300MW火电机组孤网运行控制策略.pdf

内 蒙 古 电 力 技 术 I NN E R M O N G O L l A E L E C F R 1 C P O WE R 2 0 1 3 年第 3 l 卷第 5 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 6 2 1 8 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 0 8 3 0 0 MW 火 电机组孤 网运 行控制 策略 杨新 ， 揭其良 ， 毕德忠 1 ． 霍煤鸿骏铝电有F F - -司， 内蒙古 霍林郭勒0 2 9 2 0 0 ； 2 ． 东北电力科学研究院有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 0 6 摘要 介 绍了3 0 0 MW 火电机组 D E H控制逻辑的原理和特 点， 结合机组在孤 网运行 中的 调 节特性和控制任务 ， 提 出了孤 网方式下汽轮机 D E H控制逻辑改进方案以及锅炉跟 随方式 的协调控制策略优化措施 ， 在 D E H控制 系统 中新增 了无死 区、 全程参与调节的一次调频回路 v X 7 L - 次调频逻辑。在单机或者双机发电直供霍煤鸿骏铝电有限公 司的过程 中， 机组均能够 一 直保持发电功率与用电负荷的平衡 ， 并且保证 了供 电频率和 电压的稳定性。 关键词 3 0 0 MW 火电机组； 孤 网运行 ； D E H； 一次调频； 二次调频 ； 控制策略 ； 协调控制 文献标志码 B 中图分类号 T P 2 7 3 ． 1 文章编号 1 0 0 86 2 1 8 2 0 1 3 0 5 0 0 9 40 7 Co n t r o l S t r a t e g y o f 3 0 0 MW Th e r ma l Po we r Un i t wi t h I s o l a t e d Gr i d Op e r a t i o n Y a n g X i n ， J i e Q i l i a n g ，B i D e z h o n g 1 ． H MH J A l u m i n u m E l e c t r i c C o ． ， L t d ． I n n e r Mo n g o l i a H u o l i n g u o l e 0 2 9 2 0 0 ； 2 ． N o r t h e a s t E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e C o I t d ． ，L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 0 6 Ab s t r a c t By a n a l y z i n g t h e p r i n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n v e n t i o na l DEH c o nt r o l l o g i c o f 3 0 0 MW t h e r ma l p o we r u n i t ．c o mb i n e d wi t h t h e r e g u l a t i o n a n d c o n t r o l t a s k s i n i s o l a t e d g r i d o pe r a t i o n o f t h e r ma l po we r un i t s ， t h e p a pe r p u t f o r wa r d o p t i mi z a t i o n s t r a t e g y o f c o o r d i n a t e d c o n t r o l s y s t e m o f t he b o i l e r f o l l o wi n g a n d