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9FA级燃气-蒸汽联合循环机组一次调频性能优化

作者: 发布时间:2020-01-17 11:18:43 阅读: 50 次

 

摘要:本文通过对9FA级燃气-蒸汽联合循环机组一次调频性能的分析,根据华东“两个细则”的指标要求,提出影响一次调频效果的因素及优化措施,为提高9FA联合循环并网机组一次调频性能提供参考。

关键字:联合循环;一次调频;性能;分析;优化

Abstract: Through performance analysis of primary frequency regulation of 9FA gas-steam combined cycle unit, the article elucidates factors affecting primary frequency regulation and puts forward a series of optimized measures according to the requirements of Two Detailed Regulations. Finally, it provides useful guidelines for future studies of  primary frequency regulation of 9FA gas-steam combined cycle unit.

KEY: Combined cycle, primary frequency regulation, performance, analysis, optimized

电网频率是电能的重要指标,频率超过允许范围会影响到电力系统、发电机组及用户的安全性和经济性。随着电网用户结构的变化,冲击性、非线性负荷不断增加,用户对电能质量的要求也越来越高,因此提高发电机组的一次调频功能,保持系统频率在允许范围内是非常重要的。

近年来,以天然气为燃料的燃气一汽轮机联合循环机组已大量投入商业运行,从电网角度出发,要求这些机组均投入一次调频以增强整个电网的稳定性。因此,通过对燃气-蒸汽联合循环机组一次调频调节回路的分析,根据华东“两个细则”的指标要求,提出提高机组一次调频效果的优化措施是非常有必要的。

 

1.机组一次调频原理分析

  GE燃气轮机的一次调频与燃机的负荷控制密不可分,其一次调频功能由MARK VI控制系统设置在机组的负荷控制回路中,DCS侧设计了AGC和负荷指令回路,其负荷指令通过硬接线送入MARK VI预选负荷回路。

GE燃气轮机负荷变化最终是通过改变燃料行程基准FSR来实现的。机组并网正常运行后,可能进入控制的是转速控制和温度控制。当出力增加到一定程度,为控制机组所受热应力,温度控制基准(FSRT) <转速控制基准(FSRN),温控系统进入控制,即进入"基本负荷"模式运行。此时机组已处于维持燃烧运行状态模式下,不具备负荷调节能力。因此机组运行在基本负荷模式时,负荷不受负荷指令和转速控制,此时燃机不具备一次调频功能。

在未达到基本负荷下(预选负荷),排气温度还未到达温控限制,温度控制基准(FSRT) >转速控制基准(FSRN),通过升降转速基准(TNR)可以增减机组出力。

如图1所示,当机组负荷指令发生变化时,负荷指令与实际功率的偏差转化成转速基准TNR的变化,电网频率发生波动时,转速测量值TNH发生变化,燃机通过转速基准TNR与机组实际转速(TNH)的偏差值改变燃料量指令FSR,从而达到控制燃机的燃料量,实现机组负荷控制,参与电网一次调频。

 

1:机组负荷控制回路原理图

2.电网对发电机组一次调频性能相关考核要求

并网机组一次调频的效果是根据华东“两个细则”提出的指标要求进行考核的,因此一次调频的功能应符合“两个细则”提出的指标要求。

根据《华东区域发电厂并网运行管理实施细则》和《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》规定,一次调频的效果是指当电网频率超出50±△fsq(机组频率控制死区±0.033Hz)且持续时间超过20秒时,一次调频机组在电网频率超出这个死区的时段内实际发电出力响应的积分电量(±△QsY)占相应时间内理论计算积分电量(±△QjY)的比例,即DX(一次调频效果)=△QsY/△QjY。实际考核中,当DX0,则DX=0;当DX2,则DX=2

一次调频实际增量部分的积分电量QsY为:

 

其中,t0为电网频率超出机组频率控制死区△fsq的时刻;t调节为电网频率超出机组频率控制死区时间;PST为机组在t0时刻前5秒内实际出力平均值;PSt为机组在t0时刻后t调节时间内机组实际出力。

3.机组一次调频效果分析及改进措施

对比燃机一次调频功能和电网对发电机组一次调频性能的考核,对影响镇电9F机组一次调频效果的主要控制回路进行针对性改进:

3.1机组负荷调节转速回路死区

一次调频效果的考核以电网频率为依据,机组频率控制死区Δfsq为±0.033Hz。对于9F机组的负荷控制回路中,机组实际转速(TNH)是不存在转速死区。当电网频率一旦偏离基准的50Hz,机组出力将立即作出响应,到电网频率超过死区的t0时刻时,调频动作t0时刻的基准功率PST已经达到或超过机组在t0时刻后t调节时间内机组实际出力PSt,导致一次调频效果不合格。

为解决这个问题,需要对9F机组的负荷控制回路中的转速回路加以修正。如果直接在机组实际转速(TNH)上增加控制死区,根据负荷控制回路原理,燃料行程基准(FSR)在转速离开控制死区时将产生一个阶跃变化,这对于燃气机组的燃烧稳定带来影响,是机组的安全稳定运行所不能接受的。考虑到机组在并网运行后,机组实际转速由电网频率决定,不存在较大波动。可以在机组实际转速(TNH)上增加较大控制死区,这样在机组并网运行状态下,默认机组实际转速不变维持在3000rpm,使燃机负荷控制回路不受实际转速变化影响,去除一次调频效果的考核死区设置与机组自身转速回路死区不匹配的问题。

3.2增强负荷控制调频动作速率。

原有负荷控制回路功能实现类试AGC回路,其速度等同于机组正常升降负荷的速率,受到各个限速限幅环节的限制。因此很难满足电网对发电机组一次调频性能立即改变机组负荷的要求。

为解决这个问题,当进入调频模式时,机组的负荷指令将被锁定不变,在速率限制模块后叠加一个根据频差曲线得到的负荷偏置值,进入负荷控制回路。这样调频负荷偏置值将立即作用于机组的负荷变化,其速率限制仅受机组更大允许变化速率限制,使得在电网频率发生偏移的情况下,机组迅速实现负荷响应,满足一次调频考核要求。

3.3机组负荷调频投入期间避免进入温控区间。

  由于燃机负荷调节的特点,当负荷接近基本负荷时,为了控制机组的燃料量保证透平温度在机组所能承受的热应力范围内,此时负荷已不能受负荷指令控制,也就无法参与一次调频。电网对发电机组一次调频性能的考核并没有这方面的考虑,一次调频性能就将处于不合格状态。燃机基本负荷能力受各个环节影响,特别是环境温度的影响,并不是一个定值,在9F机组运行中,冬季更大出力和夏季更大出力将相差近70WM,在负荷调节时很难确定一个确定的范围使机组的一次调频处于可投运状态。

  经过测试和分析,压气机进口可转导叶(IGV)的控制作用于在一定负荷下维持较高的排气温度以提高联合循环的热效率,其开度直接对应着机组是否已进入温控模式。GE9F机组压气机进口可转导叶(IGV)开度范围在27°-84°之间,IGV接近更大开度时的机组负荷也就是机组所能达到的更大可控负荷。通过判断压气机进口可转导叶(IGV)的开度反馈,可以动态判断机组负荷能力上限,实现参与一次调频时机组负荷避免进入温控区间,影响一次调频效果。

 

4.优化效果

通过上述手段,如图2所示,针对电网对发电机组一次调频性能的考核,对机组负荷控制回路进行了一次调频逻辑优化。

2:优化后一次调频负荷控制逻辑

如表所示为一次调频逻辑优化前后电网对某发电机组一次调频性能的考核结果。

时间

月正确率

月平均性能

月投运率

考核电量(MWH

2010.6

40%

0.25

143.2

2010.7

59.5

0.31

73.5

2010.9

69.7

0.9

40.7

1 优化前机组一次调频效果

时间

月正确率

月平均性能

月投运率

考核电量(MWH

2010.10

92.9%

1.2

0

2010.11

89.0%

1.4

0

2010.12

88.5%

1.4

0

2. 优化后机组一次调频效果

对比可以发现,原有控制策略未能考虑电网对发电机组一次调频性能的考核,导致一次调频性能低,存在考核电量,影响机组经济效益。

通过对机组一次调频逻辑优化,9F机组一次调频频动作效果有明显提高,已能满足电网对发电机组一次调频性能的考核。在此控制方式下,一次调频对汽包水位、过热蒸汽温度、燃机排气温度影响并不显著,对机组安全性与稳定性的影响较小,控制系统能满足机组参加电网一次调频的运行方式。

 

参考文献:

[1] GEK111047,Steam & Gas Turbine-Generator inspection and Maintenance Manual.

[2] 肖小清. GE燃机主控系统特点及其一次调频特性研究 《汽轮机技术》 200806

[3]华东区域发电厂并网运行管理施细则(试行)