超(超)臨界燃煤機組一、二次調頻研究與應用

李建軍，王 禮，王英薈

(遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

一、二次調頻是發電機組維持電網頻率穩定的兩項重要功能。一次調頻是指發電機組的自動控制系統在電網頻率下降時自動增加自身負荷、在電網頻率升高時自動減少自身負荷，從而限制電網頻率的變化。一次調頻是有差調節，只能減少電網頻率的偏離程度，為了使產生偏離的電網頻率得到恢復，維持電網頻率的穩定，一些發電機組還必須根據電網調度中心的指令進行負荷調整，這一過程稱為二次調頻，也稱為AGC［1］。參與二次調頻的機組必須具有機組協調控制系統。

電網頻率是電力系統運行的重要控制參數，直接影響到電網的安全穩定運行及用電設備的使用壽命和安全。為了提高電網運行的穩定性，減少電網頻率的波動，增強電網抗事故能力，各電網公司要求發電機組要具備一、二次調頻的能力，并且滿足電網公司要求的技術指標。

超 (超)臨界燃煤機組作為電力生產領域的主力機組，也需要成為參與電網一、二次調頻的主力機組。但是，超 (超)臨界燃煤機組在能量產生和轉換過程中存在較大延遲，而且運行工況和煤種常常偏離設計要求，很難滿足負荷快速響應的要求，給超 (超)臨界燃煤機組一、二次調頻功能帶來很大的技術難度。因此，需要系統分析影響機組一、二次調頻能力的主要因素，采取適合機組特性的控制策略提高超 (超)臨界燃煤機組的一、二次調頻性能、使其各項控制技術指標滿足電網調頻調峰的要求。

1 影響因素

1.1 機組特點對一、二次調頻的影響

超 (超)臨界燃煤機組的多變量耦合、非線性、大遲延特性主要是鍋爐決定的，而鍋爐的子系統響應特性也不一致，影響最大的是制粉系統。目前，超 (超)臨界機組多數是采用中速磨直吹式制粉系統。中速磨直吹式制粉系統包含了給煤、制粉等多個工藝環節，大大降低了鍋爐的整體響應速度［2］。

提高直吹式制粉系統響應速度的有效手段是增強前饋作用。但是前饋作用往往加大控制參數波動、延長調整過程。因此需合理調整，與給水系統、送風系統等鍋爐子系統互相配合、協調工作，達到既能提高響應速度又能減少參數波動的目的。

1.2 協調控制方式對一、二次調頻的影響

機組協調控制系統是實現一、二次調頻功能的核心部分。機、爐對負荷的不同響應能力決定了機組的一、二次調頻能力首先與機爐協調控制系統關系最大，機爐協調控制系統通常采用以下幾種控制方案，即:以汽機跟隨為基礎的機爐協調控制方案、以鍋爐跟隨為基礎的機爐協調控制方案和介于二者之間的綜合協調控制方案。

以汽機跟隨為基礎的協調控制是由汽機控制進汽壓力、鍋爐控制機組負荷，機組運行穩定，但是負荷響應速度慢、控制精度差，采用這種方式運行的機組基本不能滿足電網對機組一、二次調頻能力的要求;以鍋爐跟隨為基礎的協調控制是由鍋爐控制進汽壓力、汽機控制機組負荷，機組負荷響應速度快、控制精度高，但機前壓力等主要參數波動大，機組穩定性差，采用這種方式運行的機組一、二次調頻能力強，但是影響機組的安全穩定運行，尤其是對超 (超)臨界燃煤機組影響更大;綜合協調控制是由汽機和鍋爐同時控制機前壓力和機組負荷，在機組一、二次調頻能力和運行穩定性方面介于前兩種方式之間，而且要求鍋爐、汽機都要具有良好的控制性能，這是比較常用的控制方式［3、4］。不管采用哪種控制方式，超 (超) 臨界燃煤機組都難以兼顧在保證機組安全穩定運行的同時，顯著提高一、二次調頻能力。因此，必須突破傳統的控制模式，采用先進控制技術，設計適合超(超)臨界燃煤機組特點的新型機爐協調控制方式。

1.3 滑壓運行對一、二次調頻的影響

火電機組通常有定壓和滑壓兩種運行方式。定壓運行時，保持汽輪機進汽壓力 (機前壓力)不變，通過改變進汽調節閥的數量和開度來改變進汽量，以滿足電網對調整負荷的要求，定壓方式不改變鍋爐蓄熱能力，有利于負荷的快速響應。滑壓運行時，進汽壓力隨負荷的變化而變化，變化方向與負荷需求方向相同。當增加負荷時，鍋爐同時需要吸收一部分熱量來提高壓力;反之，在降低負荷時，鍋爐要釋放一部分蓄熱降低壓力。造成汽壓與負荷同時排斥與需求鍋爐的能量，從而產生大的延時和超調，對機組一、二次調頻產生不利影響。但是，滑壓運行方式使汽機調速汽門保持相對全開，節流損失小，可以大大提高機組的效率，超 (超)臨界燃煤機組大多采用滑壓方式運行。

