9E聯合循環電廠自動發電控制策略的研究

陳永剛

(上海奉賢燃機發電有限公司，上海 201403)

1 自動發電控制概述

自動發電控制(AGC)是現代電網控制的一項基本和重要功能，是建立在電網高度自動化的能量管理系統(EMS)與發電機組協調控制系統(CCS)間閉環控制的一種先進技術手段。實施AGC可獲得以高質量電能為前提的實時電力供需平衡，提高電網運行的經濟性，減少電網及電廠調度運行人員的勞動強度。隨著電力事業的快速發展，AGC已成為實現電網經濟、優化運行的重要一步，也是電力技術向高層次發展的必然趨勢。

目前，國內電網一般都要求火電廠機組負荷調節參與AGC，在火力發電中占有主力地位的燃煤電廠已普遍投入，國內對燃煤機組的AGC研究已經比較深入。燃氣輪機聯合循環電廠具有高效、低排、啟/停靈活、調峰性能好等優點，在目前的電網結構中，越來越多地承擔著調峰的任務。目前，電網AGC功能要求越來越高，但對燃氣輪機聯合循環機組AGC的研究國內還比較欠缺，特別是對于國內投用數量較多的E級燃氣輪機AGC的研究，可以說是一個比較新的課題。參考文獻［1］研究了聯合循環電廠試投運AGC時出現的一些問題，參考文獻［2］嘗試研究使用一種開環的負荷控制策略去實現AGC，這些研究都涉及了聯合循環電廠AGC的一些基本問題，但沒有發掘出全面系統地按照電網的要求去實現AGC的完整控制方案。

本文以上海奉賢燃機發電有限公司(以下簡稱奉賢發電公司)的PG9171E型燃氣輪機聯合循環機組為對象，力求探索出適合E級天然氣調峰電廠的AGC最優策略，為國內眾多的E級機組優化運行方式、適應新時代電網要求積累寶貴的經驗。

奉賢發電公司共有4套聯合循環機組，是上海市主力調峰電廠之一，采用雙軸“一拖一”布置方式。燃氣輪機為GE公司的9E系列產品，汽輪機由上海汽輪機有限公司制造。設計工況下(環境溫度15℃)燃氣輪機額定功率為120MW，汽輪機額定功率為60MW。余熱鍋爐由杭州鍋爐集團制造，為無補燃的強制循環立式汽包爐。其中，燃氣輪機控制采用GE公司的Mark V系統，余熱鍋爐和汽輪機控制采用FOXBORO公司的I/A’S系統。

2 AGC整體策略設計

聯合循環機組由于調峰性能良好，AGC要求要高于常規燃煤機組，但具體能達到何種指標，國內的研究還較為欠缺。國內對大規模投用的9E級聯合循環機組在投入AGC時各系統響應特性及主要控制策略方面的研究較少，還需進行系統的研究、分析及測試，才能得出相應的結論。但可以確定的是，要參照燃煤機組的AGC要求，提出盡可能高的要求與目標，進行高起點的研究。

2．1 AGC 目標

對于聯合循環機組，由于研究起點高，參照燃煤機組的AGC要求，初步提出了以下目標:

(1)調節范圍為50%～100%額定負荷;

(2)AGC調節速率≥5%機組額定功率/min;

(3)AGC響應時間≤1min。

2．2 AGC的技術難點

AGC的技術難點主要有2方面:其一是快速響應的燃氣輪機與反應較為遲緩的汽輪機在變負荷時的協調問題，要使其既能滿足電網負荷快速響應的需求，又能滿足機組安全、穩定運行的要求;其二是AGC投運與機組其他重要控制系統的協調，如與主汽溫度控制系統、汽包水位控制系統、汽輪機主汽壓力控制系統等重要控制子系統的完美統一。余熱鍋爐汽包水位及主蒸汽溫度控制品質的好壞直接影響機組投運AGC后負荷變化速率的大小，汽輪機主汽壓力變化速率與燃氣輪機負荷變化速率及機組固有設計直接相關。因此，這些都是限制機組投運AGC后負荷變化速率的決定因素。可以說，這些重要子系統在各工況下的表現直接決定了AGC投運的成功與否。