i mp r o v e d s c h e me o f DEH c o n t r o l l o g i c i n t h e i s o l a t a de g r i d． I n t he DEH c o n t r o l s y s t e m s e t t h e pr i ma ry fre q ue nc y mo d u l a t i o n wi t h o u t b l i n d s p o t ， a n d a d d e d t h e s e c o n d a r y fre q u e n c y mo d u l a t i o n ． I n t h e p r o c e s s o f s i n g l e o r d u a l u n i t s s u p p l y t h e u n i t s b o t h c o u l d k e e p t h e l o a d b a l a n c e l o n g t i me a n d p r o v i d e e l e c t r i c i t y wi t h s t a b l e fr e q u e n c y a n d v o l t a g e ．T h e r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f t h e i s o l a t e d g r i d o p e r a t i o n h a d t h e v a l u e f o r t h e d e v e l o p me n t o f mi c r o - g rid t e c h n o l o gy． Ke y wo r d s 3 0 0 MW t he r ma l po we r un i t ； i s o l a t e d p o we r g r i d o p e r a t i o n ； DEH； pr i ma ry fre q u e n c y r e g u l a t i o n ；s e c o n d a r y fre q u e n c y r e g u l a t i o n ；c o n t r o l s t r a t e gy；c o o r d i n a t i o n c o n t r o l 0 引言 随着 国家能源政策的调整及企业 发展 的需要 ， 我国企业 自备电厂的数量越来越多。自备电厂与 大电网的功率交换通常很小， 甚至有的自备电厂不 与大电网相连 ， 形成了小容量孤立 电网。相对于大 电网 ， 由于孤立 电网用 电负荷 的扰动量较大 ， 对孤 网运行机组控制策略提出了更高的要求。另外， 孤 网运行的火电机组可以作为大电网大面积停电事 后电力系统的恢复措施， 所以对孤网运行火电机 的运行控制方式进行研究显得十分必要。尽管 前很 多科研单位对 电网的黑启动与及恢复 、 机网 【 收稿 日期】2 0 1 3 0 8 一 叭 [ 作者简介】杨新 1 9 8 1 一 ， 男， 辽宁人， 学士， ] 程师， 从事火力发电机组热控柃修与维护』 作。 故 组 目 2 0 1 3 年第3 1 卷第 5 期 杨新， 等 3 0 0 MW火电机组孤网运行控制策略 9 5 协调、 汽轮机调节系统特性试验及一次调频特性等 多方面n 进行过较为细致的研究， 但针对大型火 电机 组孤 网运行方式 控制策略 的研究并不多 。结 合机 组的具体运行实践情况 ， 本文拟对霍煤鸿骏铝 电有 限公司 2台3 0 0 MW火 电机组在孤 网中运行 的控制 策略进行分析与探讨 。 1 机组概况 霍 煤鸿 骏铝 电有 限公 司 以下 简称 为鸿骏 公 司 位于 内蒙古 自治区霍林 郭勒市近郊 ， 装机容量 为 2 x 3 0 0 MW， 主机均 由哈尔滨 三大动 力厂生 产 。 