邴长江，李绍辉，张 强，褚云山，胡绍宇

(1.国电康平发电有限公司，辽宁 沈阳 110500；2.国家电投集团数字科技有限公司，北京 100080；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006 )

随着我国工业化水平不断提高,国家对环境污染越来越重视，燃气锅炉机组建设更加广泛。为保证电网安全经济运行，提高电能质量及电网频率稳定性，燃气锅炉机组需承担电网调频任务。为此，辽宁电网主动开展燃气锅炉机组一次调频试验工作，并验证一次调频逻辑及参数设置是否满足国家、行业的相关标准与电网调度要求[1-3]。

1 机组概述

某新建燃气锅炉采用四川川锅锅炉有限责任公司生产的CG-340/13.7-Q2型超高压、高温、中间再热、自然循环燃气炉，锅炉构架全部采用钢架结构，锅炉本体采用倒U型布置。汽轮机采用东方汽轮机有限公司生产的N100-13.24/538/538型超高压、高温、一次再热、六段抽汽、凝汽式汽轮机。分散控制系统DCS与汽轮机电液控制系统DEH采用西门子公司生产的PCS7-410H控制系统，DCS控制系统包括数据采集系统(DAS)、模拟量控制系统(MCS)、顺序控制系统(SCS)、锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)等。

燃气锅炉相比燃煤锅炉大大改善了对环境的污染，且减少了引风机、除尘器、除渣器等燃煤锅炉必备的设备，在初期投资及占地面积等方面也最为经济。燃气锅炉内杂质较少，锅炉受热面不会被腐蚀及结渣，使锅炉连续运行周期延长。燃气锅炉比传统燃煤锅炉在初期投资及后期机组稳定运行方面具有更多优势[4-5]。

2 一次调频主要参数及考核标准

2.1 主要参数

a．转速不等率是指机组在调节系统给定值不变的情况下，汽轮机由空负荷至额定负荷时对应的转速变化量与额定转速的比值，通常以百分数形式表示为

δ=Δn/n0×100%

(1)

式中：Δn=n1-n2，n1为机组空负荷转速；n2为机组满负荷转速；n0为汽轮机额定转速。

机组参与一次调频的能力由转速不等率决定。转速不等率越小，表示机组参与一次调频能力越强，但会对机组稳定运行造成影响；转速不等率越大，参与一次调频的能力越弱，影响电网自平衡能力。一般转速不等率为4%～5%。

b.一次调频响应滞后时间为运行机组电网频率最后一次超过一次调频死区时，机组负荷向正确调频方向开始变化所需时间。

c.一次调频稳定时间为运行机组电网频率超过一次调频死区时，机组负荷达到一次调频动作目标值范围内所用时间。

d.一次调频死区为机组转速位于额定转速附近变化时，一次调频不动作的转速区。

e.负荷变化幅度为机组参与一次调频负荷变动的上下限，当电网频率变化过大时，机组负荷不再随调频负荷变化而变化，从而保证机组运行稳定。负荷变动幅度限制越小，机组参与一次调频能力越弱[6-8]。

2.2 考核标准

a.运行机组参与一次调频的响应时间应小于3 s，即在3 s内机组负荷超过一次调频死区向正确调频方向变化。

b.运行机组参与一次调频的稳定时间应小于60 s，即在60 s内机组一次调频产生最大负荷。

c.运行机组参与一次调频的负荷响应速度在15 s内达到75%目标负荷，在30 s内达到90%目标负荷。

d.运行机组参与一次调频的死区应该不大于±2 r/min(±0.033 Hz)。

e.参与一次调频的负荷变化幅度不小于±10%额定负荷。

3 一次调频试验分析

3.1 一次调频实现方式

当机组并网运行时，正常工况下机组处于协调方式或AGC方式运行，此时一次调频功能由DEH控制系统和CCS协调控制系统共同实现。当转速差或者频差超过一次调频动作死区时，一次调频信号由DEH控制系统直接作用在汽轮机调节门指令上，使机组负荷快速响应一次调频需求，同时CCS侧的负荷设定值也叠加一次调频信号，使机组负荷和主蒸汽压力维持稳定，并发出与DEH侧一次调频动作方向相同的指令作用到汽轮机调节门，从而实现稳定、快速的一次调频功能[9-10]。其原理如图1所示。

图1 一次调频控制原理

3.2 试验方法及过程

该新建燃气锅炉机组运行的负荷控制方式为AGC控制方式，汽轮机阀门运行方式为单阀。试验时机组退出AGC控制方式，处于CCS控制方式，试验工况在60%额定负荷、75%额定负荷、90%额定负荷下进行。

将机组稳定在需要的试验工况负荷下，在工程师站手动改变一次调频测量转速偏差值，分别施加±4 r/min、±6 r/min、±17 r/min 的转速偏差扰动，持续60 s后，手动将测量转速偏差值恢复为零，同时记录该一次调频动作过程中的机组有功功率、调节门开度、主蒸汽压力、转速差等各项参数；待机组负荷、压力等运行参数稳定后，继续试验，直至该负荷工况下各个转速差扰动试验结束，调整机组负荷至下一个试验工况，重复以上试验步骤；直至所有负荷工况结束，恢复系统至试验前状态。

3.3 试验结果分析

在该新建燃气锅炉机组60%额定工况下进行试验，强制机组转速2994 r/min，并记录机组一次调频动作过程中的数据，如图2所示。

图2 转速偏差-6 r/min一次调频试验曲线

由图2可知，一次调频死区2 r/min，设计转速不等率为5%，理论测试在-6 r/min的频差负荷为2.67 MW，实际测试功率由一次调频动作前的60.12 MW升到一次调频动作稳定后的64.69 MW，实际动作频差负荷为4.57 MW，实际调频负荷是理论调频负荷的171.2%。机组实际负荷越过一次调频动作负荷后，仍继续增加调频负荷，调节门开度也一直增大，说明实际负荷动作是一次调频理论调频负荷1.71倍。发现试验异常后，查阅汽轮机主控设定值历史记录数据为65.24 MW，说明一次调频动作后CCS侧汽轮机主控叠加2次一次调频频差负荷，导致试验数据不合格，危害机组安全，不利于电网频率稳定。经研究后在线修改CCS侧一次调频逻辑，删除一次调频频差函数并在线下装该逻辑，重新进行试验。

继续进行各工况下不同转速差的一次调频试验，检查一次调频动作并核实机组动作调频负荷，记录机组相关参数，包括有功功率、调节门开度、主蒸汽压力、汽包水位，在相同转速偏差工况下，使机组能够稳定运行。在释放强制转速信号时，要避免汽轮机转速发生偏差，保证机组稳定运行。

试验结果表明，机组一次调频响应时间均小于3 s，满足一次调频响应时间要求；在第15 s时机组调频负荷均达到该工况下理论调频负荷的75%以上，满足一次调频调整幅度要求；机组进行60 s一次调频调整后，机组实际调频负荷达到理论调频负荷90%以上，满足一次调频负荷调整幅度偏差的要求。

4 结语

对某电厂新建燃气锅炉机组开展一次调频在线试验，一次调频各考核指标均满足规程要求，可以发挥其一次调频功能。

由于该机组首次投运未进行过一次调频试验，为保证电网频率稳定对其进行一次调频试验十分必要。在试验中可以检查其一次调频功能的正确性,并掌握该机组一次调频性能，为该电厂参与电网一次调频提供有力的数据支撑。