為了改善滑壓運行方式對機組參與一、二次調頻的不利影響，可以根據機組負荷指令的變化情況，對滑壓指令進行非線性修正，使汽輪機進汽壓力順勢而為，不再成為阻礙機組對外界負荷需求響應的因素，而是有利于機組對外界負荷需求的響應。

2 系統設計

2.1 一、二次調頻指令

由于一次調頻指令和二次調頻指令都是為了維持頻率的穩定，目前多數控制系統是把兩個指令簡單疊加在一起由鍋爐主控和汽機主控執行，這是不合適的，會影響一次調頻的效果。因為一次調頻和二次調頻在電網中的作用不同，在響應時間和控制精度上的要求也不同。

機組在執行一次調頻指令時，必須立即響應，延遲時間越短越好，這就要求在電網頻率超出死區范圍時，調速汽門立即動作。由于電力系統的一次調頻所調節的負荷分量主要是0.033～1 Hz的短周期隨機變動負荷，一次調頻指令有幅度限制，持續的時間也有限，雖然也會引起參數的波動，如果能夠合理地利用鍋爐的有限蓄能，并且采取合適的控制策略，參數的波動幅度和持續時間可以控制在允許范圍內。

機組在執行二次調頻指令時，為了協調鍋爐和汽機對負荷響應特性的不同，在滿足電網要求指標的前提下，協調控制系統需要根據機、爐間特性的差異，在汽機側增加負荷指令的延遲環節，目的在于推遲調速汽門的動作時間，使鍋爐儲備一定的能量，盡量保證能量供求的平衡和控制參數的穩定。

為了滿足一次調頻和二次調頻控制的不同要求，一、二次調頻指令系統設計如下:根據機組的運行狀況，將調度中心下發的二次調頻指令進行變化率限制、高負荷限制、低負荷限制、閉鎖升、閉鎖降等綜合運算，形成一個機組能夠接受的實際負荷指令;根據電網頻差信號以及要求的調速系統不等率、死區、幅值限制，形成一次調頻指令;實際負荷指令送到鍋爐控制系統，作為鍋爐負荷指令;實際負荷指令經過慣性環節與一次調頻指令求和送到汽機控制系統，作為汽機負荷指令;同時，一次調頻指令作為并行前饋分別送到鍋爐控制系統和汽機控制系統。

2.2 滑壓定值曲線

在采用自然滑壓定值曲線 (負荷的函數)時，由于自然滑壓定值曲線隨負荷的變化而線性變化，變化時壓力與負荷對能量的需求與排斥方向相同，在升負荷的工況下，開始變化時，二者都需要能量，使系統產生大的延遲，當接近目標負荷時，二者又都排斥能量，造成系統較大超調;降負荷的工況下，情況相同，只是方向相反。從而使壓力調節和負荷調節互相制約、互相影響，調節品質不好，甚至失控。

如果在自然滑壓定值曲線的基礎上、按照協調工況下壓力的響應特性設置壓力定值曲線，則可以在時間上解決壓力與負荷對鍋爐能量需求的矛盾。從而實現壓力和負荷的解耦控制，減少系統的延遲和超調，達到改善調節品質的目的。

由于在大范圍的變壓運行過程中，壓力的響應特性與運行工況和主要運行參數有關，是非線性、時變的，為了使壓力定值更接近實際壓力響應特性而實現控制目標，可以總結專家控制經驗，根據負荷變化率、負荷偏差、壓力偏差及一次調頻幅度對自然滑壓定值曲線進行自動修正，形成非線性、時變的滑壓定值曲線。

2.3 協調控制系統

一、二次調頻功能都需要協調控制系統實現，協調控制系統的技術關鍵是在保證機組穩定運行的前提下，使機組在參與一、二次調頻時的響應速度和控制精度滿足電網的要求，而這正是超 (超)臨界燃煤機組控制的難點，為此，針對超 (超)臨界燃煤機組的主要特點，設計了帶有多輸入多輸出控制加速器的變參數協調控制系統。

協調控制系統邏輯如圖1所示，主要由3個部分組成:汽機主控、鍋爐主控和多輸入多輸出控制加速器。

2.3.1 汽機主控

汽機主控接收汽機負荷指令信號，通過調節器運算輸出控制信號驅動調速汽門，使實際負荷與負荷指令相等。

如果主汽壓力偏差超過控制系統內部預先設定的數值時，汽機主控將不再控制機組負荷，轉而控制進汽壓力以便維持汽機輸出和鍋爐輸入相匹配，即為汽機調速汽門的超馳控制。

2.3.2 鍋爐主控

鍋爐主控信號由鍋爐負荷指令信號和主蒸汽壓力校正信號組合形成。

由于鍋爐響應呈現非線性特性，所以在鍋爐主控中采用了變參數PID控制，以滿足機組在不同負荷下的響應特性。

鍋爐主控的輸出作為鍋爐子控制回路 (給水、燃料、風量等)的指令信號，使鍋爐負荷滿足汽輪機需求的同時維持進汽壓力和設定值相同。同時將鍋爐內部過程控制變量 (煙氣含氧量、爐膛壓力和蒸汽溫度等)維持在可接受的范圍內，保證鍋爐的安全、穩定運行。