在蒙东地 区电源建设 的总体规划中 ， 该 电厂计划 以 2 2 0 k V出线接人东北电网 ， 并作 为 自备 电厂直接 向 中电投蒙 东能源 有 限责 任公 司所属 的铝厂供 电。 汽 轮机 为 哈 尔滨 汽 轮机 厂有 限责任 公 司生 产 的 N Z K 3 0 0 1 6 ． 7 ／ 5 3 7 ／ 5 3 7型亚临界直接空冷机组 ， 型式 为单轴 、 一次 中间再热 、 双缸双排汽 、 直接空冷 、 凝 汽 式 。 机 组 D C S和 D E H均 采 用 国 电 智 深 E D ． P F N T P L U S分 散 控 制 系 统 ， 实 现 了 D A S 、 F S S S 、 MC S 、 S C S 、 E C S以及 D H E等系统功能一体化 。 2 孤网运行方式 2 ． 1 鸿俊公司孤网运行的必要性 1 2 x 3 0 0 MW 机组 的并 网 问题 一直 未能 解 决 ； 2 鸿 骏公 司现 有产 能 的用 电负荷 已达 8 4 0 MW 3 如果不能及时发 电， 不但会 给机组 的过冬 防冻带来严峻考验 ， 也会影响整个项 目的经济性 。 2 ． 2 运行方式 经过分析 ， 制定 了鸿俊公 司2 x 3 0 0 MW 机组 的 孤网运行方式 1 霍林 河坑 口电厂并人东北 电网的2台6 0 0 MW机组 配合鸿骏公 司 ， 使 2 x 3 0 0 MW机组 直接 向 鸿骏公 司二期供 电 2台机组共带最大负荷 5 4 0 Mw 运行 ， 每台机组各留有1 0 ％的负荷余量 。 2 为配合电厂 2 x 3 0 0 MW机组启动带负荷运 行 ， 鸿骏公 司铝厂 、 电厂 2 2 0 k V系统采用双母 线分 裂运行方式 ， 母联开关断开。 3 鸿骏公 司铝厂最 大用 电负荷 为 8 4 0 M W， 另外3 0 0 M W备用容量由东北电网提供。 3 负荷特性及孤网运行机组特点 3 ． 1 负荷特性 鸿骏公 司铝厂采用霍尔一 埃鲁特熔盐 电解法生 产 电解铝 ， 阳极效应是熔盐 电解 的特有现象 ， 并具 有一定的突发性 。发生 阳极效应时 ， 电解槽 电压会 由4 ．2 v急剧升高至2 O ～ 9 5 V， 但由于整流机组的恒 流控制作用 ， 其 电流仍会维持在 3 0 0 k A左右 ， 因此 用 电负荷会突然增 大 4～2 8 Mw， 持续 1 ～3 m i n 后 经人工干预又会突然消失。孤 网运行 时， 电解铝厂 在投 入电解槽焙烧期 间 ， 用 电负荷突升 、 突降会 对 电厂机组造成很大影响。 3 ． 2 孤网运行机组特点 孤网运行机组 的突 出特点是机组需要从负荷 控制方式转变为频率控制方式 即一次调频 ， 孤网 运行 的关键 问题是 维持频率 的稳定u 。由于机组 原设计为并人大电网的运行方式 ， 设计时并未考虑 孤 网运行 的需要 ， 尤其是 D E H系统与孤 网运行方式 的要 求相差较 多 ， 因此必须进行改造 。另外 ， 在启 动运行方式 、 调节性能 、 O P C等保护功能方面， 孤 网 运行方式也与常规并 网运行方式有较大的差别 ， 必 须对 D E H控制逻辑进行修改完善 。 4 控制逻辑优化改进 4 ． 1 D E H逻辑中不符合孤网运行要求的功能 哈尔滨汽轮机厂 3 0 0 Mw汽轮机组 电液调节系 统是 以美国西屋公司 D E H一 Ⅲ型电液调节系统为蓝 本 ， 根据 国产机组特点经不断改进设计的 ， 机组原 D E H逻辑 中存在许多不能适应孤网运行 的功能。 1 原方式并网后 ， 控制方式转为阀位方式， 由运 行人 员直接 给定阀门开度 。如此时一次调频 功 能未投入 ， 则不再参 与转速调 节 。在孤 网方式 下 ， D E H必须承担转速调节的全部任务， 否则系统 频率将无法维持 。用户 鸿骏铝厂 的负荷特性决 定 了本机增加阀门开度时， 一定会造成转速飞升。 2 原来 的一次调频功能可投入及退 出， 一次 调频设有一定死 区及调整 幅度 限制 。在孤 网方式 下 ， 一次调频不能有死 区及调整幅度限制 。 