M701F4燃氣輪機組的一次調頻測試功能改造

陳昭　黃啟昆

摘 要：本文介紹了三菱M701F4燃氣輪機組一次調頻控制系統現狀，并著重闡述了一次調頻在線測試系統改造的設計、功能、實現過程、操作方式以及靜態試驗和各個負荷段下的動態試驗過程。結果表明，本次改造能有效實現三菱M701F4燃氣輪機組的一次調頻在線測試功能，使電網實時掌握發電機組的一次調頻性能，符合設計要求，更好地保障了電網安全，對燃氣輪機組，特別是同類型聯合循環機組的一次調頻測試、改進或優化等工作具有較大的參考意義。

關鍵詞：燃氣輪機;一次調頻;靜態試驗;動態試驗

中圖分類號：TM611.3 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0040-03

Transformation of Primary Frequency Modulation Test Function

of M701F4 Gas Turbine Unit

CHEN Zhao HUANG Qikun

（Hangzhou Huadian Jiangdong Thermal Power Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000）

Abstract： This paper introduces the current situation of primary frequency regulation control system of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， and focuses on the design， function， implementation process， operation mode， static test and dynamic test process under each load section. The results show that this transformation can effectively realize the primary frequency modulation on-line test function of Mitsubishi M701f4 gas turbine unit， make the power grid master the primary frequency modulation performance of generator unit in real time， meet the design requirements， and better ensure the safety of power grid The work of improvement or optimization has great reference significance.

Keywords： gas turbine;primary frequency modulation;static test;dynamic test

電網頻率變動范圍是電力質量三個指標中最重要的指標，關系著國家經濟發展全局[1]。隨著我國電網特高壓建設的不斷推進，直流閉鎖故障時有發生，一旦發生閉鎖故障，受端電網輸入功率嚴重缺失，將會給電網運行帶來巨大沖擊[2]，使電網頻率出現較大波動。而處在本地電網的發電廠側，參與調節電網頻率最快、最直接的手段是發電機組的一次調頻。因此，一次調頻直接關系到電網對頻率突變工況的調節能力。為了提高調節能力、迅速克服頻率波動，保證各發電機組的一次調頻性能就顯得尤為重要。基于此，各發電廠逐步開展了一次調頻測試功能改造，使電網調度具備對并網機組一次調頻性能開展實時測試的能力。某電廠機組為日本三菱M701F4型燃氣輪機組，作為電網統一部署改造工作中的首批燃氣輪機組，實施了一次調頻控制系統的改造，并開展了相關試驗。結果表明，改造效果及機組一次調頻功能符合設計要求。

1 機組一次調頻控制現狀

1.1 機組控制模式

根據三菱設計，機組在穩定負荷區間運行時，可通過功率控制（Load Limit）或轉速控制（Governor）方式對機組負荷進行控制，轉速控制為有差調節，功率控制為無差調節[3]，負荷控制模式是與轉速控制模式互斥的模式[4]，轉速控制的負荷響應速率遠大于功率控制，滿足電網對機組一次調頻性能的要求。而當葉片通道溫度（Blade Passage Temperature，BPT）或燃機排氣溫度（Exhaust Gas Temperature，EXT）超過溫控基準線時，機組會自動進入溫控模式。M701F機組溫度控制模式分為葉片通道溫度控制和排氣溫度控制兩種，用于防止過高的透平進氣溫度[5]。當機組進入溫控模式后，機組升負荷被限制，降負荷也需要先待溫度緩慢下降至溫控線以下、燃機脫離溫控模式后才能下降，過程比較緩慢，無法滿足一次調頻性能要求。因此，為滿足電網對一次調頻性能的要求，一般將機組置于轉速控制模式下運行。

1.2 一次調頻回路

機組的主要控制均在三菱燃機控制系統（Turbine Control System，TCS）中實現。機組在穩定負荷區間運行時，汽機各主汽調門始終處于全開位，不參與機組負荷的調節。因此，一次調頻功能就是依靠燃機的負荷調節能力來實現的。控制中，在機組負荷指令（Unit Load Command，CSO）上直接疊加一次調頻負荷增量，相加后通過機組主控回路分別作用于各燃氣調閥。當機組處于轉速控制模式時，機組主控能迅速調整燃料量，使機組負荷快速響應，從而達到設計的調頻能力。

一次調頻控制的相關參數設置在燃機控制系統，在機組基建調試或檢修改造結束后，將進行一次調頻試驗。試驗報告上報電網，電網將依據報告判斷機組性能是否符合要求。但在正常生產中，若機組的一次調頻參數或性能出現變動，電網就無法及時掌握機組一次調頻的實際狀況，增加電網整體調頻能力的不確定性。因此，本次改造旨在實現一次調頻性能的在線測試功能，使電網調度能實時掌握機組的調頻能力，更好地保障電網安全。

