汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型辨識(shí)方法研究

馬覃峰,安 甦,劉明順,焦 進(jìn),陳 剛,江出陽(yáng),趙 勇

(1.貴州電網(wǎng)公司電力調(diào)度控制中心,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州電網(wǎng)都勻供電局,貴州 都勻 558099;3.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

能源既是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈,也是國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的重要支柱。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型期,火電機(jī)組將在承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的條件下參與新能源消納,以保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。汽輪機(jī)作為火電、核電機(jī)組的核心組成設(shè)備,其運(yùn)行狀況直接影響全廠運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合“中國(guó)制造2025”等國(guó)家戰(zhàn)略,火電機(jī)組在信息技術(shù)下進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)為“智能電廠”以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)控制是必然趨勢(shì)。

目前中型以上的火電廠大都采用數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)的控制[2-3]。數(shù)字電液控制系統(tǒng)是火電廠汽輪機(jī)組中的重要組成部分,在汽輪機(jī)啟停、調(diào)速過程中發(fā)揮著重要作用,可以在汽輪機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行或發(fā)生事故時(shí)起到調(diào)節(jié)控制的作用,因此是電廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的不可缺少環(huán)節(jié)[4]。

DEH系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)閥門管理功能,閥門管理方案至關(guān)重要。閥門管理方案優(yōu)化也就是配汽方案優(yōu)化,機(jī)組在承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)時(shí),即發(fā)生劇烈變負(fù)荷過程中,由于配汽方案設(shè)計(jì)不當(dāng),使得機(jī)組軸心出現(xiàn)偏移、軸瓦溫度高于正常值以及軸振異常等故障是當(dāng)前電力行業(yè)存在的一個(gè)普遍問題[5-6]。

為實(shí)現(xiàn)閥門管理動(dòng)態(tài)模型精準(zhǔn)辨識(shí),本文從汽輪機(jī)閥門管理模塊的實(shí)際工作原理出發(fā),首先分析了4高調(diào)門閥門配置結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,通過對(duì)各個(gè)調(diào)門的滑閥油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)及高壓缸容積環(huán)節(jié)進(jìn)行等效。針對(duì)簡(jiǎn)化后的模型,結(jié)合先驗(yàn)知識(shí),利用等效綜合閥位指令得到閥門流量特性曲線,以消除實(shí)際數(shù)據(jù)中靜態(tài)特性的干擾。最后,利用某汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好,驗(yàn)證了本文提出的簡(jiǎn)化模型的準(zhǔn)確性以及結(jié)合了先驗(yàn)知識(shí)的模型辨識(shí)方法的可行性與科學(xué)性。

1 閥門管理動(dòng)態(tài)模型

1.1 閥門組工作方式及功能

汽輪機(jī)一般通過從閥門組來(lái)控制進(jìn)汽量,從閥門組包含了幾個(gè)調(diào)節(jié)汽閥。如圖1所示的兩個(gè)高壓主汽閥門以及 1個(gè)高調(diào)門的閥門配置結(jié)構(gòu)。閥門組有兩種工作方式:一種是節(jié)流調(diào)節(jié),一種是噴嘴調(diào)節(jié)。

圖1 閥門組工作方式

DEH系統(tǒng)一般情況下會(huì)為各個(gè)閥門配備獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而要實(shí)現(xiàn)在上述兩種調(diào)節(jié)方式間的順利切換,就需要閥門管理程序發(fā)揮作用。閥門管理程序可以使得汽輪機(jī)在啟動(dòng)時(shí)或者大范圍變負(fù)荷時(shí)處于節(jié)流調(diào)節(jié)狀態(tài),當(dāng)負(fù)荷基本穩(wěn)定不變時(shí),處于噴嘴調(diào)節(jié)狀態(tài),從而使得汽輪機(jī)組穩(wěn)定、安全、高效的運(yùn)行[7]。

