基于補汽閥的一次調(diào)頻優(yōu)化技術研究

金宏偉，宋佳輝，張新勝，謝昊旻，丁寧

（1.浙江浙能臺州第二發(fā)電廠有限責任公司，浙江 臺州 317108；2.杭州意能電力技術有限公司，杭州 310012；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

一次調(diào)頻是指當電網(wǎng)頻率在偏離額定值時，電網(wǎng)中運行機組的一次調(diào)頻系統(tǒng)自動控制機組有功功率的增減，限制電網(wǎng)頻率變化，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定。根據(jù)華東電網(wǎng)發(fā)布的“兩個細則”要求，實際動作積分電量與理論動作積分電量的比值作為一次調(diào)頻效果性能指標，即電網(wǎng)頻率超出調(diào)頻死區(qū)0.033 Hz后的實際機組負荷與超出時刻（最大60 s）的機組負荷之差的積分電量同機組理論響應負荷的積分電量的比值。按一次調(diào)頻動作次數(shù)、實際積分電量、性能達標次數(shù)等作為考核點對上網(wǎng)機組進行一次調(diào)頻考核［1-5］。

近年來電網(wǎng)容量日益擴大，為了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，快速響應成為絕大多數(shù)一次調(diào)頻技術研究的首要目標。尤其在機組處于欠壓工況下時，為響應AGC（自動發(fā)電控制）系統(tǒng)，高壓調(diào)節(jié)閥會處于大開度或全開的狀態(tài)，此時一次調(diào)頻動作合格率將會大幅度降低［6-11］。陳濤［12］提出優(yōu)化凝結水泵變頻模式，通過凝結水系統(tǒng)供水主閥控制凝汽器液位，根據(jù)實際負荷的對應關系開環(huán)控制凝結水泵變頻，改變凝結水流量，從而改變汽低壓加熱器抽汽量，降低或提高汽輪機低壓缸做功量，實現(xiàn)短時間內(nèi)改變機組負荷的功能。沈建峰［13］通過0號高壓加熱器抽汽調(diào)閥的快速動作，改變汽輪機高壓缸抽汽量，從而短時間改變機組負荷，調(diào)頻指令消失后，恢復抽汽調(diào)閥至原位。

以上兩種一次調(diào)頻技術都是通過改變汽輪機抽汽量，短時間內(nèi)增加汽輪機做功，從而達到提高一次調(diào)頻性能的目的。本文分析了試驗機組當前一次調(diào)頻模式，針對其特殊性，通過補汽閥技術引入一套適應性強、調(diào)節(jié)/調(diào)頻切換的一次調(diào)頻新模式，同時提出同類型機組負荷控制下的積分飽和缺陷，并進行優(yōu)化。

1 機組概況

該機組采用上海汽輪機有限公司引進德國西門子技術生產(chǎn)的N1050-27.0/600/600 型汽輪機，為超超臨界、一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、雙背壓、八級回熱抽汽、凝汽式汽輪機。

該汽輪機采用全周進汽模式，由于沒有任何附加汽隙激振，使汽輪機具有比較好的軸系穩(wěn)定性。同時，高壓第一級葉片的焓降僅噴嘴調(diào)節(jié)部分進汽滑壓的1/5，最大載荷僅1/4左右，徹底解決了第一級葉片的安全性問題，高壓缸葉片不再約束機組參數(shù)的提高和功率的增大。

從汽輪機兩側高壓主汽閥后、高壓調(diào)閥前蒸汽管道各引出一路管道（設計為額定流量8%），通過一個液動調(diào)閥（即補汽閥）將蒸汽送入高壓缸第五級動葉。根據(jù)等焓節(jié)流原理，主汽閥后的蒸汽進入第五級動葉處，溫度將降低30 ℃，使得補汽閥蒸汽與主流蒸汽的溫差明顯縮小。

2 一次調(diào)頻控制原理

如圖1所示，該機組DEH（汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)）一次調(diào)頻回路以轉速偏差（NSV-NT）/3 000乘以KDN（轉差）系數(shù)作為一次調(diào)頻前饋流量值，直接疊加在總流量指令上，用于快速響應電網(wǎng)調(diào)頻需求。轉速偏差除以轉速不等率作為調(diào)頻負荷設定值，用于彌補未達到調(diào)頻需求的工況。該機組KDN系數(shù)采用變參數(shù)方法進行調(diào)頻，即隨著主汽壓力的降低，KDN系數(shù)升高，以彌補在低負荷區(qū)間調(diào)頻能力不足的缺陷［14-15］。

