基于褐煤燃燒的超超臨界直流爐一次調(diào)頻同源裝置應(yīng)用分析

基于褐煤燃燒的超超臨界直流爐一次調(diào)頻同源裝置應(yīng)用分析摘要：目前火電機(jī)組因一次調(diào)頻響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的不足造成大范圍考核事件時(shí)有發(fā)生。分析認(rèn)為主要由調(diào)頻負(fù)荷響應(yīng)不同步、電網(wǎng)考核采用的頻率信號(hào)和火電機(jī)組測(cè)量信號(hào)不同源造成。電網(wǎng)考核采用的網(wǎng)頻信號(hào)變化趨勢(shì)理論上要提前于火電機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，造成實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋偏差較大且遲延時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)由于抗干擾能力差，頻率信號(hào)經(jīng)常因?yàn)楦蓴_出現(xiàn)偏差。機(jī)組DCS系統(tǒng)雖然有電網(wǎng)頻率信號(hào)，但是量程一般為45～55Hz，精度無(wú)法滿(mǎn)足需求。時(shí)間比較長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求。鑒于此，更換高精度頻率變送器/轉(zhuǎn)速變送器，分別用于DEH控制自動(dòng)調(diào)節(jié)及CCS協(xié)調(diào)控制。使用高精度頻率變送器處理的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次調(diào)頻邏輯運(yùn)算，保證與網(wǎng)調(diào)采集數(shù)據(jù)同步，減少不必要的考核。關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻;同源裝置;優(yōu)化;響應(yīng)機(jī)制;節(jié)能減排。ApplicationAnalysisofPrimaryFrequencyModulationHomogeneousDeviceforUltraSupercriticalOncethroughBoilerBasedonLigniteCombustionWangHao,Engineer(InnerMongoliaDatangInternationalXilinhotPowerGenerationCo.,Ltd.,Xilinhot,026000)Abstract:Atpresent,duetothelackofprimaryfrequencyregulation(PFR)torespondtothepowergridload,large-scaleassessmenteventsoftenoccurinthermalpowerunits.Theanalysisshowsthatitismainlycausedbytheunsynchronizedfrequencymodulationloadresponse,thedifferentsourcesoffrequencysignalsusedinpowergridassessmentandthermalpowerunitmeasurementsignals.Thechangetrendofnetworkfrequencysignalusedinpowergridassessmentistheoreticallyaheadofthespeedsignalofthermalpowerunits,resultinginlargedeviationofactualspeedfeedbackandlongdelaytime.Atthesametime,duetothepooranti-interferenceability,thefrequencysignalisoftenbiasedduetointerference.AlthoughtheunitDCSsystemhaspowergridfrequencysignal,therangeisgenerally45~55Hz,andtheaccuracycannotmeettherequirements.Ittakesalongtimetomeettherequirementsofrapidresponse.Inviewofthis,replacehigh-precisionfrequencytransmitter/speedtransmitterforDEHcontrolautomaticregulationandCCScoordinatedcontrol.Thedataprocessedbyhigh-precisionfrequencytransmittershallbeusedforprimaryfrequencymodulationlogicoperationtoensuresynchronizationwithnetworkdispatchingdataacquisitionandreduceunnecessaryassessment.Keywords:Primaryfrequencymodulationl;Cognatedevice;Optimization;Responsemechanisml;conserveenergy,reduceemissions.