基于閥點的一次調頻設計及其在1000MW火電機組中的應用

高文松，劉正強，王曉峰，黃宏偉,尹金亮，聶濤

(1.中電投河南電力有限公司技術信息中心，鄭州市 450000；2.中電投河南電力有限公司平頂山發電分公司，河南省平頂山市 467312)

基于閥點的一次調頻設計及其在1000MW火電機組中的應用

高文松1，劉正強1，王曉峰1，黃宏偉1,尹金亮1，聶濤2

(1.中電投河南電力有限公司技術信息中心，鄭州市 450000；2.中電投河南電力有限公司平頂山發電分公司，河南省平頂山市 467312)

當汽輪機數字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統使用固定系數的一次調頻動作量時，由于受機組配汽特性的影響，在某些負荷段可能出現過調或欠調的情況，嚴重影響一次調頻合格率。受汽輪機噴嘴蒸汽流量及其做功能力的啟發，提出了一種基于閥點的一次調頻(valve points primary frequency regulation，VPPFR)設計；設計中采用基于閥點和主汽壓校正函數的變DEH控制系統側動作量。該設計在實際應用中獲得了較好的一次調頻合格率。

火電機組；一次調頻；閥點；主汽壓

0 引 言

電力系統頻率既是系統運行生產的重要質量指標，又是關系到系統安全穩定運行的重要因素。電力系統的頻率主要取決于有功功率，即決定于原動機的驅動功率[1]。電力系統頻率的一次調節是指利用系統固有的負荷頻率特性，以及發電機組調速器的作用，來阻止系統頻率偏離標準的調節方式[2]。

為了實現一次調頻的正確動作和準確調節，很多調試人員對機組調頻特性進行研究，設計了不同的控制策略進行優化，取得了一定的效果[3-12]。本文提出一種基于閥點的一次調頻設計(valve points primary frequency regulation，VPPFR)并將其應用到1 000 MW超臨界火電機組中，以期取得較好的調節效果。

1 一次調頻動作原理

一次調頻動作原理如圖1所示。

圖1 一次調頻動作原理圖

由于一次調頻一般為短周期、小幅值調節，汽輪機數字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統前饋動作量和協調控制系統(coordination control system，CCS)機主控動作量成為一次調頻的關鍵。DEH側動作能直接改變調節門的開度，利用機組蓄熱，快速改變負荷，從而達到一次調頻快速性的要求。但DEH動作量是根據頻差的比例變換，屬于開環控制，不能完全保證電網對積分電量的要求。而CCS機主控一般為PI調節，積分環節的引入，彌補了DEH側純比例有差調節的不足，使機組的調頻出力得到準確控制，保證積分電量滿足轉速不等率的要求，滿足了一次調頻穩定性的要求。DEH和CCS兩側回路相互配合才能達到滿意的調頻效果。本文認為，DEH側首先動作到80%至90%的頻差要求動作量，然后依靠CCS機主控調節剩余偏差，是最理想的調節方式。

由于一次調頻的調整對象應為短周期、小幅值調節，較長周期或較大幅值的變化應該由二次調整完成(華中電網推出的考核辦法中電量積分時間為60 s)，所以一次調頻不用涉及燃料、給水等變化。文獻[3]中建立的一次調頻模型證明，在較高頻段，不用考慮主汽壓動態影響[3]，這與鍋爐調節的滯后性是一致的。

2 基于閥點的一次調頻設計

2.1 最佳滑壓閥點

一般而言，汽輪機滑壓運行模式可有四閥、三閥、二閥滑壓運行，在汽輪機熱耗特性已知條件下，其主汽壓力是由高壓調節門開度決定的。由此將主汽壓滑壓尋優的目標明確為：尋找和確定“最佳滑壓閥點”。“最佳滑壓閥點”在滑壓區間內為唯一固定值，與以“最佳主汽壓力”為尋優目標的傳統方法相比，新尋優控制方法的對象更為明確，變為確定“最佳滑壓閥點”和根據機組的汽耗率自動修正滑壓初壓設定值問題。