2 機組一次調頻改造

2.1 硬件通道改造

電網與機組控制之間新增的各個信號，先通過電廠側的機組測控裝置，再通過硬接線的方式接入燃機控制系統中。

新增電網調度至機組控制的信號有一次調頻進入/退出測試指令（開關量）、測試擾動頻率（模擬量）等。新增機組控制至調度的信號為一次調頻測試允許信號（開關量）、一次調頻進入/退出測試返回（開關量）、機組有功功率（模擬量）、測試擾動頻率返回值（模擬量）、一次調頻負荷變動指令（模擬量）等。另外，燃機控制系統與分散控制系統（Distributed Control System，DCS）之間用于監視、操作而新增的信號有一次調頻進入/退出測試、允許測試人工投退、一次調頻動作報警、測試擾動頻率等。

2.2 邏輯控制改造

2.2.1 新增測試回路。原設計的一次調頻回路中，由實測轉速轉換頻率與50 Hz計算得出的頻差經過一次調頻特性函數計算后直接疊加在機組負荷指令上再作用于機組CSO回路。此次改造是在實測頻差進入一次調頻特性函數之前，增加一個選擇模塊，由調度來的一次調頻測試狀態信號和加入機組綜合判斷后的信號進行選擇。在測試模式下，進入一次調頻特性函數的實測頻差將切換至調度來的測試頻差，以此實現對運行機組一次調頻特性函數及機組調頻性能的實時驗證。另外，測試頻差進入主回路前還需要經過量程轉換及限幅函數的轉換限制。改造后的控制邏輯如圖1所示。

2.2.2 允許、閉鎖及報警。當機組處于某些特殊工況時，若進行一次調頻擾動測試，將影響機組的安全穩定，因此設計機組綜合判斷條件具體包括設置轉速故障、手動退出、測試擾動頻率信號質量、機組負荷不在50%～100%額定負荷等條件。測試過程中，若出現判斷條件中的任一情況，則自動退出測試模式并報警。在測試開始前，若判斷條件中任一觸發或機組處于溫控模式，控制系統將閉鎖測試回路投入且將“一次調頻測試允許信號（開關量）”自動置0，電網調度收到該信號狀態則無法投入測試，避免機組在不正常狀態時進行試驗。

此外，手動退出按鈕設置在操作員站畫面中，若操作員發現機組出現異常，則不宜開展測試或繼續進行測試，可操作手動退出按鈕。手動退出狀態下，系統將閉鎖測試投入或自動撤出測試狀態，并將允許信號0位送至調度。

3 一次調頻測試試驗

3.1 靜態試驗

靜態測試在機組停運狀態下進行。試驗開始前，對系統回路及參數進行檢查。用信號模擬的方法確認允許條件、報警等組態的正確性。用離線和在線對照的方法檢查一次調頻頻差死區、轉速不等率、負荷調節限幅等值是否與設計值一致。

電廠對機組組態及參數檢查完成后，與電網共同開展信號靜態試驗。電廠側與電網調度對新增通信信號依次聯調，確認狀態、量程等正確，模擬量誤差在允許范圍內。

3.2 動態試驗

當機組未投入自動增益控制（Automatic Gain Control，AGC）且負荷穩定在額定負荷的75%左右（370 MW）時，進行一次調頻測試并做好相關記錄。試驗過程包括以下幾個步驟：第一，機組負荷穩定運行于370 MW左右，確認未進入溫控模式、未投入自動增益控制、一次調頻功能投入;第二，確認機組葉片通道溫度、燃機排氣溫度、燃料閥位、機組振動、主汽壓力、主汽溫度、再熱汽溫度等各項參數在正常范圍內且保持穩定;第三，操作員投入一次調頻測試允許;第四，電網調度投入機組一次調頻測試;第五，調度將機組測試頻差由0 Hz設置為0.067 Hz，并持續不少于1 min后復歸，現場監視機組功率及其他參數響應情況，直至參數穩定;第六，依次開展±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差在線擾動測試試驗;第七，調度退出機組一次調頻測試，采集相關測試數據、曲線并恢復設備狀態，試驗結束。

選取試驗中0.183 Hz的響應曲線，如圖2所示。對動態試驗中±0.067 Hz、±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差的各個測試曲線、數據進行計算，結果如表1所示。

電網關于機組一次調頻的響應時間要求小于3 s，一次調頻穩定時間要求小于1 min，燃氣輪機一次調頻動作時達到90%目標負荷時間要求小于15 s。對動態試驗中±0.067 Hz，±0.100 Hz、±0.183 Hz頻差給定的各個測試曲線、數據開展統計分析并與電網標準比對，機組一次調頻性能滿足電網機組一次調頻要求。

4 結語

經改造驗證，機組已實現一次調頻在線測試功能，改造設計符合電網要求，使電網調度能實時測試機組一次調頻性能，有效掌握克服頻率波動的能力，達到設計效果。分析試驗曲線并對照電網要求，M701F4燃氣輪機組在轉速控制模式下的一次調頻各項響應能力皆符合要求。

參考文獻：

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