高文松，劉正強(qiáng)，王曉峰，黃宏偉,尹金亮，聶濤

(1.中電投河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州市 450000；2.中電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南省平頂山市 467312)

基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)及其在1000MW火電機(jī)組中的應(yīng)用

高文松1，劉正強(qiáng)1，王曉峰1，黃宏偉1,尹金亮1，聶濤2

(1.中電投河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州市 450000；2.中電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司，河南省平頂山市 467312)

當(dāng)汽輪機(jī)數(shù)字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)使用固定系數(shù)的一次調(diào)頻動(dòng)作量時(shí)，由于受機(jī)組配汽特性的影響，在某些負(fù)荷段可能出現(xiàn)過(guò)調(diào)或欠調(diào)的情況，嚴(yán)重影響一次調(diào)頻合格率。受汽輪機(jī)噴嘴蒸汽流量及其做功能力的啟發(fā)，提出了一種基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻(valve points primary frequency regulation，VPPFR)設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)中采用基于閥點(diǎn)和主汽壓校正函數(shù)的變DEH控制系統(tǒng)側(cè)動(dòng)作量。該設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中獲得了較好的一次調(diào)頻合格率。

火電機(jī)組；一次調(diào)頻；閥點(diǎn)；主汽壓

0 引 言

電力系統(tǒng)頻率既是系統(tǒng)運(yùn)行生產(chǎn)的重要質(zhì)量指標(biāo)，又是關(guān)系到系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。電力系統(tǒng)的頻率主要取決于有功功率，即決定于原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率[1]。電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)節(jié)是指利用系統(tǒng)固有的負(fù)荷頻率特性，以及發(fā)電機(jī)組調(diào)速器的作用，來(lái)阻止系統(tǒng)頻率偏離標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)方式[2]。

為了實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻的正確動(dòng)作和準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，很多調(diào)試人員對(duì)機(jī)組調(diào)頻特性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了不同的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，取得了一定的效果[3-12]。本文提出一種基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)(valve points primary frequency regulation，VPPFR)并將其應(yīng)用到1 000 MW超臨界火電機(jī)組中，以期取得較好的調(diào)節(jié)效果。

1 一次調(diào)頻動(dòng)作原理

一次調(diào)頻動(dòng)作原理如圖1所示。

圖1 一次調(diào)頻動(dòng)作原理圖

由于一次調(diào)頻一般為短周期、小幅值調(diào)節(jié)，汽輪機(jī)數(shù)字電液(digital electro-hydraulic，DEH)控制系統(tǒng)前饋動(dòng)作量和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(coordination control system，CCS)機(jī)主控動(dòng)作量成為一次調(diào)頻的關(guān)鍵。DEH側(cè)動(dòng)作能直接改變調(diào)節(jié)門(mén)的開(kāi)度，利用機(jī)組蓄熱，快速改變負(fù)荷，從而達(dá)到一次調(diào)頻快速性的要求。但DEH動(dòng)作量是根據(jù)頻差的比例變換，屬于開(kāi)環(huán)控制，不能完全保證電網(wǎng)對(duì)積分電量的要求。而CCS機(jī)主控一般為PI調(diào)節(jié)，積分環(huán)節(jié)的引入，彌補(bǔ)了DEH側(cè)純比例有差調(diào)節(jié)的不足，使機(jī)組的調(diào)頻出力得到準(zhǔn)確控制，保證積分電量滿(mǎn)足轉(zhuǎn)速不等率的要求，滿(mǎn)足了一次調(diào)頻穩(wěn)定性的要求。DEH和CCS兩側(cè)回路相互配合才能達(dá)到滿(mǎn)意的調(diào)頻效果。本文認(rèn)為，DEH側(cè)首先動(dòng)作到80%至90%的頻差要求動(dòng)作量，然后依靠CCS機(jī)主控調(diào)節(jié)剩余偏差，是最理想的調(diào)節(jié)方式。

由于一次調(diào)頻的調(diào)整對(duì)象應(yīng)為短周期、小幅值調(diào)節(jié)，較長(zhǎng)周期或較大幅值的變化應(yīng)該由二次調(diào)整完成(華中電網(wǎng)推出的考核辦法中電量積分時(shí)間為60 s)，所以一次調(diào)頻不用涉及燃料、給水等變化。文獻(xiàn)[3]中建立的一次調(diào)頻模型證明，在較高頻段，不用考慮主汽壓動(dòng)態(tài)影響[3]，這與鍋爐調(diào)節(jié)的滯后性是一致的。

2 基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)

2.1 最佳滑壓閥點(diǎn)

