300MW機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模研究

姜杰夫

(大唐華銀株洲發(fā)電有限公司，湖南株洲412005)

300MW機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模研究

姜杰夫

(大唐華銀株洲發(fā)電有限公司，湖南株洲412005)

對(duì)某機(jī)組進(jìn)行汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)，以建立汽輪機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和汽輪機(jī)本體模型。發(fā)現(xiàn)該機(jī)組數(shù)字式電液控制系統(tǒng) (DEH)中的負(fù)荷控制回路模型與電力系統(tǒng)綜合分析程序 (PSASP)中的內(nèi)置模型存在較大區(qū)別，利用PSASP中的用戶自定義建模功能，建立電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模效果的仿真校核。

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)；DEH；用戶自定義建模；仿真校核

在電力系統(tǒng)中，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰的任務(wù)，對(duì)于維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量都起著非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)和制造工藝的快速發(fā)展，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、響應(yīng)速度得到了極大的提高〔1〕。而汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的完善程度是影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析可靠性和精確性的重要因素。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試的目的，是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法建立和規(guī)范電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算用的汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型〔2－6〕。

文獻(xiàn) 〔7〕對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模質(zhì)量有明確要求，所建立的模型應(yīng)能夠反映被建模機(jī)組的實(shí)際情況。

對(duì)大唐華銀株洲發(fā)電有限公司4號(hào)機(jī)組進(jìn)行了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)。建立了該機(jī)組的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和汽輪機(jī)本體模型，在試圖對(duì)該機(jī)組的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組所采用的DEH為某公司生產(chǎn)的XDPS－400系統(tǒng)，其控制策略與典型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在明顯的區(qū)別，無(wú)法直接利用典型電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型完成汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建模工作。因此借助PSASP中的用戶自定義建模功能，根據(jù)該機(jī)組DEH中的控制策略，如實(shí)地建立了該機(jī)組的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，并最終對(duì)其進(jìn)行仿真校核。校核結(jié)果表明，建立的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型能夠真實(shí)反映實(shí)際機(jī)組特性，為電力系統(tǒng)分析提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模

1.1 電液伺服系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)測(cè)與建模

不考慮主汽壓力時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型可由電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電液伺服機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)模型組成。其中電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)功率/頻率計(jì)算生成流量指令，電液伺服機(jī)構(gòu)對(duì)流量指令轉(zhuǎn)換而成的閥位信號(hào)為調(diào)門開度，控制進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，蒸汽流量在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率。圖1為調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的電液伺服機(jī)構(gòu)模型。

圖1中:Tc為油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間常數(shù)；To為油動(dòng)機(jī)開啟時(shí)間常數(shù)；VELopen為過(guò)速開啟系數(shù)；VELclose為過(guò)速關(guān)閉系數(shù)；PMAX為原動(dòng)機(jī)最大輸出功率；PMIN為原動(dòng)機(jī)最小輸出功率；PCV為閥位指令值；PGV為閥位開度；T2為L(zhǎng)VDT變送器時(shí)間常數(shù)；Kp為電液轉(zhuǎn)換器PID比例環(huán)節(jié)倍數(shù)；KD為電液轉(zhuǎn)換器PID微分環(huán)節(jié)倍數(shù)；KI為電液轉(zhuǎn)換器PID積分環(huán)節(jié)倍數(shù)。

在停機(jī)條件下，對(duì)該機(jī)組進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)大/小階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，取高調(diào)門GV1作為電液伺服系統(tǒng)模型的建模對(duì)象，根據(jù)其實(shí)際動(dòng)作特性確定電液伺服系統(tǒng)模型的參數(shù)。

圖2是GV1大階躍擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)作特性曲線。當(dāng)GV1大幅度動(dòng)作時(shí)，可認(rèn)為電液伺服系統(tǒng)伺服電流達(dá)到極限值，電液轉(zhuǎn)換器運(yùn)動(dòng)到極限位置，根據(jù)圖2所示的最大開啟和關(guān)閉速度曲線，計(jì)算油動(dòng)機(jī)開啟時(shí)間常數(shù)To為1.225 s，油動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)間常數(shù)TC為1.771 s。

GV1小階躍擾動(dòng)時(shí)的動(dòng)作特性曲線如圖3所示。小階躍擾動(dòng)試驗(yàn)中，伺服卡和電液轉(zhuǎn)換器均工作在線性條件下，未達(dá)到極值，此時(shí)電液伺服系統(tǒng)的PID參數(shù)對(duì)閥門動(dòng)作曲線有重要影響，根據(jù)圖3中GV1的動(dòng)作特性可以辨識(shí)得到電液轉(zhuǎn)換器PID的控制參數(shù):KP＝8，KI＝1，KD＝0。

