华能榆社电厂一次调频控制改造.pdf

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1、华能榆社电厂 300MW 机组一次调频调节系统调整改造分析 杨致靖 华能榆社电力有限责任公司 山西省晋中市 031800 摘要：摘要：本文针对华能榆社电厂二期本文针对华能榆社电厂二期 2300MW 机组，原来所采用的控制策略无法满足山西电网一次调频要求，进机组，原来所采用的控制策略无法满足山西电网一次调频要求，进 行了仔细分析研究，在原有控制策略基础上进行了优化。实际运行表明，这种优化后的一次调频控制系统，既能使行了仔细分析研究，在原有控制策略基础上进行了优化。实际运行表明，这种优化后的一次调频控制系统，既能使 机组满足电网对负荷的快速响应要求又有效地协调了锅炉和汽轮机之间的能量平衡关系，保持

2、机前压力的稳定，从机组满足电网对负荷的快速响应要求又有效地协调了锅炉和汽轮机之间的能量平衡关系，保持机前压力的稳定，从 而确保了一次调频控制系统的长期、稳定投入。而确保了一次调频控制系统的长期、稳定投入。 关键词关键词：一次调频；调整改造；原因分析；协调控制：试验：一次调频；调整改造；原因分析；协调控制：试验 1 前言：前言： 一次调频功能是通过调节汽轮机调门的开度，利用机组的蓄热来快速响应电网频率的变化。为 了保证电网的安全经济运行，提高电能质量和电网频率的控制水平，迅速消除由于电网负荷变化而 引起的频率波动，电网对机组的一次调频要求越来越高。一次调频性能的优劣，不仅与热工组态的 调频控制策

3、略有关，还取决于机炉的协调性能、锅炉的燃烧调整能力。 2 设备概况设备概况 2.1 机组概况机组概况 华能榆社电厂二期为 2 台 300MW 直接空冷机组。汽轮机为上海汽轮机厂生产的 N300-16.67/ 538/538 凝汽式直接空冷、亚临界、一次中间再热、单轴、三缸（高中压合缸和两个低压缸）四排 汽直接空冷凝汽式汽轮机。控制系统采用西屋 OVATION 控制系统。 2.2 DEH 系统概况系统概况 1）DEH 主要由计算机控制部分（DEH）与液压控制部分（EH）组成。DEH 部分完成控制逻辑、算 法及人机接口；DEH 配置包括控制柜、工程师站、操作员站。DEH 系统可实现多种启动方式。

4、2）DEH 控制系统设定的转速不等率 为 5%，频差死区为2rpm，调频参数设置如下表： 一次调频的转差 一次调频的负荷调整量 备注 150 -24MW -14 -24MW -2 0 2 0 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 14 24MW 150 24MW 注：这里转差=汽轮机额定转速-汽轮机实际转速 3 一次调频调节系统改造前存在问题一次调频调节系统改造前存在问题 3.1 本区域电网对一次调频机组的规定、要求本区域电网对一次调频机组的规定、要求 山西电网并网发电机组一次调频调度运行管理规定 （试行）有如下几条主要要求： 1） 所有机组一次调频的负荷调整幅度

5、应 15s 内达到理论计算的一次调频的最大负荷调整幅度的 90%。 2） 当电网频率变化达到一次调频动作值到机组负荷开始变化所需的时间为一次调频负荷响应滞 后时间，应小于 3s。 3） 机组参与一次调频过程中， 在电网频率稳定后， 机组负荷达到稳定所需的时间， 应小于 1min。 额定负荷在 200350MW 的火电机组，限制幅度不小于机组额定负荷的8%。 4）汽轮机采用电液调速系统（DEH）的机组，一次调频功能应由 DEH 实现，应采取将频差信号 叠加在汽轮机调速汽门指令处的设计方法，以保证一次调频的响应速度，频差信号产生的调频负荷 应经过线性化处理。 5）为保证机组参与一次调频的持续性，采