一般而言，汽輪機(jī)滑壓運(yùn)行模式可有四閥、三閥、二閥滑壓運(yùn)行，在汽輪機(jī)熱耗特性已知條件下，其主汽壓力是由高壓調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度決定的。由此將主汽壓滑壓尋優(yōu)的目標(biāo)明確為：尋找和確定“最佳滑壓閥點(diǎn)”?！白罴鸦瑝洪y點(diǎn)”在滑壓區(qū)間內(nèi)為唯一固定值，與以“最佳主汽壓力”為尋優(yōu)目標(biāo)的傳統(tǒng)方法相比，新尋優(yōu)控制方法的對(duì)象更為明確，變?yōu)榇_定“最佳滑壓閥點(diǎn)”和根據(jù)機(jī)組的汽耗率自動(dòng)修正滑壓初壓設(shè)定值問(wèn)題。

平頂山電廠(chǎng)采用先進(jìn)的單調(diào)節(jié)門(mén)閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行(即低負(fù)荷時(shí)采用閥門(mén)開(kāi)度不同的二閥運(yùn)行模式)，在750 MW負(fù)荷下，較二閥滑壓又減少煤耗約0.8 g/(kW·h)。閥點(diǎn)曲線(xiàn)如圖2，滑壓曲線(xiàn)如圖3所示。300～780 MW為定閥點(diǎn)滑壓運(yùn)行，780～1 000 MW為定壓變閥點(diǎn)運(yùn)行。

2.2 蒸汽做功能力

蒸汽通過(guò)噴嘴的流量[1]為

(1)

式中：G為噴嘴流量，kg/s；β為彭臺(tái)門(mén)系數(shù)；An為噴嘴出口面積，m2；p0為噴嘴前蒸汽滯止壓力，kPa；ρ0為噴嘴前蒸汽密度，kg/m3。

圖2 閥點(diǎn)曲線(xiàn)

圖3 滑壓曲線(xiàn)

蒸汽做功能力與蒸汽焓值有關(guān)，而焓值決定于溫度和壓力，所以可用下式表示：

G*=f1(G,p0,T)

(2)

式中：G*為蒸汽做功能力，kJ；T為蒸汽溫度，K。

β與蒸汽狀態(tài)，即蒸汽壓力、溫度有關(guān)； An與調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度，即閥點(diǎn)有關(guān)；ρ0與溫度、壓力有關(guān)，所以式(2)可表示為

G*=f2(VP,p0,T)

(3)

式中VP表示閥點(diǎn)。用主汽壓P代替p0，正常工況下，汽溫T波動(dòng)范圍較小，所以式(3)可簡(jiǎn)化為

G*=f3(VP,P)

(4)

式(4)的意義在于，可以用VP和P表示蒸汽做功能力，為一次調(diào)頻中基于閥點(diǎn)和主汽壓校正系數(shù)的變DEH控制系統(tǒng)側(cè)動(dòng)作量提供了理論基礎(chǔ)。

2.3 基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)

基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻原理如圖4所示。從圖4中可以看出，DEH控制系統(tǒng)側(cè)一次調(diào)頻動(dòng)作量是基于主汽壓和閥點(diǎn)校正的。

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，辨識(shí)出的閥點(diǎn)運(yùn)行曲線(xiàn)如圖5和圖6所示。

圖4 基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻原理圖

圖5 負(fù)荷-主汽壓關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 負(fù)荷-閥點(diǎn)關(guān)系曲線(xiàn)

圖5表示在定閥點(diǎn)時(shí)，隨主汽壓變化負(fù)荷變化情況，取數(shù)據(jù)倒數(shù)并進(jìn)行歸一化處理，便得到基于主汽壓的一次調(diào)頻校正系數(shù)，如圖7所示。圖6表示在定壓運(yùn)行時(shí)，隨閥點(diǎn)變化負(fù)荷變化情況，取特定數(shù)據(jù)點(diǎn)的斜率的倒數(shù)并進(jìn)行歸一化處理，便得到基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻校正系數(shù)，如圖8所示。

圖7 主汽壓校正系數(shù)

圖8 閥點(diǎn)校正系數(shù)

2.4 效果驗(yàn)證

將基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)應(yīng)用于1 000 MW超臨界火電機(jī)組中，取得了較好的調(diào)節(jié)效果，一次調(diào)頻100次動(dòng)作合格率由原來(lái)的60%提高到72%，調(diào)節(jié)效果得到改進(jìn)，有效地避免了由于機(jī)組配汽特性造成的一次調(diào)頻欠調(diào)和過(guò)調(diào)情況。