引言：隨著可再生能源接入比例的不斷提升，電網(wǎng)的波動(dòng)性與隨機(jī)性不斷提升，機(jī)組的一次調(diào)頻能力在國(guó)外也日趨受到重視。除了調(diào)頻控制算法的不斷更新迭代以外，目前國(guó)外的主要研究方向在于利用新一代儲(chǔ)能技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)組和可再生能源機(jī)組（如風(fēng)電）進(jìn)行配合提供調(diào)頻服務(wù)。新一代儲(chǔ)能技術(shù)（如電池儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）因其極快的響應(yīng)速度和雙向能量輸出的特性而成為一次調(diào)頻的優(yōu)質(zhì)提供者。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，成本逐步降低，再加之更為成熟的輔助服務(wù)市場(chǎng)化機(jī)制，使得通過(guò)儲(chǔ)能技術(shù)提供大規(guī)模的一次調(diào)頻服務(wù)成為可能。目前，通過(guò)電池儲(chǔ)能提供上百兆瓦的一次調(diào)頻服務(wù)已在歐洲、美國(guó)、亞洲等多個(gè)國(guó)家廣泛應(yīng)用，通過(guò)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)提供一次調(diào)頻也在美國(guó)具備較成熟的商業(yè)化應(yīng)用。除此之外，通過(guò)市場(chǎng)化的需求側(cè)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)也在美國(guó)、澳洲等國(guó)家廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)考核采用的網(wǎng)頻信號(hào)變化趨勢(shì)理論上要提前于火電機(jī)組的轉(zhuǎn)速信號(hào)，目前不少火電機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量采用磁阻探頭，其造成實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋偏差較大且遲延時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)由于抗干擾能力差，頻率信號(hào)經(jīng)常因?yàn)楦蓴_出現(xiàn)偏差。1、概況機(jī)組主體設(shè)備包括：鍋爐為超超臨界參數(shù)、變壓運(yùn)行直流爐，一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，采用兩臺(tái)三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，π型布置。制造商為東方鍋爐（集團(tuán)）股份有限公司。汽輪機(jī)為超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽直接空冷凝汽式。汽機(jī)額定出力660MW。汽輪機(jī)設(shè)有八級(jí)回?zé)岢槠?一次風(fēng)二次加熱系統(tǒng)。制造商為東方汽機(jī)（集團(tuán)）股份有限公司。本工程機(jī)組DCS采用艾默生過(guò)程控制有限公司的OVATION控制系統(tǒng),按被控對(duì)象主要分為BSCS（鍋爐順控系統(tǒng)）、TSCS（汽機(jī)順控系統(tǒng)）、ECS（電氣順控系統(tǒng)）、FSSS（鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)）、MCS（模擬量控制系統(tǒng)）、DAS（數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）、BPS（旁路控制系統(tǒng)）、DEH(汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)系統(tǒng))、TSI（主機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)）、ETS（主機(jī)保護(hù)系統(tǒng)）以及輔網(wǎng)監(jiān)視控制系統(tǒng)等。