圖1 DEH一次調(diào)頻控制原理

在原一次調(diào)頻模式中，補汽閥與高壓調(diào)閥的流量指令為同一源頭，高調(diào)閥在總流量指令為80%時全開，補汽閥子流量指令在78%～100%時參與調(diào)節(jié)，導致在欠壓力、升負荷工況時，汽輪機總流量指令大于80%，主汽閥、補汽閥開度過大甚至全開，此時機組基本不再有額定的增負荷調(diào)頻快速響應能力，只能通過CCS（協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)）增加燃料來緩慢增負荷。同時在這種工況下，DEH負荷控制PID（比例-積分-微分控制）存在積分飽和現(xiàn)象，延長了高壓調(diào)閥在全開位置的停留時間，影響了機組降負荷及調(diào)頻性能。

3 改進型一次調(diào)頻技術

3.1 一次調(diào)頻新模式

以補汽閥-頻差動態(tài)變化下的靈活調(diào)頻為基本思路對原一次調(diào)頻模式進行修改，保留原一次調(diào)頻流量前饋和調(diào)頻負荷設定值回路，新模式投入后，切除總流量指令中的調(diào)頻前饋，調(diào)頻流量通過分配系數(shù)f(σN)獨立疊加至高壓調(diào)閥、補汽閥流量指令中。補汽閥不再接收總流量指令調(diào)配，只接受獨立的調(diào)頻流量指令，其原理如圖2所示。

圖2中，f(σN)是高調(diào)分配系數(shù)與頻差的對應函數(shù)，補汽閥分配系數(shù)為1-f(σN)，具體數(shù)據(jù)如表1所示。低頻差區(qū)間（2.0～2.8 r/min）由高壓調(diào)閥進行頻率控制響應，中等頻差階段（2.8～3.5 r/min）補汽閥按照高壓調(diào)閥調(diào)頻能力分配0.3的調(diào)頻流量指令補充高壓調(diào)閥調(diào)節(jié)不足，大頻差時（3.5～11 r/min）補汽閥全開響應調(diào)頻。

圖2 補汽閥參與一次調(diào)頻原理

表1 頻差-分配系數(shù)對應關系

3.1.1 轉速不等率約束

轉速不等率約束是根據(jù)觸發(fā)一次調(diào)頻后的調(diào)節(jié)情況，實時計算調(diào)頻過程轉速不等率。轉速不等率應限制在3%～6%，當?shù)陀?%時閉鎖補汽閥開，轉速不等率大于6%時進行記錄，提示調(diào)頻性能不足。通過歷史數(shù)據(jù)轉速不等率與頻差的對比分析，可以得出機組調(diào)頻性能的強弱，方便調(diào)頻參數(shù)的優(yōu)化。

3.1.2 振動邊界約束

補汽閥最大開度已限制在20%，但是對1號、2 號軸承振動會有一定影響，所以增加1 號和2 號軸承振動高報警值作為補汽閥閉鎖動作的約束條件。任意高報警觸發(fā)，補汽閥閥限至0，振動消除后，閉鎖動作解除，累計超過3次振動報警則需要進行人工確認，恢復補汽閥投運。

3.1.3 0號高加保護

補汽閥的快速開啟對0號抽汽管道及加熱器有超溫超壓的影響，故在一次調(diào)頻新模式下，當補汽閥開度大于5%且0 號抽汽溫度上升至保護值時，全關高加抽汽調(diào)節(jié)閥。

根據(jù)機組全負荷調(diào)節(jié)工況增加補汽閥調(diào)頻/調(diào)節(jié)功能靈活切換的功能。由于補汽閥需要在額定負荷以上才能起到負荷調(diào)節(jié)超發(fā)和調(diào)頻作用，所以在低負荷段（實際負荷小于750 MW），切除補汽閥的調(diào)節(jié)流量指令與調(diào)頻指令，并對補汽閥的閥限控制為0%；在中高負荷段（750～1 020 MW），一次調(diào)頻新模式自動投入，調(diào)節(jié)功能切除，補汽閥閥限自動恢復至20%，根據(jù)實時頻差參與一次調(diào)頻；在超高負荷升負荷階段（1 020～1 050 MW），機組限速后負荷指令MWD＞1 020 MW 后，一次調(diào)頻新模式自動撤出，同時補汽閥閥限至0%，可通過運行人員手動更改閥限參數(shù)。補汽閥按速率重新接收總流量指令進行AGC升降負荷調(diào)節(jié)。在降負荷段，MWD＜970 MW 后，一次調(diào)頻新模式自動投入，補汽閥切除調(diào)節(jié)流量指令且閥限至0%；保證補汽閥關至0%且切除調(diào)節(jié)后，重新釋放補汽閥閥限至20%，參與一次調(diào)頻。

