一種火力發電機組響應電網低頻故障調節的控制方法與流程

本發明涉及火力發電控制領域，特別是一種電網低頻故障(頻率偏差低于-20r/min)時，火力發電機組通過快切高加技術快速提升負荷，響應電網低頻故障調節的控制方法。

背景技術：

目前，火力發電機組在實施基本輔助服務一次調頻過程中，電力調度考核要求的一次調頻能力最大為±11r/min。隨著電網特高壓建設的不斷深化，火電機組單機容量不斷擴大，尤其是特高壓的受電端，對于電網出現瞬間大幅度的電能缺失，導致電網出現低頻故障，超出火電機組一次調頻最大能力范圍的情況下，電網的頻率調節能力存在以下不足：

1)電網低頻故障超出了火力發電機組的調節能力范圍，按照機組最大調頻的能力，也不足以彌補電網電能的缺口。

2)對于大型火力發電機組一般多為超(超)臨界直流機組，有著無汽包，蓄熱小，滑壓運行，主機調門開度較大的特點，在低頻到來前，往往伴隨有小頻差的一次調頻動作，釋放了機組的大量蓄熱，導致在大頻差到來時，機組蓄熱不足，嚴重影響一次調頻能力。因此一般地，在應對電網出現的低頻故障時，火力發電機組的一次調頻功能就受到巨大的影響，使得機組無法在短時間內對電網頻率的穩定起到支撐作用。

為了能夠保證特高壓受電端電網主干框架的堅強程度，電能品質的優良，火力發電機組如何能夠既保持安全經濟運行，又能在電網出現低頻故障時，尤其是在重特大節點保供電的情況下，提供快速、大幅度的電量支援，彌補火力發電機組一次調頻功能在應對該工況下能力不足的情況，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種火力發電機組快切高加技術響應電網低頻故障的控制方法，其既可以滿足一次調頻標準范圍內調節；又可以在電網出現巨大的電能缺口，電網頻率出現低頻故障時，火力發電機組能夠提供快速、穩定、持久的功率支援。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：一種火力發電機組響應電網低頻故障調節的控制方法，其步驟如下：

獲取電網頻率差信號；

判斷電網頻率偏差是否低于火力發電機組的低頻故障支援閾值，若是，則依據電網頻率偏差低于低頻故障支援閾值的隸屬區間，對火力發電機組當前的低頻支援能力進行評估，并依據評估結果對機組的可調節抽汽和非可調節抽汽的高壓加熱器實施快速、分級切除，同時通過負荷控制手段提升機組鍋爐指令至目標值，完成電網頻率故障下火力發電機組的快速響應；

若否，則按照火力發電機組響應±11r/min最大調頻能力范圍，進行常規模式下的一次調頻。

本發明首先需要獲取電網頻率偏差幅度，當電網低頻的幅度不低于-11r/min，依靠機組常規一次調頻完成電網頻率調節，當電網低頻的幅度低于-11r/min，甚至低于-20r/min以上，根據低頻的幅度確定機組功率提升的目標值，結合機組實際帶載能力與目標值的關系，獲得對機組提供低頻支援的能力評價，進而對可調節抽汽的高壓加熱器和非可調節抽汽的高壓加熱器實施分級快切，高壓加熱器切除后，抽汽量迅速減少，瞬時大幅增加了高壓缸的通流量，由于全部高壓加熱器快切后對功率5-10％的瞬時提升能力。

優選地，判斷電網頻率偏差是否低于火力發電機組低頻故障支援閾值，其包括：依據電網對火力發電機組±11r/min最大調頻能力要求，獲取機組當前實際負荷并確定當前負荷下低頻故障支援閾值。

優選地，依據電網頻率偏差低于低頻故障支援閾值的隸屬區間，其包括：依據電網頻率低于-11r/min的偏差量，獲得火力發電機組提供功率支撐的目標值和對應的可調節抽汽及非可調節抽汽的高壓加熱器切除級數。

