江志耀

（國能神福（龍巖）發(fā)電有限公司，福建 龍巖 364002）

某廠的鍋爐機組是單爐膛、一次中間再熱、汽冷式旋風(fēng)分離器、露天布置、固態(tài)排渣的1025t/h亞臨界參數(shù)的自然循環(huán)、單汽包循環(huán)的流化床鍋爐，受熱面采用全懸吊方式，爐架為雙排柱鋼結(jié)構(gòu)。汽輪機是容量為300MW、亞臨界參數(shù)、反動式、單軸、一次中間再熱、雙缸、雙排汽、純凝機組，機組型號為N300-16.7/537/537。機組系統(tǒng)為單元制熱力系統(tǒng)。汽輪機發(fā)電機組配有2個高壓主汽門、2個中壓主汽門、4個高壓調(diào)節(jié)汽門和2個中壓調(diào)節(jié)汽門。機組的DCS、DEH系統(tǒng)采用MACSV系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)采用高壓抗燃油EH裝置。

為提高電網(wǎng)安全運行水平和頻率質(zhì)量，對300MW CFB機組一次調(diào)頻特性進行試驗分析，以確保機組在投入一次調(diào)頻功能后能夠快速響應(yīng)補償電網(wǎng)負荷，滿足電網(wǎng)對機組一次調(diào)頻性能指標的要求，并確保機組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

1 基本參數(shù)指標

1.1 轉(zhuǎn)速不等率

汽輪機控制系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線的斜率通常以空負荷和滿負荷的轉(zhuǎn)速差值與額定轉(zhuǎn)速之比的百分數(shù)來表示。

式中，nmax、nmin分別表示機組空負荷、滿負荷時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r／min），n0表示機組的額定轉(zhuǎn)速（r／min）。

轉(zhuǎn)速不等率δ指標反映了機組一次調(diào)頻能力的強弱和機組運行穩(wěn)定性的好壞。

1.2 遲緩率

遲緩率ε的計算公式如下：

式中，（n2-n1）表示在同一功率下轉(zhuǎn)速上升的曲線和轉(zhuǎn)速下降的曲線之間的轉(zhuǎn)速差，n0表示機組的額定轉(zhuǎn)速（r／min）。

遲緩率指標反映了汽輪機組調(diào)速器、傳動放大機構(gòu)和配汽機構(gòu)部件之間存在的遲緩情況。

1.3 功率補償量

功率補償量ΔP是由機組轉(zhuǎn)速不等率δ和電網(wǎng)頻率偏差（可轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速偏差Δn）計算出來的：

式中，n0表示額定轉(zhuǎn)速，Pe表示額定功率。

1.4 一次調(diào)頻死區(qū)

指一次調(diào)頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速附近對轉(zhuǎn)速差或頻率差的不靈敏區(qū)。

1.5 一次調(diào)頻響應(yīng)滯后時間

指從轉(zhuǎn)速差或頻率差最后一次超出一次調(diào)頻死區(qū)開始到機組負荷向正確的調(diào)頻方向開始變化的時間。

1.6 一次調(diào)頻穩(wěn)定時間

指從轉(zhuǎn)速差或頻率差最后一次超出一次調(diào)頻死區(qū)開始到機組負荷最后一次達到目標值所允許的范圍之內(nèi)所需要的時間。

2 一次調(diào)頻控制方案

2.1 一次調(diào)頻運行方式

機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的運行方式一般可分為純CCS、純DEH、DEH+CCS等幾種方式。由于純CCS方式下，沒有充分利用鍋爐的蓄熱量，通過快速作用DEH側(cè)調(diào)門開關(guān)動作來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，這種運行方式無法滿足電網(wǎng)一次調(diào)頻要求，基本上不采用。

在純DEH側(cè)調(diào)頻方式下，如機組CCS投入自動控制方式，由于DEH側(cè)一次調(diào)頻動作響應(yīng)調(diào)整的負荷變化量受CCS系統(tǒng)目標負荷不變的影響，CCS系統(tǒng)將進行反向調(diào)整，機組負荷又會迅速被調(diào)整回到原始值。如機組CCS處于手動控制方式，鍋爐蓄熱量響應(yīng)DEH側(cè)一次調(diào)頻動作響應(yīng)的負荷變化量后，由于運行調(diào)整反應(yīng)滯后，鍋爐燃燒率不變，機組負荷將經(jīng)過一定時間后又會回到原始值。

