低壓缸零出力改造機(jī)組汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測建模

賈 斌，李曉波，殷建華

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，承擔(dān)著系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰任務(wù)，良好的動態(tài)特性對提高電能質(zhì)量、維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。通過對并網(wǎng)機(jī)組開展汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模工作，可以得到機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的動態(tài)特性，為電力系統(tǒng)仿真計(jì)算提供準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。為提高火電機(jī)組供熱能力和運(yùn)行性能，近年來機(jī)組靈活性改造在我國北方地區(qū)得到了廣泛開展，汽輪機(jī)方面比較流行的改造方式為“低壓缸零出力”改造[1-4]。改造后汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)及典型運(yùn)行工況發(fā)生了顯著變化，汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)對電網(wǎng)一次調(diào)頻的響應(yīng)特性、對電網(wǎng)調(diào)度指令的響應(yīng)能力均發(fā)生了明顯變化。

電力系統(tǒng)原有汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型和參數(shù)是基于80%純凝工況利用一次調(diào)頻試驗(yàn)獲得的，而機(jī)組靈活性改造后以低壓缸零出力工況運(yùn)行，電網(wǎng)仿真計(jì)算如果繼續(xù)沿用原有模型，得到的仿真結(jié)果將會與實(shí)際情況存在較大偏差；多臺機(jī)組偏差的疊加將影響電網(wǎng)穩(wěn)定分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[5]。本文針對某電廠低壓缸零出力改造機(jī)組開展汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測、建模工作，確定改造后汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型與參數(shù)，并與純凝工況模型、參數(shù)進(jìn)行對比研究。

1 模型結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)DL/T 1235—2019《同步發(fā)電機(jī)原動機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模導(dǎo)則》規(guī)定的原則，電網(wǎng)穩(wěn)定分析所用汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)測、建模及模型參數(shù)辨識可按照調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、汽輪機(jī)三個相對獨(dú)立的部分分環(huán)節(jié)進(jìn)行[6]，電力系統(tǒng)專用計(jì)算程序（國內(nèi)常用PSD-BPA、PSASP）中給出了以上三部分的典型模型。

本文測試機(jī)組汽輪機(jī)為國產(chǎn)330 MW亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、采暖抽汽/凝汽式兩用汽輪機(jī)。機(jī)組于2017年完成低壓缸零出力改造，在低壓缸切除工況下,機(jī)組額定出力為206.9 MW，最大出力為219.7 MW。電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）、分散控制系統(tǒng)（DCS）為上海新華自動控制公司產(chǎn)品。根據(jù)現(xiàn)場控制組態(tài)、設(shè)備情況選用汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，各模型所用參數(shù)及其名稱見表1。

表1 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型所用參數(shù)名稱

1.1 DEH模型

根據(jù)現(xiàn)場邏輯組態(tài)，機(jī)組DEH、協(xié)調(diào)控制（CCS）一次調(diào)頻控制邏輯由比例、積分、加減等模塊組成[7]。機(jī)組并網(wǎng)后可用閥位控制、功率控制和調(diào)節(jié)級壓力控制三種方式運(yùn)行，其中帶負(fù)荷前饋的功率控制為機(jī)組常用控制方式，Δω經(jīng)一次調(diào)頻組態(tài)運(yùn)算形成PCV，用以調(diào)節(jié)機(jī)組功率。由此，DEH模型選用PSASP電力系統(tǒng)專用計(jì)算程序中9型調(diào)速器（見圖1）。模型中待確定的參數(shù)，一部分可以通過查閱資料獲取，另一部分則需要通過測試數(shù)據(jù)辨識獲得。

圖1 DEH模型

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由伺服卡、電液伺服閥和油動機(jī)組成。電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中使用統(tǒng)一的電液伺服系統(tǒng)模型（見圖2）。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型參數(shù)通過靜態(tài)試驗(yàn)閥門小階躍測試參數(shù)辨識獲取[8]。該模型以PCV作為輸入量，在伺服卡中經(jīng)PID環(huán)節(jié)放大作用輸出電信號，再由電液伺服閥轉(zhuǎn)化為液壓信號控制油動機(jī)動作。TR一般取經(jīng)驗(yàn)值0.01~0.02 s；TO、TC由靜態(tài)試驗(yàn)閥門大階躍測試曲線計(jì)算獲取。