優選地，對火力發電機組當前的低頻支援能力進行評估，其包括：

1)獲得機組實際負荷和當前工況下機組最大帶載能力

在電網頻率出現低頻故障時，根據實際負荷和當前機組燃料量的帶載能力，并依據機組帶載能力對功率支援的目標值進行評估，獲得機組實施低頻調節的門檻值和調節幅度；

2)獲得機組高壓加熱器的切除級數

依據1)中確定的低頻調節的門檻值，判斷各級高壓加熱器是否參與低頻差調節控制；

若是，則根據汽機廠對機組具備的可調節抽汽及不可調節抽汽的高壓加熱器各個負荷段抽汽量設計值和各負荷段下高壓加熱器性能試驗的結果，確定當前功率支援目標下，可調節抽汽閥的快關幅度及不可調節抽汽高加切除的級數，對于擁有雙列高加的機組還需考慮切除單列高壓加熱器的方式，進一步細化調節功能；

若否，各級高壓加熱器不參與電網大頻差的調節控制，可調節抽汽閥不動作，各級高壓加熱器不解列。

優選地，本發明還包括：判斷當前機組實際功率超越響應電網大頻差調節的上限、機組實際帶載能力無提升機組負荷能力和高壓加熱器未投入的情況下；

若是，則不允許投入機組低頻故障調節功能。

優選地，依據評估結果對機組的可調節抽汽和非可調節抽汽的高壓加熱器實施分級切除，包括：機組根據電網低頻的隸屬區間、生成的功率提升目標值及機組對功率支援的能力評估，對各級可調節抽汽的高壓加熱器，關閉抽汽閥至目標開度；對不可調節抽汽的高壓加熱器實施分級切除，通過排擠高壓加熱器的抽汽，來完成機組功率的短期的快速提升。

優選地，通過負荷控制手段提升機組負荷至目標值，其包括：高壓加熱器切除后時，需要按照設計速率配合提升鍋爐指令至目標值，對應增加鍋爐燃料量、給水、風量至目標值。

優選地，本發明還包括，高壓加熱器切除后，鍋爐燃料和給水的配比發生了變化，省煤器進口溫度快速下降，但機組對于省煤器熱容的利用，減緩了省煤器出口給水溫度降低時間。因此需要利用機組高加快切試驗確定出系后燃料量和給水量的修正函數和修正速率，以保證機組在高壓加熱器出系后，系統能夠穩定、快速的提升負荷。

優選地，本發明還包括：依據電網低頻偏差，實施有計劃的高壓加熱器出系，實現機組負荷快速提升方案，還包括實施過程中，判斷是否出現省煤器進出口溫度降速率越限，溫度降幅超出溫度閾值及其他邊界閉鎖條件；若是，則撤出方案實施，保持當前機組負荷，運行人員進行合理的干預。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明提供了一種全新的電網瞬時電能缺失時，快速提升火力發電機組負荷的思想和方案，機組通過負荷控制手段將燃料量和給水提升至低頻支援的負荷目標值，從而為電網提供快速、穩定、持久的功率支援。

本發明深入挖掘了火力發電機組功率提升能力和鍋爐省煤器蓄熱能力，是除了汽機調門之外一種全新的快速提升機組負荷的方案，提升了火力機組在特高壓受電端穩定電網頻率的能力。

本發明提供了一種控制手段，通過把握鍋爐蓄熱釋放的情況和燃料量與水量的重新匹配，能夠確保在高壓加熱器出系后機組穩定、快速、持久的負荷提升，彌補了常規的一次調頻手段在超出-11r/min的調節范圍功率提升能力不足和機組蓄熱頻繁釋放對一次調頻能力大幅度削弱的弊端，有力的支援了電網的頻率調節能力，尤其是在重大節點保供電模式下，電網出現電能缺口時，火力發電機組能夠提供強有力的電源支撐。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明一種具體實施方式的流程圖。