6、用分散控制系统（DCS） 、具有机组协调控制和 AGC 功 能的机组，应在协调控制中投入频率校正回路，即当机组工作在机组协调或 AGC 方式时，由 DEH、 DCS 共同完成一次调频功能。 3.2 原因分析原因分析 1）按照以上要求以及我厂当前控制系统配置，一次调频功能应由 DEH、DCS 共同完成。即 CCS 方式（机组控制方式为协调控制） ，DEH 阀控方式（机组在基本方式运行） 、DEH 功率闭环方式（机组 在基本方式运行且投入 DEH 功率回路） 。 2）根据上述要求一次调频的最大功率调整量大(8%Pe/min, 即 24MW/min)，并要求当一次调频 动作时，前 3 秒有响应，在前

7、 15 秒内实发功率的变化达一次调频功率总量变化的 90，而原系统 的变化量约 40%，一次调频动作前期的功率调整量明显不够。以下将针对这几种方式进行具体分析。 CCS 方式：方式： 当一次调频动作时，机炉主控都应快速反应，这时使用前馈是最直接、最有效的方法，因为他 们都直接作用于执行机构。 机主控回路未设计动态前馈回路而是将一次调频的功率调整量叠加在功率指令作为其设定值， 这样只依靠 PID 进行调节是较慢的， 无法快速的开启或关小调门，这样无法满足快速性， 并且前 15s 的调节幅度也无法达到要求。 炉主控回路同样未设计一次调频动态前馈回路，只是考虑了 f N 的静态前馈，这样虽然未直接

8、影响调频快速性（因为汽包炉蓄热大，前期可以利用的锅炉蓄热，保证参数无大的变化） ，但由于直 吹式锅炉制粉系统滞后大，如果调频幅度较大的话，仅靠静态前馈回路锅炉是跟不上的，后期将导 致锅炉主汽压力偏离定值，影响机组的稳定运行，影响调频质量。 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 DEH 功率闭环方式：功率闭环方式： 在原回路中虽然已考虑了 f N 前馈，但通过简单测试和仔细分析发现 f N 的前馈系数和功率 校正调节器比例系数设置都较小，积分时间太长，这些因素在不同程度上都影响了一次调频的快速 性和一次调频在动作初期的调频幅度。从而无法满足规定要求。 DEH 阀控方

9、式：阀控方式： 由于这种方式从 f N 指令的发出到调门动作，其信号是直接作用于各个调门上的无任何中间环 节，所以不存在太大问题。 4 一次调频调节系统改造方案一次调频调节系统改造方案 当一次调频发生时，在 DEH 中直接对调门进行修正；在机组的功率总指令中，计入一次调频的 功率调整量，通过协调控制系统正常调节机组功率。为了进一步提高机组对一次调频功率的响应速 度，需要在原来的方案上，增加汽机负荷指令和锅炉负荷指令的动态前馈量，具体在以下四个方面 进行优化： 4.1 汽机主控回路的优化汽机主控回路的优化 原汽机主控回路中为了使汽机适应锅炉，功率总指令 0f NN+ 经过一阶惯性等待后才进行调

10、节，这会影响一次调频前 15 秒的调节速度。修改后的方案已将 f N 和 0 N 分开处理，满足各自的要 求，方案如图 2 所示（红色部分为优化逻辑） 。 f N 调频负荷量一部分作为机主控调节器设定值的 一个组成部分，另一部分作为动态前馈量。同时在 f N 的动态前馈回路中增加了 f（x） ，它的作用 是当一次调频动作时根据调频负荷量使汽机指令直接作用于调门，从而使汽轮机快速响应，最后通 过机主控制器进行正常的功率调节后达到一个稳定值。此函数的参数设置我们在组态时可根据额定 工况下一定负荷下所对应的汽机指令进行粗略的设置，最后通过实际试验确定能满足一次调频的参 数。 LAG K d dt I

