李海峰,汪 蓓

(國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院,湖北 武漢 430077)

0 引言

在特高壓電網(wǎng)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的新形勢下，發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)特性顯著影響系統(tǒng)的安全穩(wěn)定水平。特別是近些年來，風(fēng)電、光伏等新能源機(jī)組并網(wǎng)不斷擴(kuò)大，隨機(jī)性較強(qiáng)的可再生能源發(fā)電機(jī)組對頻率波動(dòng)影響主極大，且新能源機(jī)組基本不參與一次調(diào)頻，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大威脅[1]。隨著燃?xì)?蒸汽循環(huán)機(jī)組近幾年被大量引進(jìn)和投產(chǎn)，在電網(wǎng)中所占比例越來越高，為了更好發(fā)揮該類機(jī)組一次調(diào)頻作用，滿足我國一次調(diào)頻性能要求，對其一次調(diào)頻方式的研究十分必要。

本文根據(jù)武漢漢能電力發(fā)展有限公司燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的相關(guān)特性和相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，分析并優(yōu)化該機(jī)組一次調(diào)頻策略，確定該機(jī)組一次調(diào)頻功能的合理實(shí)現(xiàn)方式，可靠投入一次調(diào)頻功能，保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量及頻率的控制水平得到提高。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一次調(diào)頻原理

1.1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一般采用雙軸機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)各帶一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，并且分別由兩套控制系統(tǒng)完成各自控制任務(wù)。發(fā)電機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)燃機(jī)發(fā)電機(jī)，利用煙氣的熱量在余熱鍋爐中生產(chǎn)出高溫高壓蒸汽，再去驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組，從而形成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)。

武漢漢能電力發(fā)展有限公司燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用1996年法國阿爾斯通公司生產(chǎn)的PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)備。燃?xì)廨啓C(jī)由一臺(tái)額定功率1 000 kW的啟動(dòng)馬達(dá)、一臺(tái)17級的軸流式壓氣機(jī)、一臺(tái)由14個(gè)分管式燃燒室組成的燃燒系統(tǒng)和3級透平轉(zhuǎn)子組成。余熱鍋爐利用PG9171E型燃?xì)廨啓C(jī)排煙熱焓的鍋爐設(shè)備采用美國DELTAK公司生產(chǎn)的DINO4264型自然循環(huán)余熱鍋爐。

1.2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)一次調(diào)頻能力分析

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷調(diào)節(jié)主要通過機(jī)組燃料給定的改變，其控制回路由一個(gè)通過最小門選擇的多個(gè)控制回路構(gòu)成。轉(zhuǎn)速控制回路采用純比例控制，為有差調(diào)節(jié)，負(fù)荷控制回路則采用PI控制，可實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)[2]。在一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定不等率，疊加或減少理論負(fù)荷變動(dòng)量所對應(yīng)燃料量，快速實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)，完成一次調(diào)頻過程。

而余熱鍋爐的產(chǎn)汽參數(shù)無法像一般燃煤機(jī)組一樣保持良好性能，其參數(shù)隨燃?xì)廨啓C(jī)工況而改變。同時(shí)，為提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)型，大部分機(jī)組承擔(dān)著供熱功能，且汽輪機(jī)大部分采用滑壓運(yùn)行模式，極大的降低了汽輪發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)裕度。造成汽輪發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能難以滿足相關(guān)規(guī)程要求[3]。

2 某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化

針對以上余熱鍋爐一次調(diào)頻存在的問題，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組宜采用一體化控制模式實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻，即以單元機(jī)組模式實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻功能。該種放下調(diào)頻主要依靠燃?xì)廨啓C(jī)，汽輪機(jī)在調(diào)頻擾動(dòng)后跟隨動(dòng)作。

2.1 一次調(diào)頻控制方式選擇

燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻將頻差信號經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出后，疊加在功率調(diào)節(jié)器入口指令處的方式，其控制方式及原理如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)一次調(diào)頻控制方式及原理圖Fig.1 Gas turbine primary frequency control mode and schematic diagram

2.2 一次調(diào)頻試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置與檢查

考慮到燃機(jī)機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)和調(diào)頻實(shí)際情況，將燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組（燃機(jī)+汽機(jī)）視為單元機(jī)組，以單元機(jī)組總負(fù)荷計(jì)算對應(yīng)的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量。燃機(jī)為單元機(jī)組主要調(diào)頻機(jī)組，彌補(bǔ)汽機(jī)調(diào)頻的不足，將單元機(jī)組負(fù)荷限制幅度設(shè)為±9%MCR（16.0 MW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min）時(shí)的一次調(diào)頻區(qū)間，按照不等率δ為4.4%的調(diào)頻參數(shù)對調(diào)頻函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，調(diào)頻死區(qū)為±2 r/min，并投入一次調(diào)頻功能，進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 單元機(jī)組一次調(diào)頻內(nèi)部頻差函數(shù)示意圖Fig.2 Elemental frequency modulation of frequency modulation in unit