圖2為本發明一種具體實施方式中對電網低頻隸屬區間的判定示意圖。

圖3為本發明一種具體實施方式所提供的機組負荷提升能力評估示意圖。

圖4為本發明一種具體實施方式所提供的方法觸發后，機組負荷控制回路提升功率指令至目標值示意圖。

圖5為本發明一種具體實施方式所提供的方案實施中緊急中斷示意圖

具體實施方式

本發明的核心是提供一種火力發電機組快速響應電網低頻故障調節的控制方法，既不影響機組常規一次調頻的功能，又能夠解決在電網低頻故障時快速、穩定、持久的提供電源支撐。

為了使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。

在以下描述中闡述了具體細節以便于充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式的限制。

請參考圖1，圖1為本發明一種具體實施方式所提供的火力發電機組快速響應電網低頻故障調節的控制方法流程圖。

本發明的一種具體實施方式包括：

S1：獲取機組實時頻率偏差。

S2：判斷當前工況下電網頻率偏差是否低于低頻支援閾值，若是，獲得電網頻率偏差的隸屬區間并生成負荷提升目標。

S3：若否，則采用常規的一次調頻方式。

S4：獲得當前機組負荷提升能力評估,判斷是否實施對電網低頻支援方案。

S5：若是，則按照規約實施高壓加熱器(簡稱高加)動作并提升機組負荷至目標值。

S6：若否，則系統不動作。

首先需要獲取低頻的幅度，當電網低頻的幅度不低于-11r/min，依靠機組一次調頻完成電網頻率調節，當電網低頻的幅度低于-11r/min，甚至低于-20r/min以上，根據低頻的幅度確定機組功率提升的目標值，結合機組實際帶載能力與目標值的關系，獲得對機組提供低頻支援的能力評價，進而對可調節抽汽的高加和非可調節抽汽的高加實施分級的措施，高加出系后，抽汽量迅速減少，瞬間大幅增加了高壓缸的通流量，由于全部高加切除后擁有對功率5-10％的瞬時提升能力，因此該發明提供了一種全新的電網瞬時電能缺失時，快速提升火力發電機組負荷的思想和方案，在高加切除后，機組通過負荷控制手段將燃料量和給水提升至低頻支援的負荷目標值，從而實現為電網提供快速、穩定、持久的功率支援。這一發明彌補了常規的一次調頻手段在超出11r/min的調節范圍功率提升能力不足和機組蓄熱頻繁釋放對一次調頻能力大幅度削弱的弊端，大幅提升了火力發電機組為特高壓受電端電網提供頻率調節的能力。

需要說明的是，一次調頻指的是通過各原動機、調速器來調節各發電機組轉速，以使驅動轉矩隨系統頻率而變動。所謂的高壓加熱器指的是利用汽輪機的部分抽氣對給水進行加熱的裝置。電網大頻率偏差是指電網頻率低于-11r/min，甚至更低，超出了常規火電機組最大調頻能力的頻率偏差。

在本發明的一種實施方式中，以某一1000MW火電的設計方案為例進行說明，該系統包括#0高壓加熱器至3#高壓加熱器四個高壓加熱器，且四個高壓加熱器依次串聯，3#高壓加熱器背離2#高壓加熱器的一端連接除氧器，#0高壓加熱器背離1#高壓加熱器的一端連接省煤器，而給水旁路一端連接在2#高壓加熱器和3#高壓加熱器的公共端，給水旁路的輸出端連接省煤器。其中各級加熱器均為單列布置，#0加熱器為可調節抽汽高壓加熱器，其余均為非可調節抽汽加熱器。

本實施方式中，通過頻差的隸屬區間對各級高加的分級快切，屏蔽高壓加熱器的抽汽，使原本加熱給水的高品質蒸汽直接用于汽輪機做功，達到快速響應電網低頻偏差的調節要求。在方案實施過程中，由于給水溫度會發生巨大變化，使撤出高加后燃料和給水的配比發生變化，因此需要對燃料和給水進行重新修正，確保機組平穩過度至新常態，保證機組減少高加撤出后的穩定運行。同樣由于高加撤出后機組運行效率降低，在撤出后一段時間后，實際功率會下降，因此需要配合在高加切除后采用機組負荷控制手段，提升燃料量和給水量至負荷目標值，從而為電網頻率恢復提供持久的功率支撐。

