電廠一次調頻試驗的研究與分析

劉玉濤 王茂松 徐海東

（1.山東黃島發電廠，山東 青島 266500；

2.山東科技大學大唐魯北發電廠，山東 青島 266510；

3.山東科技大學，山東 青島 266510）

1 引言

頻率是電能質量的重要指標之一。它既影響用戶的用電，同時也影響電力系統本身的運行。發電機組的一次調頻功能對電網頻率的穩定至關重要，電力系統中的所有發電機組均裝有調速器，如系統負荷發生變化，則每臺發電機的調速器都將反應系統頻率的變化，自動地調節進汽(水)閥門的開度，改變機組出力，使有功功率重新達到平衡。這就是頻率的一次調整。故需要對參與電網一次調頻的機組進行各種工況下的試驗，并驗證機組的一次調頻特性是否符合要求。

2 概述

大唐魯北發電廠三大主機鍋爐、汽輪機、發電機及機組熱控系統情況如下：

2.1 汽輪機

汽輪機為北京汽輪電機有限責任公司生產的N330-17.75/540/540型亞臨界一次中間再熱、單軸、三缸雙排汽、凝汽式汽輪機。與哈爾濱鍋爐廠生產的1018T/H亞臨界一次中間再熱、燃煤自然循環汽包鍋爐及北京汽輪電機有限責任公司生產 FSN-330-2型的水氫氫冷、機端自并勵發電機配套，鍋爐與汽輪機熱力系統采用單元制布置。本機的調節系統采用上海新華控制工程公司生產的 DEH-ⅢA型數字電液控制系統，它具有自動調節（轉速和負荷自動調節）、程序控制、監視、保護等方面的功能。

2.2 鍋爐

機組鍋爐主設備為哈爾濱鍋爐廠有限公司根據美國 ABB—CE燃燒工程公司設計制造的HG-1018/18.58-YM 23型鍋爐，該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、單爐膛自然循環汽包鍋爐。設計燃用煙煤，采用平衡通風、中速磨煤機組成的直吹式制粉系統、擺動燃燒器四角切圓燃燒方式，固態排渣煤粉爐，鍋爐為全鋼構架，緊身封閉，爐頂為大罩殼，整體呈倒U型布置。

鍋爐以最大連續負荷（MCR）工況為設計參數，最大連續蒸發量為 1020T/H，過熱器、再熱器蒸汽出口溫度均為543℃，給水溫度258.8℃。

鍋爐采用擺動式燃燒器，四角布置，切向燃燒方式，燃燒器一、二次風噴嘴均可上下擺動，最大擺角約±300。鍋爐采用二級點火系統，油槍的最大出力按 30%MCR工況設計，過熱蒸汽溫度主要靠一、二級（各兩點）噴水減溫器調節，再熱蒸汽溫度主要以燃燒器擺動調節為主。

鍋爐配有爐膛安全監控系統（FSSS）、爐膛火焰電視監視裝置、汽包水位電視監視裝置及吹灰程控裝置，自動化水平高。

2.3 發電機

發電機為北京汽輪電機有限責任公司生產的型號為 QFSN-330-2三相隱極式汽輪發電機組，主要參數為：額定輸出容量/功率為388.2MVA/330MW；額定定子電壓為 20kV；額定轉速為 3000r/m in；頻率為50Hz；額定功率因數為cosφ=0.85。

2.4 機組熱控系統

機組熱控系統主要由上海 GE新華控制工程有限公司提供的分散控制系統（DCS）的 XDPS-600＋系統來實現，DCS包括主要功能包括：數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、順序控制系統（SCS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、數字式電液控制系統（DEH）、旁路控制系統(BPC)、鍋爐吹灰程控系統、循環水泵房控制系統等。操作人員可通過操作員站實現全廠運行狀況的監視、各功能組的聯鎖控制、模擬量的自動調節、鍋爐的燃燒管理、汽機的自啟停控制等。操作員還可通過系統的自診斷功能及打印功能進行事故追憶、報表打印、系統彩色畫面的硬拷貝等。

3 一次調頻試驗內容

3.1 控制方式

機組一次調頻控制方式為DEH+CCS，即DEH內額定轉速與汽輪機轉速差通過一定函數計算后直接動作調門（DEH在非功率方式時）；CCS進行補償調整，保證機組負荷滿足電網要求。