1.1、一次調(diào)頻概況機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，當(dāng)CCS協(xié)調(diào)控制投入時(shí)，一次調(diào)頻由DEH控制系統(tǒng)和CCS協(xié)調(diào)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)。其核心邏輯示意圖如圖1，DEH側(cè)的一次調(diào)頻直接疊加在汽輪機(jī)綜合閥位指令上，起到快速反映的作用(前饋)，同時(shí)CCS側(cè)的一次調(diào)頻將轉(zhuǎn)差信號(hào)轉(zhuǎn)化成功率信號(hào)直接疊加汽機(jī)主控DEH功率回路中，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻負(fù)荷的精度控制，最終達(dá)到一次調(diào)頻目標(biāo)要求值。其中CCS側(cè)的函數(shù)f（x）我們稱(chēng)之為一次調(diào)頻函數(shù)。1.2一次調(diào)頻設(shè)計(jì)說(shuō)明及要求我廠單元機(jī)組一次調(diào)頻采用電網(wǎng)典型邏輯設(shè)計(jì)，一次調(diào)頻功能由DEH和CCS共同完成。根據(jù)東方廠提供的主機(jī)說(shuō)明，設(shè)定本機(jī)組的理論設(shè)計(jì)速度變動(dòng)率δ為4%～5%。并依據(jù)華北區(qū)域一次調(diào)頻管理辦法，本臺(tái)660MW機(jī)組承擔(dān)一次調(diào)頻負(fù)荷不小于±6%額定負(fù)荷。死區(qū)響應(yīng)滯后時(shí)間穩(wěn)定時(shí)間15s后時(shí)幅值要求30s后時(shí)幅值要求貢獻(xiàn)指數(shù)＜±2rpm＜3s＜60s達(dá)到理論調(diào)頻量的75％達(dá)到理論調(diào)頻量的90％實(shí)際積分電量/理論積分電量>75%表2華北網(wǎng)一次調(diào)頻考核指標(biāo)1.2、優(yōu)化前一次調(diào)頻概況數(shù)據(jù)分析查看我廠2021年1-9月一次調(diào)頻考核報(bào)表，可以看出一次調(diào)頻效果最近在0.5左右，動(dòng)作正確率在0.6左右，均未達(dá)到規(guī)定“機(jī)組一次調(diào)頻性能月平均值應(yīng)達(dá)到60%，動(dòng)作正確率0.8”的基本要求。一次調(diào)頻性能考核在全廠總考核電量中占相當(dāng)大的比重，這就使得如何提高一次調(diào)頻效果，改善一次調(diào)頻性能成為亟待解決的問(wèn)題。月份機(jī)組月正確動(dòng)作率考核電量2021年1月#1、#20.69.872021年3月#1、#20.521.582021年5月#1、#20.465.322021年7月#1、#20.619.862021年9月#1、#20.552.22、一次調(diào)頻存在的問(wèn)題2.1、一次調(diào)頻與AGC負(fù)荷指令動(dòng)作反向抵消通過(guò)查看2021年的一次調(diào)頻考核報(bào)表，可以看出一次調(diào)頻效果幾乎為很弱，更多的原因是因?yàn)閷?shí)際積分電量與理論積分電量存在方向相反的問(wèn)題。此時(shí)我看通過(guò)查看機(jī)組DEH側(cè)一次調(diào)頻響應(yīng)歷史曲線與協(xié)調(diào)側(cè)一次調(diào)頻響應(yīng)歷史曲線相互對(duì)比，可以得出結(jié)論：一次調(diào)頻實(shí)際積分電量與其理論積分電量動(dòng)作方向相反，其主要原因是因?yàn)橐淮握{(diào)頻動(dòng)作時(shí)刻，機(jī)組的AGC負(fù)荷指令和一次調(diào)頻動(dòng)作目標(biāo)方向相反導(dǎo)致，使得一次調(diào)頻的實(shí)際積分電量被AGC響應(yīng)負(fù)荷相抵消，恰好AGC負(fù)荷指令趨于穩(wěn)定時(shí)，一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)束。所以在機(jī)組投入一次調(diào)頻和AGC負(fù)荷指令功能時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)AGC的負(fù)荷指令動(dòng)作方向與一次調(diào)頻要求的負(fù)荷指令動(dòng)作方向相反情況。按照電網(wǎng)調(diào)度規(guī)程(兩個(gè)細(xì)則)相關(guān)規(guī)定要求，機(jī)組應(yīng)該優(yōu)先滿(mǎn)足一次調(diào)頻負(fù)荷調(diào)整的的控制要求，簡(jiǎn)單描述為閉鎖AGC負(fù)荷指令，保證一次調(diào)頻指令動(dòng)作方向的準(zhǔn)確性，而AGC負(fù)荷指令動(dòng)作方向和一次調(diào)頻負(fù)荷指令動(dòng)作方向一致時(shí)，再恢復(fù)解除AGC負(fù)荷指令的閉鎖功能。2.2、一次調(diào)頻信號(hào)源精度低