圖2 電液伺服機(jī)構(gòu)模型

1.3 汽輪機(jī)模型

機(jī)組完成低壓缸零出力改造后，供熱季低壓缸以零出力工況或部分出力工況運(yùn)行。圖3為一次中間再熱機(jī)組低壓缸零出力改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。改造后，中低壓連通管道增設(shè)可完全密封的供熱蝶閥，并在連通管上設(shè)置小旁路以通過少量的低壓缸冷卻蒸汽[9]。低壓缸零出力運(yùn)行時關(guān)閉供熱蝶閥，切斷低壓缸進(jìn)汽，中壓缸排汽全部進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器，低壓缸通過小旁路保留極少量的冷卻蒸汽。

圖3 一次中間再熱機(jī)組低壓缸零出力改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

低壓缸零出力改造后，汽輪機(jī)高壓蒸汽容積、再熱蒸汽容積及高、中壓缸做功能力均未發(fā)生變化，僅在低壓缸零出力工況運(yùn)行時，犧牲低壓缸做功能力換取機(jī)組供熱能力[10]。由于汽輪機(jī)根本結(jié)構(gòu)未發(fā)生改變，只是調(diào)整了運(yùn)行方式，此類型汽輪機(jī)模型可以選擇PSASP程序中典型一次中間再熱汽輪機(jī)模型（見圖4）。

圖4 典型一次中間再熱汽輪機(jī)模型

模型中λ用來表征機(jī)組動態(tài)調(diào)整過程中高壓缸功率過調(diào)現(xiàn)象。由于汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥與高壓缸之間存在高壓蒸汽容積，高壓缸排汽口與中壓調(diào)節(jié)閥之間存在再熱蒸汽容積，中低壓連通管道存在低壓蒸汽容積，導(dǎo)致機(jī)組功率輸出調(diào)整滯后于調(diào)節(jié)閥動作[11]。汽輪機(jī)的這種功率輸出特性，典型模型中以相應(yīng)的慣性環(huán)節(jié)和時間常數(shù)來表示。

2 低壓缸零出力改造機(jī)組模型參數(shù)實(shí)測、辨識與校核

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型參數(shù)

由于改造前、后汽輪機(jī)電液伺服機(jī)構(gòu)未發(fā)生改變，且執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型參數(shù)由靜態(tài)試驗(yàn)獲取，所以該部分模型及參數(shù)仍沿用改造前實(shí)測建模結(jié)果。

2.2 汽輪機(jī)模型參數(shù)

汽輪機(jī)模型參數(shù)通過對DEH功率開環(huán)控制方式的一次調(diào)頻擾動試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)辨識獲得。

2.2.1 參數(shù)實(shí)測

本文針對機(jī)組低壓缸零出力工況開展實(shí)測、建模，現(xiàn)場參數(shù)實(shí)測方法如下。

（1）相關(guān)導(dǎo)則要求，動態(tài)擾動試驗(yàn)機(jī)組負(fù)荷為額定值的80%以上[6]。測試機(jī)組改造后額定負(fù)荷為206.9 MW，結(jié)合機(jī)組供熱期運(yùn)行典型負(fù)荷點(diǎn)，確定試驗(yàn)負(fù)荷點(diǎn)為180 MW。

（2）機(jī)組退出自動負(fù)荷控制（AGC），退出CCS控制，投入DEH閥位控制方式、順序閥控制。

（3）開啟低壓缸冷卻旁路，保持少量（20 t/h）低壓缸冷卻蒸汽；供熱蝶閥全關(guān)，切除低壓缸進(jìn)汽。

（4）強(qiáng)制±10 r/min的一次調(diào)頻轉(zhuǎn)速偏差，進(jìn)行一次調(diào)頻上、下階躍擾動試驗(yàn)。

（5）記錄以下參數(shù)的變化情況：功率、總閥位指令，高壓調(diào)節(jié)閥反饋、頻差、主汽壓力、高排壓力、中排壓力、再熱壓力。

2.2.2 參數(shù)辨識與校核

該汽輪機(jī)模型中需要確定的參數(shù)有：高、中、低容積時間常數(shù)TCH、TRH、TCO；高、中、低三缸功率比例FHP、FIP、FLP；高壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)λ。

