火电机组一次调频(修改稿)

一次调频工作原理及控制火电机组
一次调频工作原理及控制
讲述内容
❝1.一次调频的工作原理
❝2.一次调频的动作过程
❝3.一次调频的相关控制策略
❝4.各类型机组一次调频的能力和特性❝5.各类型机组一次调频试验曲线
❝6.凝结水流量对一次调频的影响
❝7.燃汽轮机机组的一次调频特性
❝8.一次调频常见优化措施
1.
1.一次调频的工作原理一次调频工作原理及控制
频率调整，又称频率控制，是电力系统中维持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保证电力系统的频率稳定。

电力系统频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷管理，主要分一次、二次调频。

其中，一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定。

一次调频的特点是响应速度快，但是只能做到有差控制。

二次调频一般由中调指令加减负荷，各发电厂的机组按中调指令调整发电负荷。

一次调频工作原理及控制
一次调频基本概念
●汽轮机液压调节系统的静态指标
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●汽轮机液压调节系统的速度变动率/转速不等率
控制系统的静态特性曲线是一条连续倾斜的曲线，其倾斜程度可用控制系
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汽轮机液压调节系统的迟缓率
迟缓率ε是调节系统在其工作范围内对转速的迟滞/磁滞反应。

由于控制系统各部套间的连续部分存在间隙、摩擦力以及错油门重叠度等，机组在加负荷
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汽轮机液压调节系统的转速死区
为了在电网周波变化较小的情况下，提高机组运行的稳定性，一般在电调系统设置有一次调频转速死区。

转速变化在死区内，一次调频系统不动作。

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2.一次调频的动作过程
稳定运行的电力系统，其电源和负荷功率必须是动态平衡。

当电源功率或负荷发生变化时。

如功率不足，系统的频率就会随之降低，系统中的负荷设备会因为频率下降而影响其有功的吸收。

与此同时，系统中运行的同步发电机组，也会按照其调速系统的静态特性增加调门开度，弥补系统中功率的不足。

在这个过程中，系统功率负荷的动态平衡完全是自己随动完成的，不需要人工干预，动态平衡的结果是系统稳定在了一个较低的频率水平。

这个过程即为电力系统的一次调频过程。

一次调频的基本原理就是机组直接接受电网频率的偏差信号，通过改变机组的实际负荷，达到稳定电网频率的目的；一次调频的主要目的在于快速消除整个电网小幅度的负荷扰动，因此，一次调频在控制回路的设计上必须遵循两个原则：动作的快速性与安全性。

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2.一次调频的动作过程
一次调频动作量值的设置
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一次调频动作过程迟缓率要求
根据《汽轮机调节控制系统试验导则（DL/T－711）中规定调速系统迟缓率如下：机械、液压调节型
机组容量≤100MW，迟缓率要求小于0.4％；
机组容量100 MW ~200 MW（包括200 MW），迟缓率要求小于0.2％；
机组容量＞200MW ，迟缓率要求小于0.1％；
电液调节型
机组容量≤100MW，迟缓率要求小于0.15％；
机组容量100 MW ~200 MW（包括200 MW），迟缓率要求小于0.1％；
机组容量＞200MW，迟缓率要求小于0.06％；（意味着目前主流火电机组同一升、降负荷最大转速差需小于1.8转）
迟缓率直接关系到一次调频动作过程响应的灵敏性，针对电网考核的一次调频响应时间3秒能否合格。

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一次调频动作过程死区要求
各电网对一次频率死区要求基本为±2 r/min（±0.033Hz）。

主要原因如下：
1）电网频率偏移50±0.033Hz开始调整，距地区电网要求的50±0.1Hz还
有较大裕量。

2）火电机组负荷调整精度低，小范围调整负荷准确性差，可减少机组不必要的负荷波动。

3）转速测量、频率测量数据存在一定的误差和不确定性，设置死区可避开。

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一次调频动作过程考核指标
1 转速死区
转速死区是指系统在额定转速附近对转速的不灵敏区。

