大型汽輪發(fā)電機組“點對點”運行方式下的DEH仿真模型

鄭小虎，霍萬龍

（國家電投寧夏青銅峽能源鋁業(yè)集團有限公司，寧夏 銀川 750002）

1 概述

近年來，大用戶直供電、自備電廠自供電已在全國有較多的開展，其中孤網(wǎng)運行方式較為普遍，但350MW超臨界空冷機組實現(xiàn)“點對點”供電尚屬于首例。由于大型汽輪發(fā)電機組的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）在設(shè)計、制造中，均是按照機組并網(wǎng)運行來考慮，因此，以“點對點”模式運行的機組需要對DEH控制系統(tǒng)進行“點對點”運行模式的改造。改造的內(nèi)容主要是對汽輪機的轉(zhuǎn)速控制、同期并網(wǎng)、一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、超速控制、甩負荷控制、協(xié)調(diào)控制等控制回路進行改造，使之適應(yīng)“點對點”模式運行。上述改造已經(jīng)有較為成熟的改造方法和經(jīng)驗，本文不再贅述。但是，上述改造一般并未對DEH中的一個重要組成部分，即仿真程序進行改造，機組運行前進行的仿真試驗中，轉(zhuǎn)速模型和功率模型仍然是并網(wǎng)運行的特性，沒有體現(xiàn)出“點對點”運行的特性，不利于對DEH“點對點”運行控制功能的檢查驗證，也不利于運行人員熟悉“點對點”模式下的控制方式及特性。

2 并網(wǎng)機組的DEH仿真

仿真程序是DEH控制系統(tǒng)中，在沒有蒸汽的工況下，模擬DEH控制汽輪機從掛閘沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)帶負荷的全部功能的控制程序。仿真運行時，汽輪機主再熱管道無蒸汽、轉(zhuǎn)子不實際沖轉(zhuǎn)升速；蒸汽溫度、壓力、轉(zhuǎn)速、并網(wǎng)信號、功率等參數(shù)均為虛擬；汽輪機閥門及控制系統(tǒng)為真實動作。DEH的仿真功能包括參數(shù)檢查、復(fù)位、掛閘、打閘、沖轉(zhuǎn)、摩擦檢查、升速、暖機、過臨界、定速，同期、并網(wǎng)，增減負荷、閥位控制、壓力功率閉環(huán)控制、超限控制、CCS遙調(diào)控制、一次調(diào)頻、超速控制、閥門試驗、甩負荷控制、RB控制等。并網(wǎng)機組的仿真程序中有2個主要的模型：轉(zhuǎn)速模型及功率模型。其原理是根據(jù)汽輪機各調(diào)門閥位（也可以采用綜合閥位），反映進汽量即輸入機械功率的大小，并根據(jù)不同工況和參數(shù)，計算出汽輪機的轉(zhuǎn)速、功率。

2.1 并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速功率計算

并網(wǎng)前，汽輪機的轉(zhuǎn)速在靜態(tài)下與閥門開度成正比，旋轉(zhuǎn)阻力與速度的平方成正比，輸入力矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)阻力平衡。當閥門開度變化時，輸入力矩變化，克服轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)速以一定加速度變化，轉(zhuǎn)速變化引起阻力變化，直至抵消輸入力矩的變化，轉(zhuǎn)速在新的轉(zhuǎn)速下重新平衡。

并網(wǎng)前汽輪機功率為0。

具體的計算方法如下：

對于轉(zhuǎn)速：

其中：M為汽輪機驅(qū)動力矩，kv為閥門開度系數(shù)，V為閥門開度，pm為主汽壓力。

其中：MZ為旋轉(zhuǎn)阻力矩，Mn為靜態(tài)力矩，kz為阻力系數(shù)，n為靜態(tài)轉(zhuǎn)速。

其中：ΔM為加速力矩，MI為輸入力矩，Mn為靜態(tài)力矩，ω為角加速度，J為轉(zhuǎn)動慣量。

根據(jù)以上公式，經(jīng)拉氏變換可得轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)：

其中n為轉(zhuǎn)速，t為閥位階躍從0計時的時間，n0為穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速，Δn為閥位階躍對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速階躍，e為自然對數(shù)的底，τ為1/2階躍響應(yīng)時間的系數(shù)。

對于功率：

其中P為功率。

2.2 并網(wǎng)后的功率計算

對并網(wǎng)機組而言，發(fā)電機組并網(wǎng)后，汽輪機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率鎖定，由于本機的輸出功率W1遠小于并入電網(wǎng)的總功率W，因此本機的功率變化對電網(wǎng)頻率的影響可以忽略不計，即本機的轉(zhuǎn)速變化可以忽略不計。電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在50Hz，變化很微小，可以認為恒定不變。因此，并網(wǎng)后轉(zhuǎn)速為3000r/min。

