9E燃气轮机一次调频分析

梁文钦

摘 要：针对9E燃气轮机一次调频存在的问题进行分析，并且通过仿真试验分析9E燃气轮机一次调频的特性，根据存在的问题和一次调频的特性，提出一次调频的优化方式。

关键词：燃气轮机；一次调频；死区；基本负荷；燃料参考值

中图分类号： TK477 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）18-179-3

0 引言

某电厂有两套型号为PG9171E的燃气—蒸汽联合循环机组，单套机组总体出力为180MW，由于机组没有设置一次调频死区，导致与预选运行时机组负荷一直随转速波动而变化，不能满足中调一次调频的需求，基本负荷运行时调频死区设置过大，并且不具备尖峰负荷运行的能力，也不满足中调一次调频的需求，针对这些问题本文提出了解决的方案。

1 负荷与频率的关系

机组正常运行时燃气轮机的转速TNH_RPM在2996rpm到3003rpm之间缓慢波动，而绝大部分时间是在2998rpm到3002rpm之间缓慢波动，而在转速波动期间有功功率DWATT也跟随转速波动，呈现出来的规律是：转速升高，有功功率降低，转速降低，有功功率升高，而有功功率的降升要滞后于转速的升降，在转速波动期间，有功功率围绕设定功率缓慢上下波动约3MW，而绝大部分时间是有功功率围绕设定功率缓慢上下波动约2MW，在有功功率波动期间，燃料量参考值FSR和排烟温度TTXM也随之上下波动，按照MK5控制系统的设置，当有功功率高于或者低于其设定值2MW时，基准转速TNR就会降低或者升高直至有功功率不高于或者不低于其设定值0.25MW。由于TNR对DWATT的调节有一定的滞后并且调节强度不大（冷态时TNR每分钟降低或者升高0.1%，在TNH不变的条件下，FSR每分钟降低或者升高1%，DWATT 每分钟降低或者升高约3MW，在温态或热态时，TNR每分钟降低或者升高0.2%或0.3%，而在TNH不变的条件下，其他两个参数分别是冷态时的两倍和三倍）所以在TNH波动速度较大时，DWATT通常超出控制系统规定的调节范围约1MW。负荷的总体变化规律是当TNH下降时，DWATT上升，而TNH上升时，DWATT下降。

2 一次调频仿真试验

省电网规定一次调频的死区为±2rpm，即±0.033Hz，而我厂GT4和GT6在带预选负荷时一次调频的死区为分别为：±0.6rpm，即±0.1Hz；±0.75rpm，即±0.125Hz，并且由于死区选择逻辑信号L83SCDB一直为“0”，故我厂燃气轮机在预选负荷时并没有设置一次调频的死区，根据公式：FSRN=FSR+FSKNG*（TNR-TNH-DWKDG*DWATT），那么当DWATT和TNR不变时，由网上频率的微小波动而引起的TNH微小变动必然会引起FSRN的变动，也必然会引起DWATT的变动。以下利用MATLAB的SIMULINK仿真软件对GT6带预选负荷时，由于网上频率微小的波动而引起的一次调频进行仿真。仿真的关键参数如下：预选负荷PRESETLOAD为93MW，此时对应的TNR为103.255%，扰动信号为幅值为3rpm，即0.001TNH，频率为0.06rad/s，初相角为0的正弦波信号。设定FSR每变化1%，DWATT变动3MW，当DWATT高于或者低于PRESETLOAD 2MW时，仿真系统以0.3%/min的速度降低或升高TNR，直到其差值的絕对值小于0.25MW，仿真步距为1/16秒，仿真时间为100秒，而三次仿真试验中一次调频的死区分别为0rpm，±0.75rpm，±2rpm。

合理增大一次调频的死区，可以减小预选负荷时候负荷的波动范围。并且当负荷波动时，TTXM，控制阀开度FSG，速比阀开度FSGR和燃油旁路回油伺服阀的开度FSL也会随之波动，而负荷波动较大时，TTXM波动幅值高达20℃，一般情况下，波动幅值也有10℃，可见合理增大一次调频的死区不但可以减小伺服阀开度的波动范围，以减小设备原件的老化，而且还能减小高温部件受到的周期性变化的热应力，并且还能限制负荷波动的范围，能更好地适应电网的调峰要求。我们可以通过控制常数TNKEDB来改变一次调频的死区，根据广东省发电机组一次死区下限的要求，可以把TNKEDB设置为0.067%，为了把一次调频死区调节的功能激活，可以在需要死区调节时，把逻辑信号L83SCDB设置为“1”。