3.2 DEH內的一次調頻邏輯

在機組負荷165～330MW的范圍內允許投入一次調頻。有關參數如下：

一次調頻死區：±2r/m in（負荷≥167MW）

功頻調差系數：K=-2.2MW/ r/min （相當于系統速度變動率：δ=5%）

折合成能流調差率：K′=-0.66%/r/min

一次調頻最大負荷變化幅度為額定負荷的±8%

一次調頻負荷下限：165 MW

一次調頻負荷上限：330 MW

3.3 CCS內的一次調頻補償邏輯

當一次調頻動作后，CCS根據電網頻率信號，經過死區處理后得出的一次調頻負荷，疊加到協調控制回路的主調節器上，補償汽機負荷變化對鍋爐的影響。

3.4 一次調頻曲線設定

根據《山東電網發電機組一次調頻運行管理規定》規定，機組一次調頻負荷補償曲線設置見圖1。

圖1 一次調頻負荷補償曲線

4 一次調頻試驗過程

下面將分別從數字式電液控制系統（DEH）手動方式、數字式電液控制系統（DEH）功率控制方式、協調控制系統（CCS）控制方式工況下對一次調頻試驗進行論述。

4.1 數字式電液控制系統（DEH）手動方式

確認機組處于DEH手動方式，鍋爐主控手動，其它各系統自動投入，機組負荷在 50%～90%最大連續負荷（MCR），檢查一次調頻動作情況。

（1）為驗證邏輯正確性，保證機組安全，首先模擬機組轉速為 3002～3010r/m in的適當數值下，檢查一次調頻動作情況，并記錄參數改變前后機組各主要參數（機組負荷、轉速定值、轉速值、速度級壓力、調門開度、響應時間及爐側重要參數主汽壓力、主汽溫度、汽包水位、爐膛負壓等）。待機組穩定后，將模擬的實際轉速恢復到3000r/m in，檢查一次調頻動作情況，記錄機組各主要參數。

（2）模擬機組轉速為 3014r/m in，檢查一次調頻動作情況，并記錄機組各主要參數。待機組穩定后，將模擬的機組轉速恢復到3000r/m in，檢查一次調頻動作情況，記錄機組各主要參數。

4.2 數字式電液控制系統（DEH）功率控制方式

將DEH功率回路投入運行，鍋爐主控手動，其它各系統自動投入，機組負荷在50%～90%最大連續負荷（MCR），檢查一次調頻動作情況。

模擬機組轉速為3014r/m in，檢查一次調頻動作情況，并記錄機組各主要參數。待機組穩定后，將模擬的機組轉速恢復到3000r/m in，檢查一次調頻動作情況，記錄機組各主要參數。

4.3 協調控制系統（CCS）控制方式

確認機組處于CCS控制方式，其它各系統自動投入，機組負荷在 50%～90%最大連續負荷（MCR），檢查一次調頻動作情況。

分別模擬機組轉速為3008RPM 和3014RPM，檢查一次調頻動作情況，記錄機組各主要參數。待機組穩定后，將模擬的機組轉速恢復到3000r/m in，檢查一次調頻動作情況，記錄機組各主要參數。

5 一次調頻試驗記錄

DEH手動方式、DEH功率方式、CSC協調方式下一次調頻試驗數據記錄見表1～3。

6 一次調頻試驗分析

大唐魯北發電有限公司1號機組一次調頻參數按照《山東電網機（廠）網協調技術要求》（調技[2008]106號）的要求進行設置，機組轉速不等率為 5%，一次調頻死區為±2r/min，（0.034Hz），一次調頻負荷變化幅度為26.4MW（額定負荷330MW 8%×）。

機組熱態試驗在單閥方式下進行，在3種運行方式下進行6個試驗：DEH手動、DEH功率自動及CCS協調控制方式，分別通過模擬實際轉速與額定轉速差進行增減負荷試驗。通過記錄的數據可以看出以下幾點：

表1 DEH手動方式下一次調頻試驗數據

表2 DEH功率方式下一次調頻試驗數據

表3 CSC方式下一次調頻試驗數據

（1）DEH手動方式，機組功率控制為開環調節，在機組轉速偏差為±14r/m in時，汽機調門動作迅速，負荷響應時間小于3s，在15s時負荷補償量達到11.75MW和18MW，45s時負荷變化13.33 MW和 15.8MW，機組主汽壓力最大變化 0.32MPa，汽包水位和爐膛壓力等主要參數波動符合《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》（DL/T 774-2004）要求，機組運行穩定。

（2）DEH功率控制方式為機組負荷閉環控制。汽機調門動作迅速，負荷反應的遲延時間小于3s，在15s時負荷變化分別為21.10和20MW，45s時負荷變化 27和 24.6MW，機組主汽壓力變化較大為0.54MPa，汽包水位和爐膛壓力等主要參數波動符合《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》（DL/T 774-2004）要求，機組運行穩定。

（3）機組投入CCS協調控制方式， 負荷為閉環控制，同時燃燒為自動控制，汽機調門動作迅速，負荷響應時間小于3s，在15s時負荷變化分別為18.7和18.5MW，45s時負荷變化22.7和22.6MW，主汽壓力變化最大 0.48MPa，汽包水位和爐膛壓力等主要參數波動符合《火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程》（DL/T 774-2004）要求，機組運行穩定。

7 結論

大唐魯北發電有限公司1號機組一次調頻功能基本滿足《山東電網機（廠）網協調技術要求》（調技[2008]106號）規定的技術要求。

[1] 華北電網有限公司. 華北電網發電機組一次調頻運行管理規定.2006.

[2] 張斌.自動發電控制及一次調頻控制系統.北京:中國電力出版社,2005.

[3] 山東電網有限公司. 山東電網機(廠)網協調技術要求.2008.

[4] 姚俊,高磊.陳維和等.900MW 超臨界機組協調控制及AGC策略的研究與應用.中國電力出版社,2005.