11、 sp 汽机的负荷指令 K NE 主汽压力超允许 上限时，增加一 功率校正量，防 止超压,正常为0 压力偏差修正量 0f NN+ PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 图 1 原汽机主控方案 LAG K d dt I sp 汽机的负荷指令 K NE 主汽压力超允许 上限时，增加一 功率校正量，防 止超压,正常为0 压力偏差修正量 0 N f N F(X) - 40, - 4 - 24, - 4 0, 0 24, 4 40, 4 LAG 2s 15s 图 2 汽机主控优化方案 4.2 锅炉主控回路的优化锅炉主控回路的优化 原锅炉主控回路，在锅炉负荷指令的前馈中，只考

12、虑了 f N 的静态前馈，主要原因是我厂机组 的 f N 经常在 1-4MW 变化，而且变化速率近似于阶跃变化，若 f N 与 0 N 合在一起共用一个动态微 分环节，则会引起锅炉负荷指令的频繁波动。因此，必须要单独考虑 f N 的动态前馈，修改后的锅 炉主控方案如图 4 所示（红色部分为优化逻辑） 。该回路中同样增加了 f N 的动态前馈回路。在一 次调频动作初期利用锅炉蓄热来维持机炉的能量平衡，调频负荷在4MW 范围内时进入锅炉的燃料 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 K d dt I sp Po PT P1 锅炉的负荷指令 P1+ Cb dP dt b

13、LED Po PT P1 No F(X) LED 变负荷判别 及调整积分 时间 No 0f NN+ 启停磨时前馈 PT P 0 ()- 1 X k 图 3 原锅炉主控方案 量由 f N 的静态前馈来调整，当调频负荷超过4MW 且小于24MW 时，则由静态前馈和动态前馈回 路提前加大或减小进入锅炉的燃料量，从而消除锅炉制粉系统滞后对一次调频后期和机前压力的影 响。 K d dt I sp Po PT P1 锅炉的负荷指令 P1+ Cb dP dt b LED Po PT P1 No F(X) LED 变负荷判别 及调整积分 时间 No 0f NN+ 启停磨时前馈 F(X) - 40, - 24

14、- 24, - 24 - 4, 0 4, 0 24, 24 40, 24 f N 0.25*30s 1 + 30s - 4- - +4 实际微分环节 PT P 0 ()- 1 X k 图 4 修改后的锅炉主控方案 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 4.3 DEH 中功率校正回路的参数优化中功率校正回路的参数优化 在对一次调频功能测试时，要求在三种运行方式下均能满足网调的要求，三种测试方式为：机 组在 CCS 方式； DEH 独立运行且在直接阀控方式； DEH 独立运行且在功率控制方式。 实际测试中发现， 当机组运行在第三种方式时，一次调频的品质与网调要求相差较

15、大，为此，我们对 DEH 中功率校正 回路的参数进行了修正，大大加快了功率校正回路的动作速度，使之满足网调的要求。具体是将前 馈加法器的 IN1 系数从 0.19 增加到 1.0；功率校正调节器的比例系数从 0.2 增加到 1.2，积分时间 从 20 秒减小到 10 秒。 4.4 在压力较高时，对负向一次调频功率校正量进行限制在压力较高时，对负向一次调频功率校正量进行限制 当机组主蒸压力较高（如为 16.5Mpa）时，若一次调频要求动作24MW，按照要求，前 15 秒需 减负荷 21.6MW，这只能通过快速关汽轮机调门和快速减煤、减风来实现，但由于直吹式锅炉制粉系 统的纯滞后往往在 1.5 分

16、钟以上，尽管锅炉侧快速减煤，但在前 15 秒内实际上是起不到作用的。因 此，随着汽轮机调门的快速下关，主汽压力一定会快速上升，容易使安全门动作。而且由于给水泵 出力的富余量仅为 5%，压力高时难于维持锅炉汽包水位，容易引起 MFT 动作。因此，在本次一次调 频修改时，考虑了在主汽压力较高时，对负向一次调频功率校正量进行适当限制（对正向一次调频 功率校正量不加限制） ，以确保锅炉的安全运行。该限值回路如图 5 所示（此部分为新增逻辑） ： F(X) 主蒸压力 0, - 24 15.5, - 24 16.0, - 15 16.5, - 10 17.0, 0.0 20.0, 0.0 按网调要求所计算

