基于褐煤燃烧的超超临界直流炉一次调频同源装置应用分析

基于褐煤燃烧的超超临界直流炉一次调频同源装置应用分析摘要：目前火电机组因一次调频响应电网负荷的不足造成大范围考核事件时有发生。分析认为主要由调频负荷响应不同步、电网考核采用的频率信号和火电机组测量信号不同源造成。电网考核采用的网频信号变化趋势理论上要提前于火电机组的转速信号，造成实际转速反馈偏差较大且迟延时间较长。同时由于抗干扰能力差，频率信号经常因为干扰出现偏差。机组DCS系统虽然有电网频率信号，但是量程一般为45～55Hz，精度无法满足需求。时间比较长，难以满足快速响应的要求。鉴于此，更换高精度频率变送器/转速变送器，分别用于DEH控制自动调节及CCS协调控制。使用高精度频率变送器处理的数据，进行一次调频逻辑运算，保证与网调采集数据同步，减少不必要的考核。关键词：一次调频;同源装置;优化;响应机制;节能减排。ApplicationAnalysisofPrimaryFrequencyModulationHomogeneousDeviceforUltraSupercriticalOncethroughBoilerBasedonLigniteCombustionWangHao,Engineer(InnerMongoliaDatangInternationalXilinhotPowerGenerationCo.,Ltd.,Xilinhot,026000)Abstract:Atpresent,duetothelackofprimaryfrequencyregulation(PFR)torespondtothepowergridload,large-scaleassessmenteventsoftenoccurinthermalpowerunits.Theanalysisshowsthatitismainlycausedbytheunsynchronizedfrequencymodulationloadresponse,thedifferentsourcesoffrequencysignalsusedinpowergridassessmentandthermalpowerunitmeasurementsignals.Thechangetrendofnetworkfrequencysignalusedinpowergridassessmentistheoreticallyaheadofthespeedsignalofthermalpowerunits,resultinginlargedeviationofactualspeedfeedbackandlongdelaytime.Atthesametime,duetothepooranti-interferenceability,thefrequencysignalisoftenbiasedduetointerference.AlthoughtheunitDCSsystemhaspowergridfrequencysignal,therangeisgenerally45~55Hz,andtheaccuracycannotmeettherequirements.Ittakesalongtimetomeettherequirementsofrapidresponse.Inviewofthis,replacehigh-precisionfrequencytransmitter/speedtransmitterforDEHcontrolautomaticregulationandCCScoordinatedcontrol.Thedataprocessedbyhigh-precisionfrequencytransmittershallbeusedforprimaryfrequencymodulationlogicoperationtoensuresynchronizationwithnetworkdispatchingdataacquisitionandreduceunnecessaryassessment.Keywords:Primaryfrequencymodulationl;Cognatedevice;Optimization;Responsemechanisml;conserveenergy,reduceemissions.引言：随着可再生能源接入比例的不断提升，电网的波动性与随机性不断提升，机组的一次调频能力在国外也日趋受到重视。除了调频控制算法的不断更新迭代以外，目前国外的主要研究方向在于利用新一代储能技术与传统机组和可再生能源机组（如风电）进行配合提供调频服务。新一代储能技术（如电池储能、飞轮储能等）因其极快的响应速度和双向能量输出的特性而成为一次调频的优质提供者。