高精度轉(zhuǎn)速卡在某廠機(jī)組一次調(diào)頻中的應(yīng)用

趙秀峰

（大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司張家口發(fā)電廠，河北 張家口 075133）

引言

某發(fā)電廠共八臺(tái)320 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，其中1、2 號(hào)機(jī)組為東方電氣集團(tuán)生產(chǎn)的高、中、低壓缸三缸汽輪發(fā)電機(jī)組，3～8 號(hào)機(jī)組為東方電氣集團(tuán)生產(chǎn)的高、中壓缸合缸汽輪發(fā)電機(jī)組。分散控制系統(tǒng)（DCS）和汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）除7 號(hào)機(jī)組為和利時(shí)控制系統(tǒng)外，其他機(jī)組均為北京日立控制系統(tǒng)，由于北京日立控制系統(tǒng)DEH 轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)精度低，無(wú)法滿足一次調(diào)頻要求。

1 一次調(diào)頻參數(shù)指標(biāo)

1.1 轉(zhuǎn)速不等率δ

式中：Nmax為汽輪機(jī)空負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速；Nmin為額定負(fù)荷時(shí)對(duì)應(yīng)的最小轉(zhuǎn)速；ne為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速不等率越大，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組動(dòng)作的負(fù)荷越少，機(jī)組穩(wěn)定性越好，一般不大于6%；轉(zhuǎn)速不等率越小，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，機(jī)組動(dòng)作的負(fù)荷越多，機(jī)組穩(wěn)定性越差，一般不低于3%。

我廠一次調(diào)頻的轉(zhuǎn)速不等率設(shè)置為4.5%，機(jī)組參與一次調(diào)頻的負(fù)荷調(diào)整系數(shù)為：

式中：K 為一次調(diào)頻調(diào)整系數(shù)，MW/（r·min-1）；Ne為機(jī)組額定負(fù)荷，取320 MW；δ 為機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率，取45%；ne為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，取3 000 r/min。將數(shù)值代入公式計(jì)算得K=-2.4MW/（r·min-1）

相當(dāng)于轉(zhuǎn)速超出死區(qū)每分鐘變化一轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)組負(fù)荷變化2.4 MW。

1.2 轉(zhuǎn)速死區(qū)

一次調(diào)頻在額定轉(zhuǎn)速附近對(duì)轉(zhuǎn)速變化的不靈敏區(qū)。

張家口發(fā)電廠頻率死區(qū)設(shè)置為±2r/min（±0.033Hz）。

1.3 遲緩率ε

式中：Δn 為同一功率下轉(zhuǎn)速上升最大值與下降最小值之差；ne為汽輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)各部套存在間隙和摩擦使調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作存在遲緩現(xiàn)象，電網(wǎng)頻率偏離死區(qū)至閥門動(dòng)作也存遲緩現(xiàn)象。遲緩率越大，說(shuō)明汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速變化一次調(diào)頻動(dòng)作到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作時(shí)間越大，嚴(yán)重時(shí)造成轉(zhuǎn)速震蕩，甚至發(fā)生頻率震蕩。

2 華北電網(wǎng)對(duì)一次調(diào)頻的要求

華北電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組參與一次調(diào)頻管理規(guī)定中要求網(wǎng)內(nèi)機(jī)組全程參與一次調(diào)頻，調(diào)頻上限為額定負(fù)荷的10%，且應(yīng)滿足以下各項(xiàng)要求。

1）15 s 響應(yīng)指數(shù)不小于75%，15 s 響應(yīng)指數(shù)=15 s 內(nèi)機(jī)組實(shí)際最大出力調(diào)整量/理論最大出力調(diào)整量×100%，即一次調(diào)頻動(dòng)作至達(dá)到75%理論目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間應(yīng)不大于15 s。

2）30 s 響應(yīng)指數(shù)不小于90%，30 s 響應(yīng)指數(shù)=30 s 內(nèi)機(jī)組實(shí)際最大出力調(diào)整量/理論最大出力調(diào)整量×100%，即一次調(diào)頻動(dòng)作至達(dá)到90%理論目標(biāo)負(fù)荷的時(shí)間應(yīng)不大于30 s。

3）機(jī)組持續(xù)調(diào)頻時(shí)間內(nèi)電量貢獻(xiàn)指數(shù)不小于75%,電量貢獻(xiàn)指數(shù)=機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量/理論貢獻(xiàn)電量，即在一個(gè)調(diào)頻周期內(nèi)的積分電量達(dá)到理論積分電量的75%。

