牡丹江第二发电厂#8机300MW机组一次调频试验分析

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  摘要:通过对牡丹江第二发电厂#8机组一次调频模拟试验过程的论述,进一步分析了一次调频的基本原理、调节流程图调节过程、一次调频考核项目指标,以及具体的一次调频实验过程和改进方法进行了详细介绍。
  关键词:一次调频;二次调频;转数差;死区;增益
  作者简介:朴永达(1970-),男,朝鲜族,吉林和龙人,牡丹江第二发电厂热工分公司,助理工程师。(黑龙江 牡丹江 157015)
  中图分类号:TM621.3     文献标识码:B     文章编号:1007-0079(2011)15-0141-02
  
  随着电力技术的发展,单元机组的装机容量越来越大,对机组自动控制和故障处理能力也提出了较高的要求,同时单机组故障对电网的影响和冲击也越来越大,一次调频功能正是由发电机组在电网出现异常的情况下充分利用锅炉蓄热快速响应,以弥补电网负荷差距,稳定电网频率,可见一次调频功能对维持单元机组和电网的稳定起着重要作用。牡丹江第二发电厂 #8机组11月12日试运期间,依据《东北电网发电机组一次调频调度管理暂行规定》、《华电能源牡丹江第二发电厂 8号机组一次调频实验方案》,与黑龙江省电力科学院调试所配合模拟完成了电网波动工况,从而进行了一次调频试验。
  一、机组情况概述
  牡丹江第二发电厂 2×300MW机组是华电能源股份有限公司,为迎合国家节能减排工程的需要,于2010年底关停原有4台100MW机组,而“上大压小”新建的2台300MW供热机组,即#8、#9机组。该工程于2008年底通过国家审批,#8机组于2010年9月25日正式投产,机组采用的机组锅炉为哈尔滨锅炉厂制造的300MW亚临界参数、自然循环汽包锅炉。直吹式制粉系统,锅炉为自然循环汽包炉。汽机为中间再热、凝汽式。给水系统包括一台电泵、两台汽动给水泵,机组正常运行采用汽动给水泵上水,电泵处于备用。汽轮机采用由 DCS 实现的纯电调 DEH,DEH控制系统为哈尔滨汽轮机厂提供的西屋公司的OVATION 型集散控制型电液调节系统。
  二、一次调频基本原理[1]
  我们常见的发电机组工作转速3000转/分,其在额定转速下就会产生频率为50HZ的电能,假如电网中某台大型机组突然停机,那么可能会使在电网上正在运行的其他机组,由于用电负荷总量没有变化的前提下,而电网输出总负荷量却突然下降,势必导致单元机组掉转,比如由3000转/分变为2988转/分,这时机组产生的电能频率为49.8Hz。这显然不能保证电网50Hz额定频率需要。一次调频就是针对已并网的发电单元机组,当机组实际转数与额定3000转/分有偏差时,并且是投入调频,一次调频回路迅速将转速差转换成调节阀门的开度指令,如上例所示开大阀门增加汽轮机进气量,使汽轮机转数恢复3000转/分,发电机输出功率恢复50Hz额定频率。使机组负荷基本与电网用电需求相符,一次调频称为粗调。
  一次调频是对转速的控制,速度控制回路由一个“死区—线性—限幅”非线性环节和一个比例控制器组成。参与电网一次调频,也是速度校正的过程,速度校正因为系统正常运行时,不希望电网频率经常性的小波动影响机组稳定性,故将速度偏差经过死区处理,以滤掉速度信号中的高低频幅干扰,当转速偏差超过死区后,速度校正值则与偏差之间呈线性关系,在频差超出一定范围时,机组的负荷受锅炉变负荷能力的限制而采取了限幅措施。一次调频特点具有快速性和准确性,同时还具有作用衰减性和调整的有差性,因此一次调频能够缓和电网频率改变程度,但不能维持电网频率不变,要实现频率的无差调整,这时还需要二次调频。
  二次调频是电网频率不符合要求时,通过电网中某些机组的负荷控制回路,增加或减少它们的功率,使电网频率恢复正常的过程。即网调输出负荷指令,发电单元机组通过负荷控制回路调整发电量,二次调频也称为细调。它是由转数回路、功率回路、调节级压力回路按先后顺序串联来调节的,这种以负荷气压转速全方位的控制方式可以实现无论气压变化还是功率变化,都能保证转速变化与功率变化之间的固定比例关系,即保证了一次调频能力不变。
  三、一次调频调节流程分析
