燃氣-蒸汽聯合循環機組一次調頻性能優化

李海峰,汪 蓓

(國網湖北省電力公司電力科學研究院,湖北 武漢 430077)

0 引言

在特高壓電網和大區電網互聯的新形勢下，發電機組一次調頻動態特性顯著影響系統的安全穩定水平。特別是近些年來，風電、光伏等新能源機組并網不斷擴大，隨機性較強的可再生能源發電機組對頻率波動影響主極大，且新能源機組基本不參與一次調頻，給電網安全穩定運行帶來極大威脅[1]。隨著燃氣-蒸汽循環機組近幾年被大量引進和投產，在電網中所占比例越來越高，為了更好發揮該類機組一次調頻作用，滿足我國一次調頻性能要求，對其一次調頻方式的研究十分必要。

本文根據武漢漢能電力發展有限公司燃氣-蒸汽聯合循環機組的相關特性和相關技術指標，分析并優化該機組一次調頻策略，確定該機組一次調頻功能的合理實現方式，可靠投入一次調頻功能，保證電網的電能質量及頻率的控制水平得到提高。

1 燃氣-蒸汽聯合循環機組一次調頻原理

1.1 燃氣-蒸汽聯合循環

燃氣-蒸汽聯合循環機組一般采用雙軸機組，燃氣輪機、汽輪機各帶一臺發電機組，并且分別由兩套控制系統完成各自控制任務。發電機組由燃氣輪機直接驅動燃機發電機，利用煙氣的熱量在余熱鍋爐中生產出高溫高壓蒸汽，再去驅動汽輪發電機組，從而形成燃氣-蒸汽聯合循環。

武漢漢能電力發展有限公司燃氣-蒸汽聯合循環機組采用1996年法國阿爾斯通公司生產的PG9171E型燃氣輪機設備。燃氣輪機由一臺額定功率1 000 kW的啟動馬達、一臺17級的軸流式壓氣機、一臺由14個分管式燃燒室組成的燃燒系統和3級透平轉子組成。余熱鍋爐利用PG9171E型燃氣輪機排煙熱焓的鍋爐設備采用美國DELTAK公司生產的DINO4264型自然循環余熱鍋爐。

1.2 燃氣-蒸汽聯合循環一次調頻能力分析

燃氣輪機負荷調節主要通過機組燃料給定的改變，其控制回路由一個通過最小門選擇的多個控制回路構成。轉速控制回路采用純比例控制，為有差調節，負荷控制回路則采用PI控制，可實現無差調節[2]。在一次調頻動作時，根據系統設定不等率，疊加或減少理論負荷變動量所對應燃料量，快速實現機組負荷變動，完成一次調頻過程。

而余熱鍋爐的產汽參數無法像一般燃煤機組一樣保持良好性能，其參數隨燃氣輪機工況而改變。同時，為提高機組運行經濟型，大部分機組承擔著供熱功能，且汽輪機大部分采用滑壓運行模式，極大的降低了汽輪發電機組的負荷調節裕度。造成汽輪發電機組一次調頻性能難以滿足相關規程要求[3]。

2 某燃氣-蒸汽聯合循環機組一次調頻性能優化

針對以上余熱鍋爐一次調頻存在的問題，燃氣-蒸汽聯合循環機組宜采用一體化控制模式實現機組一次調頻，即以單元機組模式實現機組一次調頻功能。該種放下調頻主要依靠燃氣輪機，汽輪機在調頻擾動后跟隨動作。

2.1 一次調頻控制方式選擇

燃氣輪機一次調頻將頻差信號經調節器輸出后，疊加在功率調節器入口指令處的方式，其控制方式及原理如圖1所示。

圖1 燃氣輪機一次調頻控制方式及原理圖Fig.1 Gas turbine primary frequency control mode and schematic diagram

2.2 一次調頻試驗參數設置與檢查

考慮到燃機機組運行特點和調頻實際情況，將燃機聯合循環機組（燃機+汽機）視為單元機組，以單元機組總負荷計算對應的一次調頻貢獻電量。燃機為單元機組主要調頻機組，彌補汽機調頻的不足，將單元機組負荷限制幅度設為±9%MCR（16.0 MW，額定轉速3 000 r/min）時的一次調頻區間，按照不等率δ為4.4%的調頻參數對調頻函數進行設置，調頻死區為±2 r/min，并投入一次調頻功能，進行試驗。

