燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型建立研究

摘 要：近年來，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由于具有裝機(jī)容量大、環(huán)境污染小、啟?？旖菀约澳芰坷寐矢叩葍?yōu)點，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益引起人們的重視。本文利用Matlab/Simulink對某聯(lián)合循環(huán)電站燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行模型組建，并對其全工況進(jìn)行仿真分析，得出其仿真結(jié)果切實符合其實際物理過程，由此證明，該模型能夠用來對燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽 循環(huán)機(jī)組 研究

中圖分類號：TM611.31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0086-02

通常情況下，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)三大部分構(gòu)成，而目前最常見的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組是無補燃的余熱鍋爐型，在該系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)處于主動的地位，余熱鍋爐則伴隨燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動而運動。同時，蒸汽輪機(jī)通常為盡可能地利用燃?xì)庥酂幔话氵\行方式采取滑壓式。本文通過對型號為GEMS7001EA的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的非線性狀態(tài)空間方程加以分析，從動能與熱能之間的互相轉(zhuǎn)化及其控制等方面對建立燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型進(jìn)行研究。

1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)

一般來說，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制、轉(zhuǎn)子角加速度控制、透平溫度控制和壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉控制四大控制系統(tǒng)組成。

轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)。作為燃?xì)廨啓C(jī)最基本的控制系統(tǒng)，負(fù)荷/轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是指為方便對負(fù)荷加以調(diào)節(jié)，其轉(zhuǎn)速控制在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運行時為有差控制，并且這時的轉(zhuǎn)速控制器保持10～50之間的增益值和2%～10%的不等率。此外，在燃機(jī)輪機(jī)實現(xiàn)并網(wǎng)運行的過程中，為了調(diào)整其負(fù)荷，通常首先對其轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，使其與實際轉(zhuǎn)速之間產(chǎn)生一定量的差值，以便令輸出燃料的基準(zhǔn)值得到改變，最終實現(xiàn)負(fù)荷得以調(diào)整的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速不等率去4%時，利用W/（Y+Z）這一傳遞函數(shù)，可得W=1/轉(zhuǎn)速不等率=25；其中Y=0.05.Z=1。

轉(zhuǎn)子角加度速度控制系統(tǒng)。加速度控制系統(tǒng)是指為保證燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)組安全，因此在遇到某些特殊情況時，如燃?xì)廨啓C(jī)起動過程的起動加速率受到限制或者突然出現(xiàn)甩負(fù)荷抑制動態(tài)超速的現(xiàn)象，為使得熱部件的熱沖擊減少，而對轉(zhuǎn)子的角加速度加以限制，使其低于系統(tǒng)所給定的值。其具體過程是，首先將速度信號進(jìn)行微分，得出實際的加速度，接著，用這個加速度與額定加速度相比較，再將兩者的偏差輸入積分調(diào)節(jié)器內(nèi)，利用公式G（S）=100/S，最后加以積分得到加速度燃料基準(zhǔn)[1]。

透平溫度控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)是指為防止透平的進(jìn)口葉片產(chǎn)生損害，因此對透平的進(jìn)口溫度T3加以限制。而在實際的溫度控制系統(tǒng)操作過程中，溫控系統(tǒng)首先通過控制排氣溫度TX來達(dá)到控制T3的效果，并且該系統(tǒng)相當(dāng)于一個比例積分調(diào)節(jié)器，其計算公式為：

式中：uf為燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的燃料控制信號；n為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速信號；為控制燃料壓力的速比閥輸出信號。其中，0.15≤uf（t）≤1.0。

其次，轉(zhuǎn)子模塊的微分方程模型為：

（4）

式中：為壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉角度；為壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉控制器的控制信號。

再次，排氣溫度計算模塊的微分方程為：

（5）

式中：TX為透平的實際溫度；為溫度場的輸出信號。此外，額定排溫Tr的值一般設(shè)定為538℃。

由于該無補燃的鍋爐汽輪機(jī)在整個電站中輸出功率比例較小，因此可以將蒸汽壓力的變化忽略不計，這時得到蒸汽流量與發(fā)電功率之間的關(guān)系如圖1所示。

其中TR與TS分別代表再熱器和高壓透平的時間常數(shù)；C表示在整個蒸汽輪機(jī)功率中高壓透平功率所占的百分比[4]。

3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型建立研究

通過運用現(xiàn)代科技，將GEMS7001EA型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的控制系統(tǒng)模型置入Simulink/Matlab軟件之中，利用仿真技術(shù)對其加以研究，從而對參數(shù)及模型的有效性進(jìn)行驗證。

鑒于燃?xì)廨啓C(jī)要實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電時，需要讓其轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率變化基本保持一致。然而由于在正常情況下電網(wǎng)頻率的變動以及單個機(jī)組轉(zhuǎn)速的變動均微乎其微，因此，可以將轉(zhuǎn)速的變動給整個電網(wǎng)頻率所帶來的影響，在進(jìn)行一次調(diào)頻的過程中忽略不計。故而，在建立燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)模型時，可以初步認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速保持一個恒定的值。此時，為了是機(jī)組功率實現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)，并且完成并網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速需要采取有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。此外，為了保證機(jī)組能夠一次調(diào)頻成功，還可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)，將機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的給定值適當(dāng)增大，以便使得該機(jī)組的功率相應(yīng)增加。其中轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)是負(fù)荷指令的前饋環(huán)節(jié)，它在燃?xì)鈾C(jī)組并網(wǎng)之后通過改變汽輪機(jī)出力的升降來達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)給定值的效果。并且通過轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)調(diào)節(jié)的出力伴隨轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)的增加而上升[5]。

4 結(jié)語

通過在Matlab/Simulink仿真軟件環(huán)境下對GEMS7001EA型燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)模型加以研究分析，使系統(tǒng)能夠真實再現(xiàn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組電站升降符合等工作原理，得出其轉(zhuǎn)速能夠基本與額定值保持一致，且負(fù)荷的輸出相應(yīng)比較迅速，由此證明燃?xì)廨啓C(jī)可以實現(xiàn)一次調(diào)頻，并且說明能夠用來對實際燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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