3 孤网运行状态下 ， O P C 的动作实际上是一 个较大的干扰源， 应尽量减小其动作频率但又不能 失去对机组安全的保护性 ， 所以O P C 超速保护相 关逻辑需要改进完善 。 4 原D E H控制逻辑是在类似机组通用逻辑 2 0 1 3 年笫3 1 卷第5 期 杨新， 等 3 0 0 MW火电机组孤网运行控制策略 B0ARD ．．．．．．．．．．．．_ _J 二次调频投切 孤 网方式 投切 ] x - ⋯一 K E Y I 一1 B OA RD i AND AND S 1 R O R ／ S 触发器输 出 1 为孤 网状 态 T 汽轮机转速 发 电机 出口开关分 闸 发 电机 出口开关分 闸状 态 调频给定值 图 3 孤 网方 式投 切及二次调频控制逻辑 设计 的阀位方式 ， 新增孤 网方式下 的一次调频 回路 与原有一次调频回路并列 ， 由“ 孤网运行方式” 开 关控制切换 。孤 网方式下 的一 次调频 回路全程投 入对转速进行 控制 。控制逻辑 为纯 比例转速控制 有差调节 ， 调 门的实际输 出值为运行人员设定 的 目标 阀位指令 与一次调频输 出指令 的代数和 。孤 网方式一次调频 回路不设置调节死区 ， 调节范围对 应调 门0 ～ 1 0 0 ％开度 。孤 网运行方式一次调频 的不 等率采用新 的折 线函数 ， 由于转速偏差小 的时候 ， 汽轮机 高调 门只需更小 的动作值 即可维持转速 的 稳定 ， 所 以低频差 时对应 的不等 率更 大 ， 调频 能力 相对较弱 。表 1 为机组不等率等于 5 ％的一次调频 静态特性 ， 数值 已经过主汽压力修正 1 6 ． 7 M P a 。 4 ． 3 ． 6 修 改保 护功 能 针对孤网运行特点 ， 对 O P C 、 L D A 负荷下跌 预 测 等相关逻辑进行完善 。孤 网运行 状态下 ， 单 机 表1 一次调频静态特性 转速偏差／ r mi n 。 。 阀位偏置／ ％ 一 1 5 0 - 3 0 0 3 0 1 5 O 1 0 0 1 5 O 一 1 5 1 0 0 3 0 o o 或双机孤岛带铝厂负荷运行时 ， 如果铝厂电解槽发 生故 障甩 8 ％以上负荷 ， 就会导致系统高频率运行 ， 汽轮机转速极易达到 O P C动作值而导致机组甩负 荷停运。O P C 的动作实际上是一个较大的干扰源， 应尽量减小其动作频率但又不能失去对机组安全 性的保证 。 。为解 决这一问题 ， 在孤 网方式下 ， 将 O P C的动作设定值 由额定转速的 1 0 3 ％t 加至 1 0 5 ％ 即转速 3 1 5 0 r ／ m i n 时 ， O P C动作 ， 并且增设转速 飞升 转速变化率 感应触发 O P C动作 的功能。根 据实际情况 ， 该动作值 目前设定为 每运算周期 转 速飞升 2 0 r ／ mi n ， 且汽轮机转速 3 0 4 0 r ／ mi n 。 4 ． 4 处理 D E H操作员站阀位设定值触及上限问题 由于D E H的综合阀位输出是由负荷给定、 二次 调频给定以及一次调频输出的代数和组成的， 因此 当机组负荷达到 2 6 0 MW左右时 ， D E H操作画面上 的负荷给定 对应 阀位给定 将接近或达到 4 0 0 M W 的上 限。当二次调频 因转速偏差 此时以正偏差为 主 调节较多时， 二次调频 的输 出接近调节下限， 此 时阀位给定正好对应上限。出现这种情况时， 运行 人员可以手动减小 目标负荷给定值 ， 从而瞬间降低 汽 轮机转 速 ， 使二次调 频 因转 速负偏差 而 自动 调 节 ； 如一次操作调节幅度不足 ， 可重复操作 ， 使负荷 给定值接近实 际负荷 即可 。为预 防上述 问题 的出 现 ， 适当增加了二次调频的正向死区， 减少了二次 9 8 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 1 3 年第3 1 卷第5 期 调频的负 向死区。二次调频死区设置为一 8 ～1 5 r ／ mi n ， 即汽轮机转速低于 2 9 9 2 r ／ mi n 或者高于 3 0 1 5 r ／ m i n 时 ， 二次调频控制 回路才 自动投人运算 ， 对系统 频率进行调节 。 