電網(wǎng)“強(qiáng)饋入弱開機(jī)”狀態(tài)下1 000 MW機(jī)組新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)開發(fā)及一次調(diào)頻能力研究

單英雷 陳洪濤 華東電力試驗研究院有限公司

蔣明達(dá) 大唐淮南洛河發(fā)電廠

1 前言

上海某電廠1 000 MW超超臨界火力發(fā)電機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠有限公司生產(chǎn)的SG-2956/27.46-M534超超臨界直流鍋爐，單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)；汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)，額定功率1 000 MW。機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)采用艾默生公司的OVATION系統(tǒng)（UNIX版本），汽機(jī)DEH控制系統(tǒng)采用西門子公司的T3000系統(tǒng)。在調(diào)試期間以及投入生產(chǎn)初期一直采用汽機(jī)高壓調(diào)門節(jié)流的CBF協(xié)調(diào)控制方式，采取這種方式，負(fù)荷響應(yīng)較好，但存在主汽壓波動大、汽機(jī)調(diào)門有較大節(jié)流損失等缺點[1]。考慮到汽機(jī)高壓調(diào)門全開后可從3個方面提高運行經(jīng)濟(jì)性[2]：一是調(diào)門全開后，閥門節(jié)流損失降低，高壓缸效率上升，使得汽輪機(jī)熱耗率下降；由于調(diào)門全開后，主蒸汽壓力下降，使得循環(huán)熱效率下降，兩者相抵扣，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性仍會有提高。二是由于主蒸汽壓力降低，使得給水泵的耗功下降，驅(qū)動給水泵的蒸汽量（或用電量）下降，帶來經(jīng)濟(jì)性得益。三是由于調(diào)門全開后，在同樣的主蒸汽溫度下，調(diào)門后的溫度會上升，使得高壓缸排汽溫度上升，熱再溫度也會有所上升，對于原先熱再溫度偏低的機(jī)組其經(jīng)濟(jì)性得益不容忽視。綜合3方面因素，粗略估算在AGC負(fù)荷下平均煤耗約可下降1.0g/kW.h左右。因此，為了提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)節(jié)能減排，公司進(jìn)行了新型節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能開發(fā)和實施，將汽機(jī)高壓調(diào)門節(jié)流的CBF方式轉(zhuǎn)換為汽機(jī)高壓調(diào)門全開的CTF方式。新型節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 新型節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)圖

隨著大容量機(jī)組在電網(wǎng)中比例的不斷增加和用戶對電能質(zhì)量要求的提高，電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性問題越來越被重視[3]。入網(wǎng)的發(fā)電機(jī)組一般都要求具備一次調(diào)頻能力，即要求機(jī)組具備在規(guī)定的短時間內(nèi)增加（或減小）一定量的負(fù)荷以響應(yīng)系統(tǒng)頻率下降（或上升）的能力，這對于快速穩(wěn)定電網(wǎng)頻率、提高電能質(zhì)量是非常重要的[4]。直流鍋爐由于其蓄熱能力比汽包鍋爐小得多，為滿足機(jī)組的安全穩(wěn)定運行，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常采用汽輪機(jī)跟隨方式（TF），其負(fù)荷響應(yīng)的初期速度較慢，機(jī)組的調(diào)頻能力較差，這是直流機(jī)組的一個控制難點[5]。本文面臨著同樣的問題，開發(fā)的新型節(jié)能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用汽機(jī)高壓調(diào)門全開的CTF方式，沒有鍋爐蓄能可用，這使得機(jī)組實現(xiàn)一次調(diào)頻功能的難度大大增加。上海外高橋二廠嘗試凝結(jié)水節(jié)流用于一次調(diào)頻的試驗，并取得了成功，這為我們的研究提供了可行性。

2 機(jī)組新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 負(fù)荷協(xié)調(diào)控制方式的改變

采用汽機(jī)調(diào)門全開的CTF協(xié)調(diào)控制方式，鍋爐主控仍以機(jī)組負(fù)荷指令作為前饋，但不再調(diào)節(jié)主汽壓偏差，而是調(diào)節(jié)負(fù)荷指令和實際負(fù)荷之間的偏差；汽機(jī)接受DCS送來的主汽壓設(shè)定值，控制實際主蒸汽壓力和設(shè)定值之間的偏差。通過適當(dāng)降低主汽壓設(shè)定值，使得汽機(jī)調(diào)門慢慢開啟并維持全開狀態(tài)。此時雖然汽機(jī)處于控壓狀態(tài)，但由于調(diào)門全開后實際上不再控制主汽壓，主汽壓處于“自由”波動狀態(tài)。當(dāng)然，如果主汽壓過低，則汽機(jī)調(diào)門仍會關(guān)小維持汽壓。

