LM系列航改型燃氣輪機發(fā)電機組一次調(diào)頻功能探討

邱冬 黃金梅

摘要：分析了LM系列航改型燃氣輪機發(fā)電機組的特點，探討了LM系列燃氣輪機發(fā)電機組一次調(diào)頻的原理，在設(shè)備配置需求、程序配置、調(diào)節(jié)質(zhì)量、人員操作等方面的優(yōu)勢，實際應(yīng)用表明，LM系列航改型燃氣輪機可以很好地滿足電網(wǎng)對一次調(diào)頻的要求。

關(guān)鍵詞：LM系列航改型燃氣輪機;一次調(diào)頻;死區(qū);功率限制;負載響應(yīng)

中圖分類號：V231.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）14-0053-02

0? 引言

以往頻率調(diào)節(jié)一直由大容量機組來維持，而較小的燃氣或其他渦輪機僅用于補充容量。但隨著國內(nèi)燃氣輪機裝機容量不斷增加，尤其是隨著各地對環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格要求，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組的項目正在逐步增加，從而使得燃氣輪機機組的裝機總量在電網(wǎng)中的占比越來越高，這直接導(dǎo)致燃氣輪機機組一次調(diào)頻的能力變得越來越重要。[1]LM系列航改型燃氣輪機發(fā)電機組配置有一次調(diào)頻PFC和容量儲備控制RMC功能，可以在電網(wǎng)出現(xiàn)頻率變化超過預(yù)定范圍時自動調(diào)節(jié)機組的有功功率輸出，實現(xiàn)電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，本文主要介紹LM系列航改型燃氣輪機發(fā)電機組一次調(diào)頻的功能原理，以及在電廠項目應(yīng)用中各參數(shù)的設(shè)置原則。

1? LM航改型燃氣輪機發(fā)電機組的構(gòu)成

LM航改型燃氣輪機發(fā)電機組由航空發(fā)動機改進而來，機組自身的一次調(diào)頻響應(yīng)能力非常強。

LM6000燃氣輪機發(fā)電機組一般作為聯(lián)合循環(huán)應(yīng)用，機組采取一拖一的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)布置方式，即一臺燃氣輪機的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生相應(yīng)的蒸汽驅(qū)動汽輪機組。聯(lián)合循環(huán)機組的一次調(diào)頻控制包括燃機和汽輪機的負荷控制，燃機的負荷控制回路主要針對轉(zhuǎn)速-功率的控制，通過調(diào)節(jié)進入燃機的燃料量使燃機的出力和轉(zhuǎn)速達到控制要求。本文重點討論燃氣輪機的一次調(diào)頻控制能力。[2]

2? 電網(wǎng)對一次調(diào)頻能力的要求

電廠的一次調(diào)頻功能一般是電網(wǎng)基本輔助服務(wù)的一部分， 以西北電網(wǎng)為例，各電廠一次調(diào)頻服務(wù)補償按照動作積分電量月度平均合格率進行補償。月度一次調(diào)頻平均合格率在滿足規(guī)定條件情況下進行補償，按照每高出1%補償5積分。一次調(diào)頻月度平均合格率：發(fā)電機組一次調(diào)頻月度總實際積分電量與理論月度積分電量之比的百分?jǐn)?shù)。故一次調(diào)頻能力無論是電網(wǎng)的基本要求還是有償服務(wù)，機組配置此功能都是必須的且有益的。

3? 一次調(diào)頻的功能介紹

電網(wǎng)一次調(diào)頻的目的是通過發(fā)電機組自身的調(diào)速系統(tǒng)的頻率控制特性，適應(yīng)電網(wǎng)側(cè)用電功率的變化，使兩者達到平衡從而使電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50Hz附近的一個允許值范圍內(nèi)。以LM6000燃氣輪機發(fā)電機組為例，其一次調(diào)頻和燃氣輪機的負荷控制密不可分，一次調(diào)頻的功能設(shè)置在機組負荷控制回路中，不可切除，主要包括PFC和RMC調(diào)節(jié)。

3.1 LM機組PFC和RMC控制邏輯

LM6000燃氣輪機發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能包括PFC和RMC，其邏輯框圖見圖1。當(dāng)電網(wǎng)頻率升高時，一次調(diào)頻PFC功能要求機組快速減負荷，反之，機組快速增加負荷;容量儲備控制RMC功能是指允許機組運行在接近最大出力之下，LM6000機組可以設(shè)定為低于最大出力0～12.5%，使得機組在頻率上升或下降時有適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)空間。圖1中顯示的燃氣輪機機組全天24小時的運行狀況，圖中可以看出由于全天氣溫的變化，燃氣輪機機組的額定基礎(chǔ)負荷也是不斷變化的。RMC是按照額定基礎(chǔ)負荷的百分比設(shè)置的，所以RMC的曲線也是隨時變化的。具體的邏輯框圖說明如下：①PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力被鎖定在預(yù)設(shè)的負荷控制設(shè)定點。②PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力根據(jù)電網(wǎng)頻率的下降而增加。③PFC功能和RMC功能同時啟用，RMC設(shè)定點為3%。此時控制燃氣輪機機組出力至RMC控制點，即機組運行在97%額定基礎(chǔ)負荷。④PFC功能和RMC功能同時啟用，RMC設(shè)定點為3%。此時電網(wǎng)頻率出現(xiàn)下降偏差，燃氣輪機機組按照PFC功能控制機組出力上升直至額定基礎(chǔ)負荷。⑤PFC功能啟用，燃氣輪機機組的出力被鎖定在預(yù)設(shè)的負荷控制設(shè)定點，此負荷控制設(shè)定點將小于RMC的設(shè)定點。