一次調(diào)頻信號(hào)來(lái)自DEH的轉(zhuǎn)速卡。由于DEH的轉(zhuǎn)速卡的量程為0到1萬(wàn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速卡只有千分之一的精度，遠(yuǎn)低于10萬(wàn)分之一的精度，即沒(méi)有辦法達(dá)到0.1轉(zhuǎn)的分辨率。因此機(jī)組一次調(diào)頻的組態(tài)中，一次調(diào)頻的函數(shù)死區(qū)常常沒(méi)有按照規(guī)程設(shè)置在±2轉(zhuǎn)，而是設(shè)置在±1.6轉(zhuǎn)，造成了機(jī)組每個(gè)月的一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)比正常情況增加1倍以上，對(duì)機(jī)組造成擾動(dòng)，影響汽輪機(jī)調(diào)門(mén)的使用壽命等。電網(wǎng)要求火電機(jī)組調(diào)頻死區(qū)為2r/min，在火電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)際響應(yīng)中經(jīng)常出現(xiàn)調(diào)頻幅值不足和遲滯問(wèn)題。若人為把機(jī)組調(diào)頻死區(qū)修改為小于2r/min，雖可以提高一次調(diào)頻的響應(yīng)幅值，但是造成機(jī)組調(diào)閥動(dòng)作過(guò)頻甚至?xí)绊憴C(jī)組安全運(yùn)行。電網(wǎng)雖然送DCS系統(tǒng)有電網(wǎng)頻率信號(hào)，但是量程一般為45～55Hz，精度無(wú)法滿(mǎn)足需求。時(shí)間比較長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求。鑒于此，更換高精度頻率變送器/轉(zhuǎn)速變送器，在主變高壓側(cè)增加量程為49.8Hz-50.2Hz的頻率變送器，0.2級(jí)的頻率信號(hào)，其最小分辨率為：0.002×1×60=0.12轉(zhuǎn)（0.002Hz），上述信號(hào)分別送入DEH控制系統(tǒng)三塊不同的AI卡件，在DEH邏輯進(jìn)行三取中判斷，然后分別用于DEH控制自動(dòng)調(diào)節(jié)及CCS協(xié)調(diào)控制。故使用高精度頻率變送器處理的數(shù)據(jù)，進(jìn)行一次調(diào)頻邏輯運(yùn)算，保證與網(wǎng)調(diào)采集數(shù)據(jù)同步，減少不必要的考核。圖5一次調(diào)頻高精度頻率控制與轉(zhuǎn)速控制邏輯示意圖2.3、主汽壓力拉回對(duì)一次調(diào)頻的影響我廠協(xié)調(diào)側(cè)汽機(jī)主控設(shè)計(jì)有主汽壓力修正控制邏輯，其目的是當(dāng)機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，汽機(jī)主控響應(yīng)負(fù)荷控制指令，迅速開(kāi)大調(diào)速氣門(mén)，導(dǎo)致主蒸汽壓力下降，而此時(shí)隨著負(fù)荷的升高機(jī)組主蒸汽壓力定值按照滑壓曲線相應(yīng)升高，進(jìn)而加大了主蒸汽壓力與給定值的偏差。負(fù)荷上升的時(shí)候，如果機(jī)側(cè)主汽門(mén)開(kāi)得過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致機(jī)前壓力下降過(guò)快，造成汽包水位波動(dòng)過(guò)于劇烈。設(shè)置壓力拉回回路的目的是防止上述情況出現(xiàn)，適當(dāng)控制壓力變化的速度以維持負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的工況穩(wěn)定。壓力拉回回路的存在使得機(jī)組一次調(diào)頻滿(mǎn)足動(dòng)作條件時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)當(dāng)機(jī)組升負(fù)荷時(shí)，汽機(jī)主控響應(yīng)負(fù)荷控制指令，迅速開(kāi)大調(diào)速氣門(mén)，導(dǎo)致主蒸汽壓力下降，此時(shí)壓力拉回回路動(dòng)作，調(diào)頻指令使閥門(mén)按設(shè)計(jì)的方向進(jìn)行變化，此變化引起主汽壓力相應(yīng)變化，壓力修正回路對(duì)功率指令進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，導(dǎo)致一次調(diào)頻響應(yīng)緩慢，甚至響應(yīng)量不足。