請參考圖2，圖2為本發明的一種實施方式中對電網低頻偏差隸屬區間的判定示意圖。

獲得機組實際負荷和電網頻率差，根據預先設定的偏差值對應功率函數，獲得該頻差下機組需要提升的負荷目標值。本實施方式中，當電網頻差低于LOW1值，獲得隸屬區間中負荷提升理論值LOAD1(注釋：負荷的理論提升值由各負荷段汽機廠的抽汽量設計和性能試驗結果獲得的對應關系F2(x)與頻差對應的功率提升值F1(x)取小獲得)，判斷是否滿足#0高加的負荷提升條件，若是，則實施關閉#0高加抽汽閥，若否則系統不動作；當電網頻率低于LOW2值時，獲得獲得隸屬區間中負荷提升理論值LOAD2，判斷當前機組是否滿足高加出系條件，若是，則實施#1-#3高加加熱器解列,其中F3(x)為各負荷段下高加投入后的給水溫度底限邊界值用于表征高加是否投入。

對于本實施方式，需要依據汽機廠對#0-#3各負荷段下抽汽量的設計和性能試驗中對各級高加抽汽量試驗評估結果確定準確的頻差對應的功率控制目標值，并通過試驗獲得高加快速切除允許條件及切除后機組穩定運行的邊界條件。

(1)#0高加抽汽調閥能力試驗

機組AGC和協調模式撤出，一次調頻撤出，使得鍋爐和汽輪機均處于手動狀態，機組負荷穩定運行在500MW，等待系統穩定后，直接關閉#0高壓加熱器抽汽調閥，觀察并記錄負荷響應幅度及速率,重復在其余各負荷段下該試驗。

對#0高加的抽汽試驗，需要獲得關閉#0抽汽閥后，#0高加加熱器液位變化，如果存在壓力變化導致的水位波動，需要屏蔽#0液位高解列全部高加的邏輯。

(2)高加出系試驗

機組處于CCS運行模式，實際功率低于機組90％額定工況，各級高壓加熱器已投入運行狀態，由運行人員手動切快速切除高壓加熱器汽側，各級抽汽閥關閉，機組切換至TF模式(汽機跟隨)，省煤器進口給水溫度迅速下降，等待省煤器出口給水溫度發生明顯降幅時，運行人員緩慢降低給水指令，盡量保持主汽溫度穩定，使機組平穩過渡至新常態。

試驗記錄負荷上升幅度，速率，省煤器進出口給水溫度降幅，降速，記錄高加出系至省煤器出口給水溫度發生明顯變化的時間，記錄過程中運行人員對給水和燃料干預的數值等數據。

請參考圖3，圖3為本發明一種實施方式所提供的機組負荷提升能力評估示意圖。

本實施方式采用高加切除的同時，機組負荷控制回路配合提升燃料量和給水量至目標負荷，由于高加加熱器切除后，機組效率降低且為保持主汽溫度降低過快還需要一定的給水量來平衡未投入高加時的水煤配比，若如果保持原有工質不變，機組負荷在瞬時提升后會比原有的功率更低，為了保證功率提升持續和穩定，該實施方式設計下列控制方法：

首先，通過獲得當前實際負荷和火電機組磨組、油槍等燃料狀態，計算出當前運行工況機組最大帶載能力。機組最大帶載能力與當前負荷的差值為負荷提升空間。

其次，通過機組負荷的提升空間W1與實際頻差隸屬區間對應的期望負荷提升值W2的差值W1-W2＝W得出評估結果，若負荷地提升值W2小于W1(即W<0)，則按照LOAD2目標值快切高加，并且提升機組負荷W2；若否，則判斷W是否在隸屬區間[0,S]內(其中S為當前負荷下該實施方式最小負荷提升值，如圖中的LOW值))若否，則快切高加，并且提升機組負荷至W1；若是，則機組無負荷提升空間，閉鎖該方式實施。

