9E燃氣輪機一次調頻優化

奚新國，孫 魏

(華能金陵燃機電廠, 南京 210034)

1 系統概述

華能金陵燃機電廠第三套9E機組為雙軸聯合循環機組。5號燃氣輪機是GE生產的 PG9171E 型燃氣輪機，銘牌出力為135 MW(ISO工況)。6號蒸汽輪機是南京汽輪電機(集團)有限責任公司生產的LCZ60-5.8/1.1/0.587型聯合循環雙壓、單缸、單軸、可調整抽汽凝汽式汽輪機，額定出力為65 MW。余熱鍋爐是中船703研究所生產的Q1178.6/546.4-190.3(36.1)-6.0(0.522)/521(253)三壓、無補燃、帶整體除氧器、臥式、自然循環余熱鍋爐。燃氣輪機采用 GE公司的MARK VIe分散控制系統，余熱鍋爐和蒸汽輪機采用艾默生公司的 OVATION分散控制系統(DCS)[1]。

機組余熱鍋爐使用燃氣輪機做功后的高溫煙氣作為熱源，產生蒸汽供蒸汽輪機發電，并無獨立的燃料系統，所以蒸汽輪機發電的多少完全取決于燃氣輪機的排煙氣量。在協調模式下，汽輪機調節機組壓力。根據該特點，機組協調控制策略將蒸汽輪機設計成隨動控制，燃氣輪機調功率。在DCS側，機組總負荷指令減去當前蒸汽輪機實發功率，輸出燃氣輪機負荷設定值，疊加上一次調頻負荷后作為燃氣輪機負荷設定值通過硬接線送MARK VIe后進行負荷控制[2]。

2 現象描述

2.1 一次調頻出現反調現象

2018年12月22日22:40，華能金陵燃機電廠第三套燃氣-蒸汽聯合循環機組正常運行，機組總功率為158 MW，電網頻率49.98 Hz。在22:42左右，電網頻率突然降低，22:42至22:43左右，電網頻率由49.980 Hz降至最低49.929 Hz，達到一次調頻實時監測評估啟動條件。省調測試機組15 s、30 s負荷響應指數為0.406，-0.065。機組響應指數在15 s剛合格，在30 s出現了實際負荷動作與一次調頻要求相反的情況，機組響應指數嚴重不足。實際趨勢如圖1所示。

圖1 一次調頻反調曲線圖

2.2 一次調頻手動測試不合格

根據《江蘇省電網統調發電機組運行考核辦法》2018年183號文件[3]，發電機組一次調頻性能優先采信一次調頻實時監測評估系統即電網頻率真實擾動時機組一次調頻實際在線動作情況，如當月無滿足條件數據則由一次調頻在線監測系統人工測定。由于電網頻率真實擾動發生次數較少，每月的一次調頻性能評估幾乎都通過人工測定完成，但現有的人工測定邏輯并不能保證每次測試的響應指數都達標,如：0至15 s、0至30 s、0至45 s應達到0.4、0.6、0.7，而實際經常出現0.3、0.5、0.7。

3 原因分析

從機組運行模式分析，一次調頻響應不足通常是因為機組處于基本負荷、尖峰負荷，達到燃氣輪機燃燒基準(TTRF)溫控線。通過查看歷史曲線,當時機組并未進入上述模式，故排除機組運行工況因素。再分析一次調頻邏輯設計，發現主要是由以下兩部分原因造成。

(1) 邏輯中沒有設置機組負荷自動控制(AGC)與一次調頻反向閉鎖功能

2018年12月22日22:40，AGC指令下降，22:42網頻下降產生一次調頻增負荷指令。在初期，由于調頻負荷指令的疊加，使得燃氣輪機迅速增負荷，15 s響應指數剛好滿足 0.4 的要求，但后續中由于機組仍然處于AGC下降通道中，因此30 s調頻出現反向調節的情況[4]。

