海 浩，赵洪健

（宁夏枣泉发电有限责任公司，银川 750409）

0 引言

随着中国新能源发电的发展和特高压电网建设尤其是特高压直流输电工程项目的快速推进，作为输电端和受电端的区域电网低频事故风险增加[1]，这样就要求特高压直流输电工程项目的电源电厂具有较好的一次调频能力。枣泉电厂上汽-西门子超超临界汽轮机原设计采用两个高调阀全开进汽，用补汽阀实现机组对一次调频的快速响应。但在实际运行中发现，当补汽阀开启后汽轮机各轴承振动均有一定幅度升高，影响机组安全运行，有调查表明很多同类型机组均存在这一问题[2]。因此，枣泉电厂两台机组均已将补汽阀阀限设置为-5%，禁止补汽阀开启，但这样做将导致机组一次调频性能下降甚至丧失。本文分析了包含DEH 流量指令死区问题在内，导致宁夏枣泉电厂一次调频性能差的几个因素，提出优化措施，并应用于宁夏枣泉电厂两台机组，取得了较好的效果。

图1 #1机组一次调频响应曲线Fig.1 Primaryfrequency modulation response curve of unit 1

图2 #2机组一次调频响应曲线Fig.2 Primary frequency modulation response curve of unit #2

1 优化前一次调频问题分析

1.1 优化前一次调频扰动响应情况

2018 年7 月4 日16 时43 分，枣泉电厂两台机组均处于CCS 控制方式，一次调频投入，两台机组负荷均保持在630MW。16 时43 分53 秒宁东至浙江800kV 输电线路极Ⅰ闭锁，电网频率产生较大扰动，枣泉电厂两台机组汽轮机转速最高至3007.2r/min，一次调频响应曲线见图1 和图2 。

#1 机组在频率上升时锅炉主控指令与DEH 汽轮机流量指令方向正确。一次调频理论积分值-681.71MW·s，实际积分值-6.42MW·s，一次调频性能为0.94%，不满足调频要求。#2 机组一次调频理论积分值-676.56MW·s，实际积分值-62.11MW·s，一次调频性能为9.18%，同样不满足调频要求。

1.2 原因分析

1.2.1 DEH流量指令死区问题

以#1 机组为例分析其一次调频响应缓慢的原因。由动作曲线可以看出，一次调频动作瞬间机组处于微欠压状态，高调阀全开、补汽阀强制关闭，DEH 汽轮机流量指令86.95%，一次调频动作后流量指令开始下降，38s 后流量指令下降至80%，高调阀由100%开始关闭，负荷缓慢下降。即在本次一次调频动作后38s 时间内，高调阀没有对一次调频作出响应。检查DEH 控制逻辑发现，调门在DEH 流量指令为80%时全开，流量指令在78%～100%区间时补汽阀参与调节，流量指令78%～100%对应补汽阀指令0%～20%（见图3）。

图3 阀门开度与DEH流量指令对应关系Fig.3 Corresponding relationship between valve opening and DEH flow instructions

由图3 可见，如果将补汽阀强制关闭，DEH 流量指令在80%～100%之间时机组负荷变化只能依靠锅炉侧响应，这将是一个缓慢的过程，大约有3min 左右的延迟，无法起到快速响应流量指令的作用。由此可见，切除补汽阀引起的DEH 流量指令死区问题是引起枣泉电厂两台机组一次调频响应不合格的主要原因。经过计算得到，当DEH 流量指令达到90.97%左右时，一次调频高频动作高调阀开度指令延迟将会到达60s 左右，实际机组已经基本丧失了一次调频快速响应能力。

1.2.2 滑压曲线不合理

通过负荷摆动试验观察机组稳态时各负荷段高调阀开度，发现330MW 时高调阀开度较小，但在负荷高于580MW 时高调阀长时间处于全开状态。汽轮机进汽调阀开度越大，节流损失越小，机组的热效率也越高，与此同时调阀开度大将会导致一次调频双向调节裕量减小。

现在国内有部分机组开发了凝结水节流调频[3,4]、高加抽汽调频[5]等新型的调频方式，但短期内显著提升调频效果难度很大，现在最有效的方式依然是减小调阀开度。有研究表明，上汽-西门子机型机组在运行参数与热力参数不变的条件下，高调阀在50%开度运行时，仅靠调门调整至全开状态仍能提供4.27%左右的负荷参与快速响应，并且高调阀在50%～100%开度间节流损失增加不大[6]。汽轮机的阀点工作位置与汽轮机滑压曲线密切相关[7]。由此可见，可以通过优化滑压曲线，将机组各负荷段稳态时高调阀开度保持在40%～50%之间，在保证汽轮机热效率的情况下提高机组一次调频响应能力。

