循环流化床机组一次调频功能优化

程荣新 李世波

（辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司，辽宁 调兵山 112700）

循环流化床机组一次调频功能优化

程荣新 李世波

（辽宁调兵山煤矸石发电有限责任公司，辽宁 调兵山 112700）

本文结合调兵山发电公司2X300MW机组一次调频功能的优化，介绍了一次调频控制功能的原理和特征参数，详细分析了调兵山发电公司循环流化床机组一次调频功能的影响因素并具体给出了整改措施和控制逻辑的优化方案。通过对其一次调频功能的优化实例，阐述了循环流化床机组一次调频功能同样具备调频能力，为循环流化床机组一次调频功能的完善提供了很好的借鉴。

一次调频；循环流化床；控制策略；逻辑优化

辽宁调兵山煤矸石电厂两台机组设计容量为300MW。汽轮机为哈尔滨汽轮机厂设计和制造的NZK300-16.7/537/537型，亚临界、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、直接空冷凝汽式汽轮机；锅炉采用上海锅炉厂生产的亚临界压力中间一次再热循环流化床锅炉，设计煤种为铁法地区劣质烟煤；发电机为哈尔滨电机厂生产的产品。

DCS控制系统采用杭州和利时自动化有限公司HOLLiAS-MACSV的集成化系统平台，包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、电气控制系统（ECS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）等各项控制功能。DEH主要控制汽轮机转速和功率，即从汽机挂闸、冲转、暖机、定速、同期并网、带初负荷、带全负荷的整个过程，通过TV、GV、RSV和IV实现，同时具备防止汽机超速的保护逻辑。

HOLLiAS-MACSV集成化系统的先进性在于分散的结构和基于微处理器的控制，这两大特点加上冗余使得系统在具有更强的处理能力的同时提高了可靠性且其控制软件组态灵活方便、易于调试维护。

1　一次调频功能简介

1.1一次调频原理简介

一次调频是发电机组维持电网频率稳定的重要功能。一次调频是指发电机组的自动控制系统在电网频率升、降时自动减少、增加自身负荷，从而限制电网频率的变化［1］。它主要利用机组的蓄能承担电网负荷变化，不需要电网调度进行干预，其响应时间约为几秒。电网中各机组通常按容量相对值承担一次调频量，因此各机组的不等率设置大致相同，一般为4%-5%［2］。

鉴于辽宁电网新能源发展迅猛，风电的大规模接入影响了电网频率的稳定［3］，而具备调频优势的水电机组装机容量又相对较少，因此，分析影响火电机组一次调频能力的因素和优化火电机组一次调频功能，对电网频率的稳定意义重大。

循环流化床锅炉受制于其锅炉的特殊性，在负荷的快速相应上存在一定的劣势，但考虑到一次调频功能更多的是依靠机组本身的蓄热能力，因此其一次调频控制功能的有效实现，在理论上具备可行性。

1.2一次调频特征参数

1.2.1调频死区

调频死区是指机组转速在死区范围内变化时，机组的一次调频不动作。其目的是在电网频率变化较小的情况下提高机组运行的稳定性。

1.2.2转速不等率

转速不等率也叫速度变动率，是指机组调节系统在额定工况下给定值不变，汽轮机由空负荷到满负荷的转速变化量与额定转速之比，用δ表示。其公式为：

采用美国国家海洋大气研究中心空气资源实验室(NOAA)的HYSPLIT 轨迹模式进行气流来向轨迹模拟，可进行分辨率最高精确到小时的气流来向及去向轨迹模拟，本研究选取模拟地面气流的后向轨迹方案。计算后向轨迹所用的NCEP再分析资料、气象数据来自GDAS数 据库(ftp：//arlftp．arlhq．noaa．gov/pub/archives/ gdasl)，分辨率为1°×1°，后向延伸时间为72h， 轨迹模拟高度设定为500m。

式中：nmax为汽轮机空负荷转速，rpm；nmin为汽轮机满负荷转速，rpm；n0为汽轮机额定转速，rpm。

1.2.3负荷变化幅度

机组参与一次调频的负荷变化幅度，是考虑当频率变化过大时，机组负荷不再随频率变化，以保证机组稳定运行。

1.2.4迟缓率

在汽轮机调节系统中，由于部件摩擦、铰接间隙、滑阀重叠度等影响存在着迟缓现象，使得机组静态特性曲线在转速上升和下降时不再是同一条，而是近于平行的两条曲线。将上升曲线与下降曲线在同一功率下的转速差∆n与额定转速n0之比的百分数称为调节系统的迟缓率，用于反映调节系统的静态特性品质［4］。迟缓率用ε表述为：

式中：∆n为转速差，rpm；n0为汽轮机额定转速，rpm。

1.3一次调频控制逻辑组态

通常，火电机组的一次调频控制逻辑有以下几种方案：DEH方式、CCS方式、CCS与DEH联合方式。在DEH方式下时，一次调频功能并没有将一次调频动作效果叠加在CCS负荷指令回路中，因此在协调控制系统的作用下，会将调频作用导致的负荷变化消除，影响一次调频作用效果，最终导致欠调现象；在CCS方式下，虽可以通过负荷指令的变化，实现最终负荷的响应。但此种方式并不能有效的利用机组的蓄热能力，在快速性上存在不足；现今阶段，多采用CCS与DEH联合方式来实现机组的一次调频控制功能。

图1　一次调频控制策略框图

图2　5号高调门（CV5）动作滞后

2　一次调频考核指标及问题分析

2.1一次调频考核指标

一次调频考核结果由B1、B2、B3与Bu指标合格与否决定。根据考核细则可知各指标要求如下：

B1：频率越过死区（±0.033）后，一次调频立即动作，并且保证机组出力在3秒内向着一次调频调整方向变化。则B1指标合格。B1指标用于考量机组响应一次调频的快速性。