为了在电网周波变化较小的情况下，提高机组运行的稳定性，一般在电调系统设置有调频转速死区。

但是过大的死区会减少机组参数一次调频的次数及性能的发挥。

发电机组一次调频的转速死区应不超过
2rpm。

此外，在局域电网容量较小的情况下（如孤网运行方式）转速死区为7rpm。

2 响应时间
机组参与一次调频的响应滞后时间，目的是要保证机组一次调频的快速性。

发电机组一次调频的响应滞后时间应不超过3秒。

该时间能否达标由机组调速系统的迟缓率所决定。

3 速度变动率
发电机组一次调频的速度变动率应为4%-5%。

我省并网机组要求为4%。

4 一次调频的最大调整负荷限幅
额定负荷500MW及以上的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的±6％；额定负荷210～490MW的火电机组，一次调频的负荷调整限幅为机组额定负荷的
±8％。

近期一些电网规定，一次调频动作的下限为机组最低稳燃负荷！
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一次调频动作过程考核指标
5 响应行为
f
一次调频工作原理及控制一次调频动作过程考核指标
一次调频工作原理及控制一次调频动作过程考核指标
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3.一次调频的相关控制策略
一次调频逻辑的要求
●采用数字电液调节系统（DEH）的汽轮发电机组，一次调频功能在DEH
控制逻辑中实现。

推荐采取将频差函数转化为流量指令（%）叠加在汽轮机调速汽门指令处的设计方法，以保证一次调频的响应速度。

如采取其它形式的设计方法，也必须满足规定的各项技术指标的要求；
●采用分散控制系统（DCS），具有机组协调控制和AGC功能的机组，应
保证协调控制稳定可靠地投入运行。

否则，必须对控制系统采取相应的改进措施直到满足要求为止。

应在机炉协调控制逻辑中加入频差函数，即当机组工作在机炉协调方式时，由DEH+CCS共同完成一次调频功能，以确保机组一次调频的响应速度和持续性。

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3.一次调频的相关控制策略
一次调频逻辑中功率调频增量函数设置，以600MW机组转速不等率4%为例；
函数F（X）的典型设置(输入为转差3000-测量转速、输出为功率）
●X0=-150r/min；Y0=-45MW -7.5%
●X1=-11r/min；Y1=-45MW -7.5%
●X2=-2r/min；Y2=0MW 0%
●X3=0r/min；Y3=0MW 0%
●X4=2r/min；Y4=0MW 0%
●X5=11r/min；Y5=45MW 7.5%
●X6=150r/min；Y6=45MW 7.5%
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3.一次调频的相关控制策略
DEH侧原理图
见图5
图5 DEH侧原理图
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3.一次调频的相关控制策略
见图6
图6 CCS侧原理图
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3.一次调频的相关控制策略
一次调频控制逻辑框图CCS+DEH方式（图7）
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3.一次调频的相关控制策略
●汽机（DEH）在就地方式下：
✓阀位控制方式
将频差信号经转速不等率设计函数直接叠加到汽轮机调速气门指令处，优点一次调频速度快；缺点功率控制为有差，对机组稳定性影响较大，不利于机组平稳运行，容易造成机组摆动。

✓调压控制方式
通过汽机的调门开度调整汽机主汽门前压力，保证机组平稳运行，响应一次调频事件只能通过先增加锅炉燃料后，才能改变机组的输出功率，因此此种模式一次调频功能响应较差，在一次调频功能调整阀门开度的瞬间，若未设置一次调频对压力控制回路的闭锁，通过调节又将调门拉回原运行位置。

✓功率控制方式
将频差信号经转速不等率设计函数直接叠加到汽轮机调速气门指令处同时，将一次调频功率增量叠加到汽机功率调节器设定值（主汽压力调节由锅炉主控完成），在快速响应一次调频事件的同时，能够保证机组平稳运行，但锅炉侧需手动配合调节，故对电厂运行人员水平要求较高。

特例：西门子、阿尔斯通汽轮机处于全自动运行，没有阀位控制方式；存在初压方式（调压回路）及限压方式（功率回路）；
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3.一次调频的相关控制策略
●协调控制方式
✓锅炉跟随（BF）
锅炉主控自动，汽机主控手动，DEH在远方遥控状态；相当于阀位控制。

