汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)研究

孫清民，劉子烈，富學(xué)斌，楊志行

（黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)研究

孫清民，劉子烈，富學(xué)斌，楊志行

（黑龍江省電力科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

通過(guò)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)分析，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行建模，并結(jié)合對(duì)各模型參數(shù)的獲取，詳細(xì)論述了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的試驗(yàn)方法，為汽輪發(fā)電機(jī)組及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模參數(shù)測(cè)試提供了更加詳實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法。

汽輪發(fā)電機(jī)組；調(diào)節(jié)系統(tǒng)；建模；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；試驗(yàn)方法

對(duì)于電力系統(tǒng)，無(wú)論是計(jì)算分析、規(guī)劃運(yùn)行或控制保護(hù)都必須建立在準(zhǔn)確可信的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，這些數(shù)學(xué)模型包括：發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)等［1］。

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)，維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定和提高電能質(zhì)量都起著非常重要的作用［2－3］，因此開(kāi)展汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)實(shí)測(cè)工作，并通過(guò)對(duì)調(diào)速器數(shù)學(xué)模型的研究和仿真計(jì)算，建立更為準(zhǔn)確的調(diào)速系統(tǒng)計(jì)算模型，可為電力系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的仿真分析提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)。

1 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及工作原理

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示，其中，調(diào)節(jié)系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速的變化，通過(guò)測(cè)量環(huán)節(jié)、PID控制環(huán)節(jié)及轉(zhuǎn)速不等率環(huán)節(jié)將轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)閥位開(kāi)度指令的變化；執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，接受調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指令，根據(jù)當(dāng)前的開(kāi)度和指令偏差形成控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)PID控制、電液轉(zhuǎn)換以控制錯(cuò)油門(mén)，改變進(jìn)入油動(dòng)機(jī)的油量，使油動(dòng)機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而改變?cè)瓌?dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出電磁功率的目的［4－5］。

2 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)靜態(tài)試驗(yàn)

在電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP）中，一般將汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)模型分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及原動(dòng)機(jī)3個(gè)部分［6］。

調(diào)節(jié)系統(tǒng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型如圖2、圖3所示，其參數(shù)的獲取主要通過(guò)在汽輪發(fā)電機(jī)組靜態(tài)下試驗(yàn)和后期計(jì)算仿真辨識(shí)完成。

靜態(tài)試驗(yàn)是在停機(jī)狀態(tài)（鍋爐停爐、管道無(wú)汽壓、機(jī)組冷態(tài)）DEH調(diào)試完畢，機(jī)組具備掛閘條件，且油溫、油壓在正常范圍內(nèi)，潤(rùn)滑油、抗燃油系統(tǒng)工作正常，主汽門(mén)、調(diào)節(jié)汽門(mén)可以自由開(kāi)啟或關(guān)閉。

靜態(tài)試驗(yàn)的目的是通過(guò)PID參數(shù)校核、執(zhí)行結(jié)構(gòu)大階躍及執(zhí)行機(jī)構(gòu)小階躍3個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)校核、測(cè)試調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型相關(guān)參數(shù)。

圖2 汽輪機(jī)電液控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

2.1 PID控制環(huán)節(jié)參數(shù)校核測(cè)試

本環(huán)節(jié)測(cè)試著重對(duì)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型中PID參數(shù)進(jìn)行校核測(cè)試，校核PID中所設(shè)置的比例、積分等調(diào)節(jié)參數(shù)與PID調(diào)節(jié)輸出之間的關(guān)系，得到PID的傳遞函數(shù)。其他參數(shù)如測(cè)量時(shí)間常數(shù)TR、死區(qū)、轉(zhuǎn)速不等率K、純延遲時(shí)間TS等也可在本環(huán)節(jié)中測(cè)取或通過(guò)前期收集和后期辨識(shí)計(jì)算獲取。在靜態(tài)試驗(yàn)中，通過(guò)在仿真模式下對(duì)DEH負(fù)荷回路PID參數(shù)進(jìn)行校核測(cè)試。在DEH工程師站分別對(duì)PID功能塊單獨(dú)設(shè)置為比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)，工程上一般忽略微分功能，KD一般設(shè)置為0，無(wú)需測(cè)量。如純比例環(huán)節(jié)將比例放大倍數(shù)KP分別設(shè)置成1、2，KI、KD設(shè)置為0；純積分環(huán)節(jié)將積分放大倍數(shù)KI分別設(shè)置成10、20，KP、KD設(shè)置為0，模擬功率反饋信號(hào)進(jìn)行階躍量為10%額定功率的擾動(dòng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和后期計(jì)算，校核PID中所設(shè)置的比例、積分等調(diào)節(jié)參數(shù)與PID調(diào)節(jié)輸出之間的關(guān)系，得到PID的傳遞函數(shù)，此為CCS負(fù)荷回路PID參數(shù)校核方法。圖4、圖5為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)PID校核錄波曲線。

