月亮湾电厂地处华南的深圳,属亚热带地区,每年受热带风暴袭扰频繁。而深圳电网建设相对落后,电网在热带风暴来袭时,经常会遭到雷电破坏故障。比如在2003年5月、7月受强台风破坏,电网发生故障,月亮湾电厂与电网系统脱离,变为孤网运行。而此时电厂的主力机组是GE公司的一套PG9171E型一拖一机组。因此PG9171E机组在孤网运行时的自适应能力强弱关系到电厂的自身安全生产,及区域供电用户的用电安全。
GE公司的PG9171E机组配置的控制系统是SPEEDTRONIC Mark-V燃气轮机控制系统。其包括4个功能子系统:主控制系统、顺序控制系统、保护系统、电源系统。而机组的孤网运行能力主要由主控制系统决定。主控系统的主要功能就是控制进入燃烧室燃料量,从而来控制燃机的转速和负荷。燃机主控系统的控制基准叫FSR(Fuel Stroke Reference燃料行程基准),就是用来表示进入燃烧室的燃料量,也可以直接理解为燃料阀门的开度。下图是燃机主控系统的一个原理图。
由图可见,主控系统就是从FSRSU(启动基准)、FSRACC(加速基准)、FSRN(转速基准)、FSRT(温度基准)、FSRSYN(同期基准)、FSRMAN(手动基准)、FSRSD(停机基准)中选取最小值,作为FSR输出,以保证燃机在任何工况下都不超温,安全经济运行。
那么在机组孤网运行时,主控系统能否控制机组不超温、超速,而稳定运行,保证对外供电呢。
一.首先,看看月亮湾9E机组在孤网运行时的实际表现。
07月24日凌晨,9E机组并网基本负荷运行,受台风“伊布都”的影响,电网在03:07分、07:26分两次出现故障,导致9E机组孤网运行,维持局部地区供电。故障过程中,DCS系统采集到的燃机主要参数变化曲线图一、二:
图一03:07时9E机组孤网运行
图二 07:26时9E机组孤网运行
03:06分故障情况如图一:在发生故障前的A点,故障后燃机控制系统动作负荷降至的最低点B点,开始升负荷后至预选负荷稳定值的C点,及系系统恢复稳定后的D点,燃机各主要响应参数值如下表:
时刻
TNH(%)
FSRN(%)
DWATT(MW)
FSR(%)
FQL1(%)
TTXM(℃)
TNR(%)
A点
03:07:00
100.13
65.77
104.77
62.78
62.9
542.18
104.22
B点
03:07:12
101.49
50.59
79.17
50.24
51.11
540.55
104.22
C点
03:11:42
102.32
53.31
87.63
53.38
54.07
537.29
105.52
D点
03:19:36
99.95
65.32
104.97
62.9
62.95
542.53
104.09
二.9E机组孤网运行时,控制系统调节能力分析
A点:燃机受温度FSRT控制,即FSR=FSRT=62.78%,燃机基本负荷运行,DWATT=104.77MW;
B点:燃机受速度FSRN控制,即FSR=FSRT=50.59%;但我们分析:在由A点至B
点的过程开始很短时间里,燃机是受加速FSRACC控制,控制了燃机转速(网频)
的升速率不超过1%/秒;之后才是受速度FSRN控制;只是DCS采样周期为5秒,
加速FSRACC控制部分曲线上未能表现出来(采样时间相对太长,加速控制部分
未能采样到);因在系统故障燃机控制系统调节初期,TNR是不变化的,从曲线
即采样数据上也能看得出来。
在故障前稳定得A点:FSRN高出FSRT(FSR)的值为2.99%,根据上述FSRN的计
算公式,我们可以算出当△TNH*15%/%≥2.99%时,即:△TNH≥0.2%时,且燃机
转速的加速趋势小过1%/秒后, FSRN将参与调节控制。该时的燃机对应转速为
(100.13+0.2)%=100.23%:相当于网频f=50.11 Hz 5时;大家可能会提出疑问:
在正常运行时,网频f的波动都可能超过50.115Hz,为什么FSRN不参与控制呢?
