汽轮机组重叠度区一次调频功能的优化研究--控制网



汽轮机组重叠度区一次调频功能的优化研究
企业：控制网 日期：2009-06-08
领域：电源 点击数：2137















刘志刚 （1971-）
男，湖南益阳人，高级工程师，主要从事火力发电厂热控技术研究。

摘要：汽轮机组在顺序阀方式运行时，投入一次调频后，在阀门行程重叠度范围有时会引起阀门大幅晃动。本文根据DEH逻辑及参数分析了阀门晃动的根本原因，提出在重叠度范围略微减弱流量-阀位曲线斜率较大的阀门一次调频能力，在总体上保证一次调频的幅度和精度满足电网要求。仿真试验结果表明，在CCS＋DEH联合调频方式下，优化后可大大降低阀门晃动幅度，提高了汽轮机组的安全稳定性。

关键词：一次调频；重叠度；顺序阀；晃动；仿真；流量

Abstract: The governing valve will bring the big fluctuation after enabling primary
frequency regulation when the turbine generators are running at sequence valve. By 
analyzing the basic reason of fluctuation based on DEH logic and parameters, the paper 
presents an optimal scheme, which by adjusting the valve of large slope of flow-position curve to reduce its value, the fluctuation can be eliminated efficiently. Depth 
and precision of primary frequency regulation is satisfied with power system as a whole. 
The result of simulation test shows that the method can greatly reduce valve fluctuation 
and improve safety and stabilization of turbine generators.

Key words: Primary Frequency Regulation; Overlap; Sequence valve; fluctuation; emulation;
 flow

    电力系统运行的主要任务之一是对频率进行监视和控制，而发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要。文[1][2]中反映在电网频率的波动事件中，一次调频能力离设计值相差甚远，很多装备有快速数字电液调速器的机组没有参与一次调频。文[3]中，对一次调频引起EH油管振动问题提出了在每个高压调门的进油管路增加了蓄能器，并对管束支撑进行了加固的处理措施，并取得效果。在国内文献中，没有从软件优化的角度来消除一次调频引起EH油管振动的文章。本文以某种135MW亚临界机组为例，从DEH系统逻辑上分析了一次调频功能在重叠度区容易引起阀门大幅晃动，甚至引起EH油管振动的原因，并提出优化措施。经过仿真试验证明此方案是可行的。作者认为这种思路对目前所有参与一次调频的汽轮机组具有一定的参考价值。

1 一次调频原理

    一次调频普遍采用CCS+DEH联合调频方式，根据汽轮机的转速不等率和额定转速与实际转速差，计算出负荷修正量（也称“调频量”），如表1所示。由DEH完成一次调频的快速反应，CCS闭环完成负荷修正量（称之为二次调频[4] ）。在DEH逻辑中，调频量直接叠加在给定值（REFDMD）上，如图1所示，图中函数F0（x）是负荷指令修正函数，如表2所示；F(x)是阀门流量特性曲线函数，GV1和GV2相同，GV3和GV4相同，如表3所示；常数0.744是最佳阀位系数；K是单阀系数，单阀控制时为1，顺序阀时为0；G(x)是顺序阀阀门管理函数，四个阀门各不相同，G1(x)=2.976x，G2(x)= 2.976x-100，G3(x)= 2.976x-200，G4(x)= 2.976x-300；Fg(x)为顺序阀时的流量转换函数，GV*SPO是阀门的开度指令。

                                表1   一次调频转速-负荷修正量（转速不等率=5%）

  转速差（n0-n）（r/min） -150   -14 -2 2 14 150 

 负荷修正量（MW）    -10.8 -10.8 0 0 10.8 10.8 

表2  负荷指令修正函数F0（x）

                                    

表3   阀门流量特性曲线函数F（x）




表4   顺序阀时的流量转换函数Fg(x)

 

                                  图1   DEH一次调频原理图

2 阀门大幅波动原因分析

    文[4]中描述电网系统负荷可以看作由以下3种具有不同变化规律的变动负荷所组成，其中第1种是变化幅度较小，变化周期较短（一般为10s以内）的随机负荷分量。现实中，经常有电网的频差信号在±0.05Hz（对应转速差为±3 r/min）频繁变化，引起汽轮机阀门的大幅波动。根据图1，可以计算出REFDMD与阀门开度的数据关系，如表5所示，图形化后如图2所示。可以直观看出，重叠度区间前个阀门开启的斜率很大。例如，当REFDMD=122时，转速差在低过死区（±2r/min）1r/min时，一次调频正好在GV3和GV4的重叠度范围作用， GV3从80.7％开到93.9％，GV4从6.2％开到7.2％。可见GV3开度有13.2％变化。所以机组在此工况下一次调频有效时，汽机阀门大幅快速晃动会经常发生，甚至会导致EH油管的振动。