  当机组实际转速偏离额定转速3000转时,一次调频回路迅速通过加法器(Σ)运算得到转速偏差,偏差运算算式是额定转速3000-实际转速=转速偏差。函数发生器F(X)依据一次调频死区、转速不等率将转速偏差转换为流量指令,偏差流量指令经过条件选择,即大于“稳燃负荷”和小于“额定负荷”进一步过滤一次调频动作值是否有效,有效的偏差流量值通过一次调频投入切换器作为修正值直接叠加到“流量指令”上,形成一次调频修正后的流量指令,瞬间开大或关小调节汽门,使汽轮机负荷与发电机负荷平衡,快速稳定汽轮机转速到额定值3000转与额定电网频率相适应。在功率回路投入时,一次调频形成的偏差流量值也叠加到负荷设定值中,经过加法器运算调整,形成新的负荷设定值,作用到功率回路的PI调节器,这种修正能防止由于功率回路的调节使负荷调整后出现反调现象,保证了一次调频的负荷调整达到电网频率的要求,同时对频率起到修正的作用。结合图1说明。
  1.一次调频投入、DEH投入功率
  一次调频修正流量值叠加到经速率限制后的PI调节器负荷设定值,测量值是实际功率,调节器输出流量值经切换器到加法器同时与一次调频修正流量值叠加,一方面防止功率回路对负荷的回调,另一方面快速调整阀门开度,使电网频率更接近额定值,一次调频功能更加完善。
  2.一次调频投入、DEH 切除功率回路
  负荷PI调节器处于跟踪流量指令状态,一次调频修正流量值直接与流量指令叠加,形成新流量指令快速调整调整阀门,稳定电网频率。
  3.流量指令
  是由运行人员输入目标值经速率限制,一系列过程后,形成的流量指令。或者在原“流量指令”的基础上经过 ADS修正而形成的流量需求指令。在DEH没投入功率回路时,“流量指令”信号直接输出到阀门,对应就是阀门的开度信号。DEH投入功率回路,“流量指令”并网前它是转速回路输出值、并网后是负荷回路输出值。它成为负荷PI调节器设定值,经PI调节器作用,形成新的流量。
  4.负荷设定
  是在DEH投入功率回路时,由运行人员手动设定的负荷目标值经过速率限制后形成的负荷设定值,在功率回路没投入的情况下,它就是流量指令,此时运行人员可以输入流量的目标值和速率,手动控制机组负荷。
  5.稳燃负荷和额定负荷
  指机组稳定燃烧最低负荷值称为稳燃负荷;机组额定的最大出力负荷量称之为额定负荷。一次调频负荷的动作范围在稳燃负荷和额定负荷之间,作为一次调频修正值过滤条件,即当机组实际负荷小于稳燃负荷大于额定负荷时,一次调频不动作。
  四、一次调频的主要规定内容以及考核指标
  1.不等率
  转速不等率是机组一次调频的主要指标之一,机组转速不等率为 5%。火电机组速度不等率一般为 4%~5%。
  2.迟缓率
  具有DEH的机组迟缓率应小于0.06%,其他机组应小于0.1%。机组容量<100MW,迟缓率要求小于0.4%;机组容量 100MW~200MW,迟缓率要求小于0.2%;机组容量>200MW,迟缓率要求小于0.1%。
  3.功率补偿量
  机组容量200MW以下的火电机组,功率补偿量为机组额定负荷的±10%;机组容量为220~350MW的火电机组,功率补偿量为机组额定负荷的±8%;功率补偿量500MW及以上的火电机组,功率补偿量为机组额定负荷的±6%。
  4.死区
  火电机组一次调频死区不大于±2r/min。
  5.变负荷率
  为提高一次调频的响应速度,一般情况下不设置机组的变负荷率,如果设置变负荷率会增加协调控制功率回路的扰动,不利于机组的稳定。
  6.响应滞后时间
  一次调频负荷响应滞后时间应小于 3 秒。
  7.稳定时间
  一次调频过程中,机组负荷达到稳定所需时间应小于 1min。
  五、一次调频技术实验过程[2]
  下面以牡丹江第二发电厂 300MW机组模拟电网波动简要说明DEH内的一次调频全过程。汽轮机转速来自于前箱内的3个转速传感器探头,通过MEDIANSEL算法块三取中作为转速的反馈,功率反馈信号由发动机功率传感器提供,网频偏差信号是用强制转数差来实现的。
  1.具体参数
  一次调频允许投入:机组负荷范围 210~300MW;死区:±2r/min(±0.033HZ)。
  最大负荷变化幅度:额定负荷的±8%(±24MW);一次调频负荷下限:180MW。
  一次调频负荷上限:300 MW;一次调频曲线设定:见图2。
  2.试验步骤及方法
