循環流化床機組一次調頻功能優化

程榮新 李世波

（遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，遼寧 調兵山 112700）

循環流化床機組一次調頻功能優化

程榮新 李世波

（遼寧調兵山煤矸石發電有限責任公司，遼寧 調兵山 112700）

本文結合調兵山發電公司2X300MW機組一次調頻功能的優化，介紹了一次調頻控制功能的原理和特征參數，詳細分析了調兵山發電公司循環流化床機組一次調頻功能的影響因素并具體給出了整改措施和控制邏輯的優化方案。通過對其一次調頻功能的優化實例，闡述了循環流化床機組一次調頻功能同樣具備調頻能力，為循環流化床機組一次調頻功能的完善提供了很好的借鑒。

一次調頻；循環流化床；控制策略；邏輯優化

遼寧調兵山煤矸石電廠兩臺機組設計容量為300MW。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠設計和制造的NZK300-16.7/537/537型，亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機；鍋爐采用上海鍋爐廠生產的亞臨界壓力中間一次再熱循環流化床鍋爐，設計煤種為鐵法地區劣質煙煤；發電機為哈爾濱電機廠生產的產品。

DCS控制系統采用杭州和利時自動化有限公司HOLLiAS-MACSV的集成化系統平臺，包括數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）、電氣控制系統（ECS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）等各項控制功能。DEH主要控制汽輪機轉速和功率，即從汽機掛閘、沖轉、暖機、定速、同期并網、帶初負荷、帶全負荷的整個過程，通過TV、GV、RSV和IV實現，同時具備防止汽機超速的保護邏輯。

HOLLiAS-MACSV集成化系統的先進性在于分散的結構和基于微處理器的控制，這兩大特點加上冗余使得系統在具有更強的處理能力的同時提高了可靠性且其控制軟件組態靈活方便、易于調試維護。

1　一次調頻功能簡介

1.1一次調頻原理簡介

一次調頻是發電機組維持電網頻率穩定的重要功能。一次調頻是指發電機組的自動控制系統在電網頻率升、降時自動減少、增加自身負荷，從而限制電網頻率的變化［1］。它主要利用機組的蓄能承擔電網負荷變化，不需要電網調度進行干預，其響應時間約為幾秒。電網中各機組通常按容量相對值承擔一次調頻量，因此各機組的不等率設置大致相同，一般為4%-5%［2］。

鑒于遼寧電網新能源發展迅猛，風電的大規模接入影響了電網頻率的穩定［3］，而具備調頻優勢的水電機組裝機容量又相對較少，因此，分析影響火電機組一次調頻能力的因素和優化火電機組一次調頻功能，對電網頻率的穩定意義重大。

循環流化床鍋爐受制于其鍋爐的特殊性，在負荷的快速相應上存在一定的劣勢，但考慮到一次調頻功能更多的是依靠機組本身的蓄熱能力，因此其一次調頻控制功能的有效實現，在理論上具備可行性。

1.2一次調頻特征參數

1.2.1調頻死區

調頻死區是指機組轉速在死區范圍內變化時，機組的一次調頻不動作。其目的是在電網頻率變化較小的情況下提高機組運行的穩定性。

1.2.2轉速不等率

轉速不等率也叫速度變動率，是指機組調節系統在額定工況下給定值不變，汽輪機由空負荷到滿負荷的轉速變化量與額定轉速之比，用δ表示。其公式為：

采用美國國家海洋大氣研究中心空氣資源實驗室(NOAA)的HYSPLIT 軌跡模式進行氣流來向軌跡模擬，可進行分辨率最高精確到小時的氣流來向及去向軌跡模擬，本研究選取模擬地面氣流的后向軌跡方案。計算后向軌跡所用的NCEP再分析資料、氣象數據來自GDAS數 據庫(ftp：//arlftp．arlhq．noaa．gov/pub/archives/ gdasl)，分辨率為1°×1°，后向延伸時間為72h， 軌跡模擬高度設定為500m。

