姚 喆，王 濤

(山西潞光發(fā)電有限公司，山西 長治 046000)

0 引 言

隨著CCS與DEH控制技術(shù)的日趨成熟，現(xiàn)階段火力發(fā)電廠已能夠很好地適應電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等要求。但當快速響應電網(wǎng)負荷、頻率等要求的同時，對于電廠控制系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性要求也越來越嚴。傳統(tǒng)的一次調(diào)頻機組通常采用汽機側(cè)調(diào)門快速響應完成，隨著CCS控制技術(shù)的引進與成熟，也要求鍋爐側(cè)參與一次調(diào)頻功能。鍋爐側(cè)一次調(diào)頻回路的設計與實現(xiàn)，使得大機組對于電網(wǎng)一次調(diào)頻響應變得游刃有余。但一次調(diào)頻動作過程中鍋爐側(cè)、汽機側(cè)自身動作的穩(wěn)定即成了新的研究課題。由于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差，調(diào)頻過程中導致機組快速降負荷、甚至解列的嚴重事故也偶爾發(fā)生?；诖?，對一次調(diào)頻展開深入研究分析具有重要的應用價值[1]。

1 660 MW超超臨界機組一次調(diào)頻原理與設置

火力發(fā)電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻原理分析如下：fr為汽輪發(fā)電機組額定頻率，fture為電網(wǎng)實際頻率，該頻率經(jīng)過模擬量三選中及濾波處理后，送至DCS系統(tǒng)調(diào)頻回路。頻率偏差Δf直接送至F(x)函數(shù)發(fā)生器，其原理如圖1所示[2]。

圖1 一次調(diào)頻動作函數(shù)發(fā)生器

圖1中，±Δf1之間為調(diào)頻死區(qū)，該區(qū)間內(nèi)，機組調(diào)頻回路不動作。頻率偏差超出±Δf1后，即觸發(fā)調(diào)頻回路，頻率偏差超過最大±Δf2時，調(diào)頻回路不再繼續(xù)調(diào)整，即機組最大調(diào)頻功率為+Pmax或-Pmax。

研究對象為東方電機、東方鍋爐、東方汽輪機組合，即“東-東-東”組合某660 MW超超臨界火力發(fā)電機組，發(fā)電機出線接入華北電網(wǎng)。鍋爐側(cè)采用低熱值煤三層對沖燃燒技術(shù)，鍋爐為東方鍋爐廠設計制造。汽機側(cè)采用三缸兩排汽東方汽輪機廠汽輪機。機組DCS系統(tǒng)為GE新華控制系統(tǒng)，其中，DEH控制部分也采用GE新華MVP50卡。該機組參調(diào)頻設置如下：

1)機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)調(diào)頻死區(qū)為±0.033 Hz，即±2 r/min；

2)機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速不等率δ為4.5%；

3)機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)最大一次調(diào)頻負荷調(diào)整量為6%額定出力，即±39.6 MW；

4)機組調(diào)頻為鍋爐一次調(diào)頻及汽輪機一次調(diào)頻；

5)機組一次調(diào)頻投入范圍為可調(diào)范圍。

2 660 MW超超臨界機組一次調(diào)頻策略分析

2.1 鍋爐側(cè)一次調(diào)頻分析

調(diào)頻爐側(cè)動作回路原理圖2所示。當DEH控制系統(tǒng)中檢測到fture與fr頻差超出死區(qū)時，即觸發(fā)調(diào)頻回路動作。

圖2 CCS鍋爐側(cè)一次調(diào)頻工作邏輯

調(diào)頻回路投入情況下，頻差信號經(jīng)F(x1)折線函數(shù)將頻差信號轉(zhuǎn)換成CCS側(cè)調(diào)頻負荷ΔP，ΔP再經(jīng)折線函數(shù)F(x2)，轉(zhuǎn)換鍋爐側(cè)增加或減少的Δpms，該壓力疊加到鍋爐滑壓設定值回路中。其中，pms，r為機組滑壓參數(shù)設定值，pms,ture為機組機前壓力過程值，設定值與過程值偏差，經(jīng)鍋爐主控PID控制器運算，經(jīng)高低限后，疊加機前滑壓調(diào)節(jié)前饋值pFF，作為鍋爐主控輸出值，直接疊加在鍋爐主控輸出。。此種方式鍋爐參與一次調(diào)頻回路動作，主要通過爐主控調(diào)節(jié)主汽壓力，使之能夠快速響應汽機側(cè)快速開大、關(guān)小調(diào)門帶來的主汽壓力波動，達到快速動作效果。

