二次再热汽轮机组一次调频控制设计及应用

陈林，彭敏，赵东，李庆（东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000）



二次再热汽轮机组一次调频控制设计及应用

陈林，彭敏，赵东，李庆
（东方电气自动控制工程有限公司，四川德阳，618000）

摘要：一次调频是汽轮机组控制系统快速响应回路的一个重要构成，是电网判定机组是否能安全、可靠运行的一个重要指标。文章对新型二次再热机组的一次调频功能的设计进行了较详细的介绍，并在现场进行了充分的试验，能为同类型机组一次调频功能的设计提供借鉴。

关键词：二次再热汽轮机，超高压调节阀，DEH，一次调频

1 前言

随着我国电力制造业技术的大幅发展，制造高参数、低热耗的机组，特别是利用二次中间再热技术的汽轮机已具备制造的条件。二次再热系统中蒸汽轮机在超高压缸和高压缸中做功会分别在锅炉的一次再热器和二次再热器中再次加热，二次再热系统在原来的一次再热系统上增加了一级再热系统，汽轮机增加了一级循环做功[1]。东方汽轮机有限公司在长期研发并制造大型蒸汽轮机的基础上，成功研发并投运了新一代二次再热机组。

由于此类机组其控制的调节系统要分别控制超高压缸阀门、高压缸阀门和中压缸阀门，分析其控制策略具有很重要的意义。一次调频功能是最具代表性的控制策略之一，因为一次调频功能的目的是通过调节系统软件和硬件的结合使蒸汽轮机调节系统达到快速响应的作用。通常电网判定一台机组是否达到可靠、安全的运行，一次调频快速响应是一个重要的指标。特别是对于二次再热机组来说，由于此类机组的结构不同常规，能参与一次调频调整的调节阀只有超高压调节阀，有的专家认为二次再热机组一次调频性能较弱。所以，此类型机组的一次调频响应后是什么情况，需要进行实践探究。这需要在DEH系统中设计合理的快速响应回路并在现场进行测试后才能得出结论。

2 二次再热机组的一次调频功能的设计

众所周知，电网频率是电能质量的重要标志之一，电网的频率反映了系统有功功率和负荷之间的平衡关系，是电力系统安全运行的重要控制参数。我们国家规定凡是入网机组必须参与一次调频，这对机组的调频回路的设计提出了硬性的要求[2]。

2.1 基本参数

电网内负荷变化引起周波变化时，发电机组应改变其出力维持电网频率的稳定，因此电网内机组都应投入一次调频功能，DEH系统的负荷指令输出应自动满足电网频率的校正。通常大型发电机组都采用“死区-线性-限幅”来进行频率校正。

转速不等率为静态特性曲线的总体斜率，在3%～6%之内设置，由式（1）计算。

一次调频的功率补偿量(△P )由机组转速不等率δ和电网频率偏差（可转换为△n）计算出来，见式（2）。

其中，n0为额定转速；Pn为机组额定功率。

当电网频率稳定在额定值时，机组对频率的微小波动不产生调节作用，所以在额定转速附近设置了死区。通常我们国家电网要求机组调频死区为±2 r/min（即±0.034 Hz），如图1所示。

图1　频差负荷曲线图

图中，∆Ps为功率补偿量；∆n为转速偏差=额定转速-实际转速。

为防止系统频率变化过大使发电机出力剧增或剧减而设置保护汽轮机安全运行参数，设置负荷变化幅度最大值，超出幅度限制值时，机组不再增减负荷。

对于二次再热机组来说，这类机组比普通超超临界机组多增加一个超高压缸的设计，目前这类机组采用的是三缸联合启动方式，所以相应的调节系统设计成超高调（VHPCV）、高调（HP⁃CV）、中调（IPCV）3种调门同时工作。要理解它们之间工作原理，首先应对二次再热机组建立汽轮机控制系统模型框图，如图2所示。

评测机组的一次调频性能是否达标通常是以调频响应负荷、响应滞后时间和稳定时间作为重要指标。调频响应负荷是机组在一次调频动作后所能出力的最大负荷；响应滞后时间反映了机组一次调频的快速性；稳定时间是机组参与一次调频过程中，电网频率稳定，机组达到设定负荷的时间。国家电网对发电机组一次调频规定要求，其响应滞后时间＜3.0 s，一次调频稳定时间＜60 s。

图2　二次再热机组建立汽轮机控制系统模型框图

2.2 逻辑设计

一次调频控制可分为3种情况：DEH阀控方式下的一次调频；DEH负荷闭环方式下的一次调频；DEH+CCS方式下的一次调频。本文侧重于讨论DEH系统内一次调频的一些优化逻辑设计。

（1）逻辑执行顺序

一次调频功能要求控制系统具有快速响应性。首台二次再热汽轮机DEH控制系统使用的是在电力系统业内比较先进的美国OVATION控制系统。OVATION系统具有优先执行逻辑处理顺序的功能。在逻辑编程时先对DEH控制逻辑页执行顺序进行优化处理，主体方向为：实际模拟量采集→一次调频逻辑→给定逻辑→总流量→超高调阀、高调阀、中调阀逻辑→伺服输出。