3 一次调频存在的问题

我厂燃气轮机机组在带预选负荷时具备一定的一次调频的能力，但由于受到透平一级喷嘴温度T3的限制并且由于没有针对网上频率大幅降低后燃气轮机自动切换至尖峰负荷运行的设置，以提高温控线，增加机组的出力，故带预选负荷时燃气轮机机组的一次调频的能力受到一定的限制。当网上频率大幅降低后，在燃气轮机一次调频的作用下，DWATT迅速提高，排烟温度TTXM，压气机压比CPR也迅速提高，排烟温控参考值TTRXB迅速降低，此时若IGV在“OFF”状态，IGV的温控参考值为常数370℃，若此时IGV在“ON”状态，IGV的温控参考值随CPR的升高而降低，若此时IGV角度CSGV小于86度，则当TTXM高于IGV的温控参考值后，IGV角度逐步打开，以抑制TTXM增大，当IGV全开后，IGV失去对TTXM的控制能力，此时TTXM处于不可控状态，若此时TTXM继续增大使得TTXM大于或者等于排烟温控参考值TTRXB后，燃气轮机进入温控，由于此时燃气轮机不会切换至尖峰模式运行，以提高温控线，故燃气轮机的出力没法再提高，一次调频的能力受到限制，所以越接近基本负荷，燃气轮机一次调频往上升负荷的能力越低。当带满基本负荷后，当网上频率降低时，我厂燃气轮机失去了一次调频的能力，但当网上频率升高时，机组还是有一定的一次调频的能力。

当选择基本负荷后，升负荷指令L70R为“1”，速度有差燃料参考值FSRN逐步增加，DWATT逐步增大，排气温度TTXM也逐步升高，同时由于压气机压比CPR增大，排气温度参考值TTRXB逐步减少，温度控制燃料参考值FSRT逐步减少，当TTXM等于TTXRB后，燃气轮机进入温控状态，根据MK5的控制原理，当燃气轮机进入温控状态后，FSRN依然逐步增加，直到FSRN比FSRT大3%后，L70R为“0”，在DWATT和TNH不变的条件下，FSRN保持不变，当网上频率波动引起TNH波动后或者进气温度CTIM的升降引起DWATT的降升或者网上电压的波动等因素引起DWATT的波动后使得FSRN比FSRT小3%或者大6%后，控制系统会触发L70R或者L70L为“1”来缓慢升高或降低FSRN，以保持FSRN与FSRT的差值在区间[3%，6%]范围内。但是，当网上频率向上波动较大时，FSRN就有可能小于FSRT，由于通过L70R升FSRN是比较缓慢的（冷态1%/min，温态2%/min，热态3%/min），因而在短时间内难以使FSRN大于FSRT而退出控制，那么此时燃气轮机就进入一次调频状态，降低DWATT以降低网上频率。根据参数FSR速度控制比例增益值FSKNG为10%/%，并且在稳定温控状态FSRN与FSRT的差值在[3%，6%]范围内，可以得出在稳定温控状态下，当网上频率至少向上波动0.15HZ，即TNH往上波动0.3%，即TNH_RPM往上波动9rpm/min后，燃气轮机才能进入一次调频状态，而网上频率往上波动0.3Hz，即TNH往上波动0.6%，即TNH_RPM往上波动18rpm/min后，燃气轮机一定进入一次调频状态，当网上频率稳定或者往下波动后，燃气轮机重新进入温控状态而退出一次调频。由于没有针对频率较低时提高机组温控线，从而提高机组出力，使机组进入尖峰负荷状态的相关设置，所以在温控状态下，当网上频率往下波动时，我厂燃气轮机组基本上没有实现一次调频的能力，当由于大机组跳机或者其他原因引起网上频率骤降时，我厂GT6和GT4也出现过转速迅速下降的现象（GT6的TNH_RPM降低到2993rpm/min），并伴有P252“燃气轮机功率太低不能支持TNR”的报警，燃气轮机在L70L的作用下，以较快的速度往下降TNR，以快速维持FSRN与FSRT的差值在[3%，6%]范围内，但在这个过程中并没有发现DWATT发生波动。可见在温控状态下，网上频率大幅往下降时，我厂燃气轮机机组并没有一次调频的能力，并且为了保护机组，当TNH低于94%时，MK5发出跳发电机出口断路器的命令。增大温控时燃气轮机一次调频的死区有利于增强燃气轮机在该状态下的稳定性，但是死区较大并不利于燃气轮机更好地参与一次调频，考虑正常运行时燃气轮机转速向上最高波动4rpm，可以适当减小一次调频的死区，通过改变参数LK90DB3和LK90DB4可以改变一次调频的死区，目前，LK90DB3：3%，LK90DB4：6%，为了提高温控时，燃气轮机一次调频的能力，可以针对频率降幅较大时，适当地提高温控线，以增大机组的出力，当频率恢复正常后，恢复原来的温控线运行，但是提高温控线时，必须谨慎。

