頻前饋?zhàn)饔脤τ诳焖僮兓念l率分量的捕捉和響應(yīng)能力不足。同時(shí),閥位前饋?zhàn)饔秒S著網(wǎng)頻的變化波動,加之前面“加速沖量響應(yīng)”策略的影響,高調(diào)閥也會出現(xiàn)擺動加劇的現(xiàn)象,影響機(jī)組和調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        針對上述特點(diǎn),提出了“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”的策略。在DEH中的閥位一次調(diào)頻回路中增加“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”。通過高/低選邏輯功能,即“高頻”時(shí)閉鎖高調(diào)閥開大的動作,“低頻”時(shí)閉鎖高調(diào)閥關(guān)小的動作,最終達(dá)到DEH側(cè)的閥位前饋在電網(wǎng)頻率“高頻”時(shí),只執(zhí)行高調(diào)閥關(guān)小的調(diào)節(jié)動作;電網(wǎng)“低頻”時(shí),只執(zhí)行高調(diào)閥開大的調(diào)節(jié)動作。

        通過“反向調(diào)節(jié)動作閉鎖”,一方面可以提高機(jī)組對頻率極值的捕捉能力,延長機(jī)組對頻率極值的響應(yīng)時(shí)間,增大機(jī)組調(diào)頻期間的貢獻(xiàn)電量。另一方面抑制了前饋?zhàn)饔秒S網(wǎng)頻變化的頻繁波動,提高機(jī)組的穩(wěn)定性。

        2.3 一次調(diào)頻閥位前饋綜合修正

        火電機(jī)組一次調(diào)頻邏輯中的閥位前饋一般設(shè)計(jì)為與轉(zhuǎn)速偏差相關(guān)的總閥位指令的增量輸出,受機(jī)組閥門流量非線性、主汽壓力波動以及機(jī)組冬季供熱等不利因素影響,DEH中的閥位前饋?zhàn)饔迷谙嗤拈_度增量下,產(chǎn)生的負(fù)荷變化量極大[7]。

        為了適應(yīng)不同的主汽壓力、閥位開度、機(jī)組供熱與否等不利因素的影響,可以對上述不同的影響因素分別加以修正。

        (1)主汽壓力的絕對值和波動特性對機(jī)組一次調(diào)頻性能均有明顯的影響。主汽壓力越接近額定值,一次調(diào)頻性能越好,反之調(diào)頻性能將下降;主汽壓力波動對一次調(diào)頻的影響既與主汽壓力的變化方向有關(guān),也與轉(zhuǎn)速偏差的大小相關(guān)。當(dāng)主汽壓力變化方向與一次調(diào)頻負(fù)荷需求方向一致,則主汽壓力波動對調(diào)頻性能起到積極的影響;反之,將起到消極影響,其影響程度將受到轉(zhuǎn)速偏差的大小影響,轉(zhuǎn)速偏差較大時(shí),其影響程度較小,轉(zhuǎn)速偏差越小,其影響程度越大。電網(wǎng)一次調(diào)頻性能考核事件絕大部分屬于頻差小于0.05 Hz的小擾動,故機(jī)組主汽壓力對一次調(diào)頻性能將造成顯著的影響。對此,可將主汽壓力的絕對值、主汽壓力的變化率作為修正因子,修正閥位前饋,校正一次調(diào)頻前饋輸出。

        (2)當(dāng)閥門流量特性具有較強(qiáng)的非線性時(shí),受其影響機(jī)組的一次調(diào)頻性能也會具有明顯的非線性特點(diǎn),故在非線性區(qū)和重疊度不好的流量指令區(qū)間,可以適當(dāng)修正閥位前饋輸出,降低流量特性非線性對一次調(diào)頻性能帶來的不利影響,提升機(jī)組的一次調(diào)頻性能[8-9]。

        (3)供熱機(jī)組冬季供熱后,一部分蒸汽被抽走用作供熱,同時(shí)供熱抽汽也改變了高中低壓缸功率比初始值,隨抽汽量增大,高壓缸和中壓缸功率比例系數(shù)上升,低壓缸功率比例系數(shù)下降,且中低壓連通管的時(shí)間常數(shù)增加。在供熱抽汽工況下頻率擾動初始階段,由于高中壓缸功率比增大,負(fù)荷響應(yīng)速度會有所提升,但后期負(fù)荷響應(yīng)速度受低壓缸功率輸出影響程度較大,由于中低壓連通管時(shí)間常數(shù)增加,容積慣性增大,響應(yīng)速度也會隨之下降[10],降低機(jī)組的一次調(diào)頻性能。為了補(bǔ)償供熱抽汽帶來的調(diào)頻性能下降,應(yīng)對供熱抽汽流量導(dǎo)致的調(diào)頻性能下降進(jìn)行修正補(bǔ)償,供熱抽汽流量越大,對閥位前饋的補(bǔ)償作用越強(qiáng)。

        需要加以說明的是,上述的修正環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行動態(tài)整定,在機(jī)組大修、閥門解體或是運(yùn)行工況發(fā)生明顯變化后,應(yīng)對上述前饋?zhàn)饔玫南嚓P(guān)參數(shù)適當(dāng)修正。

        2.4 分離型加速沖量響應(yīng)策略

        “加速沖量響應(yīng)”策略,在增大小頻差調(diào)頻響應(yīng)值的同時(shí),也極大地影響了機(jī)組的穩(wěn)定性,加劇了高調(diào)閥的抖動。此外,由于該策略針對所有頻率成分均無差別地進(jìn)行放大,導(dǎo)致機(jī)組高調(diào)閥的響應(yīng)動作大部分屬于非考核時(shí)段的無效響應(yīng)。