2.3 一次調(diào)頻試驗(yàn)過程

整個(gè)一次調(diào)頻分為四個(gè)階段試驗(yàn)，首先對調(diào)頻死區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，然后分別選取額定負(fù)荷的60%（70～80 MW）、75%（95 MW）和90%（110 MW）三個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如下所示。

2.3.1 調(diào)頻死區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)

對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了死區(qū)驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)工況穩(wěn)定在70 MW，進(jìn)行轉(zhuǎn)差為2 r/min的階躍擾動(dòng)。動(dòng)作結(jié)果正確，調(diào)頻死區(qū)設(shè)置正確。

2.3.2 60%額定負(fù)荷工況一次調(diào)頻試驗(yàn)

對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以單元機(jī)組方式進(jìn)行60%額定負(fù)荷下一次調(diào)頻試驗(yàn)。受燃?xì)廨啓C(jī)燃燒模式限制，為避免燃燒模式切換對試驗(yàn)過程造成的影響。首先調(diào)整機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在70 MW左右：參數(shù)調(diào)整為單元機(jī)組一次調(diào)頻方式，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)差為6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含轉(zhuǎn)差死區(qū)）的向下階躍擾動(dòng)；隨后調(diào)整機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在80 MW左右：參數(shù)調(diào)整為燃?xì)鈾C(jī)組一次調(diào)頻方式，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)差為6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含轉(zhuǎn)差死區(qū)）的向上階躍擾動(dòng)，動(dòng)作結(jié)果如表1所示。

2.3.3 75%額定負(fù)荷工況一次調(diào)頻試驗(yàn)（單元機(jī)組）

對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以單元機(jī)組方式進(jìn)行75%額定負(fù)荷下一次調(diào)頻試驗(yàn)。調(diào)整機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在95 MW左右，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)差為6 r/min和8 r/min（包含轉(zhuǎn)差死區(qū)）階躍擾動(dòng)，試驗(yàn)動(dòng)作結(jié)果如表2所示。

表1 單元機(jī)組60%額定負(fù)荷工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)Tab.1 Unit 60%of rated load operation primary frequency regulation test

表2 單元機(jī)組75%額定負(fù)荷工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)Tab.2 Unit 75%of rated load operation primary frequency regulation test

2.3.4 90%額定負(fù)荷工況一次調(diào)頻試驗(yàn)

對燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以單元機(jī)組方式進(jìn)行90%額定負(fù)荷下一次調(diào)頻試驗(yàn)。調(diào)整機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在110 MW左右，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)差為6r/min和8r/min（包含轉(zhuǎn)差死區(qū)）階躍擾動(dòng)，試驗(yàn)動(dòng)作結(jié)果如表3所示。

表3 單元機(jī)組90%額定負(fù)荷工況下一次調(diào)頻試驗(yàn)Tab.3 Unit 90%of rated load operation primary frequency regulation test

3 結(jié)語

通過以上分析及試驗(yàn)可以看出，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組完全可以通過一體化方式實(shí)現(xiàn)其一次調(diào)頻性能。該方式既能使燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能滿足我國一次調(diào)頻相應(yīng)規(guī)程要求，同時(shí)也能滿足華中電力監(jiān)管局“兩個(gè)細(xì)則”考核的需求,從而既保證了機(jī)組一次調(diào)頻性能考核的經(jīng)濟(jì)型，又為保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行起到積極作用。

[參考文獻(xiàn)]（References）

[1]李海峰,賈慶巖,潘楊.1 000 MW超超臨界火電機(jī)組一次調(diào)頻性能優(yōu)化[J].湖北電力,2014,38(6):47-49.LIHaifeng,JIA Qingyan,PAN Yang.Performance optimization on primary frequency regulation of 1 000 MW ultra supercritical generating unit[J].Hu?bei Electric Power,2014,38(6):47-49.

[2]張應(yīng)田,劉衛(wèi)平,王偉臣,等.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表,2012(9):34-47.ZHANG Yingtian,LIU Weiping,WANG Weicheng,et al.Primary frequency control system of gas-steam combined cycle power unit[J].Automation& Instru?mentation,2012(9):34-47.

[3]李曉楓,呂強(qiáng),王曉軍.S109E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組一次調(diào)頻控制策略的研究與實(shí)現(xiàn)[J].熱力透平,2011,40(4):289-298.LI Xiaofeng,LU Qiang,WANG Xiaojun.Study on pri?mary frequency control regulation in S109E com?bined cycle unit[J].ThermalTurbine,2011,40(4):289-298.