3、一次調(diào)頻優(yōu)化方案3.1、AGC負(fù)荷指令與一次調(diào)頻的閉鎖功能當(dāng)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作時(shí)，AGC負(fù)荷指令和一次調(diào)頻動(dòng)作目標(biāo)方向相反時(shí)，導(dǎo)致一次調(diào)頻效果不佳，經(jīng)過(guò)多方研究提出以下修改策略：（1）當(dāng)AGC在增負(fù)荷且一次調(diào)頻要求減負(fù)荷對(duì)AGC指令進(jìn)行閉鎖，且閉鎖時(shí)間限制在3s。圖6閉鎖AGC指令增控制邏輯示意圖（2）當(dāng)AGC在減負(fù)荷且一次調(diào)頻要求加負(fù)荷對(duì)AGC指令進(jìn)行閉鎖，且閉鎖時(shí)間限制在3s。圖7閉鎖AGC指令減控制邏輯示意圖3.2、一次調(diào)頻信號(hào)源精度偏低一次調(diào)頻控制中，輸入的頻率信號(hào)發(fā)生改變，直接影響機(jī)組控制中的一次調(diào)頻控制策略。頻率信號(hào)精度的提高，會(huì)致使當(dāng)前控制邏輯中，各參數(shù)影響的比重發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)閥門(mén)非正常工況的頻繁擺動(dòng)、或低頻振蕩等惡劣工況的發(fā)生，因此，需要結(jié)合機(jī)組實(shí)際一次調(diào)頻考核情況，重新考慮各影響因素的修正作用；根據(jù)采用的高精度頻率信號(hào)，設(shè)計(jì)單獨(dú)的一次調(diào)頻性能指標(biāo)提升邏輯，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，出于信號(hào)可靠性考慮，當(dāng)頻率信號(hào)與轉(zhuǎn)速信號(hào)偏差超過(guò)一定值，切回使用轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算。一次調(diào)頻邏輯中使用跟網(wǎng)頻更接近的頻率信號(hào)，以此提高機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作的合理性及精確性，實(shí)現(xiàn)減少一次調(diào)頻考核的目的。4.3增加基于高精度頻率信號(hào)的一次調(diào)頻負(fù)荷補(bǔ)償邏輯，分析考核數(shù)據(jù)中電量考核的問(wèn)題，依據(jù)高精度頻率信號(hào)，設(shè)計(jì)電量補(bǔ)償回路，增加一次調(diào)頻動(dòng)作的電量，減少一次調(diào)頻考核。4.4增加一次調(diào)頻動(dòng)作有效性邏輯，根據(jù)新增的高精度頻率信號(hào)，判斷一次調(diào)頻動(dòng)作是否觸發(fā)有效考核動(dòng)作，減少機(jī)組不必要的調(diào)頻動(dòng)作，同時(shí)，針對(duì)在有效的調(diào)頻動(dòng)作下，增加或完善機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作量，保證機(jī)組安全的基礎(chǔ)上，提升一次調(diào)頻性能。4.5在動(dòng)態(tài)調(diào)試過(guò)程中，實(shí)時(shí)根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的一次調(diào)頻考核數(shù)據(jù)，逐步完善動(dòng)態(tài)參數(shù)的優(yōu)化，最大程度的發(fā)揮信號(hào)同源改造的優(yōu)勢(shì)，提升機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。3.3、汽機(jī)主控閉鎖主汽壓力拉回與一次調(diào)頻的閉鎖功能完善一次調(diào)頻控制中主汽壓力補(bǔ)償作用，由于頻率信號(hào)精度的提高，需分析實(shí)際的考核數(shù)據(jù)與機(jī)組主要參數(shù)之間關(guān)系，增加或完善壓力補(bǔ)償，使一次調(diào)頻的綜合閥位階躍增量除受速度變動(dòng)率以及頻差影響，也能根據(jù)主蒸汽壓力進(jìn)行修正。為了保證汽機(jī)能量輸出、鍋爐能量輸入之間的平衡，功率指令至汽機(jī)主控回路中增加了慣性環(huán)節(jié)，并且根據(jù)不同的變負(fù)荷寬度設(shè)置不同的慣性時(shí)間。汽機(jī)主控一定程度上參與壓力控制，避免實(shí)際壓力過(guò)度偏離壓力設(shè)定。穩(wěn)態(tài)工況、變負(fù)荷過(guò)程中，汽機(jī)主控參與壓力控制的權(quán)重有所不同。在負(fù)荷變工況中，為了滿(mǎn)足負(fù)荷響應(yīng)的需要，汽機(jī)主控的壓力控制權(quán)重有所減弱。當(dāng)負(fù)荷變化量比較小時(shí)，采用較小的功率時(shí)延，使得機(jī)組能有效地響應(yīng)功率要求，機(jī)組的整體參數(shù)由本身的蓄熱來(lái)消化。該策略對(duì)于機(jī)組在小負(fù)荷AGC控制方式時(shí)的有功合格率和機(jī)組一次調(diào)頻都