表5   REFDMD与阀门开度关系

                                       图2   顺序阀方式时阀门管理曲线

3 处理措施

    从表5可以看出，GV3的阀点[5]是51.0%，GV3通流能力已到95％，可见GV3在与GV4的重叠度范围内，调频能力已非常有限。综合考虑汽轮机的安全和调频性能，可以考虑在重叠度区减弱GV3调频幅度，保持GV4调频能力不变，优化后原理图如图3所示。

                                      图3   优化后DEH一次调频原理图

    图3中，K1为斜率修正系数，取K1＝0.1，lag为惯性环节，时间常数可取1～2秒，“119.6<REFDMD+调频量<123.3”表示GV3和GV4在顺序阀方式时的重叠度，作为GV3调频优化的切换开关，切换开关“Y”与“N”相互切换时的数据的变化速率可设为1%/s。根据逻辑可以计算出，当REFDMD=122时，若频差超出死区－1r/min时，GV3从80.7％仅开到82.0％，GV4仍旧从6.2％开到7.2％，完成一次调频量。显然，GV3波动幅度大幅降低。

4 整体分析

    一次调频是通过DEH和CCS联合实现，DEH完成快速响应部分，是有差开环调节，就是以上所介绍的；CCS实现无差闭环调节，保证一次调频的持续性和精度，最终达到调频量，联合调频原理如图4所示。

                                         图4   联合调频原理图

    图4中虚线左侧为CCS中汽轮机控制逻辑，结合图3可以看出，优化后的逻辑，对CCS闭环调节没有影响，发电机功率会稳定在目标功率与调频量之和。CCS中汽轮机的控制指令REFDMD对调频量一般具有6～15秒的惯性环节特性，此特性可以避免CCS的二次调频和DEH的一次调频的重叠而引起调频量超调太多，也体现了CCS与DEH侧一次调频作用时序上的互补性[6]。取惯性时间8秒时，当REFDMD=122时，频差超出死区－1r/min波动时，通过仿真可以得到图5曲线，GV3波动幅度大幅降低。

                                 1：GV3是优化后调频曲线     2：GV3是优化前调频曲线

                                         图5   GV3阀门优化前后的仿真曲线

    另外，在上述优化逻辑中，只是抑制了重叠区晃动大的阀门，当然，也可以把因此减少的调频量通过重叠区的另一个阀门用类似方法来补偿，这样DEH的逻辑就要作更大的变动。对广东电网来说，参与一次调频的机组有一百多台，每台机组阀门的重叠度不超过行程的16％，优化后电网总调频性能损失是很小的，但大幅提高了机组运行的稳定性。

5 结论

    通过优化重叠度范围一次调频逻辑后，大大降低了阀门的晃动幅度，提高了机组的安全运行，同时也稳定了电网的频率。消除了电厂对全程一次调频引起机组不稳定的顾虑，可以减少甚至杜绝文[1][2]中为了机组安全而切除一次调频或做假一次调频投入信号的现象。对各种类型汽轮机组，无论是超（超）临界还是亚临界机组，在顺序阀方式时，都可以借鉴以上的优化策略。

    目前，广东省内参与一次调频的汽轮机组，一次调频的逻辑仅考虑了一次调频能力，对机组的全程调频和顺序阀方式时的阀门大幅晃动很少采用避免措施。作者希望此文能起抛砖引玉作用，共同研讨出更好措施，消除一次调频功能给机组带来的安全隐患。

参考文献

[1] 张毅明，罗承廉，孟远景等. 河南电网频率响应及机组一次调频问题的分析研究[J]. 中国电力，2002，35(7): 35-38.

[2] 陈亮，陈慧坤. 广东电网发电机组一次调频性能分析[J]. 广东电力，2008，21(8): 8-12.

[3] 陈旭伟，王旺，赵松烈. 东芝600MW机组一次调频功能的改进[J]. 浙江电力，2007，39(4): 39-42.

[4] 张斌.自动发电控制及一次调频控制系统[J]. 北京: 中国电力出版社，2005.

[5] 朱大林，曾孟雄. 汽轮机组调节系统的重叠度与节流损失[J]. 三峡大学学报(自然科学版)，2001，23(2): 155-158.

[6 ] 尹峰.CCS参与的火电机组一次调频能力试验研究[J]. 中国电力，2005，38(3): 74-76.
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