9E燃氣輪機一次調頻分析

梁文欽

摘 要：針對9E燃氣輪機一次調頻存在的問題進行分析，并且通過仿真試驗分析9E燃氣輪機一次調頻的特性，根據存在的問題和一次調頻的特性，提出一次調頻的優化方式。

關鍵詞：燃氣輪機；一次調頻；死區；基本負荷；燃料參考值

中圖分類號： TK477 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）18-179-3

0 引言

某電廠有兩套型號為PG9171E的燃氣—蒸汽聯合循環機組，單套機組總體出力為180MW，由于機組沒有設置一次調頻死區，導致與預選運行時機組負荷一直隨轉速波動而變化，不能滿足中調一次調頻的需求，基本負荷運行時調頻死區設置過大，并且不具備尖峰負荷運行的能力，也不滿足中調一次調頻的需求，針對這些問題本文提出了解決的方案。

1 負荷與頻率的關系

機組正常運行時燃氣輪機的轉速TNH_RPM在2996rpm到3003rpm之間緩慢波動，而絕大部分時間是在2998rpm到3002rpm之間緩慢波動，而在轉速波動期間有功功率DWATT也跟隨轉速波動，呈現出來的規律是：轉速升高，有功功率降低，轉速降低，有功功率升高，而有功功率的降升要滯后于轉速的升降，在轉速波動期間，有功功率圍繞設定功率緩慢上下波動約3MW，而絕大部分時間是有功功率圍繞設定功率緩慢上下波動約2MW，在有功功率波動期間，燃料量參考值FSR和排煙溫度TTXM也隨之上下波動，按照MK5控制系統的設置，當有功功率高于或者低于其設定值2MW時，基準轉速TNR就會降低或者升高直至有功功率不高于或者不低于其設定值0.25MW。由于TNR對DWATT的調節有一定的滯后并且調節強度不大（冷態時TNR每分鐘降低或者升高0.1%，在TNH不變的條件下，FSR每分鐘降低或者升高1%，DWATT 每分鐘降低或者升高約3MW，在溫態或熱態時，TNR每分鐘降低或者升高0.2%或0.3%，而在TNH不變的條件下，其他兩個參數分別是冷態時的兩倍和三倍）所以在TNH波動速度較大時，DWATT通常超出控制系統規定的調節范圍約1MW。負荷的總體變化規律是當TNH下降時，DWATT上升，而TNH上升時，DWATT下降。

2 一次調頻仿真試驗

省電網規定一次調頻的死區為±2rpm，即±0.033Hz，而我廠GT4和GT6在帶預選負荷時一次調頻的死區為分別為：±0.6rpm，即±0.1Hz；±0.75rpm，即±0.125Hz，并且由于死區選擇邏輯信號L83SCDB一直為“0”，故我廠燃氣輪機在預選負荷時并沒有設置一次調頻的死區，根據公式：FSRN=FSR+FSKNG*（TNR-TNH-DWKDG*DWATT），那么當DWATT和TNR不變時，由網上頻率的微小波動而引起的TNH微小變動必然會引起FSRN的變動，也必然會引起DWATT的變動。以下利用MATLAB的SIMULINK仿真軟件對GT6帶預選負荷時，由于網上頻率微小的波動而引起的一次調頻進行仿真。仿真的關鍵參數如下：預選負荷PRESETLOAD為93MW，此時對應的TNR為103.255%，擾動信號為幅值為3rpm，即0.001TNH，頻率為0.06rad/s，初相角為0的正弦波信號。設定FSR每變化1%，DWATT變動3MW，當DWATT高于或者低于PRESETLOAD 2MW時，仿真系統以0.3%/min的速度降低或升高TNR，直到其差值的絕對值小于0.25MW，仿真步距為1/16秒，仿真時間為100秒，而三次仿真試驗中一次調頻的死區分別為0rpm，±0.75rpm，±2rpm。

合理增大一次調頻的死區，可以減小預選負荷時候負荷的波動范圍。并且當負荷波動時，TTXM，控制閥開度FSG，速比閥開度FSGR和燃油旁路回油伺服閥的開度FSL也會隨之波動，而負荷波動較大時，TTXM波動幅值高達20℃，一般情況下，波動幅值也有10℃，可見合理增大一次調頻的死區不但可以減小伺服閥開度的波動范圍，以減小設備原件的老化，而且還能減小高溫部件受到的周期性變化的熱應力，并且還能限制負荷波動的范圍，能更好地適應電網的調峰要求。我們可以通過控制常數TNKEDB來改變一次調頻的死區，根據廣東省發電機組一次死區下限的要求，可以把TNKEDB設置為0.067%，為了把一次調頻死區調節的功能激活，可以在需要死區調節時，把邏輯信號L83SCDB設置為“1”。

