自動發電控制在燃氣－蒸汽聯合循環電廠中的應用

徐振華

(中國華電科工集團有限公司，北京　100160)

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自動發電控制在燃氣－蒸汽聯合循環電廠中的應用

徐振華

(中國華電科工集團有限公司，北京100160)

摘要:隨著電力事業的快速發展，自動發電控制(AGC)已成為實現電網經濟運行的重要一步。針對馬來西亞某2拖1燃氣－蒸汽聯合循環電廠的實際運行工況，進行了AGC系統的設計，介紹了AGC系統控制方式、負荷限值、負荷變化速率及AGC操作流程的設計內容。實際應用表明，AGC系統的應用效果良好，滿足了電力調度中心的技術要求。

關鍵詞:燃氣－蒸汽聯合循環電廠;自動發電控制;負荷

1　工程概況

沙巴州(Sabah)是馬來西亞的第二大州，位于東馬，在婆羅洲的北部，自然資源豐富。近些年來，隨著當地經濟的發展，電力短缺情況日益突出。為緩解電力短缺的矛盾，Ranhill PowertronⅡ(RPⅡ)有限公司通過競標取得獨立發電商(IPP)資格，與Sabah供電局(SESB)簽訂賣電協議(PPA)，投資建設190 MW聯合循環電站并運營25年。

本工程系新建工程，位于馬來西亞沙巴州亞庇市(Kota Kinabalu)工業園內，當地氣候屬熱帶氣候，常年炎熱而多雨。工程建設規模為1套190 MW級6FA系列燃氣－蒸汽聯合循環2拖1機組。本套機組包括2臺PG6111FA型燃氣輪機，2臺雙壓、自除氧、自然循環臥式余熱鍋爐和相關的輔助設備，1臺約75 MW雙壓、空冷式蒸汽輪機發電機組和相關的輔助設備，組成2 +2 +1聯合循環機組，機組凈出力為190 MW。2臺PG6111FA型燃氣輪機發電機組布置在室外，主燃料為天然氣，備用燃料為輕柴油; 2臺余熱鍋爐為露天布置;汽輪機發電機組為室內布置。

根據EPC合同要求，SESB需要在電力負荷調度中心對本工程機組進行自動發電控制(AGC)，故本工程設置了AGC系統，并取得了良好效果。

2　機組運行方式分析

2.1機組運行工況

本工程機組采用“2拖1”的燃氣－蒸汽聯合循環方式，即2臺燃氣輪機的排氣分別進入相應的2臺余熱鍋爐，2臺余熱鍋爐產生的蒸汽合并后進入1臺汽輪機，且每臺余熱鍋爐均設置旁路煙囪。工程熱力系統示意圖如圖1所示。

圖1　熱力系統示意

根據合同要求，機組應實現9種運行工況，包括任意一臺燃氣輪機發電機組的單循環、單臺機組的聯合循環和2臺機組的聯合循環等，機組運行工況見表1。

2.2機組控制系統配置

本工程機組控制系統由1套ABB公司的800XA分散控制系統(DCS)和2套GE公司的MARK VI控制系統組成。其中:燃氣輪機發電機組及其輔助系統主要由MARK VI控制系統進行監控，并將主要控制功能(如機組啟動、停止，負荷調節，頻率調節等)集成到DCS中;余熱鍋爐、汽輪機、發電機及相關輔機納入DCS進行監控，通過DCS實現燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機、發電機整個聯合循環電廠的集中監控［1］。

2.3機組負荷協調控制方式

每臺燃氣輪機發電機組都有單循環和聯合循環兩種運行工況。

(1)單循環運行工況時，僅燃氣輪發電機組根據電網需要響應負荷調節。

表1　機組運行工況

(2)聯合循環運行工況時，考慮到燃氣－蒸汽聯合循環機組的特點，負荷協調控制采用燃氣輪機響應負荷變化，汽輪機跟隨的方式，汽輪機運行于主蒸汽壓力控制方式下，其負荷不參與控制，僅跟隨燃氣輪機負荷變化而變化。當需要增加機組負荷時候，首先快速增加燃氣輪機負荷，汽輪機負荷隨燃氣輪機負荷緩慢增加，負荷增加期間不斷根據機組總實際負荷對每臺機組的實際負荷指令進行閉環控制，直至機組總的實際負荷與負荷指令相同;當需要減小機組負荷時候，首先快速減少燃氣輪機負荷，汽輪機負荷隨燃氣輪機負荷緩慢減小，負荷減小期間不斷根據機組總的實際負荷對每臺機組的實際負荷指令進行閉環控制，直至機組總的實際負荷與負荷指令相同［2－5］。