式中：nmax為汽輪機空負荷轉速，rpm；nmin為汽輪機滿負荷轉速，rpm；n0為汽輪機額定轉速，rpm。

1.2.3負荷變化幅度

機組參與一次調頻的負荷變化幅度，是考慮當頻率變化過大時，機組負荷不再隨頻率變化，以保證機組穩定運行。

1.2.4遲緩率

在汽輪機調節系統中，由于部件摩擦、鉸接間隙、滑閥重疊度等影響存在著遲緩現象，使得機組靜態特性曲線在轉速上升和下降時不再是同一條，而是近于平行的兩條曲線。將上升曲線與下降曲線在同一功率下的轉速差?n與額定轉速n0之比的百分數稱為調節系統的遲緩率，用于反映調節系統的靜態特性品質［4］。遲緩率用ε表述為：

式中：?n為轉速差，rpm；n0為汽輪機額定轉速，rpm。

1.3一次調頻控制邏輯組態

通常，火電機組的一次調頻控制邏輯有以下幾種方案：DEH方式、CCS方式、CCS與DEH聯合方式。在DEH方式下時，一次調頻功能并沒有將一次調頻動作效果疊加在CCS負荷指令回路中，因此在協調控制系統的作用下，會將調頻作用導致的負荷變化消除，影響一次調頻作用效果，最終導致欠調現象；在CCS方式下，雖可以通過負荷指令的變化，實現最終負荷的響應。但此種方式并不能有效的利用機組的蓄熱能力，在快速性上存在不足；現今階段，多采用CCS與DEH聯合方式來實現機組的一次調頻控制功能。

圖1　一次調頻控制策略框圖

圖2　5號高調門（CV5）動作滯后

2　一次調頻考核指標及問題分析

2.1一次調頻考核指標

一次調頻考核結果由B1、B2、B3與Bu指標合格與否決定。根據考核細則可知各指標要求如下：

B1：頻率越過死區（±0.033）后，一次調頻立即動作，并且保證機組出力在3秒內向著一次調頻調整方向變化。則B1指標合格。B1指標用于考量機組響應一次調頻的快速性。

B2：一次調頻動作后15秒內，其動作幅度最大值超過頻率極值點對應出力的90%，則B2指標合格。B2指標用于考量機組響應一次調頻的調整幅度。

B3：從第3秒開始至60秒或一次調頻考核結束，所有采樣點的實際出力與理論計算出力偏差的平均值與此次調頻過程中最大理論增量的比值小于25%，則B3指標合格。B3指標表征機組響應一次調頻的控制精度。

Bu：指電網頻率出現偏差時機組為恢復電網頻率實際變化積分電量與期望變化積分電量之比。比值大于0.9則Bu指標合格。Bu值越高，一次調頻變負荷速率越快，幅度越大，對電網頻率恢復的貢獻就越大。

2.2一次調頻問題分析

通過對機組運行狀況的調研及相關邏輯的梳理發現如下制約因素：

①機組協調控制系統投入效果不佳。這既有循環流化床鍋爐特性導致的滯后原因，也有協調控制系統控制策略簡單和控制參數設置不合理的原因。因此需對協調控制系統進一步優化完善。

②通過對一次調頻考核數據的整理分析，發現一次調頻動作存在明顯的滯后性。通過現場試驗檢查發現CV3與CV5兩個調門在控制上存在明顯滯后，這對一次調頻響應的快速性有較大的影響。因此需要對上述兩個調門進行調整。