随着储能技术的发展，成本逐步降低，再加之更为成熟的辅助服务市场化机制，使得通过储能技术提供大规模的一次调频服务成为可能。目前，通过电池储能提供上百兆瓦的一次调频服务已在欧洲、美国、亚洲等多个国家广泛应用，通过飞轮储能技术提供一次调频也在美国具备较成熟的商业化应用。除此之外，通过市场化的需求侧响应机制进行频率调节也在美国、澳洲等国家广泛应用，电网考核采用的网频信号变化趋势理论上要提前于火电机组的转速信号，目前不少火电机组转速测量采用磁阻探头，其造成实际转速反馈偏差较大且迟延时间较长。同时由于抗干扰能力差，频率信号经常因为干扰出现偏差。1、概况机组主体设备包括：锅炉为超超临界参数、变压运行直流炉，一次中间再热、单炉膛平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，采用两台三分仓回转式空气预热器，π型布置。制造商为东方锅炉（集团）股份有限公司。汽轮机为超超临界、一次中间再热、单轴、三缸两排汽直接空冷凝汽式。汽机额定出力660MW。汽轮机设有八级回热抽汽+一次风二次加热系统。制造商为东方汽机（集团）股份有限公司。本工程机组DCS采用艾默生过程控制有限公司的OVATION控制系统,按被控对象主要分为BSCS（锅炉顺控系统）、TSCS（汽机顺控系统）、ECS（电气顺控系统）、FSSS（锅炉炉膛安全监控系统）、MCS（模拟量控制系统）、DAS（数据采集系统）、BPS（旁路控制系统）、DEH(汽轮机数字电液调节系统)、TSI（主机监视系统）、ETS（主机保护系统）以及辅网监视控制系统等。1.1、一次调频概况机组正常运行时，当CCS协调控制投入时，一次调频由DEH控制系统和CCS协调系统共同实现。其核心逻辑示意图如图1，DEH侧的一次调频直接叠加在汽轮机综合阀位指令上，起到快速反映的作用(前馈)，同时CCS侧的一次调频将转差信号转化成功率信号直接叠加汽机主控DEH功率回路中，实现调频负荷的精度控制，最终达到一次调频目标要求值。其中CCS侧的函数f（x）我们称之为一次调频函数。1.2一次调频设计说明及要求我厂单元机组一次调频采用电网典型逻辑设计，一次调频功能由DEH和CCS共同完成。根据东方厂提供的主机说明，设定本机组的理论设计速度变动率δ为4%～5%。并依据华北区域一次调频管理办法，本台660MW机组承担一次调频负荷不小于±6%额定负荷。死区响应滞后时间稳定时间15s后时幅值要求30s后时幅值要求贡献指数＜±2rpm＜3s＜60s达到理论调频量的75％达到理论调频量的90％实际积分电量/理论积分电量>75%表2华北网一次调频考核指标1.2、优化前一次调频概况数据分析查看我厂2021年1-9月一次调频考核报表，可以看出一次调频效果最近在0.5左右，动作正确率在0.6左右，均未达到规定“机组一次调频性能月平均值应达到60%，动作正确率0.8”的基本要求。一次调频性能考核在全厂总考核电量中占相当大的比重，这就使得如何提高一次调频效果，改善一次调频性能成为亟待解决的问题。月份机组月正确动作率考核电量2021年1月#1、#20.69.872021年3月#1、#20.521.582021年5月#1、#20.465.322021年7月#1、#20.619.862021年9月#1、#20.552.22、一次调频存在的问题2.1、一次调频与AGC负荷指令动作反向抵消通过查看2021年的一次调频考核报表，可以看出一次调频效果几乎为很弱，更多的原因是因为实际积分电量与理论积分电量存在方向相反的问题。此时我看通过查看机组DEH侧一次调频响应历史曲线与协调侧一次调频响应历史曲线相互对比，可以得出结论：一次调频实际积分电量与其理论积分电量动作方向相反，其主要原因是因为一次调频动作时刻，机组的AGC负荷指令和一次调频动作目标方向相反导致，使得一次调频的实际积分电量被AGC响应负荷相抵消，恰好AGC负荷指令趋于稳定时，一次调频动作结束。所以在机组投入一次调频和AGC负荷指令功能时，可能会出现AGC的负荷指令动作方向与一次调频要求的负荷指令动作方向相反情况。按照电网调度规程(两个细则)相关规定要求，机组应该优先满足一次调频负荷调整的的控制要求，简单描述为闭锁AGC负荷指令，保证一次调频指令动作方向的准确性，而AGC负荷指令动作方向和一次调频负荷指令动作方向一致时，再恢复解除AGC负荷指令的闭锁功能。2.2、一次调频信号源精度低

