火電機組一次調頻性能提升實踐

吳　欣，吳　寧，孫海濤，任　林

（1.華電滕州新源熱電有限公司，山東　滕州　277599；2.國網山東省電力公司棗莊供電公司，山東　棗莊　277100）

0　引言

“十三五”期間，山東電網進入以“特高壓”為特征的快速發展期。“東縱”（錫盟—濟南）、“北橫”（榆橫—濰坊）特高壓交流工程分別于2016年、2017年年中投產，到2020年山東接受省外來電將達到3750萬kW，是2015年的5倍，約占全網用電的二分之一。在山東電網外供電力大幅提高的同時，省內風電、光伏新能源及核電在電源結構中占比持續攀升，系統轉動慣量以及頻率、電壓調節能力總體呈下降趨勢，安全基礎不斷削弱。山東電網的裝機構成中，沒有水電機組，燃氣電廠相對較少，抽水蓄能機組容量與總負荷比例太小。火電機組成為電網調頻調峰的主力，調節性能日益受到重視。為了確保電網安全，山東電網已經從2014年對小擾動進行經濟考核，將一次調頻服務由基本服務轉成有償服務，用經濟手段來促進各火電廠提升機組調節性能。

通過采取網廠信號同源、閥門流量修正及主汽壓力校正等措施并對一次調頻裝置進行了改造，大大改善了火電機組一次調頻功能，提升了參與電網輔助服務的能力。

1　機組一次調頻存在的主要問題

華電滕州新源熱電有限公司最初采取如下一次調頻邏輯優化方案：一次調頻死區減小，轉速死區由GB／T 30370—2013《火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則》[1-2]規定的 2 r／min 改為 1.85 r／min，希望用提前動作來滿足一次調頻合格率的要求；加大調頻動作幅度，調頻幅度由1.5 MW改為2 MW起步。采用提前動作方法修正后的一次調頻負荷補償量函數見表1，修正前后調頻補償負荷量差值見圖1。

機組運行過程中發現這種方案存在較大隱患：由于死區的縮小（小于±2 r／min）和轉速不等率的增加，會造成機組自身頻繁的超調、振蕩，對機組尤其是汽輪機調門造成沖擊，機組出現了調門彈簧斷裂情況；過度的超調有可能引發機組控制系統的振蕩，嚴重影響機組安全運行。并且過度減小一次調頻頻差死區，會造成一次調頻動作提前，有時會形成誤調，反而影響一次調頻響應開始時有功功率的起始取值，降低考核指標[3]。

表1　修正后一次調頻負荷補償量函數

圖1　修正前后一次調頻負荷補償量曲線

引起上述問題的主要原因如下。

1）轉速信號不穩定，精度不高，滿足不了調度小擾動考核的技術要求。DEH側轉速和DCS側轉速信號存在0.5r／min左右偏差，對機組調節干擾作用較多，以4號機組為例，某日調度考核動作次數為15次，而電廠DCS記錄機組實際動作次數（死區為 1.95 r／min，取單次DCS系統統計轉速差超2.2 r／min）近千次，誤動作極高，嚴重影響AGC性能指標。

2）高負荷區段，主汽壓力實際值偏離額定值較大時，因主汽壓力偏低造成一次調頻動作不合格。

3）閥門流量特性未按要求定期整定。機組在高調門檢修后未做閥門流量特性整定，DEH內閥門開度與流量不匹配，特別在投入順序閥后，閥門動作幅度會發生擾動，對負荷造成擾動，影響AGC和一次調頻的性能指標。

2　機組一次調頻性能優化方案

2.1　一次調頻信號同源問題

調度側一次調頻考核系統，采用電力系統同步相量測量裝置（PMU）送出的高精度電網周波信號來考評一次調頻動作死區，給出動作指令。電廠用汽輪機轉速來進行控制，轉速信號精度遠低于電網周波系統，造成偏差太大。

經分析后，決定使用電力系統同步相量測量裝置（PMU）送出的高精度電網周波信號作為頻率控制信號，來輸入DEH和CCS作為調頻動作依據，減少誤動概率和次數。

滕州電廠3號、4號機組進行一次調頻綜合優化后，實際運行中單次一次調頻的動作幅值得到有效控制，使閥門的瞬間動作幅度得到有效控制，降低了對閥門本體等設備的沖擊破壞。以3號機組為例，對比改造前后一次調頻控制的歷史曲線，可以明顯看出，經過改造后，單日的動作次數明顯降低，單次的動作幅值明顯縮小，改造效果明顯。

表2　同源改造后一次調頻動作情況

從表2可以看出，經過優化改造后機組的誤動作得到有效控制，由原來的千次降低為百次，同時機組的一次調頻合格率超過85%，滿足電網考核要求。

2.2　主汽壓力控制優化

優化在AGC工況下的主汽壓力調節功能。文獻[4]將主汽壓力的反饋信號引入DEH邏輯中，根據主汽壓力的增、減量，反向增減汽輪機調速汽門的開度，保證汽輪機進汽量跟蹤機組負荷的變化系，同時，為了鍋爐主汽壓力參數穩定，增加AGC狀態下燃燒層自動投入數量，維持鍋爐輸出汽流量和燃燒量的平衡。

