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★ 杭州和利時自動化有限公司 甄卓

摘要：本文主要介紹了垃圾發(fā)電企業(yè)電力生產(chǎn)中孤網(wǎng)運行的需求和困難點。就此問題介紹了杭州和利時自動化有限公司在垃圾發(fā)電領(lǐng)域孤網(wǎng)運行解決方案，即采用杭和公司自研的T800K和B400型自容式液壓系統(tǒng)對汽輪機進行控制，并且通過項目實例證明了方案的有效性、穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：垃圾發(fā)電；孤網(wǎng)運行；一次調(diào)頻；二次調(diào)頻

1　積極參與垃圾發(fā)電工程建設(shè)

目前垃圾高溫焚燒發(fā)電已經(jīng)成為城市垃圾處理的主要途徑。這種方式不但無害化處理了垃圾，同時也能將垃圾燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為電能供城市使用。隨著需求的增加，垃圾發(fā)電廠也雨后春筍般地出現(xiàn)在各大城市，電力工程建設(shè)方興未艾。杭州和利時自動化有限公司也積極參與了國內(nèi)外垃圾發(fā)電工程建設(shè)。公司DCS和DEH產(chǎn)品以在電力行業(yè)多年的良好口碑、過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)成為各建設(shè)單位的優(yōu)選品牌。

2　垃圾發(fā)電機組對孤網(wǎng)技術(shù)的剛性需求

在大家的普遍認識中垃圾發(fā)電廠作為電力生產(chǎn)單位，應(yīng)該不會為自身用電煩惱。其實不然，垃圾發(fā)電廠包含的各子系統(tǒng)，如垃圾接收儲存系統(tǒng)、垃圾焚燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)、灰渣處理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等都需要穩(wěn)定的電能才能工作，各種精密設(shè)備對電壓、頻率也十分敏感。電廠在啟動前要吸收市電即外網(wǎng)的電能作為發(fā)電前的各工藝段設(shè)備的自用電，電廠能夠自身產(chǎn)生電能之后，一部分電能作為自用電，大部分多余的電能上網(wǎng)銷售。但是一旦外網(wǎng)出現(xiàn)故障或進行檢修的時候，發(fā)電廠就既不能從市電吸收電能也不能對外送電，同時根據(jù)市政府對垃圾發(fā)電企業(yè)的要求，垃圾發(fā)電廠要具備不間斷焚燒處理垃圾的能力，這樣才能處理源源不斷送來的待焚燒垃圾，維持城市的垃圾處理環(huán)節(jié)的正常運轉(zhuǎn)。所以孤網(wǎng)運行或者短時孤網(wǎng)成為各垃圾發(fā)電企業(yè)的剛性需求，即大網(wǎng)故障后能維持機組不跳機，正常帶廠用電；機組帶廠用電后廠內(nèi)設(shè)備可以正常啟停運行，網(wǎng)頻穩(wěn)定。

3　DEH控制策略

機組在升速階段時，操作員可通過修改目標轉(zhuǎn)速、升速率來改變給定轉(zhuǎn)速。給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)轉(zhuǎn)速PID環(huán)節(jié)后，生成總閥位給定。總閥位給定經(jīng)閥門管理環(huán)節(jié)，分別控制高中壓調(diào)節(jié)閥開度。在轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)作用下，最終使機組穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速等于給定轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差調(diào)節(jié)。

發(fā)電機并網(wǎng)后，DEH自動轉(zhuǎn)入閥控方式，操作員修改目標閥位、閥變率來改變給定閥位，生成總閥位給定。當機組運行人員投入二次調(diào)頻后，二次調(diào)頻作用量會直接疊加到目標閥位中，二次調(diào)頻的作用是消除一次調(diào)頻回路無法消除的靜差，相當于積分環(huán)節(jié)。調(diào)頻過程無需人工參與，系統(tǒng)自動運算調(diào)整。