3 張家口發(fā)電廠一次調(diào)頻現(xiàn)狀

張家口發(fā)電廠機(jī)組一次調(diào)頻均采用電液控制加協(xié)調(diào)控制，即DEH+CCS方式實(shí)現(xiàn)。DEH 系統(tǒng)內(nèi)額定轉(zhuǎn)速與汽輪機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速偏差超過(guò)設(shè)定死區(qū)后，通過(guò)一次調(diào)頻函數(shù)計(jì)算后的閥門指令直接疊加至綜合閥位指令動(dòng)作調(diào)門；CCS 通過(guò)轉(zhuǎn)差與不等率函數(shù)計(jì)算后的調(diào)頻指令疊加至機(jī)組實(shí)際負(fù)荷指令進(jìn)行補(bǔ)償，保障一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)鍋爐增加出力，以保證發(fā)電機(jī)輸出功率。

2020 年上半年經(jīng)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)為5 183 次，因每次動(dòng)作考核三個(gè)指標(biāo)（積分電量、15 s指數(shù)、30 s 指數(shù)），故參與考核次數(shù)為15 549 次，其中不合格次數(shù)為6 840 次，正確率為56%，考核電量為13 132.8 MW，考核金額493 萬(wàn)余元。

為了查找一次調(diào)頻不正確動(dòng)作原因，分別在機(jī)組負(fù)荷達(dá)到192 MW、240 MW、288 MW 進(jìn)行了手動(dòng)設(shè)定±4 r/min（±0.067 Hz）和±6 r/min（±0.1 Hz）的一次調(diào)頻擾動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果都比較理想，各個(gè)指標(biāo)的負(fù)荷貢獻(xiàn)均能夠滿足一次調(diào)頻考核要求，由此推斷一次調(diào)頻不合格跟機(jī)組本身關(guān)系不大。

通過(guò)對(duì)2020 年大量考核數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合機(jī)組動(dòng)作時(shí)的各參數(shù)，以及一次調(diào)頻擾動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)一次調(diào)頻存在以下問(wèn)題：

1）一次調(diào)頻電網(wǎng)考核時(shí)刻與機(jī)組動(dòng)作時(shí)刻不同步，是導(dǎo)致一次調(diào)頻不合格的主要原因。機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，電網(wǎng)未記為考核，電網(wǎng)記錄考核時(shí)刻機(jī)組一次調(diào)頻未動(dòng)作，由此也產(chǎn)生了大量無(wú)效動(dòng)作，據(jù)統(tǒng)計(jì)一臺(tái)機(jī)組一個(gè)月的無(wú)效動(dòng)作次數(shù)達(dá)到1 萬(wàn)余次，給機(jī)組安全運(yùn)行也帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

2）絕大部分一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速差為2.5 轉(zhuǎn)左右，剛剛越過(guò)死區(qū)，由于轉(zhuǎn)速在死區(qū)邊緣，轉(zhuǎn)速離調(diào)頻函數(shù)零點(diǎn)太近，函數(shù)零點(diǎn)邊緣一次調(diào)頻動(dòng)作量不足，導(dǎo)致負(fù)荷響應(yīng)不足或無(wú)響應(yīng)，一次調(diào)頻負(fù)荷貢獻(xiàn)量不夠。

3）為了節(jié)能需求，運(yùn)行中主汽壓力低于額定值，調(diào)門開(kāi)度相對(duì)偏大，導(dǎo)致調(diào)門節(jié)流小，鍋爐蓄熱能力不足，一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)門開(kāi)啟對(duì)進(jìn)入汽輪機(jī)的主汽流量影響小，負(fù)荷響應(yīng)不足，一次調(diào)頻負(fù)荷貢獻(xiàn)量不夠。

4）一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，有時(shí)存在AGC 指令與一次調(diào)頻動(dòng)作指令相反，導(dǎo)致一次調(diào)頻貢獻(xiàn)負(fù)荷被AGC實(shí)際負(fù)荷抵消。

5）一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)調(diào)門頻繁波動(dòng)，導(dǎo)致抗燃油泵電流波動(dòng)大，調(diào)門抗燃油進(jìn)油管路振動(dòng)大，極端情況下造成抗燃油管理接頭及焊口斷裂，甚至泄露，給系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患。

4 高精度轉(zhuǎn)速卡的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)多次分析，我們認(rèn)為北京日立控制系統(tǒng)有限公司設(shè)計(jì)的DEH 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速精度低，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差較大，存在電網(wǎng)考核時(shí)刻，轉(zhuǎn)速未超過(guò)死區(qū)的情況。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研每臺(tái)機(jī)組增加了一塊高精度轉(zhuǎn)速卡，以提高轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，同時(shí)在高精度轉(zhuǎn)速卡中設(shè)定轉(zhuǎn)速死區(qū)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)死區(qū)時(shí)，直接輸出開(kāi)關(guān)量給DEH 系統(tǒng)，減小DEH 系統(tǒng)模擬量判斷的系統(tǒng)延時(shí)，縮短了一次調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間，有效地解決了一次調(diào)頻動(dòng)作與電網(wǎng)考核不一致問(wèn)題。