3.2 消除積分飽和

原流量指令回路的中高壓調(diào)閥0%～100%開度只能對應0%～80%流量總指令。在流量指令80%以上的情況下，負荷控制回路PID 仍在積分作用下增加流量指令至105%，而降負荷時流量指令降至80%高壓調(diào)閥才開始關閉，即積分飽和現(xiàn)象。故在原有流量分配系數(shù)下增加切換功能，可切換至新流量分配曲線，將對應中壓調(diào)閥0%～100%的總流量指令0%～80%改為0%～100%對應高壓調(diào)閥0%～100%，相應地，將總流量指令由16%～56%改為20%～70%，可大幅度緩解負荷控制器積分飽和現(xiàn)象。

如圖3 所示，DEH 在負荷調(diào)節(jié)模式時，負荷控制器在PID 輸出大于額定總流量與PIRYU（負荷前饋）之差時，PID進入跟蹤狀態(tài)，積分將不會起作用，切換模塊T 輸出由PID 輸出切換為PIRYU，此時PID輸出與PIRYU值相近。機組額定總流量值為105%，負荷前饋為當前負荷指令的80%，所以在高壓調(diào)閥全開（該機組高壓調(diào)閥只允許開至97%，對應總流量99.61%）時，負荷控制PID 仍然有一定的積分飽和作用（99.61%～105%），故將額定總流量根據(jù)高壓調(diào)閥流量特性修改為99.61%，以完全消除負荷控制下的積分飽和現(xiàn)象。

圖3 DEH負荷控制PID原理

4 試驗驗證

4.1 補汽閥一次調(diào)頻試驗

4.1.1 試驗方法

試驗選取60%Pe（機組額定負荷）、75%Pe、90%Pe 3個負荷段作為代表性工況，其中60%Pe作為試驗參考工況，與其他工況的試驗參數(shù)作對比。機組撤出AGC模式，在CCS模式下穩(wěn)定負荷及汽輪機高壓調(diào)閥開度，試驗前關閉0號高加抽汽調(diào)閥至5%，以避免對負荷造成影響。補汽閥新模式不投入，強制改變汽輪機當前轉速至2 989 r/min，保持強制狀態(tài)1 min，獲取當前負荷和高壓調(diào)閥開度下高壓調(diào)閥在15 s、30 s、60 s 的調(diào)頻能力，1 min 后恢復至汽輪機當前轉速。機組狀態(tài)穩(wěn)定后，投入補汽閥新模式，強制改變汽輪機當前轉速至2 989 r/min，保持強制狀態(tài)1 min，獲取相同負荷和高壓調(diào)閥開度下高壓調(diào)閥和補汽閥共同作用后15 s、30 s、60 s 的調(diào)頻能力，以及補汽閥開啟后對軸承振動、0號高加抽汽等參數(shù)的影響。

4.1.2 試驗結果

根據(jù)圖4 所示60%Pe 補汽閥一次調(diào)頻試驗結果，得出補汽閥功能投入前后的負荷增幅對比。可見兩次試驗各時間點的負荷增幅無明顯差別，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 60%Pe試驗負荷增幅

圖4 60%Pe補汽閥一次調(diào)頻試驗

與補汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)相比較，補汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補汽閥投入試驗中隨著補汽閥的開啟較補汽閥未投入時有上升趨勢，峰值、均值增加了2 μm和3.3 μm，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 60%Pe試驗參數(shù)對比

根據(jù)圖5 所示的75%Pe 補汽閥一次調(diào)頻試驗結果，得出補汽閥功能投入前后的負荷增幅對比。可見兩次試驗各時間點的最終負荷增幅無明顯差別，但補汽閥參與一次調(diào)頻可以更快達到目標負荷，數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 75%Pe試驗負荷增幅

圖5 75%Pe補汽閥一次調(diào)頻試驗參數(shù)曲線

與補汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)作比較，補汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補汽閥投入試驗中隨著補汽閥的開啟與補汽閥未投入時相比有明顯上升趨勢，峰值、均值增加了4.6 μm 和10.6 μm，數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 75%Pe試驗參數(shù)對比