并網(wǎng)后：

其中n為轉(zhuǎn)速，P為功率，pm為主汽壓力，ke為功率系數(shù)，V為閥位開度，V3000為3000r/min下的閥位開度。

3 “點對點”運行機組的轉(zhuǎn)速功率計算

3.1 “點對點”機組并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速功率計算

“點對點”機組在并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速、功率的計算方法與并網(wǎng)機組相同。

3.2 “點對點”機組并網(wǎng)后的轉(zhuǎn)速功率計算

對于“點對點”機組，發(fā)電機組并網(wǎng)后，汽輪機轉(zhuǎn)速與“點對點”頻率鎖定，由于本機的輸出功率W1等于“點對點”的總功率Wg，因此本機的功率變化直接影響孤網(wǎng)頻率。在此工況下，電網(wǎng)頻率靜態(tài)下與機組閥門開度減掉發(fā)電做功的部分成正比，孤網(wǎng)的綜合阻力與速度的平方成正比，總輸入力矩與孤網(wǎng)綜合阻力平衡。當機組閥門的開度變化時，輸入力矩變化，克服“點對點”綜合轉(zhuǎn)動慣量，頻率以一定加速度變化，頻率變化引起阻力變化，直至抵消輸入力矩的變化，頻率在新的頻率下重新平衡。

“點對點”運行的機組功率等于“點對點”總的負載功率，負荷的功率在轉(zhuǎn)速變化不大的情況下，可以認為與轉(zhuǎn)速、閥位開度無關(guān)。

“點對點”并網(wǎng)后：

轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù)同2.1：

其中：PI為輸入功率，Pe為發(fā)電功率，Pn為旋轉(zhuǎn)功率，MI為輸入力矩，Me為發(fā)電力矩，Mn為旋轉(zhuǎn)力矩。

其中：Pe為發(fā)電功率，PG為孤網(wǎng)負載總功率。

4 并網(wǎng)機組的DEH仿真邏輯

并網(wǎng)機組的DEH轉(zhuǎn)速仿真邏輯詳見圖1。

轉(zhuǎn)速仿真回路中，輸入綜合閥位，與壓力參數(shù)修正后，經(jīng)開方計算并乘以轉(zhuǎn)速系數(shù)后，由慣性滯后模塊輸出轉(zhuǎn)速信號。機組并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速切換為為常量3000。

圖1 并網(wǎng)機組的DEH轉(zhuǎn)速仿真邏輯

并網(wǎng)機組的DEH功率仿真邏輯詳見圖2。

功率仿真回路中，輸入綜合閥位，與壓力參數(shù)修正后，減去3000r/min下對應(yīng)的閥位開度，乘以功率系數(shù)后輸出信號。機組并網(wǎng)前，功率切換為常量0。

圖2 并網(wǎng)機組的DEH功率仿真邏輯

5 “點對點”運行機組的DEH仿真改造

“點對點”運行機組的DEH仿真邏輯詳見圖3。

圖3 “點對點”機組的DEH轉(zhuǎn)速仿真邏輯

并網(wǎng)前的轉(zhuǎn)速仿真回路保持不變，并網(wǎng)后，綜合閥位減去功率信號與功率系數(shù)的乘積，與壓力參數(shù)修正后，經(jīng)開方計算并乘以“點對點”轉(zhuǎn)速系數(shù)后，經(jīng)慣性滯后模塊輸出轉(zhuǎn)速信號。為防止仿真轉(zhuǎn)速回路與一次調(diào)頻回路產(chǎn)生震蕩，將慣性滯后模塊的時間常數(shù)增大（30～60s），使之與一次調(diào)頻的響應(yīng)周期（＜10s）偏離。

并網(wǎng)機組的DEH功率仿真邏輯詳見圖4。

圖4 “點對點”機組的DEH功率仿真邏輯

“點對點”方式下，機組并網(wǎng)后功率切換為變量Pe。Pe可以在操作員畫面上由運行人員設(shè)置，設(shè)置方式設(shè)定為階躍及漸變兩種。

6 結(jié)語

根據(jù)上述改造，DEH能夠滿足“點對點”模式下的仿真需求。在仿真模式下，機組并入“點對點”后，機組功率在操作員站上自0開始，由運行人員模擬實際情況來增加或減少。轉(zhuǎn)速在一次調(diào)頻的控制下維持3000r/min，負荷的變化擾動會導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生波動及偏差，一次調(diào)頻及二次調(diào)頻可通過調(diào)節(jié)消除上述波動及偏差，在此基礎(chǔ)上，可以進行其他相關(guān)的仿真試驗。本改造在寧夏臨河發(fā)電分公司3#350MW機組上得到應(yīng)用，經(jīng)驗證效果良好。