3 影響一次調(diào)頻效果的其他因素

影響一次調(diào)頻效果的原因很多，除了受機(jī)組配汽特性的影響外，主要包括以下幾項(xiàng)：

(1)信號(hào)的精確性。由于一次調(diào)頻是快過(guò)程，信號(hào)的精確性就顯得尤為重要，頻率信號(hào)或轉(zhuǎn)速信號(hào)傳輸中在數(shù)值上一定要精確，在時(shí)間上一定要同步。

(2)一次調(diào)頻因子的設(shè)置。根據(jù)速度變動(dòng)率合理設(shè)置調(diào)頻因子，但在一次調(diào)頻因子較小時(shí)，可能產(chǎn)生欠調(diào)，本文認(rèn)為應(yīng)該適當(dāng)增大頻率小偏差時(shí)的一次調(diào)頻因子。

(3)主蒸汽壓力的偏差。當(dāng)主汽壓實(shí)際值與設(shè)定值偏差大于機(jī)主控動(dòng)作死區(qū)時(shí)，機(jī)主控會(huì)動(dòng)作調(diào)節(jié)，若此時(shí)動(dòng)作方向正好與一次調(diào)頻動(dòng)作方向相反，則會(huì)影響調(diào)頻效果。應(yīng)該設(shè)計(jì)主汽壓閉鎖邏輯，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，若主汽壓處于安全范圍內(nèi)，閉鎖機(jī)主控對(duì)主汽壓的調(diào)節(jié)。

(4)負(fù)荷的變化。一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，若機(jī)組正處在變負(fù)荷階段，且符合增減方向與一次調(diào)頻相反，會(huì)影響調(diào)頻效果。建議時(shí)刻保持自動(dòng)發(fā)電量控制(automatic generation control，AGC)的投入，避免由于AGC投入初期受變負(fù)荷的影響，并且增加一次調(diào)頻動(dòng)作對(duì)負(fù)荷進(jìn)行的閉鎖。若AGC動(dòng)作方向與一次調(diào)頻方向相反，可以向電網(wǎng)調(diào)度中心反映，以便免除由此造成的考核影響。

4 結(jié) 論

(1)影響一次調(diào)頻效果的因素復(fù)雜，需要根據(jù)調(diào)頻效果逐項(xiàng)分析。

(2)本文提出的基于閥點(diǎn)的一次調(diào)頻設(shè)計(jì)，引入基于閥點(diǎn)和主汽壓校正函數(shù)的變DEH控制系統(tǒng)側(cè)動(dòng)作量，在實(shí)際應(yīng)用中獲得了較好的調(diào)頻效果。

[1]黃樹(shù)紅，孫奉仲，盛德仁，等.汽輪機(jī)原理[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

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(編輯：楊大浩)

PrimaryFrequencyRegulationDesignBasedonValvePointandItsApplicationin1000MWThermalPowerUnit

GAO Wensong1，LIU Zhengqiang1，WANG Xiaofeng1，HUANG Hongwei1，YIN Jinliang1，NIE Tao2

(1. Henan Company Technical Information Center of China Power Investment Corporation, Zhengzhou 450000, China；2. Henan Company Pingdingshan Power Branch of China Power Investment Corporation, Pingdingshan 467312, Henan Province, China)

During the action on DEH (digital electro-hydraulic) control system of turbine using a fixed coefficient of quantity, the primary frequency regulation may overshoot or undershoot in the certain load segment, because of the influence of steam distribution characteristics, which seriously affects the qualified rate of primary frequency regulation. Inspired by the nozzle steam flow and work capacity of turbine, this paper presented a design method for primary frequency regulation based on alve point (valve points primary frequency regulation, VPPFR), in which the action on DEH side was varied according to the correction function of valve point and main steam pressure. Through the practical application, it is showed that this method can obtain the satisfactory qualified rate of primary frequency regulation.

thermal power unit; primary frequency regulation; valve point; main steam pressure

TM 621

： A

： 1000-7229(2014)05-0099-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.05.017

2013- 11- 17

：2013- 12- 20

高文松(1984)，男，碩士，主要從事復(fù)雜系統(tǒng)建模、仿真與控制相關(guān)工作，E-mail：wensong-gao@163.com；

劉正強(qiáng)(1976)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)技術(shù)管理工作；

王曉峰(1970)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)技術(shù)管理工作；

黃宏偉(1968)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)技術(shù)管理工作；

尹金亮(1963)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)節(jié)能優(yōu)化工作；

聶濤(1976)，男，本科，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)熱控研究及管理工作。