（2）逻辑功能分区处理

对逻辑进行分区处理。OVATION控制系统可在STUDIO工程服务器中下分5个TASK区（任务区）：TASK1区中放置伺服逻辑定义为伺服_BLOCK，处理周期100 ms；TASK3区放置重要的信号及汽机保护逻辑定义为OPC_BLOCK，处理周期50 ms；TASK4区放置控制回路逻辑定义为AU⁃TO_BLOCK，处理周期100 ms；TASK5区定义为仿真_BLOCK，处理周期100 ms。

（3）逻辑细节优化

对DEH系统中一次调频逻辑进行优化设计。在东汽大型机组中，通常一次调频回路设计成负荷闭环调频回路和阀位开环控制调频回路。负荷闭环回路中的一次调频由于受到负荷PID的影响往往造成调频量叠加的过于缓慢，达不到一次调频的快速响应性和准确性。经过优化后的逻辑如图3所示，无论功率闭环回路是否投入，在总流量上的一次调频值总是可以实现叠加的，不会影响机组调频的快速响应性。目前在国家电网投入的机组数量多且大多数中配有调频负荷分配器，可以预先对单个电厂每台机组有调频预估量，当一次调频发生后即使有微弱的调频值差异也还可以由电网中的机组的蒸汽容积惯性做功过滤掉，电网调度对各机组进行二次调频干预，可自动或手动操作改变负荷曲线，达到稳定网频的作用。而对于调频的上、下限还应进行合理的限幅，调频幅值太高会引起锅炉出力不够造成主蒸汽压力的波动，不利于锅炉协调的控制。同时调频值在超过DEH系统自动设定的高、低负荷限制值时，DEH会输出与一次调频方向相反的指令，也会导致整个阀门指令输出波动，从而造成各个调节阀门的振荡，不利于控制。所以正确的设计应该将一次调频作用于限制逻辑后输出。

很多网内机组的103%超速保护回路在并网后仍然有效，其实这是一个并不太好的设计。由于一次调频的不等率最大可设在6%，也就是说一次调频最大调频范围可设在3 180 r/min，大于103%超速设定的3 090 r/min。试想如果网内机组开始调频（特别是孤网机组），一次调频还没有发挥至极致时，OPC已开始动作，由于汽机蒸汽容积的滞后会导致机组阀门反复振荡，最终可能触发保护动作停机。所以建议在机组并网后屏蔽103%超速保护（或上调保护动作值）。

图3　控制逻辑原理图

2.3 调频阶跃响应时间测试

完成以上优化工作后，在东方自控公司内对DEH系统进行了测试工作：以一个外接信号扰动模拟的实际转速，用示波器录得频差触发的干扰信号（CH1）从输入到调频量（CH2）输出至伺服卡的周期时间。在未进行逻辑优化前测得最快为164 ms，优化逻辑后测得最快可达到50 ms。从图4和图5比较显示，优化后的逻辑大大增强了DEH系统一次调频快速响应的性能。

图4　未优化控制逻辑采样图

图5　优化控制逻辑后采样图

3 流量配汽对一次调频的影响

图6　阀门开度与流量关系图

由于在二次再热机组中，采用的是超高压缸、高压缸和中压缸三缸联合启动方式，各缸之间阀门的系数需要考虑。在并网前为了适应转速回路的稳定控制，REF:VHPCV=1:1，REF:HPCV= 1:1.5，REF:IPCV=1:2；并网后，REF:VHPCV=1:1，REF:HPCV=1:3，REF:IPCV=1:3。如图6所示，从各阀门乘以缸比系数后的曲线关系可以看出，在高负荷工况下能供调频作用的阀门基本只有超高压调节阀，而高压调节阀和中压调节阀基本在高负荷工况下已全开不具备参与一次调频的可行性，所以在超高压调节阀阀门直径、行程、通流能力和配汽曲线的计算上需做出预留空间。

4 超高压调节阀伺服机构的响应特性

超高压调节阀执行机构响应的快慢也是决定一次调频成功与否的关键一环。通过对二次再热机组的运行模式可以看出，由于只有2个超高压调节阀处于一次调频范围内，所以不能人为限制油动机行程影响一次调频的范围。超高压调节阀液压调节系统由快关油路控制和伺服调节油路控制两种模式：通常OPC、TRIP信号作用于快关电磁阀，通过快关油路控制可以快速关闭超高压调节阀；一次调频信号使给定指令发生改变，其输出作用伺服阀上，由伺服调节油路控制超高压调节阀开启和关闭。在超高压调节阀油动机上使用的电流型伺服阀理论上其响应时间＜0.03 s，在二次再热汽轮机调节系统环节上完全可满足一次调频相应时间要求。图7为一次调频工况下超高压调节阀执行机构控制方框图。

