重型燃气-蒸汽联合循环机组AGC 控制优化试验研究

王建军 张长志 李浩然 倪玮晨 张应田

（1国网天津电力科学研究院 天津 300000 2天津市电力科技发展有限公司 天津 300000）

重型燃气-蒸汽联合循环机组AGC 控制优化试验研究

王建军1张长志1李浩然1倪玮晨1张应田2

（1国网天津电力科学研究院 天津 300000 2天津市电力科技发展有限公司 天津 300000）

电力系统的主要特点是发电和用电同步完成，这就要求发电机组必须具备自动发电控制（AGC控制）功能，以保证发电机组出力随时与外界用电负荷保持平衡。燃气-蒸汽联合循环机组热力系统不同于单元机组，要实现良好的负荷响应速度和调峰能力，需要将两台发电机组设计为一个整体适应外界负荷要求，并能同步完成燃机和汽机承担负荷的合理分配，以最大限度提高一次能源利用率。针对以上需求，本文提出整套机组AGC控制采用以积分控制为基础，引入用汽机负荷修正后的AGC指令为前馈信号，完成对联合循环机组总功率的控制。

联合循环；AGC控制；负荷配置；优化调整

引言

当前，我国大气污染的治理工作异常繁重，中心城市内的燃煤发电机组逐步关停，为此国家大量投资建设燃气-蒸汽联合循环发电机组，以降低燃煤发电机组对大气环境的污染物排放量。燃气-蒸汽联合循环机组相比单元机组热力系统结构复杂，燃气轮发电机组排出的高温烟气进入余热锅炉，利用余热锅炉产生的高温高压蒸汽推动汽轮机发电，一次能源的梯级利用度较高，由于机组利用燃烧天然气发电，所以排放的污染物很少，是中心城市首选的燃煤发电机组替代技术。

电力系统的主要特点是发电和用电同步完成，因此，为了向用户连续提供质量合格的电能，必须保证发电机组出力随时与外界用电负荷保持平衡，这就需要发电机组的负荷控制系统具备快速响应外界负荷变化的能力。近几年，燃气轮机的单机功率有了很大提高，联合循环机组正向着重型化和高效率发展。联合循环机组具有运行灵活、调峰能力强、启停快的特点，可以有效改善电源结构，实现电网的优化调控。本文正是针对燃气-蒸汽联合循环发电机组热力系统结构复杂的特点，将燃气轮发电机组、余热锅炉和汽轮机发电机组作为一个整体控制其发电负荷，通过燃机主动响应外界负荷指令，自动完成燃气轮发电机组和汽轮发电机组之间的协调控制和负荷优化配置，有效的利用联合循环技术的做功能力，提高机组联合循环运行方式下快速响应外界负荷变化的能力，提高机组联合循环热经济效率。

1 优化调整方案

1.1 优化调整控制策略

燃气-蒸汽联合循环机组总负荷及燃气轮发电机组和汽轮发电机组之间的负荷协调优化配置是联合循环机组实现AGC控制的难点。当前，重型燃气-蒸汽联合循环发电技术还处于推广发展阶段，其AGC控制技术还有待于进一步完善。本文结合多年进行此类机组AGC控制系统优化实践的经验，首先从优化改进联合循环机组AGC控制策略，重点论述燃气-蒸汽联合循环发电机组AGC控制优化试验方法。燃气-蒸汽联合循环发电机组，由于汽轮发电机组的负荷无法主动控制，只能跟随燃机负荷的变化，如何在整套机组的负荷控制回路中进行机组总负荷及两台发电机组之间的负荷分配，实现燃气-蒸汽联合循环机组的负荷控制功能，提高整套机组联合循环运行方式下机组总负荷控制精度，提高其快速响应外界负荷指令的能力以及整套机组的联合循环热效率，是本文要重点论述的问题。为此，我们着重从以下几方面提出解决方案：①两台机组联合运行，燃机主动响应外界负荷指令，汽轮发电机组根据节流和循环效率的最佳效率点采用滑压运行、压力控制负荷跟随的方式，自动完成对燃机和汽轮机所承担负荷的合理分配；②机组总负荷的控制主要通过燃机负荷控制回路实现，利用PI运算模块的积分控制功能实现机组总负荷的闭环无差调节；③在燃机负荷控制回路中加入前馈功能，利用燃气轮机快速变负荷的能力，提高整套机组联合循环运行方式下快速响应外界负荷指令的能力，充分利用联合循环技术提高机组热循环效率，如图1所示为优化调整方案原则性实施方框图。

图1 为联合循环机组AGC挖制原则方框图

1.2 优化调整具体实施方法

发电机组负荷管理中心接受的中调AGC负荷控制指令，经速率限制模块限速、功率限幅模块限幅处理产生实际负荷指令，将输入的机组负荷指令信号变化速率限制在整套机组额定负荷的0-2.5%范围内，将输入信号的功率限制在整套机组额定负荷的40%-100%范围内，以保证机组接收的负荷指令信号的变化速率和幅度在机组允许调整范围内。

以整套机组的总负荷即燃气轮发电机组和蒸汽轮发电机组的负荷之和作为被调量，与中调负荷指令经限速、限幅处理后的实际负荷指令信号进行偏差计算，偏差运算模块的输出再送至比例-积分运算模块进行处理，利用比例-积分运算功能消除稳态偏差，实现整套机组总功率的快速准确闭环调节。