4 ． 5 优化锅炉跟随方式下的协调控制系统 4 ． 5 ． 1 锅 炉主控的 负荷前馈 孤 网运行方式下 ， 汽轮机调节 阀始终处于 D E H 本地控制状态 以维持转速的稳定 ， 发 电负荷始终 由 铝电公司的用电量决定， 所以不存在机组目标发电 负荷和机组发 电负荷指令 L D C， 锅炉主控通过调整 燃烧率 以维持机前压力 的稳定 。因此 ， 孤网运行时 只能投入锅炉跟随方式 的协调控制模式 ， 锅炉主控 的负荷前馈如图4 所示。 实发功率 人 嚣 出滞后时间1 0 s 输 入 芋 人 加 法 器 L 输 出 瑶 输出 2 l 输出 输 入 人 加 法 器 输出 输出2 } 输出 { 输入 蚤 墓 蒸 } 输出 l 输入 f K l 修正系数 { 输出 图4 锅炉主控的负荷前馈 4 ． 5 ． 2 锅 炉 主控逻 辑 的构 成 锅炉主控逻辑主要由以下 4 部分组成。 4 ． 5 ． 2 ． 1 机组实发负荷及其微分信号的动态前馈 机组孤网运行方式没有负荷指令信号， 只能使 用 实发 负荷及其 微分信号之和作为锅炉主控的前 馈信号 。该前馈 信号决定 了锅炉绝大部分热量需 求值 。需要指 出的是 ， 使 用实发负荷信号替代本该 使用具有提前预测功能的负荷指令信号， 在动作效 果上会有一些滞后。 设计 的负荷微分 回路是 为了在机组变负荷 过 程中提高负荷的响应速度 ， 对锅炉蓄热起到动态补 偿 升负荷 或者动态释放 降负荷 的作用， 也改善 了主汽压力的品质 。微分增益设置为 1 ． 2 S ， 微分时 问设置为 1 0 S ， 微分输 出限值一 3 ～3 。 4 ． 5 ． 2 ． 2 机前压力偏差的动态微分 设计此 回路是为 了判 断主汽压力实际值与压 力定值偏差的动态方向和幅值。若主汽压力向着 高于设定值方向变化时， 通过该微分作用可适当减 少给煤量 ； 反之 ， 若 实际压力向着低 于压力设定值 方 向偏 离 ， 则相应增加锅炉总煤量。由于孤网运行 方式下 ， 伴 随着对端用户发生 阳极效应时 ， 汽轮机 调 阀为 了维持转速 的稳定 ， 总是在不断动作着 ， 从 而引起机前压力的锯齿形波动 ， 为了不影响压力偏 差的微分效果， 设计了滤波逻辑回路。 4 ． 5 ． 2 ． 3 主汽压力指令的动态微分 当运行人员改变 目标压力设定值时 ， 该项前馈 逻辑则会根据设定 的压力变化速率相应增 减给煤 量 。 4 ． 5 ． 2 ． 4 压力偏差调节器实行变参数控制 将实际压力偏差经过函数 F 修正后送到 P I D 调节器运算 ， 在 主汽压力大 幅波动时 ， 减小煤量 的 波动幅度 ， 以免造成具有大惯性的锅炉系统发生振 荡 ， 参数设置如表 2 所示。 表 2 锅炉主控压力偏差 P I D调节 器参数 M P a 实际压差 调节压差 实际压差 调节压差 一 2 1 ． 6 O_3 0-3 1 ．5 1 ． 3 0．6 0 ． 6 一 l O ． 9 l 0 ． 9 -0．6 一 O ． 6 1 ．5 l - 3 - 0． 3 0- 3 2 1 ． 6 在机炉协调控制方案 中采 用前馈和解耦方法 协调汽轮机与锅炉动态特性之间的差异 ， 方案的特 点在于稳态时具有很好 的稳定性 和抗干扰能力 ； 动 态变负荷时 ， 通过实发负荷及其微分作用 、 主汽压 力偏差 的微分等前馈信号能够很好 地补偿 锅炉侧 的大滞后特性 ， 使机组在快速变负荷 的同时能保证 主要被控参数 的稳定性 。机前 压力调节器进行变 参数控制 ， 能有效地减弱煤量超调。 5 孤网运行效果 孤网方式下 的协调控制画面如图5 所示 。孤网 方式下 ， 2台3 0 0 MW机组处于锅炉跟随方式的协调 控制模式 ， 所发 电能直送霍煤鸿骏铝 电公司。经过 铝 电公 司电解槽 多次发生阳极效 应后的变负荷考 验 ， 证明改进后的控制系统具有较好的调节性能。 ． S S 研 O 3 后 问 问 滞 时 时 一 刖一 刖后 入超超滞 出 输 输