图7　一次调频工况下超高压调节阀执行机构控制方框图

5 DEH与CCS协同参与一次调频

对于CCS侧投入一次调频与DEH同步投入的情况，理论上机组的一次调频功能将得到良好的表现。因为DEH一次调频动作虽然是直接改变调门的开度，在动作瞬间，机组利用蓄能，负荷会有很快的响应。但是，随着汽机蓄能的下降（特别是在升负荷过程中），若未投入CCS侧压力闭环控制，会导致机前压力下降，从而使机组出力不够，不能达到调频预期值。因此，合理的投入CCS与DEH两侧的回路，利用优势互补，才能达到满意的调频效果[3]。通常，在CCS控制方式下，汽机主控、锅炉主控若均投入自动，可以使机组的调频出力得到准确控制。

6 现场试验

在电厂投产过程中，专家组对东汽首台二次再热机组控制系统进行了一次调频响应试验测试工作。试验方法：设置一次调频各个参数：δ= 5%，死区=±2 r/min；采用DEH阀控和DEH+CCS两种方式进行；手动对一次调频的设定基准(3 000 r/min)或一次调频频差信号进行模拟仿真，模拟电网频率的扰动进行试验[4]。

6.1 DEH单侧一次调频试验

在90%额定工况下对DEH单侧进行±6.0 r/min频差扰动试验。在试验前，机组运行稳定，汽机主控、锅炉主控均为手动，DEH侧一次调频投入，机组处于DEH阀控运行方式，CCS协调方式未投入，机组主要依靠超高压调门做功。试验数据如表1所示，试验趋势如图8和图9所示（其中，2为主汽压力；5为机组功率；9为超高压调节阀反馈）。

表1　DEH单侧±6.0 r/min频差扰动试验

图8　DEH阀控方式下6.0 r/min频差扰动试验趋势图

图9　DEH阀控方式下-6.0 r/min频差扰动试验趋势图

6.2 DEH+CCS一次调频试验

表2　DEH+CCS同时投入时±6.0 r/min频差扰动试验

图10　DEH+CCS方式下6.0 r/min频差扰动试验趋势图

图11　DEH+CCS方式下-6.0 r/min频差扰动试验趋势图

在90%额定工况下对DEH+CCS进行±6.0 r/min频差扰动试验。在试验前，机组运行稳定，汽机主控、锅炉主控均投入自动，CCS、DEH一次调频均投入，机组处于协调控制运行方式，机组主要依靠超高压调门做功。试验数据如表2所示，试验趋势如图10和图11所示（其中，2为主汽压力；5为机组功率；9为超高压调节阀反馈）。

6.3 试验结论

由于采用DEH单侧试验时，机组未投入CCS协调控制，导致每次调频升负荷还未到达预期时，主蒸汽压力已下降，影响负荷继续爬升。采用DEH+CCS运行模式时，汽机主控、锅炉主控均投入自动，由于CCS协调控制的参与，一次调频效果有所改善。从试验数据分析，机组能满足快速响应网频变化，DEH系统中的一次调频回路设计达到预期。

7 结论

虽然二次再热机组通过2个超高压调节阀参与一次调频和常规600 MW机组通过4个高压调节阀参与一次调频在配汽方式上有很大不同，同时二次再热机组在带负荷工况下，也没有顺序阀切换方式，上述这些不利因素会使其一次调频的能力受到一定的制约。但是，实践证明此类机组并非没有参与一次调频的可能性，前提在于把握以下关键几点：（1）做好DEH控制策略，优化涉及“转速-给定-流量”的逻辑；（2）做好一次调频逻辑中参数的调整；（3）对阀门流量曲线与各缸系数之间的关系中的设计考虑清楚；（4）确保伺服执行机构快速、连续性强。

随着二次再热机组的成功研发、投产，标志着今后这种高效率的机组会增多，对此类机组的快速响应控制设计还应做相关跟进工作，这样才能准确掌握这类机组的一贯特性，才能更好地发挥机组的效率价值。

参考文献

[1]张方伟,刘原一,谭厚章,等.超临界火电发电机组二次再热技术研究[J].电力勘测设计,2013,(2):34-35.

[2]罗作桢,刘康宁.关于电网调频问题探讨[C].汽轮机数字电液控制系统（DEH）技术论文集,2008:47-49.

[3]周甬.CCS和DEH协同一次调频的运用[J].华东电力，2007,35(4):84-86.

[4]鄢波,徐教锋,万俊松.华能安源电厂#1机组一次调频试验报告[R].江西:国网江西省电力科学研究院,2015:21-32.

Design and Application of Primary Frequency Control for Double-reheat Steam Turbine

Chen Lin，Peng Min，Zhao Dong，Li Qing
（Dongfang Electric Auto-control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000）

Abstract:The primary frequency is an important component of the fast response circuit of the steam turbine unit’s control system,and it is also an important indicator whether the unit can be safe and reliable.In this paper,the primary frequency function of the new type double-reheat steam turbine is introduced,and it has been carried out the full test in the site.The introduction may provide reference for design of primary frequency function of the same type unit.

Key words:double-reheat steam turbine，VHPCV，DEH，primary frequency

作者简介：陈林（1979-），男，大学本科，工程师，长期从事电站汽轮机控制系统的设计工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.013

中图分类号：TM611

文献标识码：B

文章编号：1674-9987（2016）01-0067-06