3 一次調頻存在的問題

我廠燃氣輪機機組在帶預選負荷時具備一定的一次調頻的能力，但由于受到透平一級噴嘴溫度T3的限制并且由于沒有針對網上頻率大幅降低后燃氣輪機自動切換至尖峰負荷運行的設置，以提高溫控線，增加機組的出力，故帶預選負荷時燃氣輪機機組的一次調頻的能力受到一定的限制。當網上頻率大幅降低后，在燃氣輪機一次調頻的作用下，DWATT迅速提高，排煙溫度TTXM，壓氣機壓比CPR也迅速提高，排煙溫控參考值TTRXB迅速降低，此時若IGV在“OFF”狀態，IGV的溫控參考值為常數370℃，若此時IGV在“ON”狀態，IGV的溫控參考值隨CPR的升高而降低，若此時IGV角度CSGV小于86度，則當TTXM高于IGV的溫控參考值后，IGV角度逐步打開，以抑制TTXM增大，當IGV全開后，IGV失去對TTXM的控制能力，此時TTXM處于不可控狀態，若此時TTXM繼續增大使得TTXM大于或者等于排煙溫控參考值TTRXB后，燃氣輪機進入溫控，由于此時燃氣輪機不會切換至尖峰模式運行，以提高溫控線，故燃氣輪機的出力沒法再提高，一次調頻的能力受到限制，所以越接近基本負荷，燃氣輪機一次調頻往上升負荷的能力越低。當帶滿基本負荷后，當網上頻率降低時，我廠燃氣輪機失去了一次調頻的能力，但當網上頻率升高時，機組還是有一定的一次調頻的能力。

當選擇基本負荷后，升負荷指令L70R為“1”，速度有差燃料參考值FSRN逐步增加，DWATT逐步增大，排氣溫度TTXM也逐步升高，同時由于壓氣機壓比CPR增大，排氣溫度參考值TTRXB逐步減少，溫度控制燃料參考值FSRT逐步減少，當TTXM等于TTXRB后，燃氣輪機進入溫控狀態，根據MK5的控制原理，當燃氣輪機進入溫控狀態后，FSRN依然逐步增加，直到FSRN比FSRT大3%后，L70R為“0”，在DWATT和TNH不變的條件下，FSRN保持不變，當網上頻率波動引起TNH波動后或者進氣溫度CTIM的升降引起DWATT的降升或者網上電壓的波動等因素引起DWATT的波動后使得FSRN比FSRT小3%或者大6%后，控制系統會觸發L70R或者L70L為“1”來緩慢升高或降低FSRN，以保持FSRN與FSRT的差值在區間[3%，6%]范圍內。但是，當網上頻率向上波動較大時，FSRN就有可能小于FSRT，由于通過L70R升FSRN是比較緩慢的（冷態1%/min，溫態2%/min，熱態3%/min），因而在短時間內難以使FSRN大于FSRT而退出控制，那么此時燃氣輪機就進入一次調頻狀態，降低DWATT以降低網上頻率。根據參數FSR速度控制比例增益值FSKNG為10%/%，并且在穩定溫控狀態FSRN與FSRT的差值在[3%，6%]范圍內，可以得出在穩定溫控狀態下，當網上頻率至少向上波動0.15HZ，即TNH往上波動0.3%，即TNH_RPM往上波動9rpm/min后，燃氣輪機才能進入一次調頻狀態，而網上頻率往上波動0.3Hz，即TNH往上波動0.6%，即TNH_RPM往上波動18rpm/min后，燃氣輪機一定進入一次調頻狀態，當網上頻率穩定或者往下波動后，燃氣輪機重新進入溫控狀態而退出一次調頻。由于沒有針對頻率較低時提高機組溫控線，從而提高機組出力，使機組進入尖峰負荷狀態的相關設置，所以在溫控狀態下，當網上頻率往下波動時，我廠燃氣輪機組基本上沒有實現一次調頻的能力，當由于大機組跳機或者其他原因引起網上頻率驟降時，我廠GT6和GT4也出現過轉速迅速下降的現象（GT6的TNH_RPM降低到2993rpm/min），并伴有P252“燃氣輪機功率太低不能支持TNR”的報警，燃氣輪機在L70L的作用下，以較快的速度往下降TNR，以快速維持FSRN與FSRT的差值在[3%，6%]范圍內，但在這個過程中并沒有發現DWATT發生波動。可見在溫控狀態下，網上頻率大幅往下降時，我廠燃氣輪機機組并沒有一次調頻的能力，并且為了保護機組，當TNH低于94%時，MK5發出跳發電機出口斷路器的命令。增大溫控時燃氣輪機一次調頻的死區有利于增強燃氣輪機在該狀態下的穩定性，但是死區較大并不利于燃氣輪機更好地參與一次調頻，考慮正常運行時燃氣輪機轉速向上最高波動4rpm，可以適當減小一次調頻的死區，通過改變參數LK90DB3和LK90DB4可以改變一次調頻的死區，目前，LK90DB3：3%，LK90DB4：6%，為了提高溫控時，燃氣輪機一次調頻的能力，可以針對頻率降幅較大時，適當地提高溫控線，以增大機組的出力，當頻率恢復正常后，恢復原來的溫控線運行，但是提高溫控線時，必須謹慎。