③協調控制系統中的壓力拉回回路在動作時會抑制一次調頻作用，致使一次調頻作用削弱，甚至不起作用。因此需針對一次調頻動作時壓力拉回回路的作用效果進行修正。

④一次調頻前饋作用不足，進一步造成一次調頻的作用太弱，甚至不起作用。因此需對一次調頻控制邏輯進行有針對性的優化。

3　一次調頻功能優化

本文主旨是對一次調頻功能的優化進行說明與總結，因此對于上文3.2中提及的問題，其中第一條與第二條涉及協調控制系統的優化與高調門的設備調整，在本文不再贅述。

針對第三條問題，除調整壓力拉回參數，減小其對一次調頻的擾動外，還可在壓力拉回邏輯中增加調頻動作時輸出自保持功能：在一次調頻動作且主汽壓力偏差不大于安全值的情況下，閉鎖壓力拉回輸出，使得一次調頻期間調節閥不參與主汽壓力調節。當壓力偏差越限時，則自動恢復壓力拉回作用，保護機組的安全穩定運行?？刂撇呗匀鐖D3所示：

圖3　CCS側壓力拉回控制策略

針對第四條問題，對機組一次調頻邏輯進行了優化調整，特別修正了DEH側一次調頻的前饋作用，使其滿足快速性和調頻幅度的要求，具體邏輯如圖4所示。

圖4　DEH側一次調頻邏輯優化

針對B1、B2與B3考核指標的特點，通過對DEH側一次調頻邏輯的優化，以15秒這一時間節點采用了分段變參數控制策略。在一次調頻動作的前15秒內，采用較高的參數用于實現調速汽門對一次調頻控制功能的快速響應。15秒后，為保證B3穩態偏差控制指標的合格，將DEH側前饋系數降低，依靠CCS閉環控制系統提高一次調頻的負荷控制精度。

優化后電網側一次調頻考核曲線如圖5所示?？梢?，采用此控制策略后，遼寧調兵山煤矸石電廠兩臺機組的一次調頻控制效果得到明顯改善，控制品質取得了有效的提升。

圖5　電網一次調頻考核曲線

4　結論

近年來，隨著電網公司一次調頻考核細則的出臺，火電機組的一次調頻功能得到了更多的關注，一次調頻的控制策略也更加趨于成熟。循環流化床鍋爐雖受制于鍋爐側響應的滯后性，但通過對外部的硬件設備的問題排查及對內部的控制策略調整和控制邏輯優化，能夠實現其一次調頻控制指標的合格。

本文提出的一次調頻控制系統優化方案合理、可行，一次調頻控制效果比優化前得到了明顯的改善，優化過程中取得的經驗可以為其他機組進行一次調頻優化提供借鑒作用。

［1］李建軍，王禮，王英薈.超（超）臨界燃煤機組一、二次調頻研究與應用［J］.東北電力技術，2012，33（8）：13-16.

［2］朱北恒.火電廠熱工自動化系統試驗［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［3］許睿超，羅衛華.大規模風電并網對電網的影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術，2011，32（2）：1-4.

［4］代云修，張燦勇.汽輪機設備及系統［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］Q/GDW 669-2011，火力發電機組一次調頻試驗導則［S］.

Optimization of Primary Frequency Regulation Function for Circulating Fluidized Bed Unit

Cheng Rongxin Li Shibo
（Liaoning DiaobingshanCoal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Diaobingshan Liaoning 112700）

This article introduces the principle and characteristic parameters of primary frequency regulation and control function，carries out a detailed analysis on the influencing factors of primary frequency regulation function for the circulating fluidized bed unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.，and proposes the concrete corrective measures and control logic optimization scheme combining with the optimization of primary frequency regulation function for 2X300MW unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.Through the optimization examples of its primary frequency regulation function，it expounds that the primary frequency regulation function of circulating fluidized bed unit also has frequency regulation ability，which provides a good reference for the perfection of primary frequency regulation function of the circulating fluidized bed unit.

primary frequency regulation；circulating fluidized bed；control strategy；logic optimization

TK229.66

A

1003-5168（2015）12-0125-4

2015-12-10

程榮新（1972－），男，碩士，高級工程師，研究方向：電氣及熱工自動化。