在“DEH+CCS”調(diào)頻方式下，DEH系統(tǒng)充分利用鍋爐的蓄熱量，通過快速作用調(diào)門開關(guān)動作來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，實現(xiàn)機組負荷粗調(diào)，CCS系統(tǒng)利用頻差校正回路對機組負荷進行細調(diào)，同時調(diào)整鍋爐燃料量來滿足一次調(diào)頻的能量要求。

2.2 一次調(diào)頻控制邏輯設(shè)計

在DCS協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，由于頻率(或轉(zhuǎn)速)的偏差與機組負荷的變化存在一定關(guān)系，將速率限制后的功率指令與一次調(diào)頻頻率校正信號進行疊加，再作為PID控制器的設(shè)定值。這樣，在機組運行變化任何工況下，一定的頻率(或轉(zhuǎn)速)偏差都可以產(chǎn)生同樣幅度和速率的負荷變化。同時，還利用爐跟機協(xié)調(diào)運行方式下機組負荷響應(yīng)快、主汽壓力穩(wěn)定這一特點，確保機組正常運行時AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)。

在DEH功率回路系統(tǒng)中，將汽輪機額定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)函數(shù)f（x）轉(zhuǎn)換后生成一次調(diào)頻因子，與機組目標負荷進行疊加后作為PID控制器的設(shè)定值，同時作為前饋信號與PID調(diào)節(jié)器輸出信號進行疊加。在DEH閥位控制方式下，一次調(diào)頻因子與汽機調(diào)門流量指令直接疊加，形成最終流量需求指令，通過DEH系統(tǒng)閥門管理邏輯運算，實現(xiàn)DEH各調(diào)門開度指令信號。一次調(diào)頻因子不經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器，DEH一次調(diào)頻功能的響應(yīng)速度很快。

2.3 一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

為確保機組安全穩(wěn)定運行，綜合考慮采用帶死區(qū)、帶雙向限幅的一次調(diào)頻參數(shù)的設(shè)置方法。

機組一次調(diào)頻技術(shù)參數(shù)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)速不等率4%、調(diào)頻死區(qū)±2r／min（±0.033Hz），調(diào)頻范圍為±9.2r／min，最大負荷調(diào)節(jié)幅度為±6%額定負荷（±18MW），即由額定轉(zhuǎn)速階躍至3000±9.2r／min對應(yīng)約±6%Pe的負荷變化幅度。一次調(diào)頻函數(shù)曲線如圖1所示。一次調(diào)頻函數(shù)曲線f（x）設(shè)置表見表1。

圖1 一次調(diào)頻函數(shù)曲線

表1 一次調(diào)頻函數(shù)曲線f(x)設(shè)置表

3 一次調(diào)頻特性試驗

對機組在純凝工況90%、75%、60%額定負荷三個負荷段開展±4r/min、±6r/min和±9.2r/min階躍變化調(diào)頻性能試驗，通過DEH功率控制方式、DEH閥控方式、DEH+DCS控制方式下三種試驗結(jié)果分析，DEH+DCS控制方式下一次調(diào)頻性能最優(yōu)，試驗結(jié)果見表2。

表2 “DEH+DCS”運行方式下模擬一次調(diào)頻動態(tài)響應(yīng)的試驗結(jié)果

通過試驗分析可知，機組實際負荷變化量能夠滿足一次調(diào)頻性能要求。當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速施加階躍變化量時，機組一次調(diào)頻在3秒內(nèi)立即動作，DEH調(diào)門立即響應(yīng)階躍開大或關(guān)小，機組負荷隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)速（頻率）的變化作出響應(yīng)。前15秒內(nèi)，汽輪發(fā)電機組負荷迅速變化，達到了75%的理論響應(yīng)值。前30秒內(nèi)，響應(yīng)負荷達到了90%的理論響應(yīng)值。一次調(diào)頻動作開始60秒內(nèi)，機組負荷基本能夠穩(wěn)定在新的指令目標值。