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大/小階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，得到電液伺服系統(tǒng)模型的相關(guān)參數(shù)，將所得參數(shù)輸入電液伺服系統(tǒng)模型中，建立完整的電液伺服系統(tǒng)模型。

為了驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行仿真校核。大階躍試驗(yàn)條件下，模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示:

比較圖4中的仿真曲線和實(shí)際曲線，按照文獻(xiàn)〔7〕的要求計(jì)算其偏差，見表1。表1中:tup是電液伺服機(jī)構(gòu)上升時(shí)間，表示階躍試驗(yàn)中，從階躍量加入開始到被控量變化至90%階躍量所需時(shí)間；ts是電液伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，表示從起始時(shí)間開始，到被控量與最終穩(wěn)態(tài)值之差的絕對(duì)值始終不超過(guò)5%階躍量的最短時(shí)間。

小階躍試驗(yàn)條件下，模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示:

比較圖5中的仿真曲線和實(shí)際曲線，計(jì)算其偏差見表2。

表1和2表明，所建立的電液伺服系統(tǒng)模型能夠滿足文獻(xiàn) 〔7〕中仿真與實(shí)測(cè)的誤差允許值要求。

1.2 汽輪機(jī)的參數(shù)實(shí)測(cè)與建模

圖6是穩(wěn)定計(jì)算用的再熱凝汽式汽輪機(jī)模型。其中:TCH為高壓汽室蒸汽容積時(shí)間；TRH為再熱蒸汽容積時(shí)間；TCO為低壓連通管蒸汽容積時(shí)間；FHP為高壓缸功率系數(shù)；FIP為中壓缸功率系數(shù)；FLP為低壓缸功率系數(shù) (FHP＋FIP＋FLP＝1)；λ是高壓缸功率自然過(guò)調(diào)系數(shù)；PGV為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量；PM為汽輪機(jī)輸出的機(jī)械功率。

汽輪機(jī)模型中需要確定的參數(shù)共7個(gè):TCH/ TRH/TCO，F(xiàn)HP/FIP/FLP，λ。對(duì)中、低壓缸作合缸處理，即此時(shí)TCO＝0，F(xiàn)LP＝0。再熱容積時(shí)間常數(shù)TRH是基于再熱壓力是該容積環(huán)節(jié)的集總參數(shù)確定的，其值由閥控方式階躍擾動(dòng)試驗(yàn)中的再熱壓力變化趨勢(shì)辨識(shí)可得TRH＝19.7 s。

圖7表明，再熱容積環(huán)節(jié)的仿真曲線與實(shí)際再熱壓力變化趨勢(shì)吻合，這說(shuō)明了所得辨識(shí)結(jié)果(TRH＝19.7 s)是能夠較好地反映實(shí)際再熱容積環(huán)節(jié)的特性。TCH通過(guò)類似方法可以辨識(shí)獲得，本文不再贅述；根據(jù)汽輪機(jī)熱力特性說(shuō)明書，計(jì)算得到λ＝0.6，F(xiàn)HP＝0.265，F(xiàn)LP＝0.735。根據(jù)以上確立的參數(shù)，可以建立的完整汽輪機(jī)模型。

2 模型整體校核

為了確認(rèn)所建立模型的精確程度，根據(jù)文獻(xiàn)〔7〕的要求對(duì)模型進(jìn)行整體校核，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，計(jì)算相應(yīng)的品質(zhì)參數(shù)，最終根據(jù)品質(zhì)參數(shù)與規(guī)定指標(biāo)的偏差判斷建模的效果。

對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，需要在專門的電力系統(tǒng)計(jì)算程序中進(jìn)行。以湖南地區(qū)為例，所采用的電力系統(tǒng)計(jì)算程序?yàn)镻SASP。盡管在PSASP中，提供了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，但其中的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型較為簡(jiǎn)單，其負(fù)荷控制回路結(jié)構(gòu)與該廠4號(hào)機(jī)組存在較大區(qū)別。圖8是PSASP中的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷控制回路模型。

圖8中:Kf是控制器的前饋增益，KP是PID控制器的比例系數(shù)，KI是PID控制器的積分系數(shù)；KD是PID控制器的微分系數(shù)。該電液調(diào)節(jié)模型具有典型的前饋－反饋控制的特點(diǎn)。而該廠4號(hào)機(jī)組其電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷控制回路模型如圖9所示。