根據(jù)圖6 所示的90%Pe 補汽閥一次調(diào)頻試驗結果，得出補汽閥功能投入前后的負荷增幅對比。可見兩次試驗負荷增幅有明顯偏差，且該負荷點下補汽閥未投入的負荷增幅比75%Pe 負荷點的偏少，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 90%Pe試驗負荷增幅

圖6 90%Pe一次調(diào)頻試驗參數(shù)曲線

與補汽閥未投入的試驗數(shù)據(jù)作比較，補汽閥投入后0號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，1號軸振振動在補汽閥投入試驗中隨著補汽閥的開啟較補汽閥未投入時有明顯上升趨勢，峰值、均值增加了4.5 μm和4.9 μm，數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 90%Pe試驗參數(shù)對比

由3個實驗對比得出，補汽閥調(diào)頻能力隨著機組負荷的升高而提高，高負荷段補汽閥響應一次調(diào)頻功能明顯。補汽閥的開啟對機組1號軸承振動有明顯的影響，緩慢開啟或一次調(diào)頻動作后再開啟補汽閥，負荷無明顯增幅。3 組試驗中，0 號高加抽汽溫度和2號軸承振動無明顯上升，均未觸發(fā)轉速不等率約束及振動限制。在中低負荷段由于調(diào)頻能力不明顯且增加了汽輪機熱耗，經(jīng)濟性差，故在該負荷段，補汽閥既不響應一次調(diào)頻也不參與升負荷調(diào)節(jié)。在中高負荷段，補汽閥只參與一次調(diào)頻動作，在某些特殊工況機組負荷指令目標在1 020～1 050 MW時，補汽閥先緩慢退出一次調(diào)頻模式，重新接收總流量指令進行升負荷調(diào)節(jié)。

4.2 積分飽和

負荷控制回路優(yōu)化前，流量指令-閥門開度曲線如圖7所示。當前負荷指令500 MW，由于鍋爐欠壓造成流量指令達到105%，高壓調(diào)閥開至97%，穩(wěn)定一段時間后，在CCS 控制下實際負荷微高于負荷指令，總流量指令在負荷控制器作用下開始下降。由于負荷控制器死區(qū)（2 MW）與積分飽和作用，高壓調(diào)閥無關閉趨勢。260 s 后，高壓調(diào)閥緩慢關閉。

圖7 積分飽和優(yōu)化前流量指令-閥門開度曲線

負荷控制回路優(yōu)化后，流量指令-閥門開度曲線如圖8所示。工況與優(yōu)化前相同，總流量指令和高壓調(diào)閥均達到上限（99.61%和97%），實際負荷大于負荷指令后，DEH 負荷控制器在負荷偏差超出調(diào)節(jié)死區(qū)后開始下降，同時高壓調(diào)閥開始關閉。

圖7、圖8中的總流量指令與高壓調(diào)閥開度下降趨勢基本一致。

圖8 積分飽和優(yōu)化后流量指令-閥門開度曲線

5 結語

通過不同負荷段補汽閥參與/切除的一次調(diào)頻功能試驗，證明補汽閥調(diào)頻能力隨著負荷的升高而提高，高負荷段效果明顯，且與補汽閥開啟時間也有關聯(lián)。一次調(diào)頻動作后再開啟補汽閥，負荷無明顯增幅。

在各組補汽閥參與一次調(diào)頻試驗中，0號抽汽溫度、2 號軸承振動均無上升趨勢。1 號軸承振動有明顯上升趨勢，但幅度在機組軸系振動接受范圍內(nèi)。

分配系數(shù)f（σN）是個開放性函數(shù)，可以根據(jù)機組實際調(diào)頻性能持續(xù)優(yōu)化高壓調(diào)閥與補汽閥的系數(shù)占比。

通過高調(diào)閥流量曲線-總流量指令的重新分配、負荷控制模式PID 的跟蹤狀態(tài)優(yōu)化，機組在欠壓或升負荷導致高壓調(diào)閥長時間在滿開度后恢復的工況時，消除積分飽和產(chǎn)生的無效行程，高壓調(diào)閥實時跟隨流量指令的下降而關閉。該優(yōu)化措施保證了機組在升降負荷切換、欠壓導致高壓調(diào)閥全開的工況下，能迅速回調(diào)，保證機組快速恢復一次調(diào)頻能力。