平頂山電廠采用先進的單調節門閥點滑壓運行(即低負荷時采用閥門開度不同的二閥運行模式)，在750 MW負荷下，較二閥滑壓又減少煤耗約0.8 g/(kW·h)。閥點曲線如圖2，滑壓曲線如圖3所示。300～780 MW為定閥點滑壓運行，780～1 000 MW為定壓變閥點運行。

2.2 蒸汽做功能力

蒸汽通過噴嘴的流量[1]為

(1)

式中：G為噴嘴流量，kg/s；β為彭臺門系數；An為噴嘴出口面積，m2；p0為噴嘴前蒸汽滯止壓力，kPa；ρ0為噴嘴前蒸汽密度，kg/m3。

圖2 閥點曲線

圖3 滑壓曲線

蒸汽做功能力與蒸汽焓值有關，而焓值決定于溫度和壓力，所以可用下式表示：

G*=f1(G,p0,T)

(2)

式中：G*為蒸汽做功能力，kJ；T為蒸汽溫度，K。

β與蒸汽狀態，即蒸汽壓力、溫度有關； An與調節門開度，即閥點有關；ρ0與溫度、壓力有關，所以式(2)可表示為

G*=f2(VP,p0,T)

(3)

式中VP表示閥點。用主汽壓P代替p0，正常工況下，汽溫T波動范圍較小，所以式(3)可簡化為

G*=f3(VP,P)

(4)

式(4)的意義在于，可以用VP和P表示蒸汽做功能力，為一次調頻中基于閥點和主汽壓校正系數的變DEH控制系統側動作量提供了理論基礎。

2.3 基于閥點的一次調頻設計

基于閥點的一次調頻原理如圖4所示。從圖4中可以看出，DEH控制系統側一次調頻動作量是基于主汽壓和閥點校正的。

根據機組運行數據，辨識出的閥點運行曲線如圖5和圖6所示。

圖4 基于閥點的一次調頻原理圖

圖5 負荷-主汽壓關系曲線

圖6 負荷-閥點關系曲線

圖5表示在定閥點時，隨主汽壓變化負荷變化情況，取數據倒數并進行歸一化處理，便得到基于主汽壓的一次調頻校正系數，如圖7所示。圖6表示在定壓運行時，隨閥點變化負荷變化情況，取特定數據點的斜率的倒數并進行歸一化處理，便得到基于閥點的一次調頻校正系數，如圖8所示。

圖7 主汽壓校正系數

圖8 閥點校正系數

2.4 效果驗證

將基于閥點的一次調頻設計應用于1 000 MW超臨界火電機組中，取得了較好的調節效果，一次調頻100次動作合格率由原來的60%提高到72%，調節效果得到改進，有效地避免了由于機組配汽特性造成的一次調頻欠調和過調情況。

3 影響一次調頻效果的其他因素

影響一次調頻效果的原因很多，除了受機組配汽特性的影響外，主要包括以下幾項：

(1)信號的精確性。由于一次調頻是快過程，信號的精確性就顯得尤為重要，頻率信號或轉速信號傳輸中在數值上一定要精確，在時間上一定要同步。

(2)一次調頻因子的設置。根據速度變動率合理設置調頻因子，但在一次調頻因子較小時，可能產生欠調，本文認為應該適當增大頻率小偏差時的一次調頻因子。

(3)主蒸汽壓力的偏差。當主汽壓實際值與設定值偏差大于機主控動作死區時，機主控會動作調節，若此時動作方向正好與一次調頻動作方向相反，則會影響調頻效果。應該設計主汽壓閉鎖邏輯，當一次調頻動作時，若主汽壓處于安全范圍內，閉鎖機主控對主汽壓的調節。

(4)負荷的變化。一次調頻動作時，若機組正處在變負荷階段，且符合增減方向與一次調頻相反，會影響調頻效果。建議時刻保持自動發電量控制(automatic generation control，AGC)的投入，避免由于AGC投入初期受變負荷的影響，并且增加一次調頻動作對負荷進行的閉鎖。若AGC動作方向與一次調頻方向相反，可以向電網調度中心反映，以便免除由此造成的考核影響。