2.2 過載補(bǔ)汽閥和高壓調(diào)門閥限的自動調(diào)節(jié)

由于該汽輪機(jī)配有過載補(bǔ)汽閥，如果補(bǔ)汽閥開啟，新蒸汽經(jīng)過補(bǔ)汽閥降壓后從高壓缸中間某級進(jìn)入汽缸做功，節(jié)流損失很大，非常不經(jīng)濟(jì)。為此，對補(bǔ)汽閥的開度限制進(jìn)行處理，平時閥門高限設(shè)置為0%，這樣即使汽機(jī)調(diào)門主控輸出的閥門指令為100%，經(jīng)過閥門高限后實際有限的指令仍為0%，故補(bǔ)汽閥不會開啟。而高壓調(diào)門的閥限平時置為105%，則高壓調(diào)門接受汽機(jī)調(diào)門主控的輸出指令保持全開。當(dāng)然，在汽機(jī)超壓或者一次調(diào)頻要求加負(fù)荷時，補(bǔ)汽閥的高限或適當(dāng)放開，從而開大補(bǔ)汽閥；在一次調(diào)頻要求減負(fù)荷時，高壓調(diào)門的高限會適當(dāng)下降，從而關(guān)小高壓調(diào)門。通過這樣的調(diào)門閥限自動處理后，實現(xiàn)了調(diào)門全開而補(bǔ)汽閥全關(guān)，使汽輪機(jī)保持在最經(jīng)濟(jì)的閥門狀態(tài)下運行，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

2.3 采用凝結(jié)水節(jié)流參與負(fù)荷調(diào)節(jié)

由于汽機(jī)高壓調(diào)門全開不參與負(fù)荷調(diào)節(jié)，故對負(fù)荷控制會帶來一定影響，但這種影響主要是在變負(fù)荷初期，在變負(fù)荷中后期只要鍋爐狀況良好，控制適當(dāng)，給水、燃煤能快速響應(yīng)，實際負(fù)荷一般能跟隨負(fù)荷指令的變化。為了提高調(diào)門全開后變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)能力，采用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)，通過改變凝結(jié)水流量來參與負(fù)荷調(diào)節(jié)，加快變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)速度，縮短負(fù)荷響應(yīng)延遲，彌補(bǔ)鍋爐熱慣性大、純延遲長的缺點。

2.4 鍋爐對象特性及控制優(yōu)化

凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷主要作用是提高變負(fù)荷初期的負(fù)荷響應(yīng)，能夠改善由于鍋爐側(cè)的滯后而產(chǎn)生的負(fù)荷響應(yīng)延時，但機(jī)組最終的負(fù)荷響應(yīng)仍然取決于鍋爐燃燒率的變化，為此需要對鍋爐控制進(jìn)行優(yōu)化，以提高機(jī)組整體的負(fù)荷響應(yīng)能力。進(jìn)行的優(yōu)化工作主要有以下幾個方向：修正鍋爐煤水基準(zhǔn)函數(shù)、加快給水變化速度、增加給水焓值控制的智能死區(qū)、增加鍋爐煤水的智能超調(diào)等。

2.5 一次調(diào)頻功能實現(xiàn)

在原先CBF協(xié)調(diào)方式下，DEH處于限壓模式，即負(fù)荷控制方式，DEH具備一次調(diào)頻投入能力。但投用新的CTF協(xié)調(diào)方式后，DEH的控制方式也相應(yīng)變?yōu)槌鯄耗Ｊ剑磯毫刂品绞剑藭rDEH側(cè)原有的一次調(diào)頻回路已不起作用，不再具有一次調(diào)頻功能，故需重新開發(fā)新的一次調(diào)頻功能。另外，由于汽機(jī)調(diào)門平時處于全開狀態(tài)，需要利用凝結(jié)水節(jié)流來部分實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。一次調(diào)頻功能實現(xiàn)主要有以下幾個方面：（1）電網(wǎng)頻率變化超過死區(qū)，但幅度不大時，利用凝結(jié)水節(jié)流來實現(xiàn)；（2）電網(wǎng)頻率偏低一定程度，要求增加負(fù)荷時，開啟過載補(bǔ)汽閥；（3）電網(wǎng)頻率偏高一定程度，要求降低負(fù)荷時，關(guān)小汽機(jī)高壓調(diào)門；（4）優(yōu)化CCS側(cè)的一次調(diào)頻功能，加快給水響應(yīng)速度，提高負(fù)荷變化能力。