圖4 純比例環(huán)節(jié)PID校核現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錄波曲線

圖5 純積分環(huán)節(jié)PID校核現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錄波曲線

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度大階躍測(cè)試

執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度大階躍測(cè)試主要獲取該系統(tǒng)測(cè)量時(shí)間常數(shù)TR、純延遲時(shí)間T、油動(dòng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)間常數(shù)TO、關(guān)閉時(shí)間常數(shù)TC以及調(diào)門(mén)最大開(kāi)啟速度VELOPEN、最大關(guān)閉速度VELCLOSE等參數(shù)，試驗(yàn)原理如圖6所示。該環(huán)節(jié)試驗(yàn)是在單閥方式下進(jìn)行，手動(dòng)設(shè)置總閥位指令，使高調(diào)門(mén)快速開(kāi)關(guān)，此過(guò)程調(diào)門(mén)階躍應(yīng)不小于30%。圖7為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)大階躍錄波曲線，此過(guò)程總閥位階躍為5%－100%－5%。

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)大階躍原理圖

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度大階躍現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錄波曲線

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度小階躍測(cè)試

執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度小階躍測(cè)試主要為獲取執(zhí)行機(jī)構(gòu)中電液轉(zhuǎn)換PID模塊參數(shù)，試驗(yàn)原理如圖8所示。該環(huán)節(jié)試驗(yàn)是在單閥方式下進(jìn)行，手動(dòng)設(shè)置總閥位指令，進(jìn)行高調(diào)門(mén)動(dòng)作階躍，此過(guò)程調(diào)門(mén)階躍應(yīng)不小于5%。圖9為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)小階躍錄波曲線。

圖8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)小階躍原理圖

圖9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)度小階躍現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)錄波曲線

3 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是在機(jī)組并網(wǎng)、穩(wěn)定運(yùn)行在80%額定負(fù)荷及以上，所有保護(hù)均正常投入下進(jìn)行，DEH及CCS各運(yùn)行方式可以正常投入、運(yùn)行穩(wěn)定及無(wú)擾切換，調(diào)節(jié)品質(zhì)滿(mǎn)足一次調(diào)頻要求且一次調(diào)頻功能可以正常投入［7］，并保證機(jī)組的各項(xiàng)保護(hù)正常投入，試驗(yàn)期間盡量維持汽輪機(jī)參數(shù)在額定值附近。汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與參數(shù)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的目的，一是通過(guò)DEH閥控方式下總閥位指令階躍進(jìn)行原動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)建模，二是通過(guò)對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)的功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)實(shí)測(cè)機(jī)組對(duì)頻率擾動(dòng)的閉環(huán)響應(yīng)特性，校核模型的準(zhǔn)確性。

3.1 DEH閥控方式下總閥位指令階躍

該環(huán)節(jié)試驗(yàn)在DEH閥控方式下進(jìn)行總閥位指令的上、下階躍，控制階躍量，使得階躍引起的負(fù)荷變化不超過(guò)10%額定負(fù)荷，來(lái)獲取汽輪機(jī)高壓缸前汽室容積時(shí)間常數(shù)TCH、再熱汽室容積時(shí)間常數(shù)TRH、低壓缸連通管汽室容積時(shí)間常數(shù)TCO。高壓缸功率系數(shù)λ及高、中、低壓缸功率比例系數(shù)FHP、FIP、FLP可通過(guò)理論計(jì)算或前期對(duì)電廠參數(shù)收集來(lái)獲取。汽輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型如圖10所示。