3.2 LM機組一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置

LM6000燃氣輪機發(fā)電機組的一次調(diào)頻功能內(nèi)置于控制器程序中，機組常規(guī)的參數(shù)設(shè)置及說明如下：

調(diào)速器轉(zhuǎn)速下垂：轉(zhuǎn)速下垂是調(diào)速器的功能，當(dāng)負荷下降時降低燃氣輪機的轉(zhuǎn)速，調(diào)速器轉(zhuǎn)速下垂功能可以在機組連接到電網(wǎng)時提供穩(wěn)定的運行工況。

遲滯死區(qū)（不靈敏度）：調(diào)速器系統(tǒng)的死區(qū)或不靈敏度即為在此頻率設(shè)定范圍內(nèi)的頻率變化，不會觸發(fā)燃氣輪機出力的調(diào)節(jié)。如果頻率變化超出了此遲滯死區(qū)的設(shè)定范圍，控制系統(tǒng)將自動的調(diào)節(jié)燃氣輪機的出力，出力的變化與頻率變化差成比例。

RMC容量儲備控制：RMC控制的目的是使燃氣輪機能夠帶有一定的儲備負荷運行，允許燃氣輪機機組在接近其最大輸出功率的情況下運行，而不需要驅(qū)動機組隨著環(huán)境溫度的變化全天基本負荷隨時在變化。

PFC一次調(diào)頻控制將控制燃氣輪機機組運行在預(yù)設(shè)的負荷點，如果機組的頻率超過PFC調(diào)節(jié)遲滯死區(qū)范圍將通過調(diào)節(jié)機組出力來響應(yīng)頻率的變化以便幫助維持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定。PFC可以增加機組的出力至最大控制極限，但是不允許使燃氣輪機超溫或過載。同樣的PFC控制也不能將機組負荷降至小于0，以防止逆功率。[4]

3.3 LM機組一次調(diào)頻調(diào)速器調(diào)節(jié)能力

機組的一次調(diào)頻能力與其自身的性能有關(guān)，如圖2為LM6000機組一次調(diào)頻動作示意圖，描述了頻率變化對應(yīng)的機組出力的調(diào)節(jié)。

圖2中的符號說明如表1所示。

如圖2所示，機組常規(guī)運行在功率設(shè)定點Pset，此時系統(tǒng)發(fā)生頻率偏差，有以下幾種可能：①頻率偏差在±f0范圍內(nèi)，此時的頻率偏差在遲滯死區(qū)范圍內(nèi)，機組控制系統(tǒng)不會發(fā)出調(diào)整指令，機組還是按照預(yù)設(shè)的功率運行。②頻率偏差在-？駐fG范圍內(nèi)，此時的頻率偏差超過遲滯死區(qū)范圍，機組的一次調(diào)頻將控制燃氣輪機增加出力以維持頻率的穩(wěn)定，機組的出力變化與頻率偏差為線性調(diào)整關(guān)系。③頻率偏差在+？駐fG范圍內(nèi)，此時的頻率偏差超過遲滯死區(qū)范圍，機組的一次調(diào)頻將控制燃氣輪機減小出力以維持頻率的穩(wěn)定，機組的出力變化與頻率偏差為線性調(diào)整關(guān)系。[3]

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率偏差并超過燃氣輪機機組設(shè)定的遲滯死區(qū)范圍后，機組的一次調(diào)頻將增加或減小機組的出力來維持頻率的穩(wěn)定，而機組出力達到具體調(diào)節(jié)量，是根據(jù)頻率的偏差值、燃氣輪機調(diào)速器的調(diào)節(jié)速率設(shè)置（即調(diào)速器轉(zhuǎn)速下垂設(shè)置）、機組額定頻率、以及機組的額定容量有關(guān)。具體的計算公式如公式1所示。

×100%（1）

公式（1）中的符號說明如表2所示。

以50Hz機組，額定功率為50MW為例，當(dāng)系統(tǒng)頻率下跌-0.2Hz，調(diào)速器調(diào)節(jié)速率設(shè)定為5%，燃機的功率調(diào)節(jié)響應(yīng)為增加出力4MW。通過以上計算可以看出，調(diào)速器調(diào)節(jié)速率越高，在相同的頻率偏差下機組所需調(diào)節(jié)的出力越小，即機組的響應(yīng)速度越快其所需的負荷調(diào)節(jié)量就越小。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻率偏差時，一次調(diào)頻功能啟動，同樣的其響應(yīng)時間也需要考核。一般機組的功率變化響應(yīng)時間規(guī)定的在系統(tǒng)頻率降低100mHz時機組增加50%的功率輸出，調(diào)節(jié)時間為15秒，在系統(tǒng)頻率降低200mHz時機組增加100%的功率輸出，調(diào)節(jié)時間為30秒。

4? 結(jié)束語

與其他類型的發(fā)電機組相比，LM系列航改型燃氣輪機機組在設(shè)計之初就內(nèi)置了一次調(diào)頻功能，充分考慮了燃機機組自身的特性及客戶的需求。同時通過以上經(jīng)驗，希望能對同類型電廠的運行調(diào)試有參考價值。

參考文獻：

[1]曹泉.燃機一次調(diào)頻控制策略及其實踐 [J].華中電力， 2009（3）：40-43.

[2]宋敏強，祝建飛，邱佳敏.燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)機組AGC及一次調(diào)頻研究[J].華東電力，2009（5）.

[3]項謹(jǐn)，顧正皓，尹峰.GE燃機一次調(diào)頻原理分析與仿真[J].浙江電力，2007（3）：37-39.

[4]戴初成.6B燃氣輪機負荷控制與一次調(diào)頻功能的實現(xiàn)[J]. 燃氣輪機技術(shù)，2011（4）：70-72.