燃氣－蒸汽聯合循環工況時，2臺燃氣輪機的實際負荷指令分配方式如下:

式中: PGT1A為燃氣輪機1A實際負荷指令; PGT1B為燃氣輪機1B實際負荷指令; PST為汽輪機實際負荷; P為機組負荷指令; K為2臺燃氣輪機負荷分配系數，取值為0～1，例如K =0.5，則2臺燃氣輪機負荷均分。

機組負荷協調控制過程中，燃氣輪機實際負荷指令根據實時的汽輪機實際負荷進行不斷調整，最終達到燃氣輪機實際負荷與汽輪機實際負荷之和等于機組負荷指令的目的。

3　AGC設計方案

本工程AGC設計方案如圖2所示。電廠DCS通過硬接線方式將各機組的狀態信號送到設置在電廠內的AGC遠動終端裝置(RTU)系統，AGC RTU系統以通信的方式將各機組的狀態信號送到SESB的電力調度數據網絡，而SESB的負荷調度中心(LDC)可通過電力調度數據網絡對機組進行負荷協調控制［6］。

圖2　AGC系統設計方案

3.1AGC控制方式設計

因本工程機組存在多種運行工況，AGC的控制方式需要根據機組不同的運行工況進行逐一分析。

(1)停機狀態。不需要考慮AGC控制，對應于工況1。

(2)單臺機組單循環狀態。因僅1臺燃氣輪機處于運行狀態，其他設備均處于停機狀態，則AGC可只控制此燃氣輪機負荷即可達到對電廠負荷協調控制的目的，對應于工況2和工況8。

(3) 2臺機組均處于單循環狀態。因2臺燃氣輪機均處于單循環狀態，要實現AGC對電廠負荷進行協調控制的目的，需對2臺燃氣輪機總負荷進行控制，所以，AGC控制只對全廠總負荷進行控制，不能對單臺燃氣輪機負荷進行控制，對應于工況9。

(4)聯合循環狀態。無論是單臺燃氣輪機處于聯合循環狀態還是2臺燃氣輪機處于聯合循環狀態，要實現AGC對電廠負荷進行協調控制的目的，需對所有機組(燃氣輪機及汽輪機)的總負荷進行控制，所以，AGC控制只對全廠總負荷進行控制，對應于工況3，4，5，6，7。

因此，AGC的負荷協調控制方式有2種，即對燃氣輪機負荷協調控制和對全廠總負荷協調控制，見表2。

根據上述AGC控制方式的設置，本工程共設計3種AGC控制方式，即GT1A AGC控制、GT1B AGC控制和全廠AGC控制。

3.2負荷高、低限值設計

對于聯合循環機組，AGC指令變化需要在一定負荷范圍內。根據本工程AGC系統設計的控制方式，當單臺燃氣輪機發電機組處于AGC控制時，AGC指令變化僅需要考慮燃氣輪機發電機組自身穩定運行的負荷范圍即可，故AGC負荷指令的高、低限值根據燃氣輪機發電機組特性進行設置;當采用全廠AGC控制方式時，AGC指令變化需要考慮2臺燃氣輪機發電機組和汽輪機發電機組均需處于穩定運行狀態的負荷范圍，所以，AGC負荷指令高、低限值根據全廠各機組綜合運行特性設置，需保證每臺燃氣輪機發電機組和汽輪機發電機組的安全、穩定運行。

根據上述分析和機組實際運行情況，本工程將AGC指令變化的負荷高限值設置為每種工況的100％負荷，低限值設置為每種工況的50％負荷，在此區間內負荷變化比較規律，有利于AGC的負荷協調控制。

3.3負荷變化速率設計

對于燃氣蒸汽聯合循環機組，負荷變化速率與機組的運行方式有關，當機組處于單循環狀態時，機組負荷僅為燃氣輪機發電機組負荷，并且燃氣輪機發電機組對負荷指令的響應速率較快，所以，AGC控制負荷升、降速率可根據燃氣輪機發電機組自身特性進行設置，并且可以快速響應AGC指令。