轉(zhuǎn)速給定與實際轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)不等率運算后，疊加在總閥位給定上，以實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。在孤網(wǎng)運行環(huán)境下，利用測速模塊與伺服模塊間的CAN通訊鏈路，引入轉(zhuǎn)速微分調(diào)節(jié)信號，疊加在高壓調(diào)節(jié)閥的閥位給定上，以實現(xiàn)快速一次調(diào)頻作用，如圖1所示。

圖1 DEH調(diào)節(jié)原理骨架框圖

4　技術(shù)難點

目前各垃圾發(fā)電企業(yè)實現(xiàn)孤網(wǎng)運行或者孤島運行的難度可以概括為“五高”：

（1）對電調(diào)系統(tǒng)控制周期要求高，包括被調(diào)量的采集，然后通過現(xiàn)場總線傳遞到主控單元，主控單元執(zhí)行運算，運算結(jié)果再通過現(xiàn)場總線傳遞到伺服卡，控制周期是整個轉(zhuǎn)換、運算及傳遞時間的總和；

（2）對控制系統(tǒng)組態(tài)和方案設(shè)計要求高，沒有豐富的實踐經(jīng)驗很難一次性完成孤網(wǎng)實驗以達到穩(wěn)定運行；

（3）對液壓執(zhí)行機構(gòu)要求高，應(yīng)該采用高壓系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，調(diào)門全關(guān)時間控制在300ms以內(nèi)；

（4）實驗成本高，每次孤網(wǎng)實驗都要求廠內(nèi)用電設(shè)備參與，部分高精度用電設(shè)備對網(wǎng)頻要求很高，網(wǎng)頻不正常會對設(shè)備有一定程度損害；

（5）對實驗的組織調(diào)度水平要求高，孤網(wǎng)實驗涉及到電氣、鍋爐、汽機、熱網(wǎng)等多個環(huán)節(jié)，良好的組織調(diào)度是實驗成功和安全的必要前提。

5　產(chǎn)品支撐

針對垃圾發(fā)電企業(yè)孤網(wǎng)運行可以采用和利時T800K電調(diào)控制系統(tǒng)和B400型自容式液壓系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的數(shù)字控制裝置的先天不足是存在一個控制周期，控制周期在負反饋閉環(huán)系統(tǒng)回路里，相當于串入了一個純延遲環(huán)節(jié)，它對系統(tǒng)的動、靜態(tài)控制精度和穩(wěn)定性都有很大的影響。這就需要通過減少控制系統(tǒng)的回路時間，提高伺服機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)速度來做些補償。

圖2 T800K控制系統(tǒng)機柜

圖3 和利時B400自容式液壓系統(tǒng)油站

和利時T800K控制系統(tǒng)如圖2所示，采用K系列I/O硬件和DEH專用的K-CU02高速控制器，支持50ms運算周期。現(xiàn)場控制站配以專用的轉(zhuǎn)速測量模塊K-FC01和伺服模塊K-SV01。K-SV01是K系列DEH專用汽輪機閥門伺服控制模塊，完成汽輪機閥門伺服控制，配合K-FCO1測速模塊完成快速一次調(diào)頻功能；K-SV01有2路LVDT線性位移采集輸入、2路伺服輸出，具備2路雙冗余DP通訊，支持冗余切換，支持Modbus TCP以太網(wǎng)通訊，支持CAN自由口通訊，同時K-SV01模塊支持冗余，單機/冗余模式可配，支持獨立使用。此外，K-SV01具有LVDT掉桿自診斷自動切換功能，這一功能屬于行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，大大提高了機組安全運行時間。

B400型自容式液壓系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)伺服機構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)快、力量大、控制精度高，較好地補償系統(tǒng)滯后時間。并且彌補了抗燃油系統(tǒng)毒性大，不環(huán)保，其壓力油供油系統(tǒng)復(fù)雜、造價高、維護費用高的缺點。自容式液壓系統(tǒng)本身是一套全新、獨立的調(diào)節(jié)器，它有獨立的油源和控制系統(tǒng)，可直接控制油動機，用于與DEH配套，執(zhí)行DEH控制。可以替代低壓透平油型電液油動機和高壓抗燃油型電液油動機，控制汽輪機的調(diào)節(jié)閥或主汽閥，實現(xiàn)電液控制。

