300MW CFB機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)與改進(jìn)

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(jī)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(jī)是容量為300MW、亞臨界參數(shù)、反動(dòng)式、單軸、一次中間再熱、雙缸、雙排汽、純凝機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為N300-16.7/537/537。機(jī)組系統(tǒng)為單元制熱力系統(tǒng)。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組配有2個(gè)高壓主汽門、2個(gè)中壓主汽門、4個(gè)高壓調(diào)節(jié)汽門和2個(gè)中壓調(diào)節(jié)汽門。機(jī)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(yùn)行水平和頻率質(zhì)量，對(duì)300MW CFB機(jī)組一次調(diào)頻特性進(jìn)行試驗(yàn)分析，以確保機(jī)組在投入一次調(diào)頻功能后能夠快速響應(yīng)補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷，滿足電網(wǎng)對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)的要求，并確保機(jī)組安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 基本參數(shù)指標(biāo)

1.1 轉(zhuǎn)速不等率

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

式中，nmax、nmin分別表示機(jī)組空負(fù)荷、滿負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r／min），n0表示機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速（r／min）。

轉(zhuǎn)速不等率δ指標(biāo)反映了機(jī)組一次調(diào)頻能力的強(qiáng)弱和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的好壞。

1.2 遲緩率

遲緩率ε的計(jì)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(jī)組的額定轉(zhuǎn)速（r／min）。

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

1.3 功率補(bǔ)償量

功率補(bǔ)償量ΔP是由機(jī)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(jì)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(duì)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(shí)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(jī)組負(fù)荷向正確的調(diào)頻方向開始變化的時(shí)間。

1.6 一次調(diào)頻穩(wěn)定時(shí)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(jī)組負(fù)荷最后一次達(dá)到目標(biāo)值所允許的范圍之內(nèi)所需要的時(shí)間。

2 一次調(diào)頻控制方案

2.1 一次調(diào)頻運(yùn)行方式

機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的運(yùn)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(dòng)作來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，這種運(yùn)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(jī)組CCS投入自動(dòng)控制方式，由于DEH側(cè)一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)調(diào)整的負(fù)荷變化量受CCS系統(tǒng)目標(biāo)負(fù)荷不變的影響，CCS系統(tǒng)將進(jìn)行反向調(diào)整，機(jī)組負(fù)荷又會(huì)迅速被調(diào)整回到原始值。如機(jī)組CCS處于手動(dòng)控制方式，鍋爐蓄熱量響應(yīng)DEH側(cè)一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)的負(fù)荷變化量后，由于運(yùn)行調(diào)整反應(yīng)滯后，鍋爐燃燒率不變，機(jī)組負(fù)荷將經(jīng)過一定時(shí)間后又會(huì)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(dòng)作來響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷粗調(diào)，CCS系統(tǒng)利用頻差校正回路對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行細(xì)調(diào)，同時(shí)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(jì)

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(jī)組負(fù)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(hào)進(jìn)行疊加，再作為PID控制器的設(shè)定值。這樣，在機(jī)組運(yùn)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(fù)荷變化。同時(shí)，還利用爐跟機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行方式下機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)快、主汽壓力穩(wěn)定這一特點(diǎn)，確保機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)AGC調(diào)節(jié)品質(zhì)。

在DEH功率回路系統(tǒng)中，將汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速與實(shí)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(jī)組目標(biāo)負(fù)荷進(jìn)行疊加后作為PID控制器的設(shè)定值，同時(shí)作為前饋信號(hào)與PID調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)進(jìn)行疊加。在DEH閥位控制方式下，一次調(diào)頻因子與汽機(jī)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(yùn)算，實(shí)現(xiàn)DEH各調(diào)門開度指令信號(hào)。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(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(fù)荷調(diào)節(jié)幅度為±6%額定負(fù)荷（±18MW），即由額定轉(zhuǎn)速階躍至3000±9.2r／min對(duì)應(yīng)約±6%Pe的負(fù)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(yàn)

