燃煤機組一次調頻性能優化分析與研究

姚 斌

(廣東珠海金灣發電有限公司，廣東 珠海 519000)

1 火電機組一次調頻的影響因素

1.1 能源結構和用電特點

截至2017年，全國發電裝機容量較去年同期增長7%。其中，火電裝機與水電裝機的容量分別增長4%和3%，核電裝機與風電裝機容量增長了6%，太陽能發電裝機容量的增長達到了68%。受自然資源變化的影響以及新能源并網發電系統處理特點的影響，當并網容量增加一定程度后，電網電能質量將隨著電網的接入發生一定的變化。根據國家“十三五”規劃，我國能源結構中新能源的占比將不斷提升，而火電機組面臨的挑戰也會更多。隨著我國經濟結構的不斷調整，電力供求關系的特征逐漸演變為峰谷差異大、AGG頻繁調整等，這使得火電機組全負荷調頻能力有待提高[1]。

1.2 特高壓交直流混聯的大型電網大規模投運

我國已經進入特大型電網時代，在電網直流特高壓工程建設中，火電機組一次調頻將受到特高壓交直流混聯的大型電網大規模投運的影響。隨著大規模直流的接入，電網的運行迎來了更多挑戰。華東電網自2015年開始電網頻率就發生大幅度波動，由于電網頻率的大幅波動且波動時間較長，發電機組一次調頻指令幅值均達到了上限。

1.3 火電機組一次調頻自身運行特性

火電機組的自身特性是除了外部影響之外，對一次調頻性能影響最多的因素。汽機大頻差下快速增負荷能力不足，是超臨界直流爐機組普遍存在的問題。比如西門子汽輪機機組，當調門全開時，調門向上調節余量不足，但運行經濟性達到最好，小頻率擾動時，尚能達到標準，但是當機組加大幅度增加負荷時，就難以快速作出響應。當機組負荷較低時，機前壓力在調頻過程中與標準參數偏差過大，機組的蓄熱能力明顯降低。而一次調頻功能對于DEH側為前饋控制，按照頻差與汽機調門開度關系對一次調頻進行設定，如果低于標準值則蒸汽做功下降，若機組功率變化不足時，一次調頻的負荷響應能力也隨之下降，導致一次調頻性能降低。為了提高燃氣機組的效率，負荷狀態一般設定較高，機組在電網頻率下降時，將會自動進入溫控模式，這種運行方式使負荷響應慢，限制了機組功率上升。

2 AGC的影響因素

2.1 設備特點

老機組和新機組的設備特性不同，老機組由于長時間的檢修，比較容易出現風機喘振、執行機構滲漏的問題。新機組設備的問題一般是風量測量錯誤，影響了磨煤機風量調節的自動投入，降低了整體燃燒速度和AGC效果。對于各個電廠的指標考核，有些人員為了提升績效，擅自修改負荷變化率，使提升負荷時發電量快，降低負荷時發電量慢，造成了機組不跟蹤AGC指令。

2.2 機組性能與操作規范

不同類型的鍋爐具有不同的響應，鍋爐決定著火電機組的響應特性。不同鍋爐的響應速度由慢至快分別為：循環流化床鍋爐、自然循環煤粉鍋爐、直流鍋爐。鍋爐子系統響應特征也不同，也會對制粉系統造成很大影響。在增加燃燒率方面，由快至慢機組分別是：中間倉儲制粉系統、鋼球磨煤機、中速磨系統。火電機組響應AGC指令能力的差異就是由這些機組性能特性決定[2]。

2.3 煤種摻燒

近年來，部分火電廠為了不斷降低成本，選擇越來越多的劣質煤進行摻燒，以此來降低對動力煤的需求。煤質的嚴重不達標使機組的運行產生很大的風險，降低了調節系統的響應速度。同時，在相同負荷下，煤質熱值的下降增大了煤量的需求，致使鍋爐內燃料最大化投入也無法滿足機組的輸出要求，嚴重影響了AGC功能響應的時間[3]，以及對精度范圍的調節等。

3 提高一次調頻和AGC能力的措施

3.1 制定操作規程

對運行人員進行嚴格的操作培訓，按照規章規范進行管理。相關工作人員要嚴格按照規章操作對設備進行操作，在運行中保護機器，逐漸提高火電機組的一次調頻和AGC能力。在安全的前提下，不能退出AGC和一次調頻功能，如圖1為AGC與一次調頻反向動作優化原理圖，要杜絕人為操縱對AGC指令進行干預，影響AGC的走向和趨勢。同時要對磨煤機進行開始和暫停操作，觀察系統負荷變化，保證機組能夠滿足電網加減負荷的需求，及時分析總結變化規律。為了改善燃燒工作的情況，不斷提升響應速度，要及時根據燃料的變化對總風量和一次風量等進行設置。

圖1 AGC與一次調頻反向動作優化原理圖Tab.1 Schematic diagram of AGC and primary frequency modulation reverse motion optimization

3.2 優化提升控制邏輯

隨著技術的進步，火電機組的自動化水平越來越高，對一次調頻和AGC的要求也越來越高，只有引入更適合機組特點的策略才能滿足火電機組的控制要求。為了更大限度地挖掘機組潛能，不斷提高一次調頻和AGC能力，要深入分析機組特點和存在的問題，采用有針對性和先進的控制策略優化控制邏輯。對多級并行前饋控制技術建立不同的前饋信號，負荷上升時表明對指令調整過大，當負荷下降時則對指令調整過小，依此對響應進行校正，加速鍋爐響應過程，使主汽壓力和溫度得以改善。對多煤種混燒專家控制器進行設計，通過累積經驗技巧，根據工況及鍋爐控制回路的不同響應特性對能量進行調整，確保其穩定。采用自適應控制，對調頻前饋系數的蓄熱情況進行改善補償，以達到更好的調頻效果。

4 結語

影響火電機組一次調頻和AGC能力的因素有很多，控制系統由上百個子系統共同構成，所以，火電機組的一次調頻和AGC控制過程也更為復雜。為了提升一次調頻和AGC控制能力，要不斷完善設備、規范管理體系、優化控制邏輯，使電網運營獲得更大的效益。實踐證明，對火電機組一次調頻和AGC能力進行分析，提出優化控制邏輯方案，可使電網運營成效得到顯著提升。