根據(jù)機(jī)組低壓缸零出力工況熱平衡關(guān)系，計(jì)算得出FHP=0.443，F(xiàn)IP=0.557，F(xiàn)LP=0，TCO則失去實(shí)際物理意義。根據(jù)試驗(yàn)測得的高壓調(diào)節(jié)閥開度和機(jī)組功率，采用PSD-BPA仿真程序辨識得到高壓容積時間常數(shù)TCH=0.5 s，高壓缸功率自然過調(diào)系數(shù)λ=1.0。根據(jù)試驗(yàn)測得的主汽壓力和再熱壓力，仿真辨識得到再熱容積時間常數(shù)TRH=12.0 s。

功率仿真結(jié)果與實(shí)測曲線對比結(jié)果見圖5。在這一步仿真工作中，圖1所示電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型通過選擇開關(guān)屏蔽了調(diào)節(jié)級壓力控制器和負(fù)荷控制器，仿真計(jì)算以功率開環(huán)控制方式進(jìn)行，可以理解為是對執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和原動機(jī)模型的聯(lián)合校驗(yàn)。使用上述模型參數(shù)后，上、下階躍仿真曲線與實(shí)測曲線吻合效果良好，說明測試、辨識得出的汽輪機(jī)模型與執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型能夠很好地反映機(jī)組DEH閥位控制方式一次調(diào)頻響應(yīng)特性。

圖5 低壓缸切除工況閥位方式上、下階躍仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比對

2.3 汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型整體仿真校核

將圖1、圖2、圖4三部分模型串聯(lián)組合得到完整的原動機(jī)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，通過功率閉環(huán)方式頻率擾動試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真進(jìn)行模型整體校核。試驗(yàn)過程中機(jī)組投入CCS控制方式，其他測試過程同2.2.1節(jié)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與原動機(jī)模型參數(shù)前面已經(jīng)辨識得到，電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的模型參數(shù)通過現(xiàn)場查閱資料與控制組態(tài)進(jìn)行初步設(shè)定。通過PSD-BPA系統(tǒng)仿真求出相同頻率擾動下模型輸出曲線，與實(shí)測曲線進(jìn)行比較。如果仿真與實(shí)測偏差不滿足DL/T 1235—2019[6]要求則重新調(diào)整電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)，直至仿真誤差合格。有功功率仿真曲線與實(shí)測曲線對比結(jié)果見圖6。

圖6 低壓缸切除工況機(jī)組CCS控制方式一次調(diào)頻上下階躍仿真、實(shí)測曲線對比

在這一步仿真工作中，圖1模型選擇負(fù)荷控制器,仿真計(jì)算以功率閉環(huán)方式進(jìn)行，是對調(diào)節(jié)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、原動機(jī)三部分模型及參數(shù)的整體仿真校核。仿真曲線與實(shí)測曲線吻合效果良好，說明測試、辨識得出的汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型能夠很好地反映機(jī)組實(shí)際特性。

3 低壓缸零出力工況與純凝工況模型參數(shù)及仿真結(jié)果對比

前文通過實(shí)測、建模給出了測試機(jī)組供熱季低壓缸零出力工況汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模結(jié)果，與純凝工況比較，兩者可以選擇相同的模型結(jié)構(gòu)，部分模型參數(shù)存在較大差異。執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型、原動機(jī)模型、調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型分別對應(yīng)PSD-BPA程序GA卡、TB卡、GJ/GJ+卡[12]，機(jī)組改造前、后模型參數(shù)對比見表2—表5。

表2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型參數(shù)（GA卡）

表5 GJ+卡參數(shù)表 s

由以上數(shù)據(jù)可以看出，低壓缸零出力改造機(jī)組汽輪機(jī)模型中高壓容積時間、高壓缸功率過調(diào)系數(shù)、高中壓缸做功比例，以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型中負(fù)荷前饋系數(shù)都發(fā)生了顯著變化。使用改造前和改造后的模型參數(shù)分別進(jìn)行低壓缸切除工況實(shí)測功率仿真計(jì)算，并與實(shí)測曲線對比（見圖7），可見對于低壓缸切除工況一次調(diào)頻功率響應(yīng)曲線，若沿用原有仿真模型，仿真結(jié)果會嚴(yán)重偏離機(jī)組實(shí)際功率響應(yīng)特性，仿真結(jié)果應(yīng)用于電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算極不可靠。