17、的 一次调频功率校正量 f N 图 5 在压力较高时，对负向一次调频功率校正量的限制方案 5 逻辑优化测试逻辑优化测试 5.1 测试内容测试内容 1）通过选取负荷点的不同运行方式的调频性能试验，测取机组调频动态特性。 2）在选取的机组试验负荷点下，进行14rpm（含死区）实际转差阶跃扰动响应试验。 3) 试验采用设定转差信号的方法，分别在 CCS 方式（机组控制方式为协调控制） ，DEH 阀控方 式（机组在基本方式运行） 、DEH 功率闭环方式（机组在基本方式运行且投入 DEH 功率回路）三种控 制方式下进行。 5.2 试验数据试验数据 1) CCS 方式下方式下，模拟升、降转模拟升、降转速速

18、曲线见图曲线见图 6、图、图 7,的的试验数据见试验数据见表表 1. PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 图 6 CCS 方式下转速升高 14rpm 调频曲线 图 7 CCS 方式下转速降低 14rpm 调频曲线 表 1 负荷 MW 调频死 区 rpm 频差 rpm 响应 时间秒 15 秒内负荷 变化 MW 30 秒内负 荷变化 MW 60 秒内负荷 变化 MW 250 -14 0.21 19.8 23.2 20 250 2 14 0.25 -21.8 -25.2 -21.3 图表中所使用的点标签注释： GL 功率 ZC 转差 GT4 #4 高调门 GT5 #5

19、 高调门开度 GT6 #6 高调门开度 ZQYL 主汽压力 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 TJJYL 调节级压力 FWZZL 阀位总指令 2）DEH 阀控方式下，模拟升、降转速的试验数据见表阀控方式下，模拟升、降转速的试验数据见表 2。 表 2 负荷 MW 调频死 区 rpm 频差 rpm 响应 时间秒 15 秒内负荷 变化 MW 30 秒内负 荷变化 MW 60 秒内负荷 变化 MW 246 -14 0.21 24.6 28.2 28.6 249 2 14 0.20 -22.5 -26.7 -28.7 3）DEH 功率闭环方式，模拟升、降转速的试验数据见

20、表功率闭环方式，模拟升、降转速的试验数据见表 3。 表 3 负荷 MW 调频死 区 rpm 频差 rpm 响应 时间秒 15 秒内负荷 变化 MW 30 秒内负 荷变化 MW 60 秒内负荷 变化 MW 245 -14 0.21 18.9 21 21.8 242 2 14 0.20 -17.5 -21.8 -23.3 6 一次调频改造后效果一次调频改造后效果 经过各方人员的努力，成功地进行了一次调频控制回路的优化，优化后的一次调频功能均通过在 线检验。经测试，我厂一次调频的功能在三种运行方式下已全部达到了网调的要求。机组一次调频 性能及功能达到华北电网公司及山西电网公司功率的响应时间小于 3

21、秒，15 秒内负荷变化值达到理 论计算值的 90%以上，稳定时间 60 秒（实际为 30 秒）内的要求。调节品质满足电网对机组的要求。 目前调频回路已正常投入使用。该系统的成功改造，为同类型机组及控制系统一次调频系统优化提 供了一种最优化的可行模式。 参考文献：参考文献： 1吕剑虹，王建武，范菁. 电站热工控制仿真支撑系统J.中国电力， 2001, 34(6):50-53 2胡伯勇 300MW 机组一次调频功能的实现A 首届长三角科技论坛能源科技分论坛论文集C;2004 年 作者简介： 杨致靖：男，1972 年 2 月；工程师；华能榆社电力有限责任公司（山西晋中榆社） ；邮政编码：031800； 联系方式：电话 0354-6892390 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建