圖2 單元機組一次調頻內部頻差函數示意圖Fig.2 Elemental frequency modulation of frequency modulation in unit

2.3 一次調頻試驗過程

整個一次調頻分為四個階段試驗，首先對調頻死區進行驗證，然后分別選取額定負荷的60%（70～80 MW）、75%（95 MW）和90%（110 MW）三個負荷工況點進行，試驗結果如下所示。

2.3.1 調頻死區驗證試驗

對燃氣輪機進行了死區驗證試驗。試驗工況穩定在70 MW，進行轉差為2 r/min的階躍擾動。動作結果正確，調頻死區設置正確。

2.3.2 60%額定負荷工況一次調頻試驗

對燃氣-蒸汽聯合循環機組以單元機組方式進行60%額定負荷下一次調頻試驗。受燃氣輪機燃燒模式限制，為避免燃燒模式切換對試驗過程造成的影響。首先調整機組負荷穩定在70 MW左右：參數調整為單元機組一次調頻方式，分別進行轉差為6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含轉差死區）的向下階躍擾動；隨后調整機組負荷穩定在80 MW左右：參數調整為燃氣機組一次調頻方式，分別進行轉差為6 r/min、8 r/min和14 r/min（包含轉差死區）的向上階躍擾動，動作結果如表1所示。

2.3.3 75%額定負荷工況一次調頻試驗（單元機組）

對燃氣-蒸汽聯合循環機組以單元機組方式進行75%額定負荷下一次調頻試驗。調整機組負荷穩定在95 MW左右，分別進行轉差為6 r/min和8 r/min（包含轉差死區）階躍擾動，試驗動作結果如表2所示。

表1 單元機組60%額定負荷工況下一次調頻試驗Tab.1 Unit 60%of rated load operation primary frequency regulation test

表2 單元機組75%額定負荷工況下一次調頻試驗Tab.2 Unit 75%of rated load operation primary frequency regulation test

2.3.4 90%額定負荷工況一次調頻試驗

對燃氣-蒸汽聯合循環機組以單元機組方式進行90%額定負荷下一次調頻試驗。調整機組負荷穩定在110 MW左右，分別進行轉差為6r/min和8r/min（包含轉差死區）階躍擾動，試驗動作結果如表3所示。

表3 單元機組90%額定負荷工況下一次調頻試驗Tab.3 Unit 90%of rated load operation primary frequency regulation test

3 結語

通過以上分析及試驗可以看出，燃氣-蒸汽聯合循環機組完全可以通過一體化方式實現其一次調頻性能。該方式既能使燃氣-蒸汽聯合循環機組性能滿足我國一次調頻相應規程要求，同時也能滿足華中電力監管局“兩個細則”考核的需求,從而既保證了機組一次調頻性能考核的經濟型，又為保證電網安全、可靠運行起到積極作用。

[參考文獻]（References）

[1]李海峰,賈慶巖,潘楊.1 000 MW超超臨界火電機組一次調頻性能優化[J].湖北電力,2014,38(6):47-49.LIHaifeng,JIA Qingyan,PAN Yang.Performance optimization on primary frequency regulation of 1 000 MW ultra supercritical generating unit[J].Hu?bei Electric Power,2014,38(6):47-49.

[2]張應田,劉衛平,王偉臣,等.燃氣-蒸汽聯合循環發電機組一次調頻控制系統[J].自動化與儀表,2012(9):34-47.ZHANG Yingtian,LIU Weiping,WANG Weicheng,et al.Primary frequency control system of gas-steam combined cycle power unit[J].Automation& Instru?mentation,2012(9):34-47.

[3]李曉楓,呂強,王曉軍.S109E聯合循環機組一次調頻控制策略的研究與實現[J].熱力透平,2011,40(4):289-298.LI Xiaofeng,LU Qiang,WANG Xiaojun.Study on pri?mary frequency control regulation in S109E com?bined cycle unit[J].ThermalTurbine,2011,40(4):289-298.