一次调频信号来自DEH的转速卡。由于DEH的转速卡的量程为0到1万转，转速卡只有千分之一的精度，远低于10万分之一的精度，即没有办法达到0.1转的分辨率。因此机组一次调频的组态中，一次调频的函数死区常常没有按照规程设置在±2转，而是设置在±1.6转，造成了机组每个月的一次调频动作次数比正常情况增加1倍以上，对机组造成扰动，影响汽轮机调门的使用寿命等。电网要求火电机组调频死区为2r/min，在火电机组一次调频实际响应中经常出现调频幅值不足和迟滞问题。若人为把机组调频死区修改为小于2r/min，虽可以提高一次调频的响应幅值，但是造成机组调阀动作过频甚至会影响机组安全运行。电网虽然送DCS系统有电网频率信号，但是量程一般为45～55Hz，精度无法满足需求。时间比较长，难以满足快速响应的要求。鉴于此，更换高精度频率变送器/转速变送器，在主变高压侧增加量程为49.8Hz-50.2Hz的频率变送器，0.2级的频率信号，其最小分辨率为：0.002×1×60=0.12转（0.002Hz），上述信号分别送入DEH控制系统三块不同的AI卡件，在DEH逻辑进行三取中判断，然后分别用于DEH控制自动调节及CCS协调控制。故使用高精度频率变送器处理的数据，进行一次调频逻辑运算，保证与网调采集数据同步，减少不必要的考核。图5一次调频高精度频率控制与转速控制逻辑示意图2.3、主汽压力拉回对一次调频的影响我厂协调侧汽机主控设计有主汽压力修正控制逻辑，其目的是当机组升负荷时，汽机主控响应负荷控制指令，迅速开大调速气门，导致主蒸汽压力下降，而此时随着负荷的升高机组主蒸汽压力定值按照滑压曲线相应升高，进而加大了主蒸汽压力与给定值的偏差。负荷上升的时候，如果机侧主汽门开得过快，会导致机前压力下降过快，造成汽包水位波动过于剧烈。设置压力拉回回路的目的是防止上述情况出现，适当控制压力变化的速度以维持负荷变动时的工况稳定。压力拉回回路的存在使得机组一次调频满足动作条件时，偶尔会出现当机组升负荷时，汽机主控响应负荷控制指令，迅速开大调速气门，导致主蒸汽压力下降，此时压力拉回回路动作，调频指令使阀门按设计的方向进行变化，此变化引起主汽压力相应变化，压力修正回路对功率指令进行快速调节，导致一次调频响应缓慢，甚至响应量不足。3、一次调频优化方案3.1、AGC负荷指令与一次调频的闭锁功能当机组一次调频动作时，AGC负荷指令和一次调频动作目标方向相反时，导致一次调频效果不佳，经过多方研究提出以下修改策略：（1）当AGC在增负荷且一次调频要求减负荷对AGC指令进行闭锁，且闭锁时间限制在3s。图6闭锁AGC指令增控制逻辑示意图（2）当AGC在减负荷且一次调频要求加负荷对AGC指令进行闭锁，且闭锁时间限制在3s。图7闭锁AGC指令减控制逻辑示意图3.2、一次调频信号源精度偏低一次调频控制中，输入的频率信号发生改变，直接影响机组控制中的一次调频控制策略。频率信号精度的提高，会致使当前控制逻辑中，各参数影响的比重发生变化，可能会出现阀门非正常工况的频繁摆动、或低频振荡等恶劣工况的发生，因此，需要结合机组实际一次调频考核情况，重新考虑各影响因素的修正作用；根据采用的高精度频率信号，设计单独的一次调频性能指标提升逻辑，在实际应用过程中，出于信号可靠性考虑，当频率信号与转速信号偏差超过一定值，切回使用转速信号进行运算。一次调频逻辑中使用跟网频更接近的频率信号，以此提高机组一次调频动作的合理性及精确性，实现减少一次调频考核的目的。4.3增加基于高精度频率信号的一次调频负荷补偿逻辑，分析考核数据中电量考核的问题，依据高精度频率信号，设计电量补偿回路，增加一次调频动作的电量，减少一次调频考核。4.4增加一次调频动作有效性逻辑，根据新增的高精度频率信号，判断一次调频动作是否触发有效考核动作，减少机组不必要的调频动作，同时，针对在有效的调频动作下，增加或完善机组一次调频动作量，保证机组安全的基础上，提升一次调频性能。4.5在动态调试过程中，实时根据电网调度的一次调频考核数据，逐步完善动态参数的优化，最大程度的发挥信号同源改造的优势，提升机组一次调频性能指标，提高机组经济性。3.3、汽机主控闭锁主汽压力拉回与一次调频的闭锁功能完善一次调频控制中主汽压力补偿作用，由于频率信号精度的提高，需分析实际的考核数据与机组主要参数之间关系，增加或完善压力补偿，使一次调频的综合阀位阶跃增量除受速度变动率以及频差影响，也能根据主蒸汽压力进行修正。为了保证汽机能量输出、锅炉能量输入之间的平衡，功率指令至汽机主控回路中增加了惯性环节，并且根据不同的变负荷宽度设置不同的惯性时间。汽机主控一定程度上参与压力控制，避免实际压力过度偏离压力设定。稳态工况、变负荷过程中，汽机主控参与压力控制的权重有所不同。在负荷变工况中，为了满足负荷响应的需要，汽机主控的压力控制权重有所减弱。当负荷变化量比较小时，采用较小的功率时延，使得机组能有效地响应功率要求，机组的整体参数由本身的蓄热来消化。该策略对于机组在小负荷AGC控制方式时的有功合格率和机组一次调频都