        為了最大程度抑制高調(diào)閥抖動,同時(shí)過濾部分非考核時(shí)段的無效響應(yīng),提出了一種“分離型加速沖量響應(yīng)”優(yōu)化策略,見圖4。

        圖4 分離型加速沖量響應(yīng)測策略Fig.4 Strategy of separated acceleration impulse response measurement

        將出死區(qū)加速沖量響應(yīng)回路單獨(dú)剝離,與原來的一次調(diào)頻函數(shù)或者轉(zhuǎn)速偏差疊加,同時(shí),對加速沖量響應(yīng)輸出端做適當(dāng)處理(濾波或延時(shí)),適當(dāng)過濾非必要的加速沖量響應(yīng)動作,盡可能使系統(tǒng)不對電網(wǎng)隨機(jī)的快速頻率分量做出劇烈響應(yīng),提升機(jī)組穩(wěn)定性。圖中通過對頻率偏差超出死區(qū)(±2 r/min)做適當(dāng)?shù)难訒r(shí)處理(頻率持續(xù)超出死區(qū)達(dá)到12 s,電網(wǎng)才會啟動一次調(diào)頻考核),過濾掉電網(wǎng)快速、隨機(jī)波動的頻率成分,減少機(jī)組無效的沖量響應(yīng)和高調(diào)閥擺動,提升機(jī)組穩(wěn)定性。

        圖4 回路在提高機(jī)組性能考核指標(biāo)的同時(shí),還可以過濾部分非必要的無效響應(yīng),降低了對機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的沖擊,兼顧了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

        2.5 基于熱網(wǎng)儲能的一次調(diào)頻響應(yīng)策略

        供熱機(jī)組,在冬季供熱尖寒期,由于熱負(fù)荷較高、以熱定電的運(yùn)行模式和煤質(zhì)偏離設(shè)計(jì)煤種等問題,經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)組達(dá)到出力上限,高調(diào)閥接近全開,蓄熱不足,致使機(jī)組響應(yīng)電網(wǎng)低頻的性能降低甚至喪失。但是,在發(fā)電的同時(shí)將一部分蒸汽流量用于供熱,熱網(wǎng)中包含了大量的換熱器和供熱管道,儲能容量很大,可以通過調(diào)節(jié)供熱執(zhí)行機(jī)構(gòu)將這部分熱量加以利用,提高供熱機(jī)組一次調(diào)頻的響應(yīng)能力。

        文獻(xiàn)[11]中,在建立汽輪機(jī)蒸汽流量與功率的仿真模型基礎(chǔ)上,提出通過調(diào)節(jié)機(jī)組供熱抽汽流量來響應(yīng)電網(wǎng)一次調(diào)頻的控制策略。文中通過仿真分析,在改變供熱抽汽流量后,機(jī)組的電功率很短時(shí)間內(nèi)就有明顯的變化。

        通過對300 MW 機(jī)組仿真建模,對仿真模型輸入擾動,分析額定工況和最大供熱工況下機(jī)組利用熱網(wǎng)儲能響應(yīng)一次調(diào)頻的特性。供熱抽汽流量的快速改變,幾乎能無延遲地將部分供熱抽汽流量分配至低壓缸做功,增加機(jī)組功率,供熱抽汽流量越大,供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度的變化對有功功率的影響越明顯。

        一次調(diào)頻考核大多屬于小擾動考核事件,以300 MW機(jī)組為例,±2.5 r/min的轉(zhuǎn)速偏差,負(fù)荷需求量僅為±1 MW,供熱抽汽量越大,供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)開度變化帶來的負(fù)荷變化越明顯。采取適當(dāng)?shù)囊淮握{(diào)頻控制策略,在頻差超出一次調(diào)頻死區(qū)后,迅速減小熱網(wǎng)抽汽流量,能夠快速提高電功率,短時(shí)間的抽汽量變化不會對熱網(wǎng)用戶造成影響。

        改變熱網(wǎng)抽汽流量來響應(yīng)一次調(diào)頻,可以通過調(diào)節(jié)中/低壓缸連通管上的供熱旋轉(zhuǎn)蝶閥實(shí)現(xiàn),也可以通過調(diào)節(jié)熱網(wǎng)抽汽管道上具有調(diào)節(jié)功能的供熱抽汽快關(guān)閥實(shí)現(xiàn)。但是由于中低壓缸連通管蝶閥在大開度下其線性度、靈敏度較低,同時(shí)其對機(jī)組安全影響較大,所以調(diào)節(jié)抽汽快關(guān)閥更為適宜。輔以適當(dāng)?shù)目刂七壿?,在頻差超出死區(qū)后,適當(dāng)改變快關(guān)閥的開度,就能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)改變機(jī)組電功率的目的。

        改變供熱抽汽流量來響應(yīng)電網(wǎng)頻率的變化,其優(yōu)點(diǎn)是不影響主汽壓力,對運(yùn)行工況影響較??;由于其不通過高調(diào)閥調(diào)整進(jìn)汽量,所以不受機(jī)組高調(diào)閥流量特性的影響。

        3 結(jié)束語

        本文分析了內(nèi)蒙古電網(wǎng)現(xiàn)有的火電機(jī)組對于電網(wǎng)小頻差考核的一次調(diào)頻優(yōu)化策略普遍存在的問題,提出了一系列兼顧機(jī)組穩(wěn)定性的一次調(diào)頻改進(jìn)策略,在提升機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)的同時(shí),降低對機(jī)組穩(wěn)定性的不利影響。同時(shí)針對供熱機(jī)組冬季供熱后出力超限、響應(yīng)電網(wǎng)低頻能力下降的問題,提出利用熱網(wǎng)蓄熱、通過調(diào)節(jié)供熱抽汽執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變熱網(wǎng)抽汽流量來響應(yīng)一次調(diào)頻等措施。

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