比較圖8和9可以發(fā)現(xiàn)，在圖9中功率設(shè)定與一次調(diào)頻增量之和并非作為前饋?zhàn)饔?，與PID控制器輸出直接相加，而是與其相乘最終生成流量指令，因此無(wú)法直接調(diào)用PSASP中的內(nèi)置模型用于仿真計(jì)算。利用PSASP的用戶自定義建模功能建立了與圖9相同電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，并利用該模型實(shí)現(xiàn)了仿真校核。汽輪機(jī)閉環(huán)頻率擾動(dòng)試驗(yàn)下的仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的比較如圖10，11所示。

根據(jù)圖10，11計(jì)算仿真曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的品質(zhì)參數(shù)，如表3所示。表3中:PHP是高壓缸最大功率出力功率，表示階躍試驗(yàn)中功率快速變化過(guò)程達(dá)到的最大值減去初始功率的數(shù)值；THP是高壓缸峰值時(shí)間，表示階躍試驗(yàn)中從階躍量加入起到功率達(dá)到高壓缸最大功率出力功率所需時(shí)間；ts是功率調(diào)節(jié)時(shí)間。

圖10，11及表3表明，在模型整體校核過(guò)程中，建立的模型能夠較好地反映實(shí)際機(jī)組的功率響應(yīng)特性且其品質(zhì)參數(shù)滿足文獻(xiàn) 〔7〕的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

利用大唐華銀株洲發(fā)電有限公司4號(hào)機(jī)組進(jìn)行了汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立了其汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，對(duì)模型進(jìn)行了仿真校核。校核結(jié)果表明，該模型能夠滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的需要。由于該機(jī)組所采用的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷控制回路模型與PSASP內(nèi)置模型不同，因此需要利用用戶自定義建模功能建立與其結(jié)構(gòu)相同的模型。而某公司提供的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷控制回路模型具有普遍性，如圖9所示，因此本文所建立的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型能夠在其他同類型機(jī)組上得到有效應(yīng)用。

〔1〕盛鍇，朱曉星.再熱凝汽式汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型的仿真及驗(yàn)證 〔J〕.熱力發(fā)電，2014，43(3):87-91.

〔2〕盛鍇，劉復(fù)平，劉武林，等.汽輪機(jī)閥門流量特性對(duì)電力系統(tǒng)的影響及其控制策略 〔J〕.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36 (7):104-109.

〔3〕盛鍇.高壓汽室蒸汽容積環(huán)節(jié)模型參數(shù)對(duì)再熱凝汽式汽輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真校驗(yàn)的影響 〔J〕.華東電力，2012，40(11): 2 049-2 053.

〔4〕盛鍇，朱曉星，倪宏偉，等.汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型仿真校核技術(shù) 〔J〕.中國(guó)電力，2013，46(12):52-58.

〔5〕盛鍇.基于內(nèi)?？刂频幕痣姍C(jī)組功率控制系統(tǒng) 〔J〕.熱能動(dòng)力工程，2013，28(6):616-621.

〔6〕盛鍇.分散控制系統(tǒng)控制器實(shí)時(shí)性能的測(cè)試方法及應(yīng)用 〔J〕.電站系統(tǒng)工程，2013，29(5):50-52.

〔7〕DL/T 1235—2013同步發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測(cè)與建模導(dǎo)則 〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2013.

300MW steam turbine governing system modeling research

JIANG Jie-fu
(Datang Huayin Zhuzhou Power Generation Co.，LTD，Zhuzhou 412005，China)

According to themeasured results of the turbine governing system parameter for a certain unit，steam turbine and its actuatormodelswere established.Whenmodeling the DEH control system，itwas found that there were big differences between the power control loop of Digital Electro-Hydraulic(DEH)control system and the built-in models of PSASP.DEH control system model of the unitwas faithfully established by user-defined modeling function in PSASP.The turbine governing system model of the units was completely established.Finally simulation and validation for simulation results of the steam turbine governing system model is realized.

steam turbine governing system；DEH；user-defined modeling；simulation and verification

TM715

A

1008-0198(2014)06-0022-04

姜杰夫 (1976)，男，漢族，學(xué)士，工程師，現(xiàn)從事火力發(fā)電企業(yè)熱工專業(yè)工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.006

2014-04-14 改回日期:2014-11-26