2．3 AGC整體設計策略

通常的負荷控制方式為:燃氣輪機運行于“預選負荷”模式，具有快速的負荷響應能力;而汽輪機采用滑壓運行模式，調門基本處于全開狀態，汽輪機負荷跟隨燃氣輪機負荷變化;確定AGC以一套聯合循環為單位，對燃氣輪機和汽輪機的總負荷進行控制。控制策略為:通過直接控制燃氣輪機負荷，同時實現對汽輪機負荷的間接控制，最終使聯合循環的總負荷滿足電網調度指令的要求。當電網調度中心改變聯合循環總負荷指令時，若需增加負荷，燃氣輪機首先增加出力，快速響應電網的負荷要求，等燃氣輪機加負荷帶來的蒸發量增加使汽輪機負荷開始緩慢上升時，燃氣輪機則開始減少出力，使總負荷與調度指令保持一致，直到汽輪機負荷上升過程結束為止。減負荷與增負荷的過程相同，均是利用燃氣輪機的快速負荷響應特性，提高聯合循環機組的負荷響應速率，因此，燃氣輪機在變負荷過程中均存在超調。

2．4 AGC控制功能的具體邏輯設計框圖

聯合循環總負荷控制采用前饋加PID的控制方式，當總負荷指令改變時，前饋環節根據燃氣輪機負荷占機組總負荷的比例按一定速率改變燃氣輪機負荷指令，PID控制器的作用主要是微調和消除靜差。針對燃氣輪機和汽輪機負荷響應速度的差異，采用前饋加PID的控制方式，可避免汽輪機負荷變化過程中控制回路出現振蕩。分散控制系統(DCS)輸出燃氣輪機負荷指令，送給燃氣輪機的Mark V控制系統，燃氣輪機的轉速/負荷閉環控制回路再根據指令調節燃料量，使燃氣輪機實際負荷與指令一致。除自動控制外，還設有2個手操站。手操站2可直接設置燃氣輪機負荷，手操站1可直接設置聯合循環機組的總負荷。AGC負荷控制原理框圖如圖1所示。

2．5 AGC 功能設計

機組具備AGC功能后，負荷有下列3種控制方式，且負荷控制權可在3種模式間無擾動地切換。

(1)燃氣輪機負荷單控模式。在機組啟、停過程中，運行人員可對燃氣輪機負荷進行單獨控制。

(2)機組負荷電廠側控制(AGC手動)。機組負荷電廠側控制即AGC就地模式，DCS根據運行人員設置的聯合循環總負荷指令自動調節燃氣輪機和汽輪機負荷，使總負荷達到指令要求。

圖1 AGC負荷控制原理框圖

(3)機組負荷調度側控制(AGC自動)。機組負荷調度側控制即AGC遠方模式，聯合循環總負荷同樣由DCS控制回路自動調節，差別僅在于負荷指令來自電網調度。AGC能投遠方的條件為:“電廠指令”和“調度指令”的差值小于10MW。

3 AGC動態試驗與結果分析

根據機組的基本特性，在設置和優化好AGC的相關控制參數后，分別對4套機組進行了電廠側的動態試驗和電網的聯調試驗。試驗顯示，各項控制策略基本正確，試驗結果符合預期要求。圖2為#1機組與電網進行的動態聯調試驗曲線。

圖2 #1機組與電網聯調試驗曲線

3．1 AGC投用負荷范圍分析

(1)投用負荷上限。受環境溫度影響，不同季節燃氣輪機的最大運行負荷有10MW左右的偏差。GE公司按環境溫度為15℃計算出的燃氣輪機最大負荷為120MW，并提供實際大氣溫度對最大出力的修正曲線。

(2)投用負荷下限。試驗預定AGC技術標準要求投用負荷下限為50%額定功率。現場試驗過程中發現，當燃氣輪機進口可轉導葉(IGV)全關后，燃氣輪機負荷從75MW降到65MW的過程中，燃氣輪機排氣溫度和主蒸汽溫度從525℃迅速下降到495℃，過大的溫度降幅會對機組運行造成不利影響，因此，建議聯合循環機組的投用負荷下限設為約60%額定負荷。

3．2 AGC變負荷速率分析

(1)基本變負荷速率。根據機組的試驗數據分析可知，當變負荷指令速率為8MW/min時，機組升、降負荷均能及時響應。此速率為燃氣輪機的缺省負荷變化速率，由于調門的非線性，在不同的負荷段實際速率略有不同，但偏差小于缺省值的5%。