2.2 機側(cè)一次調(diào)頻分析

一次調(diào)頻能夠快速動作，響應電網(wǎng)頻率變化，主要得益于汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的快速動作。試驗研究的660 MW機組汽機側(cè)一次調(diào)頻動作回路原理如圖3所示。此次調(diào)頻試驗背景為該套機組首次并網(wǎng)，在進入168 h滿負荷試運前，按照華北電網(wǎng)要求進行的一次調(diào)頻能力涉網(wǎng)試驗。

其中，DEH檢測到轉(zhuǎn)速頻率差，當頻率差大于死區(qū)時，觸發(fā)汽機側(cè)一次調(diào)頻動作。當“DEH一次調(diào)頻”功能投入后，該轉(zhuǎn)速偏差經(jīng)F(x3)折線函數(shù)，直接轉(zhuǎn)換成對應需調(diào)節(jié)功率ΔP。此時DEH側(cè)無調(diào)頻增益，即調(diào)頻增益系數(shù)K=1。作為汽機主控前饋，直接疊加在汽機主控PID控制回路中，經(jīng)限幅回路輸出，直接動作高調(diào)門，進而實現(xiàn)快速動作效果。

圖3 汽機側(cè)DEH一次調(diào)頻工作邏輯

2.3 優(yōu)化前一次調(diào)頻測試分析

優(yōu)化前一次調(diào)頻分別在60%負荷及90%負荷兩種工況下進行。采取強制模擬轉(zhuǎn)速差值方案，觸發(fā)機組一次調(diào)頻動作。機組一次調(diào)頻結(jié)果見表1、表2。

表1 400 MW工況一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)

表2 600 MW工況一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)

通過對60%負荷、90%負荷兩種工況下一次調(diào)頻試驗分析得出，該機組基本具備投入一次調(diào)頻的能力。但在相應響應一次調(diào)頻時，一般超出60 s才能完成一次調(diào)頻動作，且在前30 s內(nèi)，負荷變化低于最終負荷變化的70%～80%。但發(fā)現(xiàn)控制邏輯存在如下問題：

1)不同工況負荷下，CCS側(cè)汽輪機PID一次調(diào)頻前饋疊加量恒定不變，不能實現(xiàn)變動負荷下一次調(diào)頻疊加需求；

2)CCS側(cè)，鍋爐主控部分表現(xiàn)滯后，在一次調(diào)頻發(fā)生后，存在長時間欠壓現(xiàn)象，低負荷時，一次調(diào)頻動作，鍋爐欠壓大于0.2 MPa超過1 min。

3 一次調(diào)頻策略優(yōu)化

3.1 一次調(diào)頻邏輯優(yōu)化

優(yōu)化方案1：改善不同工況下一次調(diào)頻性能的差異性

分析表1、表2發(fā)現(xiàn)，雖然90%負荷工況下，基本可以在60 s左右完成一次調(diào)頻動作；但在60%負荷工況下，系統(tǒng)穩(wěn)定時間有所延長。從現(xiàn)有的邏輯可知，汽機側(cè)一次調(diào)頻邏輯主要基于斜率為1 的一次調(diào)頻前饋，即不同負荷下，調(diào)頻前饋系數(shù)不變。試驗發(fā)現(xiàn)，不同負荷下的一次調(diào)頻需要不同前饋開關(guān)門量，即不同負荷需要不同的前饋增益系數(shù)，此舉可以很好地快速動作調(diào)門，進而更加改善不同負荷下一次調(diào)頻30 s內(nèi)負荷變化量及最終變化量[3]。通過研究機組滑壓參數(shù)及機組的蒸汽參數(shù)，得到不同負荷下一次調(diào)頻修正系數(shù)β，通過將F(x3)折線函數(shù)乘修正系數(shù)，最終得到新的DEH側(cè)增益權(quán)重Knew，具體算式如下：