3 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的原理及功能實現(xiàn)

3.1 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的原理

凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷，是指在機(jī)組變負(fù)荷時，在凝汽器和除氧器允許的水位變化范圍內(nèi)，依靠回?zé)嵯到y(tǒng)加熱器的自平衡能力，當(dāng)凝結(jié)水量減少時，水側(cè)溫度上升，汽側(cè)飽和溫度及壓力也上升，使得抽汽壓差減少從而抽汽量下降，則減少的抽汽量流經(jīng)汽輪機(jī)致使輸出電功率增加;當(dāng)凝結(jié)水流量增加時，情況正好相反，輸出的電功率減少，實現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流對機(jī)組功率的調(diào)整[6]。

3.2 凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的實現(xiàn)方法

實現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)的關(guān)鍵是如何在保證機(jī)組安全運行的前提下，讓原先控制凝汽器水位的凝水調(diào)門去響應(yīng)機(jī)組負(fù)荷指令的變化，為此需要對凝結(jié)水系統(tǒng)的控制進(jìn)行整體優(yōu)化，包括凝汽器補(bǔ)水、低加水位、凝汽器水位、除氧器水位、凝結(jié)水泵最小流量等控制，以及對熱井水位、除氧器水位、凝結(jié)水流量等保護(hù)定值進(jìn)行梳理和必要調(diào)整。

（1）凝汽器補(bǔ)水控制的優(yōu)化

凝汽器補(bǔ)水原先的控制策略是根據(jù)除氧器水位的變化來控制補(bǔ)水調(diào)門的開度，當(dāng)除氧器水位低于一定值時凝汽器常補(bǔ)會開啟，再低時凝汽器危補(bǔ)也會開啟。這種策略在凝汽器和除氧器水位的變化相對平穩(wěn)時是可行的，此時除氧器的水位變化可以表征凝水系統(tǒng)的工質(zhì)多寡。但采用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)后，凝汽器和除氧器的水位會頻繁大幅波動，只考慮除氧器水位來控制系統(tǒng)補(bǔ)水已不再適宜，而應(yīng)根據(jù)凝水系統(tǒng)總的儲水量（除氧器水位偏差與凝汽器水位偏差的加權(quán)和）變化來控制補(bǔ)水，即綜合考慮除氧器和凝汽器的水位變化，根據(jù)兩者當(dāng)量水位的變化來控制補(bǔ)水調(diào)門的開度，當(dāng)凝水系統(tǒng)的工質(zhì)確實減少時才需要補(bǔ)水，否則會造成凝水工質(zhì)失衡，影響機(jī)組安全運行。

（2）低加水位控制的優(yōu)化

未采用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)時，凝結(jié)水流量一般不會快速急劇變化，低加水位的波動也在正常范圍內(nèi)。但當(dāng)使用凝結(jié)水節(jié)流技術(shù)后，凝結(jié)水流量則會經(jīng)常大幅快速變化，原先的低加水位控制會暴露出問題：當(dāng)凝水流量快速增加時，低加抽汽量相應(yīng)增加，低加水位升高，如低加常疏控制不當(dāng)會導(dǎo)致危疏開啟，影響回?zé)嵯到y(tǒng)效率；當(dāng)凝水流量快速減少時，低加抽汽量相應(yīng)減少，低加水位下降，如低加常疏控制不當(dāng)會導(dǎo)致低加水位過低，觸發(fā)低加保護(hù)，關(guān)閉抽汽電動門，影響機(jī)組正常運行。故需對低加常疏、危疏的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化（包括增加凝結(jié)水流量至低加常疏的前饋環(huán)節(jié)、優(yōu)化常疏、危疏調(diào)門的PID參數(shù)等），對低加的保護(hù)、控制定值進(jìn)行梳理和調(diào)整，以實現(xiàn)低加水位在凝水流量大幅波動時的平穩(wěn)控制，避免危疏開啟和低加保護(hù)動作。