6　實施效果

河北某垃圾發(fā)電企業(yè)采用廣重凝汽式機組，主汽壓力3.9MPa，機組額定功率25MW。設(shè)計垃圾處理規(guī)模2000噸/日，計劃分兩期建設(shè)。目前已建成一期日處理垃圾1000噸，一爐一機配置。該項目采用我公司T800K電調(diào)控制系統(tǒng)和B400型自容式液壓系統(tǒng)。

機組額定負荷25MW，實驗當天機組運行負荷7.49MW，為額定負荷的29.96%，14:16:25進入實驗，大網(wǎng)解列，機組帶廠用電運行，此時機組負荷1.87MW為額定負荷的7.48%。解列瞬間就在轉(zhuǎn)速由5510RPM增大到5568RPM，遠小于5665RPM即103%額定轉(zhuǎn)速，經(jīng)過1分11秒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在5504RPM，根據(jù)實際情況大網(wǎng)網(wǎng)頻50Hz時對應(yīng)轉(zhuǎn)速為5510RPM，那么機組進入孤島運行后的網(wǎng)頻為49.95Hz。《供電營業(yè)規(guī)則》第五十三條規(guī)定：在電力系統(tǒng)正常狀況下，供電頻率的允許偏差為：電網(wǎng)裝機容量在300萬千瓦及以上的，為±0.2Hz；電網(wǎng)裝機容量在300萬千瓦以下的，為±0.5Hz；在電力系統(tǒng)非正常狀況下，供電頻率允許偏差不應(yīng)超過±1.0Hz。可見此時孤島運行的網(wǎng)頻是優(yōu)于國家標準的。一次調(diào)頻回路輸出-9.14%閥位的調(diào)頻量，機組由壓控模式轉(zhuǎn)換為閥控模式，轉(zhuǎn)換瞬間壓控PID輸出由28.03%減少到24.67%。如圖4所示。

圖4 大網(wǎng)切孤網(wǎng)瞬間各參數(shù)變化

機組切換到孤網(wǎng)模式后，廠內(nèi)各用電設(shè)備可正常工作。例如垃圾電廠必需設(shè)備垃圾吊，2臺總功率400kW的垃圾吊抓料、提升、投料等運行功能均正常，如圖5所示，值得注意的是此時2臺垃圾吊的功率已經(jīng)為孤網(wǎng)狀態(tài)廠用電負荷的21.39%，機組頻率穩(wěn)定。

圖5 垃圾吊設(shè)備穩(wěn)定運行

7　結(jié)論

杭州和利時自動化有限公司的T800K和B400型自容式液壓系統(tǒng)的組合使用，成功地解決了垃圾焚燒發(fā)電機組大網(wǎng)故障情況下切孤島運行的問題，具體來說：和利時孤網(wǎng)機組標準組態(tài)中一次調(diào)頻功能的投入在比例環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)了頻差，將機組迅速拉回到可控轉(zhuǎn)速區(qū)間；通過快速反應(yīng)回路的投入一定程度上抵消了液壓系統(tǒng)和主控運算帶來的機組反應(yīng)遲緩；通過二次調(diào)頻的有效投入，快速消除了一次調(diào)頻遺留的靜差影響，將機組迅速穩(wěn)定到了國家規(guī)定的允許并大網(wǎng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間。同時B400型自容式液壓系統(tǒng)為電調(diào)指令的高速有效執(zhí)行提供了保障。

項目的成功實施告訴我們，高性能的軟硬件系統(tǒng)和完善的控制算法是實現(xiàn)用戶需求的必要條件，和利時整體解決方案的提供為新能源發(fā)電企業(yè)的安全高效運行保駕護航。AP

作者簡介：

甄　卓（1989-），男，河北涿州人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為DEH控制系統(tǒng)研究。

摘自《自動化博覽》2022年6月刊