660 MW超超臨界機(jī)組基于CCS一次調(diào)頻控制策略優(yōu)化

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(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻等要求。但當(dāng)快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)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(yán)。傳統(tǒng)的一次調(diào)頻機(jī)組通常采用汽機(jī)側(cè)調(diào)門快速響應(yīng)完成，隨著CCS控制技術(shù)的引進(jìn)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(shè)計與實(shí)現(xiàn)，使得大機(jī)組對于電網(wǎng)一次調(diào)頻響應(yīng)變得游刃有余。但一次調(diào)頻動作過程中鍋爐側(cè)、汽機(jī)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(dǎo)致機(jī)組快速降負(fù)荷、甚至解列的嚴(yán)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(yīng)用價值[1]。

1 660 MW超超臨界機(jī)組一次調(diào)頻原理與設(shè)置

火力發(fā)電機(jī)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(jī)組額定頻率，fture為電網(wǎng)實(shí)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(jī)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(jī)組最大調(diào)頻功率為+Pmax或-Pmax。

研究對象為東方電機(jī)、東方鍋爐、東方汽輪機(jī)組合，即“東-東-東”組合某660 MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)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(shè)計制造。汽機(jī)側(cè)采用三缸兩排汽東方汽輪機(jī)廠汽輪機(jī)。機(jī)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(jī)組參調(diào)頻設(shè)置如下：

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

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

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

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

5)機(jī)組一次調(diào)頻投入范圍為可調(diào)范圍。

2 660 MW超超臨界機(jī)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(dāng)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(fù)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(shè)定值回路中。其中，pms，r為機(jī)組滑壓參數(shù)設(shè)定值，pms,ture為機(jī)組機(jī)前壓力過程值，設(shè)定值與過程值偏差，經(jīng)鍋爐主控PID控制器運(yùn)算，經(jīng)高低限后，疊加機(jī)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(yīng)汽機(jī)側(cè)快速開大、關(guān)小調(diào)門帶來的主汽壓力波動，達(dá)到快速動作效果。

2.2 機(jī)側(cè)一次調(diào)頻分析

一次調(diào)頻能夠快速動作，響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，主要得益于汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的快速動作。試驗(yàn)研究的660 MW機(jī)組汽機(jī)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(yàn)背景為該套機(jī)組首次并網(wǎng)，在進(jìn)入168 h滿負(fù)荷試運(yùn)前，按照華北電網(wǎng)要求進(jìn)行的一次調(diào)頻能力涉網(wǎng)試驗(yàn)。

其中，DEH檢測到轉(zhuǎn)速頻率差，當(dāng)頻率差大于死區(qū)時，觸發(fā)汽機(jī)側(cè)一次調(diào)頻動作。當(dāng)“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(yīng)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(jī)主控前饋，直接疊加在汽機(jī)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)快速動作效果。

圖3 汽機(jī)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(fù)荷及90%負(fù)荷兩種工況下進(jìn)行。采取強(qiáng)制模擬轉(zhuǎn)速差值方案，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動作。機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)

表2 600 MW工況一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對60%負(fù)荷、90%負(fù)荷兩種工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)分析得出，該機(jī)組基本具備投入一次調(diào)頻的能力。但在相應(yīng)響應(yīng)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(fù)荷變化低于最終負(fù)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(fù)荷下，CCS側(cè)汽輪機(jī)PID一次調(diào)頻前饋疊加量恒定不變，不能實(shí)現(xiàn)變動負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(jī)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(fù)荷下，調(diào)頻前饋系數(shù)不變。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同負(fù)荷下的一次調(diào)頻需要不同前饋開關(guān)門量，即不同負(fù)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(jìn)而更加改善不同負(fù)荷下一次調(diào)頻30 s內(nèi)負(fù)荷變化量及最終變化量[3]。通過研究機(jī)組滑壓參數(shù)及機(jī)組的蒸汽參數(shù)，得到不同負(fù)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(yīng)速度

該機(jī)組采用中速磨煤機(jī)直吹，直流爐形式。鍋爐采用基于負(fù)荷指令的滑壓運(yùn)行方式，經(jīng)三階慣性到鍋爐主控PID設(shè)定值。CCS工況下，鍋爐主控主調(diào)壓力，汽機(jī)PID主調(diào)負(fù)荷。由于短時間內(nèi)，鍋爐通過調(diào)節(jié)給煤機(jī)出力，很難增加汽輪機(jī)參與一次調(diào)頻所需要的能量，加之一次風(fēng)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(jī)一次風(fēng)量前饋邏輯及一次風(fēng)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(fēng)壓調(diào)節(jié)前饋量。pture與pr經(jīng)偏差運(yùn)算后，經(jīng)風(fēng)壓控制PID運(yùn)算，疊加調(diào)頻前饋量。使機(jī)組在參與電網(wǎng)調(diào)頻時，一次風(fēng)機(jī)動葉超前動作，一次風(fēng)壓快速適應(yīng)負(fù)荷需要。

圖4 一次風(fēng)壓設(shè)定前饋邏輯

圖5 磨煤機(jī)熱一次風(fēng)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(fēng)量前饋量。Qms與Qr經(jīng)偏差運(yùn)算后，經(jīng)風(fēng)量控制PID計算，疊加調(diào)頻前饋量以在瞬間增加機(jī)組一次風(fēng)壓力和磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)量，進(jìn)而增加吹入爐膛的燃料量，快速增加、減少鍋爐出力，達(dá)到快速響應(yīng)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(jī)側(cè)邏輯后，優(yōu)化后一次調(diào)頻分別在60%負(fù)荷及90%負(fù)荷兩種工況下進(jìn)行。采取加入模擬轉(zhuǎn)速差值方法，觸發(fā)機(jī)組一次調(diào)頻動作。機(jī)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(yàn)數(shù)據(jù)

表5 600 MW工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對60%負(fù)荷、90%負(fù)荷兩種工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)結(jié)果分析，該機(jī)組已經(jīng)具備投入一次調(diào)頻的能力。在響應(yīng)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(fù)荷變化處于最終負(fù)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(jī)組一次調(diào)頻控制回路進(jìn)行分析，基于不同負(fù)荷工況下，一次調(diào)頻動作汽輪機(jī)主控PID疊加量不同，實(shí)現(xiàn)變動負(fù)荷一次調(diào)頻快速、準(zhǔn)確響應(yīng)。此外，發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷工況下一次調(diào)頻動作，鍋爐存在長時間欠壓，導(dǎo)致一次調(diào)頻最終動作不達(dá)標(biāo)。通過鍋爐側(cè)一次風(fēng)壓及磨煤機(jī)熱風(fēng)風(fēng)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(yīng)一次調(diào)頻汽機(jī)側(cè)的能量需求。系統(tǒng)優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果表明，增加前饋邏輯后，能夠很好適應(yīng)不同負(fù)荷下一次調(diào)頻需求。在前30 s內(nèi)，負(fù)荷變化處于最終負(fù)荷變化的70%～80%左右，系統(tǒng)穩(wěn)定時間為52～56 s，達(dá)到電網(wǎng)調(diào)度規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)頻優(yōu)化效果。