圖7 新建模型與原有模型仿真結(jié)果對比

表3 汽輪機(jī)模型參數(shù)（TB卡）

表4 調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型參數(shù)表（GJ卡）

4 仿真結(jié)果差異大原因分析

機(jī)組改造前、后模型參數(shù)辨識結(jié)果及仿真結(jié)果存在較大差異，主要原因是汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致機(jī)組一次調(diào)頻功率響應(yīng)特性發(fā)生了變化。機(jī)組在低壓缸零出力工況運(yùn)行時，主蒸汽從中壓缸排出后不再進(jìn)入低壓缸做功，而是直接進(jìn)入熱網(wǎng)加熱器對用戶供熱。在這種工況下，機(jī)組功率僅由高壓缸和中壓缸提供，高、中壓缸做功比率提高，一次調(diào)頻功率響應(yīng)特性變化較大。圖8、圖9分別顯示了閥位控制方式與CCS控制方式下，機(jī)組改造前、后一次調(diào)頻功率響應(yīng)實(shí)測情況。

從圖8、圖9可以看出，機(jī)組純凝工況一次調(diào)頻功率響應(yīng)速率較平緩，而改造后低壓缸切除工況一次調(diào)頻功率響應(yīng)速率明顯加快，具體對比數(shù)據(jù)見表6、表7。

表6 閥位控制方式一次調(diào)頻擾動前、后功率響應(yīng)

表7 CCS控制方式一次調(diào)頻擾動前后功率響應(yīng)

圖8 閥位控制方式機(jī)組功率響應(yīng)曲線

圖9 CCS控制方式機(jī)組功率響應(yīng)曲線

純凝工況，一次調(diào)頻動作后1 s內(nèi)，閥位控制方式與CCS控制方式機(jī)組的功率響應(yīng)分別達(dá)到目標(biāo)調(diào)整量的35.5%和28.1%；低壓缸切除工況，一次調(diào)頻動作后1 s內(nèi)，兩種控制方式機(jī)組的功率響應(yīng)分別達(dá)到目標(biāo)調(diào)整量的71.7%和59.7%。與純凝工況相比，當(dāng)機(jī)組出力比例相同時，低壓缸切除工況因供熱需求，高、中壓缸需要流過更多的主蒸汽流量，同樣的調(diào)頻閥位指令得到更大的高、中壓缸調(diào)頻功率；同時，由于高壓蒸汽容積相對較小，高壓缸功率響應(yīng)迅速，因此在低壓缸切除工況下，一次調(diào)頻動作后機(jī)組功率響應(yīng)速率明顯加快。低壓缸零出力改造機(jī)組的這種特性在仿真模型中，直接表現(xiàn)為汽輪機(jī)高壓缸功率過調(diào)系數(shù)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)負(fù)荷前饋系數(shù)的顯著增大。

5 結(jié)語

本文針對低壓缸零出力改造機(jī)組開展汽輪機(jī)及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)測與建模工作，研究了改造機(jī)組的一次調(diào)頻響應(yīng)特性。對比改造前、后各環(huán)節(jié)模型，原動機(jī)模型的參數(shù)變化明顯，如高壓容積時間常數(shù)、高中低壓缸功率比例及高壓缸功率過調(diào)系數(shù)均與改造前存在較大差異。對于調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型，雖然機(jī)組實(shí)際控制參數(shù)未改變，但由于改造后機(jī)組一次調(diào)頻功率響應(yīng)特性發(fā)生了變化，為適應(yīng)機(jī)組新特性，仿真模型中負(fù)荷前饋系數(shù)、PID環(huán)節(jié)比例系數(shù)也需要進(jìn)行較大調(diào)整。因此，有必要針對低壓缸零出力改造機(jī)組的冬、夏季運(yùn)行模式，分別開展實(shí)測建模，在電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算中，根據(jù)機(jī)組不同的運(yùn)行模式選用不同的模型參數(shù)。