(2) 一次調頻負荷指令傳遞滯后

我廠9E機組為雙軸設計，燃氣輪機和蒸汽輪機各帶一個發電機，根據機組協調控制策略設計[5]，蒸汽輪機為隨動系統，運行中主汽調門開度為100%，不參與負荷調節，機組由燃氣輪機調節負荷。燃氣輪機負荷指令回路設計如下：在DCS側，機組總負荷指令減去當前蒸汽輪機實發功率，輸出燃氣輪機負荷設定值，疊加上一次調頻負荷(包括人工測試調頻負荷設定值)后作為燃氣輪機負荷設定值通過硬接線送至燃氣輪機控制系統(TCS)進行負荷控制。一次調頻負荷信號需經DCS AO通道發出，再由TCS接收，并將負荷指令加載至燃氣輪機功率控制回路，使得機組對一次調頻的反應存在一定的滯后性。而且人工測試調頻負荷設定值僅疊加至負荷外回路，并未加至轉速內回路，影響了調頻負荷響應的快速性[5]，這是造成0至15 s、0至30 s響應指數未達標的原因。

GE 9E 型燃氣輪機功率調節回路采用可設定常數的有差轉速/負荷控制，這種方法的主要特點是轉速閉環作為一個內回路，而功率作為一個外回路存在。內回路通過比例積分作用控制機組轉速(TNH)與機組轉速控制基準(TNRL)相等。功率回路形成轉速基準?？刂?SAMA 圖如圖2所示。

圖2 9E燃氣輪機功率控制SAMA圖

4 邏輯優化

4.1 設計一次調頻指令閉鎖AGC調節的邏輯

當一次調頻指令(包括人工測試)作用時，AGC指令被閉鎖，不起作用，避免與一次調頻反向調節，從而造成響應指數不達標乃至負值。閉鎖邏輯如圖3所示。

圖3 優化后的一次調頻閉鎖AGC邏輯示意圖

4.2 在燃氣輪機TCS側增加測試邏輯

在燃氣輪機TCS側增加DI通道，直接接收網調一次調頻測試指令，測試時長為45 s脈沖，如圖4所示。在邏輯內設置一次調頻增減測試頻差(轉速差)常量+0.266 7、-0.266 7，對應轉速差為8 r/min，并將該轉速差加至轉速控制內回路，當測試指令觸發，該偏差量通過轉速回路直接作用于燃料控制指令FSR(通過fsrndif輸出)，增減燃料，可以快速實現一次調頻負荷的響應，提高測試響應指數，邏輯如圖5所示。

圖4 網調一次調頻測試指令邏輯

圖5 頻差信號作用于FSR指令邏輯(內回路)

一次調頻頻差(轉速差)通過轉速不等量系數DWKDG(0.031)轉換為一次調頻負荷指令PFRLD_CMD，疊加在功率控制外回路，如圖6所示。

圖6 頻差信號轉換為調頻負荷指令(外回路)

此前一次調頻測試邏輯做在DCS側，一次調頻測試增減量疊加在機組總負荷指令上，減去汽輪機實發功率，作為燃氣輪機負荷指令送至TCS，會造成一定的滯后[6]。

優化后，一次調頻測試邏輯在TCS側實現，由省調測試指令直接觸發一次調頻動作，且同時作用于功率外回路和FSR內回路，增加了一次調頻的快速性。同時，增加了一次調頻閉鎖AGC邏輯，避免了由于AGC作用導致一次調頻反向調節的現象。圖7為邏輯優化后的一次調頻手動測試曲線，響應指數為0.33、0.46、0.77，在優化后每月底省調一次調頻測試中，均達到合格指標，避免了“雙細則”考核，為我廠帶來了月均20萬元的經濟效益。

圖7 邏輯優化后的一次調頻手動測試曲線

5 結論

上述分析和實踐證明，華能金陵燃機電廠對GE公司9E聯合循環機組一次調頻的優化取得了成功，通過對燃氣輪機負荷控制回路(燃氣輪機側)及一次調頻控制回路(DCS側)邏輯的改動，提高了機組對省調一次調頻指令的響應速度及相應指數，同時規避了與省調AGC指令的沖突，滿足了江蘇省電網對燃氣輪機發電機組輔助服務的要求，給電廠帶來了經濟效益，也給兄弟電廠同類型機組一次調頻優化提供了經驗參考。