✓汽机跟随方式（TF）
锅炉主控手动，汽机主控自动，DEH在远方遥控状态；相当于调压控制。

✓汽机跟随为基础的协调方式（CCSTF）
锅炉主控自动，调节功率；汽机主控自动，调节机前压力，DEH在远方遥控状态；此种方式类似于DEH调压方式，一次调频效果较差。

✓锅炉跟随为基础的协调方式（CCSBF）
锅炉主控自动，调节机前压力；汽机主控自动，调节功率，DEH在远方遥控状态；此种方式类似于DEH功率控制方式，较能满足一次调频功能，是对响
应一次调频事件比较有利的一种运行方式。

✓说明：为满足电网两个细则的考核要求，当前机组基本运行在锅炉跟随为基础的协调方式。

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3.一次调频的相关控制策略
协调控制方式
锅炉跟随为基础的协
调方式下，一次调频
控制需要注意的问题
：
在协调控制策略
中，为保证机炉间能
量的平衡，防止机前
压力偏差过大，通常
设置压力压差对负荷
的修正以及功率控
制与调压控制的切
换来满足锅炉调节
滞后的特点。

因此
，需要增加相应的
控制策略来满足一
次调频的要求。

见
图8；图8 汽机主控控制策略
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3.一次调频的相关控制策略
说明：
为保证一次调频动作后的量值，需要对主汽压力偏差对机组负荷设定值的修正在一次调频动作时，先进行自锁。

并在一次调频结束并延时一定时间放开。

原因在于：一次调频动作后，快速改变机前的压力，锅炉调压过程较慢，无法快速满足汽机的能量需求。

但协调控制上，在出现机炉间的能量偏差较大时，会通过压差函数修正负荷的设定，造成一次调频变化量相反的拉回作用，影响一次调频的动作量值。

为此，需要对压差—负荷的修正量自锁。

在机前压力偏差较大时，汽机主控由调功切至调压，需要在一次调频动作时予以相应的放大该偏差，不使之切换。

但西门子及类似汽机上，出现欠压状态时，会出现限压回路动作，影响一次调频。

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4.各类型机组一次调频的能力和特性
●当前电网运行火电机组的主要类型及特点
✓煤粉汽包炉机组，包括：直吹式（风扇磨、HP/MPS磨、双进双出钢球磨）和中储式；
其中：中储式和双进双出钢球磨制粉系统的机组，锅炉有煤粉储存对压力的反应速度较快。

✓流化床汽包炉机组，包括：单布风板、裤衩性带外置床、裤衩性不带外置床；流化床锅炉的燃烧速度普遍较慢，但锅炉的热惯性较大，对频率下降功率调增较有利。

✓直流炉机组，从制粉系统分类与上述的汽包炉相同；从参数等级分，包括：亚临界直流炉、超临界直流炉、超超临界直流炉、高效超超临界直流炉、二次再热超超临界直流炉，以及流化床直流炉。

直流炉缺少汽包及下降管，热惯性普遍小于相应的汽包炉，为相应汽包炉的1/3~1/2。

流化床超临界机组热惯性最大。

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4.各类型机组一次调频的能力和特性
●当前电网运行火电机组的主要类型及特点
✓由于锅炉热惯性及燃烧反应速度的差异，体现在一次调频的动作过程上，对维持一次调频长时间动作的量值存在差异；热惯性越大、燃烧反应速度越快，对一次调频越有利。

✓当前电网运行机组的汽轮机结构上包括：两个高调阀+补气阀（1个或2个）、四个高调阀、六个高调阀。

✓汽机正常运行采用单阀（各调阀均参与负荷的调节）和顺序阀（各调阀依次按照汽机流量指令参与负荷调节）两种方式，多数汽机都在顺序阀方式运行，顺序阀方式下，各调阀间存在一定的重叠度和死区，对一次调频的动作有一定的影响，需要经常标定调阀的流量特性。

此外，在协调控制投入后，主汽压力的设定存在定压及滑压两种运行方式；定压方式依靠运行人员来设定机前的压力，在不同的负荷下，汽机的流量指令可能存在很大的差异；滑压方式下，机组按照设定负荷设定主汽压力，在机组的滑压段，机前压力偏差较小时，汽机的流量指令基本相等。