（3）凝水調(diào)門控制增加負(fù)荷響應(yīng)功能

凝水調(diào)門有主調(diào)門和副調(diào)門兩個，原先只控制凝汽器水位。副調(diào)門只在機(jī)組啟動和低負(fù)荷下使用，在機(jī)組AGC負(fù)荷范圍內(nèi)只是凝水主調(diào)門參與調(diào)節(jié)，而凝水副調(diào)門關(guān)閉。故實現(xiàn)凝結(jié)水節(jié)流的重點是凝水主調(diào)門，當(dāng)然對凝水副調(diào)門也要做些優(yōu)化，避免在凝汽器水位和凝結(jié)水流量大幅波動時副調(diào)門的不合適開啟，從而影響凝結(jié)水節(jié)流效果。在凝水主調(diào)門原先的控制邏輯上，嵌入對機(jī)組負(fù)荷指令的響應(yīng)邏輯，當(dāng)凝汽器水位和除氧器水位在正常范圍內(nèi)變化時，凝水主調(diào)門響應(yīng)負(fù)荷指令的變化，即需要加負(fù)荷時，凝水調(diào)門先關(guān)小，凝水流量下降，從而增加機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)滿足一定條件后，凝水調(diào)門逐漸恢復(fù)至控制水位狀態(tài)；需要減負(fù)荷時，凝水調(diào)門先開大，凝水流量上升，抽汽量增加，從而減少機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)滿足一定條件后，凝水調(diào)門逐漸恢復(fù)至控制水位狀態(tài)。當(dāng)然，如果發(fā)生凝汽器水位或者除氧器水位越限，則凝水調(diào)門閉鎖負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，只控制凝汽器水位，確保凝汽器、除氧器水位不失控和機(jī)組安全運行。

4 一次調(diào)頻模擬試驗

選擇950 MW和600 MW負(fù)荷點進(jìn)行一次調(diào)頻模擬試驗，試驗時分別在DCS側(cè)和DEH側(cè)同時模擬電網(wǎng)頻率偏差，得出的一次調(diào)頻試驗結(jié)果如圖2圖3和圖4所示。

由一次調(diào)頻模擬試驗結(jié)果可知：根據(jù)圖3和圖4的曲線可知，當(dāng)凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷和汽機(jī)調(diào)門同時參與一次調(diào)頻時，完全能滿足電網(wǎng)頻率高一次調(diào)頻減負(fù)荷的性能要求；根據(jù)圖2的曲線可知，當(dāng)凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷和補(bǔ)汽閥同時參與一次調(diào)頻時，也具有了較快的一次調(diào)頻響應(yīng)，已經(jīng)能夠滿足上海電網(wǎng)對火電機(jī)組參與一次調(diào)頻的技術(shù)要求，但由于蓄能有限，在要求快速增加較大負(fù)荷時，能力仍略顯不足。

圖2 950 MW時一次調(diào)頻動作負(fù)荷增加30 MW變化曲線

圖3 600 MW時一次調(diào)頻動作負(fù)荷降低30 MW變化曲線

圖4 950 MW時一次調(diào)頻動作負(fù)荷降低30 MW變化曲線

5 結(jié)語

開發(fā)的新型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，采用汽機(jī)高壓調(diào)門全開的CTF協(xié)調(diào)控制方式，基本消除了高壓調(diào)門的節(jié)流損失，提高機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)性，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的；同時結(jié)合凝結(jié)水節(jié)流參與負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)和汽機(jī)調(diào)門閥限自動調(diào)節(jié)技術(shù)，實現(xiàn)了CTF方式下的一次調(diào)頻功能，一次調(diào)頻效果能夠滿足電網(wǎng)的要求，總體上說是比較成功的。但是利用凝結(jié)水調(diào)負(fù)荷技術(shù)、利用補(bǔ)汽閥用于一次調(diào)頻，都屬于新技術(shù)，對于1000MW機(jī)組參與一次調(diào)頻的參數(shù)設(shè)置和控制策略還需要進(jìn)一步的探討和研究，同時還需要進(jìn)一步研究一次調(diào)頻新的控制方法，以滿足包括極端情況[7]在內(nèi)的各種工況下的一次調(diào)頻功能要求。

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