4 解决方案

由于在稳定温控状态下，控制系统将维持FSN与FST的差值在[3%，6%]的范围内，因此在基本负荷状下选择预选负荷或者发出停机命令后，忽略网上频率波动的影响，冷态状态下：3到6分钟开始降负荷，温态状态下：1.5到3分钟开始降负荷，热态状态下：1到2分钟开始降负荷，为了减小FST控制到FSRN控制的过渡时间，可以手动点击HMI主画面右下角的Speed/Load control的“Lower”按钮，但是即使点击该按钮，最快也要30到60秒才开始降负荷，而且该按钮发出的是脉冲信号，对于运行人员来说并不好掌握，由于在FST控制到FSRN控制的过渡时间内，FSR和DWATT一直都没有变化，只是一次调频的死区在慢慢降低，所以为了让机组在出现紧急情况下如：排烟温度变高，排气分散度变高并且接近跳机值，振动变高，能更加快速地停机或者降幅负荷，或者更快地响应调度的调峰要求，可以考虑适当修改或者添加一些控制变量和控制逻辑如下：在HMI上增加两个命令按钮，FSRUNLOADING_ON 和FSRUNLOADING_OFF，增加两个控制常数KFSRT_BIAS和TTKR_A_UNLOADING，三个逻辑变量LFSRT_BIAS，L43FSRNUNLOADING和L83FSRNUNLOADING。增加CSP控制图如下：

L83PS“1”表示机组处于预选负荷状态。

更改CSP控制图如下：把第一个为真的逻辑信号从L83BOIL_C改为L83FSRNUNLOADING，其对于的模拟量输出为常数TTKR_A_UNLOADING。

当点击命令按钮FSRNUNLOADING_ON，逻辑信号L43FSRNUNLOADING为“1”当点击命令按钮FSRNUNLOADING_OFF，逻辑信号L43FSRNUNLOADING为“0”从基本负荷选到预选负荷后，若打算快速降FSRN，可以点击命令按钮FSRNUNLOADING_ON，取消快速降FSRN可以点击命令按钮FSRNUNLOADING_OFF，把常数KFSRT_BIAS设置为0.15%，常數TTKR_A_UNLOADING设置为9.6%/min（即每个采样周期TNR降0.01%，FSRN降0.1%）当LFSRT_BIAS为“0”后，控制系统按正常状态的速率降TNR和FSRN，当FSRN小于FSRT后，开始降负荷。按照这种方法选择预选负荷后，大约6到9秒就能降负荷。

总的来说，我厂燃气轮机机组在预选负荷时并没有投入一次调频的死区调节，并且死区设定值较小，在网上

频率波动时，容易引起负荷和相关参数波动，不利于机

组的稳定运行，在基本负荷时，由于一次调频的死区较大并且没有网上频率下降幅度较大时切至尖峰负荷运行等相关设置，故在基本负荷运行时，一次调频的能力非常有限。