4 結 論

(1)影響一次調頻效果的因素復雜，需要根據調頻效果逐項分析。

(2)本文提出的基于閥點的一次調頻設計，引入基于閥點和主汽壓校正函數的變DEH控制系統側動作量，在實際應用中獲得了較好的調頻效果。

[1]黃樹紅，孫奉仲，盛德仁，等.汽輪機原理[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]劉維烈，朱峰，李端超，等.電力系統調頻與發電控制 [M].北京：中國電力出版社，2006.

[3]劉曉強，王西田.考慮主蒸汽壓力變化的機組一次調頻動態特性[J].熱能動力工程，2008，23(2)： 140-143.

[4]傅望安，沈沖.基于純滑壓運行方式的一次調頻性能優化在1 000 MW超超臨界機組中的應用[J].電力建設，2010，31(11)：76-79.

[5]龔雪麗.電廠一次調頻控制策略的分析及優化[J].電力建設，2005，26(9)：6-8.

[6]馬素霞，馬慶中，張龍英.中間再熱機組一次調頻特性研究[J].熱能動力工程，2010，25(1)：72-76.

[7]陳小強，項瑾， 魏陸平，等.1 000 MW機組一次調頻性能優化[J].中國電力，2010，43(4)：63-66.

[8]朱曉星，劉武林，周虎.國產600 MW超臨界機組一次調頻控制策略[J].電力建設，2009，30(3)：74-76.

[9]張為義.一次調頻功能對火電機組運行適應性的試驗分析[J].電力建設，2003，24 (1): 65-0.

[10]黃衛劍，張曦，陳世和，等.提高火電機組一次調頻響應速度[J].中國電力，2011，44(1)：73-43.

[11]趙攀,戴義平,常樹平. 河北南網一次調頻特性研究[J].中國電力，2008，41(7)：5-10.

[12]戴義平,趙婷,高林. 發電機組參與電網一次調頻的特性研究[J].中國電力，2006，39(11)：37-41.

(編輯：楊大浩)

PrimaryFrequencyRegulationDesignBasedonValvePointandItsApplicationin1000MWThermalPowerUnit

GAO Wensong1，LIU Zhengqiang1，WANG Xiaofeng1，HUANG Hongwei1，YIN Jinliang1，NIE Tao2

(1. Henan Company Technical Information Center of China Power Investment Corporation, Zhengzhou 450000, China；2. Henan Company Pingdingshan Power Branch of China Power Investment Corporation, Pingdingshan 467312, Henan Province, China)

During the action on DEH (digital electro-hydraulic) control system of turbine using a fixed coefficient of quantity, the primary frequency regulation may overshoot or undershoot in the certain load segment, because of the influence of steam distribution characteristics, which seriously affects the qualified rate of primary frequency regulation. Inspired by the nozzle steam flow and work capacity of turbine, this paper presented a design method for primary frequency regulation based on alve point (valve points primary frequency regulation, VPPFR), in which the action on DEH side was varied according to the correction function of valve point and main steam pressure. Through the practical application, it is showed that this method can obtain the satisfactory qualified rate of primary frequency regulation.

thermal power unit; primary frequency regulation; valve point; main steam pressure

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)05-0099-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.017

2013- 11- 17

：2013- 12- 20

高文松(1984)，男，碩士，主要從事復雜系統建模、仿真與控制相關工作，E-mail：wensong-gao@163.com；

劉正強(1976)，男，本科，高級工程師，主要從事電廠技術管理工作；

王曉峰(1970)，男，本科，高級工程師，主要從事電廠技術管理工作；

黃宏偉(1968)，男，本科，高級工程師，主要從事電廠技術管理工作；

尹金亮(1963)，男，本科，高級工程師，主要從事電廠節能優化工作；

聶濤(1976)，男，本科，高級工程師，主要從事電廠熱控研究及管理工作。