燃气-蒸汽联合循环机组一次调频性能优化

李海峰,汪 蓓

(国网湖北省电力公司电力科学研究院,湖北 武汉 430077)

0 引言

在特高压电网和大区电网互联的新形势下，发电机组一次调频动态特性显著影响系统的安全稳定水平。特别是近些年来，风电、光伏等新能源机组并网不断扩大，随机性较强的可再生能源发电机组对频率波动影响主极大，且新能源机组基本不参与一次调频，给电网安全稳定运行带来极大威胁[1]。随着燃气-蒸汽循环机组近几年被大量引进和投产，在电网中所占比例越来越高，为了更好发挥该类机组一次调频作用，满足我国一次调频性能要求，对其一次调频方式的研究十分必要。

本文根据武汉汉能电力发展有限公司燃气-蒸汽联合循环机组的相关特性和相关技术指标，分析并优化该机组一次调频策略，确定该机组一次调频功能的合理实现方式，可靠投入一次调频功能，保证电网的电能质量及频率的控制水平得到提高。

1 燃气-蒸汽联合循环机组一次调频原理

1.1 燃气-蒸汽联合循环

燃气-蒸汽联合循环机组一般采用双轴机组，燃气轮机、汽轮机各带一台发电机组，并且分别由两套控制系统完成各自控制任务。发电机组由燃气轮机直接驱动燃机发电机，利用烟气的热量在余热锅炉中生产出高温高压蒸汽，再去驱动汽轮发电机组，从而形成燃气-蒸汽联合循环。

武汉汉能电力发展有限公司燃气-蒸汽联合循环机组采用1996年法国阿尔斯通公司生产的PG9171E型燃气轮机设备。燃气轮机由一台额定功率1 000 kW的启动马达、一台17级的轴流式压气机、一台由14个分管式燃烧室组成的燃烧系统和3级透平转子组成。余热锅炉利用PG9171E型燃气轮机排烟热焓的锅炉设备采用美国DELTAK公司生产的DINO4264型自然循环余热锅炉。

1.2 燃气-蒸汽联合循环一次调频能力分析

燃气轮机负荷调节主要通过机组燃料给定的改变，其控制回路由一个通过最小门选择的多个控制回路构成。转速控制回路采用纯比例控制，为有差调节，负荷控制回路则采用PI控制，可实现无差调节[2]。在一次调频动作时，根据系统设定不等率，叠加或减少理论负荷变动量所对应燃料量，快速实现机组负荷变动，完成一次调频过程。

而余热锅炉的产汽参数无法像一般燃煤机组一样保持良好性能，其参数随燃气轮机工况而改变。同时，为提高机组运行经济型，大部分机组承担着供热功能，且汽轮机大部分采用滑压运行模式，极大的降低了汽轮发电机组的负荷调节裕度。造成汽轮发电机组一次调频性能难以满足相关规程要求[3]。

2 某燃气-蒸汽联合循环机组一次调频性能优化

针对以上余热锅炉一次调频存在的问题，燃气-蒸汽联合循环机组宜采用一体化控制模式实现机组一次调频，即以单元机组模式实现机组一次调频功能。该种放下调频主要依靠燃气轮机，汽轮机在调频扰动后跟随动作。

2.1 一次调频控制方式选择

燃气轮机一次调频将频差信号经调节器输出后，叠加在功率调节器入口指令处的方式，其控制方式及原理如图1所示。

图1 燃气轮机一次调频控制方式及原理图Fig.1 Gas turbine primary frequency control mode and schematic diagram

2.2 一次调频试验参数设置与检查

考虑到燃机机组运行特点和调频实际情况，将燃机联合循环机组（燃机+汽机）视为单元机组，以单元机组总负荷计算对应的一次调频贡献电量。燃机为单元机组主要调频机组，弥补汽机调频的不足，将单元机组负荷限制幅度设为±9%MCR（16.0 MW，额定转速3 000 r/min）时的一次调频区间，按照不等率δ为4.4%的调频参数对调频函数进行设置，调频死区为±2 r/min，并投入一次调频功能，进行试验。

图2 单元机组一次调频内部频差函数示意图Fig.2 Elemental frequency modulation of frequency modulation in unit

2.3 一次调频试验过程

整个一次调频分为四个阶段试验，首先对调频死区进行验证，然后分别选取额定负荷的60%（70～80 MW）、75%（95 MW）和90%（110 MW）三个负荷工况点进行，试验结果如下所示。

2.3.1 调频死区验证试验

对燃气轮机进行了死区验证试验。试验工况稳定在70 MW，进行转差为2 r/min的阶跃扰动。动作结果正确，调频死区设置正确。

2.3.2 60%额定负荷工况一次调频试验

对燃气-蒸汽联合循环机组以单元机组方式进行60%额定负荷下一次调频试验。受燃气轮机燃烧模式限制，为避免燃烧模式切换对试验过程造成的影响。首先调整机组负荷稳定在70 MW左右：参数调整为单元机组一次调频方式，分别进行转差为6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含转差死区）的向下阶跃扰动；随后调整机组负荷稳定在80 MW左右：参数调整为燃气机组一次调频方式，分别进行转差为6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含转差死区）的向上阶跃扰动，动作结果如表1所示。

2.3.3 75%额定负荷工况一次调频试验（单元机组）

对燃气-蒸汽联合循环机组以单元机组方式进行75%额定负荷下一次调频试验。调整机组负荷稳定在95 MW左右，分别进行转差为6 r/min和8 r/min（包含转差死区）阶跃扰动，试验动作结果如表2所示。

表1 单元机组60%额定负荷工况下一次调频试验Tab.1 Unit 60%of rated load operation primary frequency regulation test

表2 单元机组75%额定负荷工况下一次调频试验Tab.2 Unit 75%of rated load operation primary frequency regulation test

2.3.4 90%额定负荷工况一次调频试验

对燃气-蒸汽联合循环机组以单元机组方式进行90%额定负荷下一次调频试验。调整机组负荷稳定在110 MW左右，分别进行转差为6r/min和8r/min（包含转差死区）阶跃扰动，试验动作结果如表3所示。

表3 单元机组90%额定负荷工况下一次调频试验Tab.3 Unit 90%of rated load operation primary frequency regulation test

3 结语

通过以上分析及试验可以看出，燃气-蒸汽联合循环机组完全可以通过一体化方式实现其一次调频性能。该方式既能使燃气-蒸汽联合循环机组性能满足我国一次调频相应规程要求，同时也能满足华中电力监管局“两个细则”考核的需求,从而既保证了机组一次调频性能考核的经济型，又为保证电网安全、可靠运行起到积极作用。

[参考文献]（References）

[1]李海峰,贾庆岩,潘杨.1 000 MW超超临界火电机组一次调频性能优化[J].湖北电力,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]张应田,刘卫平,王伟臣,等.燃气-蒸汽联合循环发电机组一次调频控制系统[J].自动化与仪表,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]李晓枫,吕强,王晓军.S109E联合循环机组一次调频控制策略的研究与实现[J].热力透平,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.