  (1)首先对测量信号可靠性进行检查。通过对各信号近期历史趋势调用,证实各信号源安全可靠。因#8机组自168后已连续稳定运行近三个月也完全满足一次调频在180MW~300MW工况下实验。
  (2)在#8机DCS上位进入工程师级别后重要参数加入到一个命名为一次调频趋势组中,以便实验中观察各环节响应变化特性,且能及时发现异常停止试验,同时在电调OVATION控制系统上位建立趋势图,添加功率及转速差等监控点,原因是:1)通过建立转速差与功率变化趋势点,以便观察负荷响应迟延时间及变化过程。2)转速差是中间点一般都没有建立到历史趋势中,必须在试验前将上述点加上,这一步十分重要。
  (3)DEH手动方式,机组负荷稳定为240MW,将#8机组 DEH切为手动方式,锅炉主控手动,其他各系统自动投入,试验过程中,转速差强制步骤:在CONTROL BUILDER 3任务区下5号组态流程图中,找到点名为OCB000C054SUM加法器,在此算法块中找到OUT输出中间点名,在POINT INFORMATION点信息窗打开OUT点,在VALUE/STATUS菜单下将VALUE PARAMS项SCAN切为OFF依次改变转速变量值为2、11、-2、-11,观察机组负荷在中间值(70%~90%额定负荷)即在负荷210MW 至270MW变化情况,主要观察动作方向,死区、响应情况等。释放转速差强制点,待机组转速恢复到定值且稳定后,到趋势组图中检查一次调频动作情况,打印一次调频响应后一分钟动作趋势组图。
  (4)DEH 投入功率方式,机组负荷240MW。强制转速差依次分别为:11、-11并填写相应试验记录,记录参数变化情况。
  (5)CCS+DEH 方式,其他各系统自动投入,机组负荷稳定为240MW,强制转速差150、14、11、2、-2、-11、14、-150,并填写相应试验记录,记录参数变化情况。表1是在协调方式下转速差为11、-11情况下记录的一组参数。
  六、试验改进、参数调整及结论
  试验过程中,DEH手动方式后发现组态逻辑中未设置“ADS允许”逻辑,它是保证CCS在DEH投入遥控方式之前控制器能否正常跟踪条件。随后对#8机组一次调频控制回路CONTROL BUILDER 3任务区下5号组态逻辑图进行修改,保存,控制器下载,使一次调频控制得以更加完善。但对响应曲线分析中发现调节作用过大,于是对调节回路DROP41站TC SPEED CONTROL 控制图进一步分析,之后对FUNCTION函数发生器参数进行检查,原参数GAIN 为 1、TPSC为 100、BTSC为-100、TRAT为2.5、BPTS为6、X-1为-150、Y-1为-24、X-2 为-14、Y-2为-24、X-3为-2、Y-3为0、X-4为2、Y-4为0、X-5为14、Y-5为24、X-6为150、Y-6为24,GAIN 输入增益、TPSC输出最大值、BTSC 输出最小值、TRAT 跟踪速率、BPTS折点数。经过检查感觉比例增益过大,DEH 功率方式下将功率函数发生器FUNCTION中参数GAIN进行修改,原定值为1,现改为0.9,CCS+DEH方式下将CCS功率函数发生器FUNCTION中参数GAIN进行修改,原定值为1,现改为0.6,经过减小比例增益再次实验,效果理想。
  通过实验发现牡丹江第二发电厂 #8机组具有阀门特性好,响应时间速度快的特点。大约1秒多即可实现响应,10秒内实现基本负荷(>90%)的补偿。通过对#8机组一次调频功能试验,可以证明当电网频率发生突变,机组具有快速响应稳定频率的能力。
  七、结束语
  牡丹江第二发电厂 #8机组目前还是在试运阶段,一次调频功能只能通过模拟试验,而且只能间接证明电网出现频率偏差时能够发挥纯电液调节系统的优越性,迅速准确调整负荷,满足了电调机组快速响应的要求,能够快速进行二次调频,稳定电网频率的波动。今后还要迎接电网波动实践考验。
  
  参考文献:
  [1]奚守谱.发电机组控制系统数字化改造培训教材[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.
  [2]朱北恒.火电厂热工自动化系统试验[M].北京:北京电力出版社,2006.
  (责任编辑:苏宇嵬)
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