由于汽机流量指令的差异，决定了汽机在一次调频动作后的响应能力，动作的量值。

部分电厂采用全开门的运行方式（主要是减少节流损失），在一次调频动作增负荷过程，基本无法满足电网考核的要求。

4.各类型机组一次调频的能力和特性，见下图9
一次调频工作原理及控制
100
GV1/2开度
综合阀位指令与汽机调阀开度关系图
100
(90, 100)
煤粉汽包
炉机组
图10一次调频工作原理及控制
5.
各类型机组一次调频试验曲线
流化床汽包炉
DEH
方式；图11
一次调频工作原理及控制
5.各类型机组一次调频试验曲线
流化床汽包炉CCS+DEH方
式；图12一次调频工作原理及控制
5.
各类型机组一次调频试验曲线
超临界直流炉
CCS+DEH方
式；图13
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5.各类型机组一次调频试验曲线
超临界流化床
CCS+DEH方
式；图14
一次调频工作原理及控制
5.各类型机组一次调频试验曲线
350M机组转速偏差11rpm 的动作过程，调阀全开后，负荷变化缓慢。

图15一次调频工作原理及控制
5.
各类型机组一次调频试验曲线
一次调频工作原理及控制
5.各类型机组一次调频试验曲线
说明：
机组的一次调频性能关键在于一次调频动作时的汽机流量能否具有足够的裕度，特别是加负荷的过程。

一次调频动作后，锅炉按照压力的偏差调节燃料量满足主汽压力的过程存在一定的滞后性。

在不同类型机组的一次调频控制上都或多或少存在一些辅助的控制策略，如：凝结水流量的改变、改变汽机的抽汽、改变一定的给水流量等。

对于不同类型的锅炉，存在一定热惯性上的差异，但初始阶段一次调频的快速响应则完全依靠汽机流量的改变。

在汽机调门全开后，等待锅炉的热量贡献则一次调频的响应非常缓慢，但依靠下述措施，仍有一定作为。

概述
目前绝大多数火电机组在响应电网的一次调频要求时，主要是通过改变高压调节阀的开度以改变进汽量来实现，这种方式要求汽轮机高压调节阀在运行中保持一定的节流，以随时应对可能的负荷变化，实现机组一次调频。

由于对蒸汽的节流是一种不可逆的损失，因此势必会造成机组运行经济性的下降，对于完全采用节流调节方式的汽轮机来说，这种下降更为显著。

随着电网对调频要求的逐步升高，对机组响应一次调频能力的考核力度也不断加大，许多电厂为实现快速的负荷响应，刻意增大高压调节阀的节流损失，以牺牲经济性的方式来满足电网的调度要求。

因此，从一个全新的角度出发，将机组的负荷响应方式进行优化，以更加安全经济的负荷调节方式来满足电网调峰调频的要求。

为此，提出一种更为节能的汽轮发电机组调频新策略，即通过调整凝结水流量，以改变低压抽汽量，使机组在燃烧响应滞后的情况下，能够瞬时提高出力，进而快速响应电网的一次调频要求。

实现该调频策略后，汽轮机运行中高压调节阀可实现全开，其节流损失可降至最低。

该策略可改变大容量机组多将高压主汽调节阀长期部分节流作为一次调频的储备方式的现状，从而提高机组的运行经济性。

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6.凝结水流量变化对一次调频的影响
图16 1000MW 超超临界汽轮机不同调门运行方式下热耗率与负荷的关系
一次调频工作原理及控制
6.
凝结水流量变化对一次调频的影响
●
机组调阀全开运行方式的目的
1000MW 工况下，机组高压调门开度约48%时，两次高压缸效率试验值分别
为88.7%和89.1%，而性能考核试验中高压调门全开工况下，高压缸效率达90.6%，即在额定负荷时，调门全开状态与部分开度相比，高压缸相差1.5个百分点以上，因此仅额定负荷下，高压调门的不同运行方式就可影响机组热耗率变化约20kJ/(kW ∙h)，可见高压调门的运行方式对经济性的影响十分可观。