4 解決方案

由于在穩定溫控狀態下，控制系統將維持FSN與FST的差值在[3%，6%]的范圍內，因此在基本負荷狀下選擇預選負荷或者發出停機命令后，忽略網上頻率波動的影響，冷態狀態下：3到6分鐘開始降負荷，溫態狀態下：1.5到3分鐘開始降負荷，熱態狀態下：1到2分鐘開始降負荷，為了減小FST控制到FSRN控制的過渡時間，可以手動點擊HMI主畫面右下角的Speed/Load control的“Lower”按鈕，但是即使點擊該按鈕，最快也要30到60秒才開始降負荷，而且該按鈕發出的是脈沖信號，對于運行人員來說并不好掌握，由于在FST控制到FSRN控制的過渡時間內，FSR和DWATT一直都沒有變化，只是一次調頻的死區在慢慢降低，所以為了讓機組在出現緊急情況下如：排煙溫度變高，排氣分散度變高并且接近跳機值，振動變高，能更加快速地停機或者降幅負荷，或者更快地響應調度的調峰要求，可以考慮適當修改或者添加一些控制變量和控制邏輯如下：在HMI上增加兩個命令按鈕，FSRUNLOADING_ON 和FSRUNLOADING_OFF，增加兩個控制常數KFSRT_BIAS和TTKR_A_UNLOADING，三個邏輯變量LFSRT_BIAS，L43FSRNUNLOADING和L83FSRNUNLOADING。增加CSP控制圖如下：

L83PS“1”表示機組處于預選負荷狀態。

更改CSP控制圖如下：把第一個為真的邏輯信號從L83BOIL_C改為L83FSRNUNLOADING，其對于的模擬量輸出為常數TTKR_A_UNLOADING。

當點擊命令按鈕FSRNUNLOADING_ON，邏輯信號L43FSRNUNLOADING為“1”當點擊命令按鈕FSRNUNLOADING_OFF，邏輯信號L43FSRNUNLOADING為“0”從基本負荷選到預選負荷后，若打算快速降FSRN，可以點擊命令按鈕FSRNUNLOADING_ON，取消快速降FSRN可以點擊命令按鈕FSRNUNLOADING_OFF，把常數KFSRT_BIAS設置為0.15%，常數TTKR_A_UNLOADING設置為9.6%/min（即每個采樣周期TNR降0.01%，FSRN降0.1%）當LFSRT_BIAS為“0”后，控制系統按正常狀態的速率降TNR和FSRN，當FSRN小于FSRT后，開始降負荷。按照這種方法選擇預選負荷后，大約6到9秒就能降負荷。

總的來說，我廠燃氣輪機機組在預選負荷時并沒有投入一次調頻的死區調節，并且死區設定值較小，在網上

頻率波動時，容易引起負荷和相關參數波動，不利于機

組的穩定運行，在基本負荷時，由于一次調頻的死區較大并且沒有網上頻率下降幅度較大時切至尖峰負荷運行等相關設置，故在基本負荷運行時，一次調頻的能力非常有限。