这一点我们还得从FSRN的算法上找搭案:我们已经知道:
FSRN=FSR+(TNR-DWATT*0.037%/MW-TNH)* 15%/%
注意:上述算式中红色的FSR是实际参与控制机组的基准,而且是上次采样值。
在正常运行时,FSR=FSRT,若网频向上波动,只要向上的加速率不超过1%/秒,
即加速FSRACC未进入控制,TNR也将随着TNH一起向上波动,FSRN始终高过FSRT
约(3%~6%)左右;但在系统故障时,因瞬间的加速率很大,导致加速FSRACC
参与了控制,即上式中的红色FSR就不再是FSRT而是FSRACC;此时的FSRACC已
低过FSRT有一定数值,同时在FSRACC作用下,燃机功率已降低较多(如上图),
功率下降后,燃机排烟温度TTXM也有较大下降,导致FSRT升高。故在网频升高
率低过1%/秒后,速度控制FSRN即参与控制。从DCS曲线上看,燃机负荷甩至
79MW,汽机负荷甩至56MW,总甩掉的负荷为28MW.此时机组转速为101.49%(网
频:50.745Hz);我们分析:系统在故障发生时刻,我厂出力超过用电负荷过多,
导致机组转速有较大的加速上升趋势,TNHA=dTNH/dT已远远大过燃机控制系统
设定的加速限制率TNHAR(1%/秒),根据FSRACC的控制算法,该时,FSRACC
已较快的速度下降,直接参与控制燃油基准降低喷油量,燃机负荷快速下降;燃
机负荷下降后,因燃机排烟温度TTXC及排气量的下降,汽机功率也随后下降,
这样,机组出力与系统负荷差额减少,机组加速率减缓;加速控制FSRACC退出;
FSRN开始参与控制。在故障时,机组响应后的B点,系统频率不能达到正常运
行时的50Hz左右的原因是1#燃机及2#汽机不参与系统调频。
C点:当FSRN参与控制后,在运行人员未选择预选负荷干预时(实际上预选负
荷目标值是按一定的速率:12MW/MIN变化至命令值的),燃机依然按正常的
升负荷率(TNR按0.3%/MIN)上升,直到达预选负荷值(选择预选负荷干预后)
或达基本负荷值。03:06分故障,运行人员已进行了选择预选负荷87MW的干预,
且在C点时,2#机的负荷已由60MW降至55MW,总出力为142MW,较稳定运行时的
负荷低20MW,系统频率则上升至51.16Hz(机组转速:102.32%)。考虑到发出的
功率必须在用电方消耗的平衡原则,我们分析网频上升的原因为:在有B点至C
点的过程中,由于尚不明确用电负荷的变化情况(主要是电动设备),在此暂假
定用电额定负荷不变,但其实际负荷是与电网频率f(衡转速电动设备)或电网
频率的二次方f2(变转速电动设备)呈正比关系。虽然用电负荷的实际消耗与网
电压也有关系,但当时1#,2#机励磁调节方式为选择电压控制方式,网电压
因在控制范围内;我厂机组出力的增加(MW)必须由用电设备消耗,但在假定用
电额定负荷不变(没有退出运行的设备也没有再投入运行的设备)的情况下,必
然会导致系统频率的增加,用电方的实际消耗功率增加。
D点:系统恢复后,我厂机组出力恢复额定满负荷出力,从上图及表中可以看出,
它同故障发生前A点运行参数一致。
07:26分故障情况如图二:在发生故障前的A点,故障后燃机控制系统动作负荷降至的最低点B点,开始升负荷后至预选负荷稳定值的C点,及系系统恢复稳定后的D点,燃机各主要响应参数值如下表:
时刻
TNH(%)
FSRN(%)
DWATT(MW)
FSR(%)
FQL1(%)
TTXM(℃)
TNR(%)
A点
07:26:00
100.14
67.13
103.16
62.17
62.01
543.19
104.28
B点
07:26:06
101.88
44.89
73.48
45.83
45.56
491.42
104.28
C点
07:28:00
101.88
50.84
78.81
51.09
51.18
542.81
104.77
D点
07:38:36
99.97
64.84
103.56
62.32
61.54
543.57
104.05
本次系统故障同03:06分时机组的响应一致,只是在B点至C点过程中,运行人员在有了上次经验后,提前将预选负荷设定值选定在80MW左右,而没有发生在第一次故障时选择预选负荷干预后,由于预选负荷设定值向目标值变化是按一定速率变化的(12MW/MIN),导致负荷干预变缓;本次提前选定预选负荷后,在B点~C点的过程中,燃机负荷控制较好,同时汽机岗人员也通过人为调小调门,控制汽机负荷导致网频的上升较03:06分故障时少,本次网频最高为50.91Hz(机组转速101.88%)。另外一个同03:06分故障过程不同点就是:在B点~C点的过程中,随着我厂机组出力的不断增加,系统频率呈缓慢下降趋势(见图二)。对于这一点,我们认为主要原因是我厂所带区域负荷(孤网)在缓缓增加,但在07:34分通过南电母连并网前,我厂出力还是要高出区域用电的额定负荷,网频依然偏高。在07:34分同系统并网后,频率恢复正常,我厂机组也逐渐升至基本负荷的D点。
三.结论
通过对Mark-V主控制系统分析,及孤网运行时机组的实际表现,说明PG9171E燃机在故障发生时的负荷调节能力是相当强的,响应速度是非常迅速的。9E燃机原则上的调节负荷能力应在0~100MW范围以上:即燃机满负荷至燃机脱网;另因9E机组在速度控制FSRN的算法中引入了功率DWATT的负反馈,而6B燃机的速度控制FSRN的算法未引入功率DW的负反馈,这样9E机组在加速限制退出后的速度控制中FSRN的上升速度较6B机组慢,从曲线上看燃机出力的上升也不象6B机组那么快,这样有两个好处:
1)在上述燃机升负荷过程中,负荷上升缓慢,调节系统不易出现超调,保证系统稳定;
2)在燃机开始升负荷后,由于负荷上升缓慢,能够给出一定时间让运行人员调节汽机负荷,使得故障时网频不致过高。在03:06分的故障中,由于上述两方面的好处,系统频率最高51.16Hz(机组转速:3070RPM),未达到2#汽机OPC的超速保护动作转速3090RPM,保证了汽机不跳闸;我们分析,若9E燃机的FSRN控制算法中未引入功率的负反馈,其升负荷曲线可能同6B机组一样较快,2#汽机将很有可能因OPC动作跳闸,导致系统的进一步波动。