Knew=K·β

優(yōu)化方案2：提高鍋爐側(cè)響應速度

該機組采用中速磨煤機直吹，直流爐形式。鍋爐采用基于負荷指令的滑壓運行方式，經(jīng)三階慣性到鍋爐主控PID設定值。CCS工況下，鍋爐主控主調(diào)壓力，汽機PID主調(diào)負荷。由于短時間內(nèi)，鍋爐通過調(diào)節(jié)給煤機出力，很難增加汽輪機參與一次調(diào)頻所需要的能量，加之一次風流量的調(diào)節(jié)滯后。以上由于壓力慣性的存在，一定程度上制約鍋爐主控參與一次調(diào)頻的能力[4]。鑒于此，考慮增加鍋爐磨煤機一次風量前饋邏輯及一次風壓前饋邏輯，工作邏輯如圖4和圖5所示。調(diào)頻功率ΔP經(jīng)F(x4)折線函數(shù)，生成一次風壓調(diào)節(jié)前饋量。pture與pr經(jīng)偏差運算后，經(jīng)風壓控制PID運算，疊加調(diào)頻前饋量。使機組在參與電網(wǎng)調(diào)頻時，一次風機動葉超前動作，一次風壓快速適應負荷需要。

圖4 一次風壓設定前饋邏輯

圖5 磨煤機熱一次風調(diào)門指令前饋邏輯

調(diào)頻功率ΔP經(jīng)F(x5)折線函數(shù)，生成一次風量前饋量。Qms與Qr經(jīng)偏差運算后，經(jīng)風量控制PID計算，疊加調(diào)頻前饋量以在瞬間增加機組一次風壓力和磨煤機進口風量，進而增加吹入爐膛的燃料量，快速增加、減少鍋爐出力，達到快速響應調(diào)頻能量的效果[5]。

3.2 優(yōu)化后效果分析

通過分別優(yōu)化鍋爐側(cè)邏輯、汽機側(cè)邏輯后，優(yōu)化后一次調(diào)頻分別在60%負荷及90%負荷兩種工況下進行。采取加入模擬轉(zhuǎn)速差值方法，觸發(fā)機組一次調(diào)頻動作。機組一次調(diào)頻結(jié)果見表4、表5。

表4 400 MW工況下一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)

表5 600 MW工況下一次調(diào)頻試驗數(shù)據(jù)

通過對60%負荷、90%負荷兩種工況下一次調(diào)頻試驗結(jié)果分析，該機組已經(jīng)具備投入一次調(diào)頻的能力。在響應一次調(diào)頻時，可以在60 s內(nèi)完成一次調(diào)頻動作，且在前30 s內(nèi)，負荷變化處于最終負荷變化的70%～80%，滿足華北電網(wǎng)一次調(diào)頻性能要求。

4 結(jié) 語

對660 MW機組一次調(diào)頻控制回路進行分析，基于不同負荷工況下，一次調(diào)頻動作汽輪機主控PID疊加量不同，實現(xiàn)變動負荷一次調(diào)頻快速、準確響應。此外，發(fā)現(xiàn)低負荷工況下一次調(diào)頻動作，鍋爐存在長時間欠壓，導致一次調(diào)頻最終動作不達標。通過鍋爐側(cè)一次風壓及磨煤機熱風風量增加一次調(diào)頻前饋邏輯，使鍋爐側(cè)能夠更好、更快地響應一次調(diào)頻汽機側(cè)的能量需求。系統(tǒng)優(yōu)化后試驗結(jié)果表明，增加前饋邏輯后，能夠很好適應不同負荷下一次調(diào)頻需求。在前30 s內(nèi)，負荷變化處于最終負荷變化的70%～80%左右，系統(tǒng)穩(wěn)定時間為52～56 s，達到電網(wǎng)調(diào)度規(guī)范要求，實現(xiàn)機組調(diào)頻優(yōu)化效果。