2.3　閥門流量試驗

修正閥門流量系數。結合機組檢修，進行閥門行程與實際進汽量測試，控制閥門開啟速率與實際功率相應需要相匹配，并根據閥門行程與實際進汽量測試情況，進行調速汽門的重疊度的優化調整，減少順序閥方式下負荷擾動。

2.4　一次調頻控制裝置

研發了一次調頻控制裝置，并在二期機組試驗。可以滿足同源要求以及不用修改DEH邏輯和CCS邏輯下，在調頻裝置內對一條調頻參數進行在線修正。

一次調頻智能控制系統包含兩套一次調頻智能控制裝置，冗余配置，布置在一面機柜內，機柜內配備工控機，主控畫面里包含：A、B裝置實時頻率、實時轉速、實時調頻量、裝置故障狀態、負荷補償曲線以及實時頻率曲線，同時具備在線試驗功能。一次調頻裝置改造原理見圖2。

圖2　一次調頻裝置改造原理

2.5　方案特點

提高了驅動信號的精度。原一次調頻動作均采用汽輪機轉速或ECS中頻率變送器作為驅動信號。本方案直接測取電網頻率，采集精度達到電網要求的±0.001Hz，精度遠高于轉速或頻率信號的測量精度，提高了一次調頻動作的正確率。

傳統的一次調頻控制策略優化從減小一次調頻動作死區和增大調頻負荷動作幅度兩個方向著手。雖然能滿足電網考核標準要求，但會對機組造成大量無效擾動，造成機組調門頻繁波動而影響設備安全運行。本方案采用基于電網功率變化動態調整的控制策略，對電網不同頻差采用不同的動作幅值，既能確保電網公司的考核指標，又降低了一次調頻的動作次數。

通過對滕州公司3號、4號機組的優化改造，機組實際運行情況證明通過調頻信號同源改造輔助以一次調頻邏輯優化，是能夠有效應對電網一次調頻考核要求。

3　應用效果

在山東電網一次調頻考核模式下，可將機組正常一次調頻動作負荷量由原來的±3.8 MW左右降低至±2 MW以內，確保一次調頻動作幅度降低30%以上，降低了一次調頻對機組調節設備的沖擊；一次調頻動作次數大幅度減少，經過優化改造后機組的誤動作得到有效控制，由原來的日均千次降低為日均百次，動作次數下降90%，同時機組的一次調頻合格率超過85%，滿足電網考核要求，也一定程度上延長了汽輪機調速汽門的運行壽命。

在確保機組一次調頻合格率達到80%以上的同時，不影響AGC的性能。2015年5月改造優化，改造前后兩臺機組AGC指標和一次調頻指標如表3所示。3號、4號機組在投運AGC情況下，一次調頻合格率達到80%以上，不統計AGC情況下一次調頻合格率可達到85%以上，3號、4號機組AGC綜合性能指標達到山東電網前10名左右水平。

表3　2015年AGC和一次調頻指標

增設一次調頻專用裝置提升機組一次調頻能力的技術方案，已在山東省內多家電廠進行推廣應用，但仍存在以下問題：如供熱季節期受抽汽量大影響，機組的AGC調節性能指標及一次調頻動作指標較純凝工況期間下降；機組的AGC及一次調頻指標性能如何能繼續提升到更高的標準等問題。

4　結語

機組一次調頻測量信號，可采取更換高精度頻率變送器或增加同源頻率測量裝置，并根據機組自身情況，合理修正一次調頻補償函數，宜根據機組所處的電網頻率變化的差異的和機組的特性進行死區及變速率的修正。

對于部分投運AC-R模式后對一次調頻影響較大的機組，可以考慮增加一次調頻短暫閉鎖邏輯，以優先確保調頻效果。可增加AGC與一次調頻反向閉鎖AGC邏輯，以確保一次調頻的動作品質。定期進行閥門流量特性曲線試驗并嚴控機組大修后一次調頻驗收標準，確保機組修后的一次調頻能力在技術規范要求范圍內。

[1]全國電站過程監控及信息標準化技術委員會.火力發電機組一次調頻試驗及性能驗收導則：GB／T 30370—2013[S].北京：中國標準出版社，2014.

[2]國家電網公司.火力發電機組一次調頻試驗導則：Q／GDW 669—2011[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3]張彬，陳立新，王亦新.火電廠模擬量控制系統及其應用[M].北京：中國電力出版社，2012

[4]趙建立.大型火電機組熱工控制技術與實例[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]張斌.自動發電控制及一次調頻控制系統[M].北京：中國電力出版社，2005.