當燃氣輪機按8MW/min的負荷變化速率在正常工況運行時，余熱鍋爐的高壓汽包壁溫變化率、高壓汽包壓力變化率、過熱汽溫變化率等關鍵參數均符合要求;汽輪機主要參數也符合要求;各主要控制回路如高壓汽包水位、低壓汽包水位等被控參數也在安全運行范圍內。

(2)影響變負荷速率的因素。對聯合循環機組而言，變負荷速率主要取決于燃氣輪機的變負荷速率，汽輪機被動的變負荷速率較小。當燃氣輪機負荷達上限或下限值不能繼續增、減時，汽輪機由于響應速度慢，負荷還未達到對應的上限和下限，此時機組總體變負荷速率會小于8MW/min。

當燃氣輪機升負荷到“基本負荷”進入溫控模式時，排氣溫度控制回路輸出的燃料量小于負荷控制回路的輸出。由于負荷控制回路起初維持正偏差，在燃氣輪機負荷指令開始降低的前幾分鐘，負荷控制回路輸出的燃料量仍大于溫控回路輸出值。即進入溫控模式后降負荷的前幾分鐘內，機組的變負荷速率達不到缺省值。

在聯合循環機組啟動的前幾個小時內，考慮到汽輪機的應力，機組變負荷的速率和幅度均有限制，變負荷速率受限的時間長短與啟動狀態有關(冷態、溫態、熱態等)。建議待汽輪機充分完成暖機，無應力限制后再投入AGC運行。

4 AGC投入后的實際效果

4．1 AGC投運經驗總結

奉賢發電公司實現AGC投運后，經過一段時間的試運行檢驗，基本可以得出以下有關9E聯合循環機組AGC功能的一些控制策略與指標。

(1)聯合循環機組的AGC調節速率主要為燃氣輪機的變負荷速率，一般每套機組均為8MW/min，約為4．5%額定功率/min。

(2)每套機組的AGC響應時間均小于1min。

(3)聯合循環機組AGC投用負荷上限受環境溫度影響，不同季節時燃氣輪機可運行的最高負荷約有10MW左右的偏差。

(4)當燃氣輪機負荷較低時，IGV全關，排氣溫度和主蒸汽溫度均大幅下降，不利于汽輪機運行。因此，建議聯合循環機組的投用負荷下限設為約60%額定功率。

以上指標基本能滿足上海市電網快速調峰的要求，明顯優于常規燃煤機組，但其AGC投用負荷上、下限及變負荷速率受機組本身特點影響，與預期設計目標略有差距。

4．2 AGC投運后有待進一步解決的問題

燃氣輪機與常規汽輪機調節有功出力的方式有所不同，除需調節天然氣或燃油調門外(汽輪機為主蒸汽調門)，還需IGV配合來維持排氣溫度穩定。投AGC后燃料量隨負荷指令而改變，IGV也勢必隨之頻繁波動。IGV頻繁波動對設備的影響及如何改善控制特性等問題有待進一步研究。鑒于燃氣輪機響應AGC的優勢在于持續大幅度的負荷變化，而非往復性的小幅度負荷變化，故建議調度側投AGC閉環自動時采用合適的控制模式，以減少聯合循環機組的負荷調節頻率。

5 結論

本文針對當前9E型聯合循環機組AGC技術研究的現狀，提出了各項9E型聯合循環機組AGC指標，明確了實現AGC負荷控制的主要策略及控制方法，確定了完備的整體方案，并在實際生產中得到了驗證。這為E級聯合循環機組AGC的廣泛投用作出了有益的探索，對于國內E級燃氣輪機響應電網控制、提高自動化水平、提升電廠的競爭力都具有較高的借鑒意義。

［1］王克勤，傅洪軍．電網自動發電控制(AGC)技術在聯合循環電廠中的應用［C］//中國電機工程學會燃氣輪機發電專業委員會2000年年會論文集．深圳:中國電機工程學會燃氣輪機發電專業委員會，2000．

［2］祝建飛，沈叢奇，胡靜．多軸布置燃氣輪機聯合循環機組AGC功能開發和試驗研究［J］．華東電力，2008，36(3):91－95．