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1、1M701F 单轴联合循环机组一次调频功能的完善朱亚清 李锋 张曦（广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510600）摘 要 本文分析了 M701F 型联合循环机组的转速控制、功率限制控制、自动负荷控制等逻辑回路，研究了机组在不同控制方式下的一次调频特点。针对机组原设计的一次调频功能无法满足电网运行的要求，提出将一次调频负荷指令同时引入到自动负荷控制、功率限制控制等调节回路的方案，对机组一次调频功能进行了完善。试验结果分析表明，机组一次调频特性良好，对相似机组的一次调频方案分析和设计具有重要的参考价值。关键词 液态天然气（LNG）；单轴；燃气 -蒸汽联合循环；一次调频；燃机控制系统Impr
2、ovement on the Primary Frequency Regulation of M701F Single Shaft Gas-Steam Combined Cycle UnitsZHU Ya-Qing, LI Feng , ZHANG Xi(Guangdong Electric Power Research Institute , Guangzhou , Guangdong , 510600 , China)Abstract: The logic circuits of the M701F gas turbine, which include the speed control
3、logic, load limit control logic, and automatic load regulation (ALR). Are analysed in this paper. The characteristics of frequency regulatin in different control mode is studied. Aiming at the deficiency of the former design on the primary frequency regulation, a new is put forward. The units primar
4、y frequency regulation is performed and improved by adding the load demand of primary frequency regulation to control loops of both load limit and automatic load regulation. The test results show that the primary frequency regulation operates well. It is valuable to the design and analysis of primar
5、y frequence regulation scheme in the similar units.Key words: Liquid Natural Gas (LNG); Single Shaft; Gas-steam Combined-cycle; Primary Frequency Regulation; Gas Turbine Control System.0 引言频率是电力系统最重要的运行参数之一，频率的变化对系统的安全稳定运行具有重要的影响。机组一次调频功能的有效投入，能实现机组负荷对频率的快速响应，维持电网频率稳定，提高供电质量。9F 级燃气蒸汽联合循环机组由于发电功率大，调峰
6、能力强，在电网调峰中作用越来越大，但国内这些机组主要是按承担二次调频任务来设计，一次调频功能不够完善。现在联合循环机组在电网比重越来越高，除承担调峰任务外，还应该承担一次调频任务。为此，对 M701F 型联合循环机组控制系统进行了分析研究，在彻底掌握控制系统的基础上，结合电网的要求，研究出实现机组一次调频功能的方案，并进行试验分析。1 实现机组一次调频功能的选择M701F 型燃气 -蒸汽联合循环机组中的压气机、燃气轮机、蒸汽轮机、发电机布置在同一根轴上，燃机额定负荷为 260MW，汽轮机额定负荷为 130MW，机组能量转换特性如图 1 所示。通过试验得到的燃机负荷响应时间常数为 6s，余热锅炉
7、时间常数为 600s，汽机时间常数 20s，在燃料量扰动下机组负荷响应特性如图 2 所示。机组正常运行时汽机为滑压方式，不直接参与负荷调节，机组负荷调节任务由燃机来完成。当需要改2变机组负荷时，先改变燃机负荷，并且有一定的过调量，补偿蒸汽循环的滞后，使机组负荷达到目标负荷，随后余热锅炉蒸发量发生改变，汽机负荷慢慢上来，燃机负荷又会协调地往回调整，控制机组总负荷不变。由于正常运行时汽机调门保持全开不变，不适合参与一次调频控制，一次调频只能由燃机来承担。Wa(s) Wb(s) Wc(s) +燃 料 量燃 机 负 荷机 组 负 荷锅 炉 蒸 发 量 汽 轮 机 负 荷总 负 荷燃 机 负 荷燃 料
8、量汽 机 负 荷时 间 t负荷2 燃机主控制系统逻辑分析如图 3 所示，共设置了 5 个自动改变燃机燃料的控制系统和每个系统对应的控制输出 CSO（Control Signal Output），作为燃料控制系统的基准。任何时刻 5 个系统各自都有输出，但只有一个控制系统的输出有可能进入实际燃料控制系统。小选门后再经过一个高选门后才成为实际执行用的 CSO，这是防止 CSO过分降低，导致贫油熄火。 ALR自 动 负 荷设 定 值 回 路AGC控 制 MDOFIREWUPMNGVCSOLDCSOBPCSOEXCSOFL 燃料分配燃 烧 调 整ACPFM值 班 燃料 回 路主 燃 料回 路 压 力