B2：一次调频动作后15秒内，其动作幅度最大值超过频率极值点对应出力的90%，则B2指标合格。B2指标用于考量机组响应一次调频的调整幅度。

B3：从第3秒开始至60秒或一次调频考核结束，所有采样点的实际出力与理论计算出力偏差的平均值与此次调频过程中最大理论增量的比值小于25%，则B3指标合格。B3指标表征机组响应一次调频的控制精度。

Bu：指电网频率出现偏差时机组为恢复电网频率实际变化积分电量与期望变化积分电量之比。比值大于0.9则Bu指标合格。Bu值越高，一次调频变负荷速率越快，幅度越大，对电网频率恢复的贡献就越大。

2.2一次调频问题分析

通过对机组运行状况的调研及相关逻辑的梳理发现如下制约因素：

①机组协调控制系统投入效果不佳。这既有循环流化床锅炉特性导致的滞后原因，也有协调控制系统控制策略简单和控制参数设置不合理的原因。因此需对协调控制系统进一步优化完善。

②通过对一次调频考核数据的整理分析，发现一次调频动作存在明显的滞后性。通过现场试验检查发现CV3与CV5两个调门在控制上存在明显滞后，这对一次调频响应的快速性有较大的影响。因此需要对上述两个调门进行调整。

③协调控制系统中的压力拉回回路在动作时会抑制一次调频作用，致使一次调频作用削弱，甚至不起作用。因此需针对一次调频动作时压力拉回回路的作用效果进行修正。

④一次调频前馈作用不足，进一步造成一次调频的作用太弱，甚至不起作用。因此需对一次调频控制逻辑进行有针对性的优化。

3　一次调频功能优化

本文主旨是对一次调频功能的优化进行说明与总结，因此对于上文3.2中提及的问题，其中第一条与第二条涉及协调控制系统的优化与高调门的设备调整，在本文不再赘述。

针对第三条问题，除调整压力拉回参数，减小其对一次调频的扰动外，还可在压力拉回逻辑中增加调频动作时输出自保持功能：在一次调频动作且主汽压力偏差不大于安全值的情况下，闭锁压力拉回输出，使得一次调频期间调节阀不参与主汽压力调节。当压力偏差越限时，则自动恢复压力拉回作用，保护机组的安全稳定运行。控制策略如图3所示：

图3　CCS侧压力拉回控制策略

针对第四条问题，对机组一次调频逻辑进行了优化调整，特别修正了DEH侧一次调频的前馈作用，使其满足快速性和调频幅度的要求，具体逻辑如图4所示。

图4　DEH侧一次调频逻辑优化

针对B1、B2与B3考核指标的特点，通过对DEH侧一次调频逻辑的优化，以15秒这一时间节点采用了分段变参数控制策略。在一次调频动作的前15秒内，采用较高的参数用于实现调速汽门对一次调频控制功能的快速响应。15秒后，为保证B3稳态偏差控制指标的合格，将DEH侧前馈系数降低，依靠CCS闭环控制系统提高一次调频的负荷控制精度。

优化后电网侧一次调频考核曲线如图5所示。可见，采用此控制策略后，辽宁调兵山煤矸石电厂两台机组的一次调频控制效果得到明显改善，控制品质取得了有效的提升。

图5　电网一次调频考核曲线

4　结论

近年来，随着电网公司一次调频考核细则的出台，火电机组的一次调频功能得到了更多的关注，一次调频的控制策略也更加趋于成熟。循环流化床锅炉虽受制于锅炉侧响应的滞后性，但通过对外部的硬件设备的问题排查及对内部的控制策略调整和控制逻辑优化，能够实现其一次调频控制指标的合格。

本文提出的一次调频控制系统优化方案合理、可行，一次调频控制效果比优化前得到了明显的改善，优化过程中取得的经验可以为其他机组进行一次调频优化提供借鉴作用。

［1］李建军，王礼，王英荟.超（超）临界燃煤机组一、二次调频研究与应用［J］.东北电力技术，2012，33（8）：13-16.

［2］朱北恒.火电厂热工自动化系统试验［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［3］许睿超，罗卫华.大规模风电并网对电网的影响及抑制措施研究［J］.东北电力技术，2011，32（2）：1-4.

［4］代云修，张灿勇.汽轮机设备及系统［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］Q/GDW 669-2011，火力发电机组一次调频试验导则［S］.

Optimization of Primary Frequency Regulation Function for Circulating Fluidized Bed Unit

Cheng Rongxin Li Shibo
（Liaoning DiaobingshanCoal Gangue Power Generation Co.，Ltd.，Diaobingshan Liaoning 112700）

This article introduces the principle and characteristic parameters of primary frequency regulation and control function，carries out a detailed analysis on the influencing factors of primary frequency regulation function for the circulating fluidized bed unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.，and proposes the concrete corrective measures and control logic optimization scheme combining with the optimization of primary frequency regulation function for 2X300MW unit in Diaobingshan Power Generation Co.，Ltd.Through the optimization examples of its primary frequency regulation function，it expounds that the primary frequency regulation function of circulating fluidized bed unit also has frequency regulation ability，which provides a good reference for the perfection of primary frequency regulation function of the circulating fluidized bed unit.

primary frequency regulation；circulating fluidized bed；control strategy；logic optimization

TK229.66

A

1003-5168（2015）12-0125-4

2015-12-10

程荣新（1972－），男，硕士，高级工程师，研究方向：电气及热工自动化。