當機組處于聯合循環狀態時，機組負荷為燃氣輪機發電機組和汽輪機發電機組負荷之和，機組負荷變化首先引起燃氣輪機負荷變化，而后引起余熱鍋爐熱負荷變化，進而引起汽輪機負荷變化，這個變化過程有較大的延遲，所以，機組負荷變化速率主要由燃氣輪機發電機組負荷變化速率決定，汽輪機發電機組負荷變化速率影響較小。

根據上述分析及本工程機組特點，理論上無論是哪種工況，機組的升降負荷速率均可達到10 MW/min，可以快速響應AGC指令的變化。為保證當地電網負荷協調控制的穩定和安全，根據PPA技術要求和LDC的控制要求，對本工程機組的升、降負荷速率進行了一定的限制:單循環時AGC指令變化的升、降負荷速率設定為4.88 MW/min;聯合循環時AGC指令變化的升、降負荷速率設定為2.8 MW/min。

3.4AGC操作流程設計

因本工程是當地電力系統第1次采用AGC控制的項目，考慮到操作人員以往的負荷調度操作習慣和AGC系統負荷協調控制的安全性，應電力調度管理部門和操作人員的要求，AGC系統的投入和切除均需要雙方通過系統通信進行語音確認，由電廠方操作人員手動操作投入和切除，并且設置了多個AGC故障保護報警功能，提示電廠操作人員進行人工干預處理，充分保障了電廠AGC的安全性。

4　AGC實際應用效果

表2　機組AGC控制方式

根據本工程AGC設計，分別對燃氣輪機發電機組單循環AGC控制和燃氣－蒸汽聯合循環AGC控制2種控制方式進行調試，由電力調度中心發出AGC負荷指令，機組根據AGC負荷指令調節實際發電量，試驗曲線如圖3～6所示。從圖3～6可以看出，機組AGC控制實際負荷曲線與系統設計的模擬負荷曲線基本一致，滿足AGC的控制要求;另外，機組實際負荷響應時間與AGC控制指令存在一定延時，通過在電力調度中心的AGC系統設置一定的時間常數和補償系數，實現機組單循環AGC控制延時約30 s，機組聯合循環AGC控制延時約20 s，滿足電力調度中心的技術要求。

圖3　燃氣輪機發電機組單循環AGC降負荷曲線

圖4　燃氣輪機發電機組單循環AGC升負荷曲線

圖5　燃氣－蒸汽聯合循環AGC降負荷曲線

圖6　燃氣－蒸汽聯合循環AGC升負荷曲線

5　結束語

本工程采用AGC控制，有效提高了當地電力調度的自動化水平，保證了當地電力系統安全、穩定運行。本工程AGC控制系統的成功實施，可為類似工程的AGC系統設計提供寶貴的經驗。

因本工程AGC控制的負荷變化速率根據實際情況進行了適當限制，并未完全發揮出燃氣－蒸汽聯合循環機組快速負荷響應的能力，僅能滿足當地電網的基本負荷協調控制要求。若要充分發揮燃氣－蒸汽聯合循環機組快速負荷響應的能力，需要與電網調度中心協調一致，共同完成系統功能的升級改造，將大大提高當地電力系統負荷協調控制的自動化水平及電網的穩定性。在類似工程的AGC設計過程中，可以將AGC控制的負荷變化速率大大提高，將有更好的電網負荷協調控制效果，并且具有很好的電網調峰、調頻功能。

參考文獻:

［1］燃氣－蒸汽聯合循環電廠設計規定: DL/T 5174—2003 ［S］.

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

［3］宋敏強，祝建飛，邱佳敏.燃氣輪機聯合循環機組AGC及一次調頻研究［J］.華東電力，2009，37(5) : 828－831.

［4］宋兆星，李衛華，王立.雙軸燃氣蒸汽聯合循環機組協調控制策略研究［J］.華北電力技術，2009，42(8) : 7－10.

［5］劉維烈.電力系統調頻與自動發電控制［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［6］大中型火力發電廠設計規范: GB 50660—2011［S］.

(本文責編:劉芳)

徐振華(1982—)，男，吉林長春人，助理工程師，從事火力發電廠熱控專業電力設計及技術管理工作(E-mail: xuzhenhua@ chec.com.cn )。

作者簡介:

收稿日期:2015－08－21;修回日期:2015－12－24

中圖分類號:TM 76; TM 611.31

文獻標志碼:A

文章編號:1674－1951(2016)01－0009－04