認(rèn)真研究電網(wǎng)一次調(diào)頻考核規(guī)則，逐步掌握了電網(wǎng)的考核規(guī)則，針對(duì)考核規(guī)則，我們對(duì)一次調(diào)頻邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，增加了一次調(diào)頻越限動(dòng)作延時(shí)，同時(shí)為了保證負(fù)荷響應(yīng)，增加了一次調(diào)頻動(dòng)作保持邏輯，通過(guò)配套邏輯優(yōu)化提高了一次調(diào)頻的正確動(dòng)作率。同時(shí)也大大減少了一次調(diào)頻的無(wú)效動(dòng)作次數(shù)，初步統(tǒng)計(jì)2021 年上半年一次調(diào)頻無(wú)效動(dòng)作次數(shù)減少原來(lái)的1/3。

轉(zhuǎn)速在超過(guò)死區(qū)邊緣時(shí)，由于轉(zhuǎn)速離調(diào)頻函數(shù)零點(diǎn)非常近，一次調(diào)頻動(dòng)作量接近于“0”，我們將一次調(diào)頻函數(shù)設(shè)置為分段函數(shù)，增加小頻差時(shí)調(diào)頻動(dòng)作量，在大頻差時(shí)保持原有函數(shù)，既保證一次調(diào)頻在轉(zhuǎn)速死區(qū)邊緣時(shí)的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)量，又保證在大頻差下一次調(diào)頻動(dòng)作幅度過(guò)大，造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。

針對(duì)運(yùn)行中主汽壓力低于額定值，增加一次調(diào)頻壓力修正函數(shù)，當(dāng)主汽壓力低于額定值時(shí)，增加正向修正，加大一次調(diào)頻動(dòng)作量，當(dāng)主汽壓力接近額定值時(shí)，保持原一次調(diào)頻動(dòng)作量，保證壓力低于額定值時(shí)一次調(diào)頻的貢獻(xiàn)量。同時(shí)優(yōu)化閥門曲線，適當(dāng)增加閥門重疊度以保證閥門動(dòng)作對(duì)流量和負(fù)荷的響應(yīng)速度。

增加一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)閉鎖AGC 指令回路，當(dāng)電網(wǎng)頻率降低越限時(shí)，閉鎖減負(fù)荷指令回路，當(dāng)電網(wǎng)頻率升高越限時(shí)，閉鎖漲負(fù)荷指令回路，保證一次調(diào)頻貢獻(xiàn)量不被AGC 指令抵消。

摸索電網(wǎng)頻率越線時(shí)電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)時(shí)刻與機(jī)組動(dòng)作時(shí)刻時(shí)間差，盡可能使用跟電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)時(shí)刻相符的參數(shù)作為一次調(diào)頻動(dòng)作條件，必要時(shí)增加時(shí)間修正和保持回路，保證機(jī)組動(dòng)作與電網(wǎng)統(tǒng)計(jì)同步，提高一次調(diào)頻合格率。

表征頻差越線的轉(zhuǎn)速測(cè)量值采用多重信號(hào)攝取，采用智能邏輯把變化最小的測(cè)量值作為參與一次調(diào)頻的動(dòng)作條件，避免轉(zhuǎn)速波動(dòng)造成一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作調(diào)門擺動(dòng)，從而減少抗燃油系統(tǒng)管道的振動(dòng)。

增加一次調(diào)頻快動(dòng)緩回回路，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，調(diào)門快速開(kāi)啟，動(dòng)作結(jié)束后緩慢關(guān)閉至實(shí)時(shí)閥位，既保證了一次調(diào)頻負(fù)荷貢獻(xiàn)量，又避免一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作導(dǎo)致負(fù)荷波動(dòng)造成的低頻振蕩。同時(shí)避免一次調(diào)頻頻繁動(dòng)作導(dǎo)致汽輪機(jī)調(diào)門頻繁開(kāi)關(guān)造成的抗燃油系統(tǒng)管道振動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

2021 年上半年一次調(diào)頻動(dòng)作6 042 次，參與考核次數(shù)為18 126 次，不合格次數(shù)3 660 次，正確率79.8%，考核電量7 027.2 MW，考核金額263 萬(wàn)元。

通過(guò)增加高精度轉(zhuǎn)速卡和優(yōu)化邏輯一次調(diào)頻正確動(dòng)作率由原來(lái)的56%提高到了80%，大大減少了一次調(diào)頻的考核，同時(shí)也減少了一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)，保障了汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的安全，為電網(wǎng)提供了高品質(zhì)的電力。