●对于燃煤机组，调阀全开后，燃料量的变化不能在几秒内改变输出功率，
通常在2~3分钟内才会影响功率的输出。

而采用补汽阀和增大锅炉减温水喷水量与开大高压调门相同，均是锅炉的储备热容量，虽然能够快速的提升负荷，但其只能维持短暂的时间。

●减少凝结水流量会使得进入加热器的抽汽量减少，从而增加流过汽轮机的
蒸汽量来提高机组出力的，因此其功率的增加可以在一定时间内有效地弥补燃料量增加所带来的滞后性。

一次调频工作原理及控制
6.凝结水流量变化对一次调频的影响
图17 各种快速增加负荷的方法对时间的相应规律
一次调频工作原理及控制
6.
凝结水流量变化对一次调频的影响
●
说明
减少通过低压加热器的凝结水流量，机组功率可在30~60秒内大约上升
3~5%。

在此过程中应保持主蒸汽流量和给水流量不变，故会导致整个系统汽水流量的不平衡，即在部分部位会造成工质的大量积聚（如凝汽器热井，水位上升），而部分部位的工质则会大量流失（除氧器水箱，水位下降），因此采用减少凝结水流量实现功率快速上升的方法所持续的最大时间取决于系统内几大容器的有效容积（到达水位上下限的时间）。

凝结水流量变化参与一次调频技术是指在机组变负荷时，凝汽器和除氧器水位
在允许范围内，通过改变凝泵凝结水流量，从而改变了低加抽汽量，由此暂时获得或释放一部分机组负荷。

但需要关注以下两点：
✓直接减少通过低压加热器的凝结水流量所增加的机组出力是否能够满足电
网一次调频的要求。

✓除氧器、凝汽器容积是否满足调频期间凝结水流量减少所带来的水位变化
的影响。

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6.凝结水流量变化对一次调频的影响
减少凝结水流量对负荷影响的实验数据；见表1
一次调频工作原理及控制
6.凝结水流量变化对一次调频的影响
表11 凝结水流量减少对机组出力的影响（主蒸汽流量系数为0.8）表11 凝结水流量减少对机组出力的影响（主蒸汽流量系数为0.8）
表1 凝结水流量减少对机组出力的影响（主蒸汽流量系数为0.8）
一次调频工作原理及控制
6.凝结水流量变化对一次调频的影响
表2 900MW工况试验数据；负荷变化量及响应时间
数据选取时凝结水调整凝结水调整阀初始凝结试验平均负荷负荷响
图
18
凝结水流量减少
160t/h
的负荷变化曲线
一次调频工作原理及控制
6.
凝结水流量变化对一次调频的影响
图19 凝结水流量减少440t/h 的负荷变化曲线
一次调频工作原理及控制
6.凝结水流量变化对一次调频的影响
一次调频工作原理及控制
6.凝结水流量变化对一次调频的影响
结论：
按照电网考核细则的要求，通过改变凝结水流量满足一次调频指标，存在一定的差距。

主要是一次调频动作的量值和响应时间上很难做到准确、快速，主要与机组的运行状态存在一定的关系。

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7.燃汽轮机机组的一次调频特性
燃机的控制上，由于汽机调阀基本处于全开状态，完全由燃机完成一次调频●燃机的一次调频回路设计在燃机控制系统，燃机投入GV（调速）控制模
式之后，转速偏差直接叠加在燃料指令CSO上，快速改变机组的燃料量达到快速改变机组负荷的目的。

此种控制方式与汽机的就地阀位模式类似。

●燃机投入功率控制回路后，根据转速偏差所生成的调频分量叠加在燃机功率指令上，燃机功率控制回路完成调频分量的精确调整。

此种控制方式与汽机的功率控制模式类似。

一次调频负荷量
转速偏差-
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7.燃汽轮机机组的一次调频特性—一次调频试验曲线扰动量-10r/min试验曲线
一次调频工作原理及控制
7.燃汽轮机机组的一次调频特性—一次调频试验曲线扰动量10r/min试验曲线
一次调频工作原理及控制
7.燃汽轮机机组的一次调频特性—一次调频试验曲线GV控制方式一次调频试验曲线
一次调频工作原理及控制
7.燃汽轮机机组的一次调频特性—一次调频试验曲线负荷控制方式一次调频试验曲线
7.燃汽轮机机组的一次调频特性—一次调频试验曲线
转速变化后的实验数据
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参数扰动前扰动后
3秒
扰动后
15秒
扰动后
30秒
扰动后
45秒
单位。