圖1 協調控制系統

2.3.3 多輸入多輸出控制加速器

在不同負荷下鍋爐輸入的平衡是由相應的子控制回路的指令信號維持的，如給水、燃料和風量指令信號。但是在負荷變動時，僅采用常規調節是不夠的，難以快速滿足外界負荷需求，超 (超)臨界燃煤機組的實際運行效果已說明了這點。

為了加快機組負荷響應速度，常規控制往往采用指令微分作為鍋爐主控的動態加速前饋，由于微分的作用，這種控制方法易使系統產生振蕩，而且沒有考慮到鍋爐子控制回路 (給水、燃料、風量等)在負荷變化過程中的非線性特性，會使系統長期處于不受控狀態。如果根據鍋爐子控制回路(給水、燃料、風量等)的不同響應特性，總結運行人員累積的操作經驗和技巧，在負荷變化過程根據運行工況的不同，單獨并行調節鍋爐子控制回路(給水、燃料、風量等)的動態加速分量，可以更好地保持鍋爐的動態平衡。多輸入多輸出控制加速器就是根據這一思路設計的。

2.4 一次調頻控制

一次調頻的持續作用通過協調控制系統實現，其邏輯也是和協調控制系統融合在一起，如圖1所示。機組在協調 (CCS)方式運行過程中一次調頻動作時，為了使鍋爐側、汽輪機側協調動作，采用CCS+DEH聯合控制方式，在CCS邏輯中和DEH邏輯中同時加入頻率校正回路，由CCS和DEH共同完成一次調頻功能。

為了加快一次調頻的響應速度，將計算出需補償的機組負荷作為汽機主控指令的一部分的同時，還按汽輪機調節門流量特性在DEH中作為前饋直接疊加在汽輪機調節門指令上，考慮到汽輪機調節門流量特性是在額定壓力下整定的，為保證在大范圍壓力變動過程中前饋作用相同，又對前饋進行了壓力補償。

由于調門的快速動作勢必影響到鍋爐的蓄熱，如果這時不改變入爐熱量，必然引起機組主要參數的波動，波動程度與一次調頻持續的時間和幅度正相關，而且不能保證一次調頻的持續性;如果這時按常規方法改變入爐熱量，將一次調頻指令疊加在鍋爐負荷指令上，由于直吹式制粉系統的滯后性，入爐熱量至少需要3 min才會起作用，而一次調頻的負荷響應滯后時間不大于3 s，也會造成鍋爐給水、燃料等系統的大幅波動，使得機組主要參數不穩定。為了既能改變入爐熱量，又能減少波動，可將一次調頻指令單獨處理，按鍋爐各子系統的不同響應特性采用并行前饋的方式直接引入各子系統，這樣就可以減少超調，抑制參數的波動。

3 工程應用

華能營口電廠的600 MW超超臨界燃煤機組投產后，一、二次調頻功能一直不能滿足電網要求。在對控制邏輯進行反復優化、調試和大量的負荷變動試驗后，獲得了理想的控制效果，不但使機組的一、二次調頻功能優于電網要求，而且機組主要參數的調節品質均得到了明顯改善。

圖2是機組的一次調頻監視曲線，各項技術指標均優于電網要求。其中，響應速度指標β1=1，負荷調整幅度指標β2=1.1，調整幅度偏差指標β3=8.9%，機組一次調頻響應指數Bu=1.146。

圖3是機組二次調頻響應曲線，機組的二次調頻響應特性優于電網要求，主要控制參數滿足行業標準。二次調頻響應特性:實際負荷變化速率為1.2%Pe/min;負荷響應純延遲時間小于40 s;負荷偏差在±1%Pe以內。機組主要參數調節品質:主蒸汽壓力偏差±0.56 MPa;主汽溫偏差±5℃;再熱汽溫偏差±6℃。

4 結束語

通過對超 (超)臨界燃煤機組的特性分析和試驗研究得知，超 (超)臨界燃煤機組是以一次完成汽水循環、強耦合、非線性為特征的多輸入、多輸出、多參數的被控對象，采用常規控制方法很難達到理想的控制效果。本文從超 (超)臨界燃煤機組的運行特點和控制難點出發，按照機組響應特性設定非線性的、時變的滑壓定值曲線，解決了變負荷過程中壓力和負荷相互制約的矛盾;采用多輸入多輸出控制加速器減少鍋爐的響應滯后時間，減少了鍋爐和汽機的耦合性，全新的控制方法成功地解決了超 (超)臨界燃煤機組的控制難題，不但顯著提高了機組參與電網一、二次調頻的能力，也改善了機組主要參數的調節品質，增強了機組運行的穩定性、經濟性。

［1］ 康 松．汽輪機原理［M］．北京:中國電力出版社，2000．

［2］ 肖大雛．超超臨界機組控制設備及系統［M］．北京:化學工業出版社，2010．

［3］ 中國動力工程學會．火力發電設備技術手冊［M］．北京:機械工業出版社，2000．

［4］ 張 華，孫奎明．熱工自動化［M］．北京:中國電力出版社，2010．