火电机组一次调频性能提升实践

2018-04-11孙海涛

山东电力技术 2018年3期

吴　欣，吴　宁，孙海涛，任　林

（1.华电滕州新源热电有限公司，山东　滕州　277599；2.国网山东省电力公司枣庄供电公司，山东　枣庄　277100）

0　引言

“十三五”期间，山东电网进入以“特高压”为特征的快速发展期。“东纵”（锡盟—济南）、“北横”（榆横—潍坊）特高压交流工程分别于2016年、2017年年中投产，到2020年山东接受省外来电将达到3750万kW，是2015年的5倍，约占全网用电的二分之一。在山东电网外供电力大幅提高的同时，省内风电、光伏新能源及核电在电源结构中占比持续攀升，系统转动惯量以及频率、电压调节能力总体呈下降趋势，安全基础不断削弱。山东电网的装机构成中，没有水电机组，燃气电厂相对较少，抽水蓄能机组容量与总负荷比例太小。火电机组成为电网调频调峰的主力，调节性能日益受到重视。为了确保电网安全，山东电网已经从2014年对小扰动进行经济考核，将一次调频服务由基本服务转成有偿服务，用经济手段来促进各火电厂提升机组调节性能。

通过采取网厂信号同源、阀门流量修正及主汽压力校正等措施并对一次调频装置进行了改造，大大改善了火电机组一次调频功能，提升了参与电网辅助服务的能力。

1　机组一次调频存在的主要问题

华电滕州新源热电有限公司最初采取如下一次调频逻辑优化方案：一次调频死区减小，转速死区由GB／T 30370—2013《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》[1-2]规定的 2 r／min 改为 1.85 r／min，希望用提前动作来满足一次调频合格率的要求；加大调频动作幅度，调频幅度由1.5 MW改为2 MW起步。采用提前动作方法修正后的一次调频负荷补偿量函数见表1，修正前后调频补偿负荷量差值见图1。

机组运行过程中发现这种方案存在较大隐患：由于死区的缩小（小于±2 r／min）和转速不等率的增加，会造成机组自身频繁的超调、振荡，对机组尤其是汽轮机调门造成冲击，机组出现了调门弹簧断裂情况；过度的超调有可能引发机组控制系统的振荡，严重影响机组安全运行。并且过度减小一次调频频差死区，会造成一次调频动作提前，有时会形成误调，反而影响一次调频响应开始时有功功率的起始取值，降低考核指标[3]。

表1　修正后一次调频负荷补偿量函数

图1　修正前后一次调频负荷补偿量曲线

引起上述问题的主要原因如下。

1）转速信号不稳定，精度不高，满足不了调度小扰动考核的技术要求。DEH侧转速和DCS侧转速信号存在0.5r／min左右偏差，对机组调节干扰作用较多，以4号机组为例，某日调度考核动作次数为15次，而电厂DCS记录机组实际动作次数（死区为 1.95 r／min，取单次DCS系统统计转速差超2.2 r／min）近千次，误动作极高，严重影响AGC性能指标。

2）高负荷区段，主汽压力实际值偏离额定值较大时，因主汽压力偏低造成一次调频动作不合格。

3）阀门流量特性未按要求定期整定。机组在高调门检修后未做阀门流量特性整定，DEH内阀门开度与流量不匹配，特别在投入顺序阀后，阀门动作幅度会发生扰动，对负荷造成扰动，影响AGC和一次调频的性能指标。

2　机组一次调频性能优化方案

2.1　一次调频信号同源问题

调度侧一次调频考核系统，采用电力系统同步相量测量装置（PMU）送出的高精度电网周波信号来考评一次调频动作死区，给出动作指令。电厂用汽轮机转速来进行控制，转速信号精度远低于电网周波系统，造成偏差太大。