請參考圖4，圖4為本發明一種實施方式所提供的快切及高加技術實施后，機組負荷控制回路提升功率指令至目標值示意圖。

本實施方式中，為保證機組在快切高加后能平穩過渡至負荷提升狀態，需要進行高加出系后的負荷提升試驗。

1)快切高加出系后的負荷提升試驗

試驗狀態同高加出系試驗狀態一樣，機組處于CCS模式，實際功率小于90％額定功率，高加投入，系統穩定后快速切除高壓加熱器，同時手動提升負荷至目標值，負荷提升速率按照實際機組升降負荷速率，燃料線和給水線按照升負荷的標準，根據上文中高加出系試驗得出的結論出系后給水設定的自動修正同時進行。機組在隨后的升負荷中，由運行通過設置燃料、給水偏置，調整負荷和壓力提升速率等方式保證機組壓力、主氣溫、再熱氣溫等參數保持平穩。等待機組負荷穩定后，記錄燃料、給水、負荷和壓力變化速率等數據，得出在高加快切后，機組升負荷的穩定參數。

本次實施方式中：F1(x)、F2(x)為高加快速切除后基礎給水線和燃料線的修正函數；F3(x)為高加解列后，由于對給水的修正量及修正速率函數，用于平衡方案實施前后的燃水的匹配；TD_ON為高加快速切除后給水修正的時間，即上述高加出系試驗獲得的修正時間常數。機組切換至汽機跟隨模式，DEH切換至初壓方式，機組通過負荷控制回路經過速率限制調整鍋爐主控指令至目標值，機組壓力控制回路調整壓力設定之變化速率至目標值，燃料主控指令和給水主控指令切換至根據試驗獲得的修正后的燃料線和給水線。

圖5為本發明一種實施方式所提供的方案實施中緊急中斷示意圖。

本實施方式中設計了方案的緊急中斷條件,其中圖中RS為RS觸發器，復位優先。在快切高加后，省煤器進出口溫降溫升非常大，系統不穩定性增加，若出現RB、超溫、省煤器進出口溫降超過預期等工況，繼續提升負荷不僅會加劇系統不穩定，同時會造成到水冷壁，省煤器等材料應力增大，造成金屬疲勞，因此通過對工況的自動判斷和運行人員的人工判斷，設置自動切除方案實施和主動切除方案實施的功能，方案切除后，機組保持當前負荷，控制權交付運行人員。

綜上所述，本發明提供了一種火力發電機組快速響應電網低頻故障的控制方法，實現了火力發電機組在電網出現頻率故障時，最大一次調頻能力外的調頻能力的獲取。

首先，該方法特點在于：通過快速切除機組高壓加熱器的方式，閉鎖了高壓加熱器的抽汽用于做功，充分利用機組鍋爐熱容，實現短期快速負荷提升，在電網出現故障頻率時，有效的配合了機組一次調頻，使電網能夠獲得標準調頻能力外的功率支援。其優勢在于1)能夠彌補常規一次調頻模式調頻范圍不能夠滿足電網在頻率故障狀態下的頻率調節支援。2)能夠彌補大型火力發電機組在多次調頻后蓄熱的釋放導致的常規一次調頻能力不足的缺點。

其次，該方法適用特點在于對于電網出現不可預知的電能缺口，導致的出現故障頻率(一般的低于-20r/min)時，接受電網低頻支援請求時適用。由于高壓加熱器是火力發電機組的重要的加熱設備，其快速切除會對高加汽水側的管束產生巨大應力，造成給水溫度大幅度下降，次數較少的解列對機組影響不大，但頻繁的快切會導致省煤器、水冷壁金屬材料疲勞，同時解列后后對機組工質配比產生影響，如果調節不當還會導致燃水失衡。該方法通過對電網頻率低于-11r/min時的工況進行調研和試驗，確定了方法實施的合適的頻率區間，及高加快切后機組穩定的負荷提升策略。

以上對本發明所提供一種火力發電機組快切高加技術響應電網低頻故障調節的控制方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。