試驗結(jié)果說明，由于300MW循環(huán)流化床鍋爐蓄熱能力較強，機組采用純DEH方式參與一次調(diào)頻時，也能在一定時間內(nèi)滿足一次調(diào)頻的要求。但采用CCS+DEH方式參與一次調(diào)頻，鍋爐主控、汽機主控均處于自動方式，這樣能夠使汽機側(cè)、鍋爐側(cè)同時進行調(diào)整，機組調(diào)頻響應(yīng)較快，且能夠滿足參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的需求。

4 控制邏輯改進

有一次，機組帶50%負荷150MW運行，因電網(wǎng)線路相間接地造成外線路開關(guān)跳閘，失去外部負荷，發(fā)電機出口開關(guān)并未跳閘，DEH邏輯中的轉(zhuǎn)速大于3090rpm，OPC動作開出信號因此未能觸發(fā)。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速飛升時，DEH系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量模塊MS1、MS2、MS3監(jiān)測到轉(zhuǎn)速加速度增大，進而發(fā)出了OPC動作開出信號快速關(guān)閉了調(diào)門，并在隨后的轉(zhuǎn)速加速度消失后釋放了OPC動作信號。因此時DEH判斷還處在并網(wǎng)狀態(tài)，控制方式由原CCS方式切換為負荷閥位控制方式后，總的目標閥位仍維持在系統(tǒng)OPC動作前的60.06%，因系統(tǒng)轉(zhuǎn)速飛升，DEH一次調(diào)頻功能動作。由于原一次調(diào)頻邏輯采用雙向限幅進行設(shè)置，調(diào)頻范圍為±10r/min，只對原目標閥位進行了-6.664%的修正，但總閥位給定仍然有53.39%，各調(diào)門在此指令下再次開啟，進而導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速再次飛升，最終導(dǎo)致機組超速保護（110%）動作，機組跳閘。

在DEH系統(tǒng)中，發(fā)電機并網(wǎng)前，DEH系統(tǒng)控制的主要目標是發(fā)電機轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)中各個主汽門、調(diào)門的控制均是圍繞系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為控制對象，各閥門根據(jù)目標閥位進行分配控制，當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速尚未控制穩(wěn)定時，有OPC超速限制和110%超速保護設(shè)置，以防止汽機超速。而在系統(tǒng)并網(wǎng)后，DEH系統(tǒng)控制的主要對象是負荷，發(fā)電機轉(zhuǎn)速也即系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)主要靠DEH一次調(diào)頻功能來進行。當電網(wǎng)側(cè)故障短時間內(nèi)無法恢復(fù)機組負荷的送出時，由于發(fā)電機出口開關(guān)還處于閉合狀態(tài)，DEH系統(tǒng)判斷機組仍處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，機組轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)飛升。

針對外線路故障甩負荷這種特殊情況，機組維持廠電運行不跳閘，放開DEH一次調(diào)頻功能負向限制值。其一次調(diào)頻函數(shù)曲線f（x）設(shè)置表見表3。依靠一次調(diào)頻修正值將調(diào)門總閥位給定值控制在合理閥位下，直至機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3000rpm，雖然控制過程可能比較長，但可以避免調(diào)門快速開關(guān)振蕩，進而導(dǎo)致設(shè)備損壞或機組跳閘。

表3 一次調(diào)頻函數(shù)曲線f（x）設(shè)置表

5 結(jié)論

300MW循環(huán)流化床鍋爐蓄熱能力較強，采用純DEH方式或CCS+DEH方式參與一次調(diào)頻，在一定時間內(nèi)，機組各主要運行參數(shù)動態(tài)品質(zhì)符合相關(guān)測試規(guī)程要求，一次調(diào)頻性能滿足電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求，說明300MW CFB機組參與一次調(diào)頻時的快速性、穩(wěn)定性較好。

在外網(wǎng)故障導(dǎo)致機組無法送出負荷的情況下，通過修改一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置，使DEH系統(tǒng)能充分利用OPC和一次調(diào)頻功能來快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，避免在OPC復(fù)位后再次超速跳閘。自系統(tǒng)邏輯優(yōu)化改進后，再未出現(xiàn)因外線路開關(guān)跳閘而導(dǎo)致的機組超速跳閘情況。