由于燃气-蒸汽联合循环发电机组负荷分配采用燃机主动响应外界负荷指令，汽轮发电机组采用滑压运行压力控制负荷跟随的方式，所以蒸汽轮发电机组的实际负荷是跟随燃机的负荷而变化的，它是在燃机负荷变化后，排烟温度和烟气量相应发生变化，在余热锅炉完成热交换后才发生变化，明显存在一个较大的纯迟延特性。为了快速消除汽轮发电机组负荷变化对机组总负荷的影响，提高机组联合循环工况下对中调负荷指令的响应速度，将经过限速、限幅处理产生的实际负荷指令与汽轮发电机组的实际负荷进行减法运算，并将其输出结果作为比例-积分运行模块的前馈指令叠加在燃气轮机负荷控制回路中，实现了联合循环机组负荷控制的前馈-反馈复合控制功能。本方案在前馈指令中不仅引入中调实际负荷指令信号，而且还引入了汽轮机负荷信号，对中调实际负荷指令前馈信号进行了巧妙地校正，既提高了整套机组响应外界负荷指令的速率，又自动完成了两台发电机组之间的负荷分配，可谓一举两得，实践证明，优化效果非常明显。

为了充分利用燃机排气的余热，提高整套机组的联合循环热效率，汽轮机采取滑压运行。根据汽轮机厂家提供的节流与循环效率关系曲线，经过负荷-压力函数f(x)处理，产生机前压力控制的给定值，与机前压力的测量值进行偏差计算，其输出再进行比例-积分运算结果作为汽轮机控制指令，实现汽轮发电机组根据节流和循环效率的最佳效率点采用滑压运行压力控制负荷跟随的功能。

2 试验过程

某厂燃气-蒸汽联合循环机组AGC控制优化调整试验，其燃机为9F系列重型300MW级燃气轮发电机组，配套汽轮机为150MW抽凝机组，整套机组AGC控制系统依据上述方案实施。试验过程中机组变负荷范围在450MW-220MW-440MW，变负荷率设置在12MW/min，由图2可见，在整套机组减负荷过程中，燃机负荷响应非常快，但汽轮机负荷响应存在明显的滞后。机组负荷由450MW-220M试验工程中，初期燃机降负荷率大于12MW，以补偿汽机负荷变化的滞后，中段随着汽机负荷的变化，燃机的变负荷率有所降低，后段燃机负荷超调下降再逐步回升，以克服余热锅炉的迟延和惯性，保持机组总功率的闭环调节。在机组负荷由220MW升至440MW的过程中，试验数据与预计一致，只是在机组总功率接近440MW时，燃机负荷受大气环境温度、压力和湿度影响已达上限，此时汽机调门接近全开进入深度滑压运行模式，出力只能缓慢增加，反映在机组总负荷上则与AGC指令偏差超过2%Pe，不满足技术标准要求，但这属于联合循环机组的共性问题，不在本文讨论范围内。

整套机组在40%-90%Pe变负荷试验过程中，自动完成燃机及汽轮机负荷的分配，保证整套机组的总功率跟随中调指令。变负荷过程中总功率动态偏差小于1%Pe，满足技术指标要求，汽轮机完成深度滑压运行，不直接参与负荷调整，由于在燃机的负荷控制回路中加入前馈校正，依靠超调燃机的负荷，控制系统较好的解决了汽机负荷滞后的影响，实现了机组总功率的精确控制。

图2 1-AGC指令，2-燃机实际负荷,3-汽机负荷，4-机组总负荷

结语

现役重型燃气-蒸汽联合循环发电机组的负荷控制系统采取本方案优化处理后，经过多次闭环联调试验和长期运行考核试验，整套机组响应外界负荷的能力有效提高，机组可以灵活适应多种运行方式，本控制采用了前馈-反馈复合控制方案，控制逻辑策略清晰，简单合理，具有较强的通用性和实用性，机组响应AGC负荷指令迅速，变负荷速率可达2.5%-4%额定负荷，机组负荷在40%－90%额定负荷范围内，能平稳跟踪调度指令，并且控制稳定、准确，机组的主要技术指标均高于《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》（DL/T657-2008）的要求，满足能源局电监会“两个细则”考核要求，机组均可获得电网公司AGC控制补偿奖励，不失为一种行之有效的燃气-蒸汽联合循环机组AGC控制优化试验方法。但是联合循环机组的最大出力不同于燃煤机组，根据燃机的特性其出力受大气环境温度、压力和湿度影响明显，另外压气机叶片的清洁度对燃机的出力也有一定的影响，所以联合循环机组的负荷上限随大气温度压力变化，难以明确给出，因此试验过程中，当中调负荷指令大于机组额定负荷上限的90%以上时，机组负荷跟踪难以满足动态偏差小于2%额定负荷的要求，是联合循环机组的共性问题。

1004-7913（2002）11-0039-03

1009-2889（2007）03-0053-04

王建军（1965.12-）男，高级工程师，1988年毕业于华北电力学院热工专业，主要从事火力发电厂的热工自动化试验研究及热工技术监督工作。

[2]覃来丰联合循环机组AGC的实现—燃气轮机技术[J]2007 年 9 月，