9、调 节流 量 调 节压 力 调 节流 量 调 节燃 机 转 速 转 速 设 定及 跟 踪 回 路HL+-ACTLD机 组 实 际 负 荷 功 率 设 定及 跟 踪 回 路HL+- 转 速 控 制GOVERN功 率 限 制 控 制LOAD IMT叶 片 通 道 温 度控 制排 汽 温 度 控 制 燃 料 限 制 控 制+ SPETSETALR SET CSO燃 机 转 速 FX4T一 次 调 频 投 入 NY 增减增减SG=0 +FX2TYN并 网 图 3 燃机主控制系统总貌（阴影部分为完善一次调频功能而增加的）Figure 3 The schematic diagram of unit mas
10、ter control system (shaded parts are added for the primary frequency regulation)2.1 机组运行方式燃料限制控制用于机组启动升速过程中的加速度限制和机组甩负荷后帮助抑制动态超速。机组启动完成后，燃料限制退出控制，具体 CSO 由控制方式和机组状态自动选择，可以选择为转速控制方式（又称Governor）、或功率限制控制方式（Load Limit）以及在这两种控制方式之上的自动负荷调节方式（ALRAutomatic Load Regulation）。燃机负荷升到一定值时，排气温度或叶片通道温度会上升接近温度控制的设定值
11、，就自动转入温控制方式，选择 EXCSO 或 BPCSO，控制温度不超过设定值。2.2 转速控制转速控制为纯比例有差调节，逻辑原理如图 4-1、4-2 所示。转速设定值 SPST 由 AM 块（Analog Memory） 1产生，其单位为 %，加上数值 100 后作，与转换为%后的燃机转速值进行比较，偏差值乘上控制增益（GV GAIN）后，再加上空负荷时对应的控制输出值（NO LOAD CSO），形成转速控制输出信号图 1 机组能量转换特性Figure 1 The characteristic of unit energy conversion图 2 机组负荷响应特性图Figure 2 Th
12、e response characteristic of unit load3GVCSO。控制增益由速度不等率（=4%）、NO LOAD CSO（35.1%）、满负荷时对应的控制输出（83%）等决定。并网前，转速控制完成额定转速、自动同期等控制。并网时带上初始负荷，防止电网频率波动造成发电机逆功率。并网后，可通过改变 SPST 值来改变机组负荷， SPST 升/降的速率限制值由速率限制产生回路根据机组不同控制方式和状态自动产生，正常情况下为 0.267%/min，燃机负荷率为 17.3MW/min。GVCSO+NO LAD CSO+初 负 荷计 算 回 路 +GT SPED AM -SPT+T
13、r并 网 TsALR SETACTLD+-GVCSO+-ALRCG SGYSGNHLOPCONTOMDE CHANGE I减TLOAD LIMT OPERATION=0S=5SG=35.1GV AINSG=4SG=83+-FUL CSO不 等 率SG=10SGS=30SUPSDWN速 率 限 制产 生 回 路 RD增TYN TYN FX2图 4-1 逻辑原理图转 速 设 定SPET+KNO LADCSO35.1%+Gg(S)燃 机 转 速GAS PED燃 机 对 象- 1K=.最 小 燃 料 限 制GVCSOCSOTFX2并 网 YN图 4-2 ALR OFF 转速原理图负 荷 设 定ALR
14、SET+S1 Gg(S)bt燃 机 转 速 GAS PED-+ 机 组 负 荷ACTLD+转 速 设 定PT-KGVCSO 1=FX2图 4-3 ALR ON 转速原理图图 4 转速控制系统原理图（阴影部分为完善一次调频功能而增加的）Figure 4 The principle of speed control system(shaded parts are added for the primary frequency regulation)表 1 FX2 曲线函数的实际设置Table 1 The real configuration of function FX2输入（燃机转速） r/mi
15、n -2 2980 2998 3002 3020 3752输出（燃机转速） r/min 0 2982 3000 3000 3018 37504转速控制方式下，若 ALR 在 OFF，则为 ALR OFF Governor 方式，由运行操作改变 SPST 值来改变机组负荷。这种功频调节方式，显然，机组具备一次调频功能，GVCSO 会随着电网频率的变化而变化，在机组参与电网一次调频时，允许设置 0.033Hz 的调节死区 (对应转速为2r/min)，以防止调节太过频率的波动，如图 4 阴影部分所示，在机组并网参与一次调频后，通过 FX2 曲线函数对转速设置2r/min 的死区，FX2 的设置如表
16、1 所示。电网频率升高，GVCSO 降低，若电网频率升高过快时，燃料限制控制 FLCSO 也会迅速减小，帮助抑制动态超速；电网频率降低，GVCSO 增大，若电网频率降得太快太低，GVCSO 超过LDCSO（图 5 所示），则 CSO 切换至 LDCSO，限制负荷的增加。虽然这种方式具备一次调频功能，但却不是主要运行方式，只有在某些异常工况下，如 RUNBACK、带厂用电（House Load）或孤岛运行时，才会切换到这种方式，以控制机组转速，防止超速。若 ALR 在 ON，则为 ALR ON Governor 方式，负荷设定值 ALR SET 与机组功率 ACTLD 比较，当ACTLD 比 ALR SET 低时，增大 SPST，反之降低 SPST，直到 ACTLD 与 ALR SET 相等为止，逻辑原理如图 4-1、4-3 所示。这种方式下，机组负荷是闭环无差调节，虽然 GVCSO 还会随电网频率变化，但调频动作后很快就会被 ALR 的调节拉回，实质上是没有一次调频作用。要实现一次调频，必须设法消除 ALR对调