1.2.3 机组变负荷阶段一次调频响应慢

在机组变负荷过程中，由于主汽压力扰动较大，导致调门开度不稳定。经过分析发现，枣泉电厂两台机组在变负荷过程中，调门经常处于全开状态，此时若电网出现低频扰动，机组将无法做出正确、迅速的响应。变负荷过程中主蒸汽压力稳定与否直接表征了机组协调系统的响应速度，所以解决这一问题需要对机组变负荷过程中的协调系统进行优化。

图4 优化后阀门开度与DEH流量指令对应关系Fig.4 The valve opening corresponds to the DEH flow instruction after optimization

2 系统优化及效果

2.1 系统优化

2.1.1 增加补汽阀投切按钮

补汽阀开启后汽轮机轴承振动突增问题短时间内无法得到有效解决，为了消除DEH 流量指令死区问题对机组一次调频性能的影响，经过与上汽厂家协商，共同制定了解决方案——增加补汽阀投切功能。该功能具体内容为：当补汽阀切除时，补汽阀阀限设置为-5%，禁止其开启，高调阀与DEH 流量指令对应关系由原来的高调阀开度指令0%～100%对应流量指令0%～80%转换为0%～100%对应0%～100%，中压调阀也做相应修改；当补汽阀投入时，保持现在的对应关系不变（见图3），具体流量指令与高调阀开度指令曲线变动情况见图4。

优化完成后，彻底解决了切除补汽阀导致的DEH 流量指令死区问题，使高调阀在流量指令的全行程都可以参与调节，机组一次调频能力和负荷响应速度将会得到明显提升，但是随之而来将面临这样几个问题：

1）高调阀全开概率下降，机组节流损失增加[8]。这个问题可以通过调整滑压曲线和CCS 系统控制性能，使高调阀保持在40%～50%开度，机组节流损失不超过允许范围。

2）降低了DEH 系统的调节速度。对流量指令与高调阀阀位对应关系的修改，相当于放大了高调阀调节范围，而DEH 系统中负荷/转速控制回路PID 参数不变，这样相当于降低了DEH 系统的响应速度。实际上DEH 系统有自己的负荷变化速率，且对应关系的修改对DEH 系统调节速度影响很小，经过观察优化后的机组负荷响应速度几乎不受影响。

表1 滑压曲线修改数据Table 1 Slip curve modification data

图6 #1机组协调优化后负荷响应曲线Fig.6 #1 Unit coordination and optimization post-load response curve

表2 优化后部分时段一次调频性能Table 2 One-time FM performance in some post-optimization periods

2.1.2 机组滑压曲线的调整

枣泉电厂两台机组滑压曲线采用厂家的初始设计，是一条理论工况下的曲线，当机组运行工况发生变化时将无法满足机组实际需要。确定机组滑压曲线的方法有很多，例如试验法、阀点分析法、重点与因素分析法等[7]。由于已经确定了高调阀理想的工作阀位，所以采用了试验法确定并调整了机组滑压曲线。

2.1.3 协调控制系统性能优化

在进行机组负荷摆动试验后，主要从以下几个方面进行了优化：

1）根据实际运行情况重新整定了水、煤基准线。

2）调整机组的变负荷前馈，适应机组的变负荷要求，减小变负荷过程中汽压的动态偏差，提高机组实际变负荷速率。

3）适当加快主蒸汽压力偏差对锅炉负荷指令的修正速率，加快燃料发热量自动校正回路（BTU）对燃料量的修正以提高机组对燃料发热量变化的适应能力。

图5 滑压曲线修改前后曲线对比Fig.5 Comparison of curves before and after the modification of the slip curve

4）减小了焓控PID 的积分时间，增强了积分作用，加快焓控的调节，并重新整定了给水调节的惯性时间，缩短了升负荷时的惯性时间。

2.2 优化后效果

机组协调性能优化工作完成后，协调性能整体有较大提升，负荷响应迅速，静态主蒸汽压力设定值与实际值偏差减小，变负荷过程中调门开度波动情况明显好转，稳态状态下能够长期保持在40%～50%左右开度，确保了一次调频的双向调节裕度充足。

有机组协调系统性能大幅提高作为铺垫，加上增加补汽阀投切按钮后，彻底消除了切除补汽阀后DEH 流量指令死区对机组负荷响应能力的影响，一系列的优化完成后，两台机组的一次调频性能有了明显好转，近期电网频率发生的几次波动，机组负荷都能够快速响应，一次调频实际积分电量基本能够满足要求。

3 结束语

本文分析了导致枣电两台机组一次调频响应慢的原因，通过增加补汽阀投切功能，优化机组协调控制系统等方法，将高调阀开度控制在40%～50%左右，提高了机组负荷响应速度；同时提高了机组一次调频双向调节裕度与响应速度。本文介绍的几种优化措施，可以在机组付出较小热耗的情况下大幅度提高一次调频能力，可以为同类型机组提供一次调频优化参考，同时也期待更加节能的一次调频技术的出现。