经分析后，决定使用电力系统同步相量测量装置（PMU）送出的高精度电网周波信号作为频率控制信号，来输入DEH和CCS作为调频动作依据，减少误动概率和次数。

滕州电厂3号、4号机组进行一次调频综合优化后，实际运行中单次一次调频的动作幅值得到有效控制，使阀门的瞬间动作幅度得到有效控制，降低了对阀门本体等设备的冲击破坏。以3号机组为例，对比改造前后一次调频控制的历史曲线，可以明显看出，经过改造后，单日的动作次数明显降低，单次的动作幅值明显缩小，改造效果明显。

表2　同源改造后一次调频动作情况

从表2可以看出，经过优化改造后机组的误动作得到有效控制，由原来的千次降低为百次，同时机组的一次调频合格率超过85%，满足电网考核要求。

2.2　主汽压力控制优化

优化在AGC工况下的主汽压力调节功能。文献[4]将主汽压力的反馈信号引入DEH逻辑中，根据主汽压力的增、减量，反向增减汽轮机调速汽门的开度，保证汽轮机进汽量跟踪机组负荷的变化系，同时，为了锅炉主汽压力参数稳定，增加AGC状态下燃烧层自动投入数量，维持锅炉输出汽流量和燃烧量的平衡。

2.3　阀门流量试验

修正阀门流量系数。结合机组检修，进行阀门行程与实际进汽量测试，控制阀门开启速率与实际功率相应需要相匹配，并根据阀门行程与实际进汽量测试情况，进行调速汽门的重叠度的优化调整，减少顺序阀方式下负荷扰动。

2.4　一次调频控制装置

研发了一次调频控制装置，并在二期机组试验。可以满足同源要求以及不用修改DEH逻辑和CCS逻辑下，在调频装置内对一条调频参数进行在线修正。

一次调频智能控制系统包含两套一次调频智能控制装置，冗余配置，布置在一面机柜内，机柜内配备工控机，主控画面里包含：A、B装置实时频率、实时转速、实时调频量、装置故障状态、负荷补偿曲线以及实时频率曲线，同时具备在线试验功能。一次调频装置改造原理见图2。

图2　一次调频装置改造原理

2.5　方案特点

提高了驱动信号的精度。原一次调频动作均采用汽轮机转速或ECS中频率变送器作为驱动信号。本方案直接测取电网频率，采集精度达到电网要求的±0.001Hz，精度远高于转速或频率信号的测量精度，提高了一次调频动作的正确率。

传统的一次调频控制策略优化从减小一次调频动作死区和增大调频负荷动作幅度两个方向着手。虽然能满足电网考核标准要求，但会对机组造成大量无效扰动，造成机组调门频繁波动而影响设备安全运行。本方案采用基于电网功率变化动态调整的控制策略，对电网不同频差采用不同的动作幅值，既能确保电网公司的考核指标，又降低了一次调频的动作次数。

通过对滕州公司3号、4号机组的优化改造，机组实际运行情况证明通过调频信号同源改造辅助以一次调频逻辑优化，是能够有效应对电网一次调频考核要求。

3　应用效果

在山东电网一次调频考核模式下，可将机组正常一次调频动作负荷量由原来的±3.8 MW左右降低至±2 MW以内，确保一次调频动作幅度降低30%以上，降低了一次调频对机组调节设备的冲击；一次调频动作次数大幅度减少，经过优化改造后机组的误动作得到有效控制，由原来的日均千次降低为日均百次，动作次数下降90%，同时机组的一次调频合格率超过85%，满足电网考核要求，也一定程度上延长了汽轮机调速汽门的运行寿命。

在确保机组一次调频合格率达到80%以上的同时，不影响AGC的性能。2015年5月改造优化，改造前后两台机组AGC指标和一次调频指标如表3所示。3号、4号机组在投运AGC情况下，一次调频合格率达到80%以上，不统计AGC情况下一次调频合格率可达到85%以上，3号、4号机组AGC综合性能指标达到山东电网前10名左右水平。