對(duì)機(jī)組在純凝工況90%、75%、60%額定負(fù)荷三個(gè)負(fù)荷段開展±4r/min、±6r/min和±9.2r/min階躍變化調(diào)頻性能試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果分析，DEH+DCS控制方式下一次調(diào)頻性能最優(yōu)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 “DEH+DCS”運(yùn)行方式下模擬一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)分析可知，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷變化量能夠滿足一次調(diào)頻性能要求。當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速施加階躍變化量時(shí)，機(jī)組一次調(diào)頻在3秒內(nèi)立即動(dòng)作，DEH調(diào)門立即響應(yīng)階躍開大或關(guān)小，機(jī)組負(fù)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(jī)組負(fù)荷迅速變化，達(dá)到了75%的理論響應(yīng)值。前30秒內(nèi)，響應(yīng)負(fù)荷達(dá)到了90%的理論響應(yīng)值。一次調(diào)頻動(dòng)作開始60秒內(nèi)，機(jī)組負(fù)荷基本能夠穩(wěn)定在新的指令目標(biāo)值。

試驗(yàn)結(jié)果說明，由于300MW循環(huán)流化床鍋爐蓄熱能力較強(qiáng)，機(jī)組采用純DEH方式參與一次調(diào)頻時(shí)，也能在一定時(shí)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(jī)主控均處于自動(dòng)方式，這樣能夠使汽機(jī)側(cè)、鍋爐側(cè)同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，機(jī)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(jìn)

有一次，機(jī)組帶50%負(fù)荷150MW運(yùn)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(fù)荷，發(fā)電機(jī)出口開關(guān)并未跳閘，DEH邏輯中的轉(zhuǎn)速大于3090rpm，OPC動(dòng)作開出信號(hào)因此未能觸發(fā)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速飛升時(shí)，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(jìn)而發(fā)出了OPC動(dòng)作開出信號(hào)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(dòng)作信號(hào)。因此時(shí)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(fù)荷閥位控制方式后，總的目標(biāo)閥位仍維持在系統(tǒng)OPC動(dòng)作前的60.06%，因系統(tǒng)轉(zhuǎn)速飛升，DEH一次調(diào)頻功能動(dòng)作。由于原一次調(diào)頻邏輯采用雙向限幅進(jìn)行設(shè)置，調(diào)頻范圍為±10r/min，只對(duì)原目標(biāo)閥位進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速再次飛升，最終導(dǎo)致機(jī)組超速保護(hù)（110%）動(dòng)作，機(jī)組跳閘。

在DEH系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，DEH系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)中各個(gè)主汽門、調(diào)門的控制均是圍繞系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象，各閥門根據(jù)目標(biāo)閥位進(jìn)行分配控制，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速尚未控制穩(wěn)定時(shí)，有OPC超速限制和110%超速保護(hù)設(shè)置，以防止汽機(jī)超速。而在系統(tǒng)并網(wǎng)后，DEH系統(tǒng)控制的主要對(duì)象是負(fù)荷，發(fā)電機(jī)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(jìn)行。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)故障短時(shí)間內(nèi)無法恢復(fù)機(jī)組負(fù)荷的送出時(shí)，由于發(fā)電機(jī)出口開關(guān)還處于閉合狀態(tài)，DEH系統(tǒng)判斷機(jī)組仍處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)飛升。

針對(duì)外線路故障甩負(fù)荷這種特殊情況，機(jī)組維持廠電運(yùn)行不跳閘，放開DEH一次調(diào)頻功能負(fù)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(jī)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(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備損壞或機(jī)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(qiáng)，采用純DEH方式或CCS+DEH方式參與一次調(diào)頻，在一定時(shí)間內(nèi)，機(jī)組各主要運(yùn)行參數(shù)動(dòng)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(jī)組參與一次調(diào)頻時(shí)的快速性、穩(wěn)定性較好。

在外網(wǎng)故障導(dǎo)致機(jī)組無法送出負(fù)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(jìn)后，再未出現(xiàn)因外線路開關(guān)跳閘而導(dǎo)致的機(jī)組超速跳閘情況。