圖10 汽輪機(jī)原動(dòng)機(jī)模型

試驗(yàn)前，負(fù)荷維持在80%額定負(fù)荷左右，主汽壓力維持在額定壓力值，主汽溫度、再熱汽溫、真空維持在額定值［8］。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速，進(jìn)行5～10 r／min的偏差給定，如將實(shí)際轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r／min突升至3 010 r／min，穩(wěn)定2 min，再降至3 000 r／min。在試驗(yàn)期間，主汽壓力將變化，此時(shí)運(yùn)行人員無(wú)需維持壓力穩(wěn)定，只需維持溫度、水位穩(wěn)定即可，待機(jī)組穩(wěn)定在一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)記錄功率、總閥位指令、高調(diào)門(mén)位移反饋、汽包壓力、主汽壓力、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、高壓缸排汽壓力、再熱汽壓、中壓缸排汽壓力等參數(shù)的變化來(lái)計(jì)算汽輪機(jī)各容積時(shí)間常數(shù)。

3.2 功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)

功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)主要通過(guò)對(duì)整個(gè)環(huán)節(jié)的功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)實(shí)測(cè)機(jī)組對(duì)頻率擾動(dòng)的閉環(huán)響應(yīng)特性，校核汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。該環(huán)節(jié)試驗(yàn)可通過(guò)DEH功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)和CCS功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)2種方式進(jìn)行，本文以CCS功率閉環(huán)頻率擾動(dòng)試驗(yàn)為例。首先將DEH功率閉環(huán)退出，投CCS功率閉環(huán)，其試驗(yàn)條件和方法與DEH閥控方式下總閥位指令階躍試驗(yàn)相同，也是通過(guò)調(diào)整一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速，進(jìn)行5～10 r／min的偏差給定，進(jìn)行頻率擾動(dòng)試驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)來(lái)獲取模型所需的參數(shù)值，從而建立與汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)際相符合的模型。通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的建立和分析，分別通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)詳細(xì)論述了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法，從而獲取各系統(tǒng)所需參數(shù)，為系統(tǒng)建模和后期模擬計(jì)算提供參考。

［1］PSASP6.22新增模型說(shuō)明［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2000.

［2］田云峰，郭嘉陽(yáng)，劉永奇，等.用于電網(wǎng)穩(wěn)定性計(jì)算的再熱凝汽式汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（5）：39－44.

［3］王官宏.原動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定影響的研究［D］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2008.

［4］張向軍.參與電網(wǎng)調(diào)頻的汽輪機(jī)電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能分析［J］.東北電力技術(shù)，1996，17（6）：1－4.

［5］黃潤(rùn)澤.國(guó)產(chǎn)600 MW機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究［J］.東北電力技術(shù)，2002，23（11）：10－12.

［6］電力系統(tǒng)綜合分析程序（PSASP）用戶(hù)手冊(cè)［R］.北京：中國(guó)電力科學(xué)研究院，2001.

［7］汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能驗(yàn)收導(dǎo)則：DL／T 824—2002［S］.

［8］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：DL／T 1235—2013［S］.

Research on Modeling and Parameter Measurement of Steam Turbine Regulating System

SUN Qingmin，LIU Zilie，F(xiàn)U Xuebin，YANG Zhihang
（Heilongjiang Electric Power Research Institute，Harbin，Heilongjiang 150030，China）

Through analyzing the principle and structure of the steam turbine generator and regulating system，the model is established for each system and the test method of field measurement is discussed in detail，which provides a more detailed field test method for the modeling parameters of the steam turbine generator and its regulation system.

Steam turbine generator；Regulation system；Modeling；Field test；Test method

TK26

A

1004－7913（2016）10－0041－04

孫清民（1983），男，碩士，工程師，從事汽輪發(fā)電機(jī)組熱力性能試驗(yàn)、調(diào)速系統(tǒng)建模試驗(yàn)及技術(shù)監(jiān)督工作。

2016－05－25）