但是,經(jīng)過調(diào)門的流量與閥門開度之間存在非線性關(guān)系,倘若直接以流量請(qǐng)求值去確定對(duì)應(yīng)的調(diào)門開度,就無(wú)法消除這種非線性帶來(lái)的影響,從而無(wú)法準(zhǔn)確反映閥門的靜態(tài)特性[8]。DEH系統(tǒng)可利用內(nèi)嵌軟件對(duì)這種非線性影響做出一定的修正,使得流量指令與實(shí)際的蒸汽流量始終保持線性關(guān)系,然后再將流量指令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的閥門開度信號(hào)[9]。

1.2 閥位后查表函數(shù)的加入

為了使得閥門流量特性曲線具備好的線性度,閥門管理中還需要設(shè)計(jì)特定的閥門開啟規(guī)律,即配汽規(guī)律,如圖2所示。

圖2 閥門配汽規(guī)律曲線

為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)閥門組合重疊開啟動(dòng)態(tài)模型建立,需要在單個(gè)閥門開啟動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上,考慮上述多個(gè)閥門組合開啟的流量特性問題。

具體多個(gè)閥門重疊開啟的動(dòng)態(tài)模型如圖3所示,其中每個(gè)閥門開啟包含滑閥、油動(dòng)機(jī)等動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)模型;雖然每個(gè)閥的閥前壓力均為主蒸汽壓力,但是由于每個(gè)閥門開度變化會(huì)引起調(diào)節(jié)級(jí)壓力的變化,進(jìn)而影響每個(gè)閥門開度下流過該閥門的流量變化,為了考慮這一影響,每個(gè)閥門開度后加入閥位對(duì)應(yīng)的流量特性曲線查表函數(shù),查得不同開度時(shí)流過每個(gè)閥門的真實(shí)流量,以便使之更好的與實(shí)際情況相符;最后多個(gè)閥門流量疊加,形成經(jīng)過閥門管理的流入汽輪機(jī)的總流量。

圖3 高調(diào)閥門管理模塊

1.3 閥門管理動(dòng)態(tài)特性

由上述汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型可以看出,汽輪機(jī)閥門管理由于涉及多個(gè)閥門的重疊開啟,重疊開啟每個(gè)閥門的流量不僅與閥門開度有關(guān),而且不同閥門不同開度時(shí)各閥門流量還存在耦合影響問題。

此外,油動(dòng)機(jī)是調(diào)節(jié)汽閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其運(yùn)作過程存在容積效應(yīng)與慣性影響,每個(gè)閥門的滑閥、油動(dòng)機(jī)均具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程,由于滑閥油動(dòng)機(jī)與高壓缸容積效應(yīng),閥門控制過程存在動(dòng)態(tài)影響,即流量特性與控制策略不同步,導(dǎo)致閥門管理動(dòng)態(tài)模型建立和模型參數(shù)辨識(shí)復(fù)雜,獲得與實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合的汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型困難。

2 閥門管理動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)化及辨識(shí)方法

2.1 模型簡(jiǎn)化

本節(jié)主要對(duì)閥門管理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化內(nèi)容主要包括以下幾點(diǎn):

(1)將4個(gè)滑閥油動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為1個(gè)“等效滑閥油動(dòng)機(jī)”。

(2)將4個(gè)調(diào)門對(duì)應(yīng)的高壓缸容積效應(yīng)簡(jiǎn)化為1個(gè)“等效高壓缸容積效應(yīng)”。

最終,閥門管理模型可簡(jiǎn)化為兩輸入(即主蒸汽壓力與綜合閥位指令)、兩動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)(即滑閥油動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)與高壓缸容積動(dòng)態(tài))、一非線性(即閥門流量特性)、一輸出(即調(diào)節(jié)級(jí)壓力)的形式,如圖4所示。

圖4 閥門管理簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型

2.2 模型辨識(shí)方法

簡(jiǎn)化模型中,滑閥油動(dòng)機(jī)時(shí)間、高壓缸容積時(shí)間常數(shù)是待辨識(shí)的兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù),閥門流量特性是待辨識(shí)的靜態(tài)特性。但由于實(shí)際數(shù)據(jù)中同時(shí)包含了動(dòng)態(tài)因素與靜態(tài)因素,因此,本文利用先驗(yàn)知識(shí)來(lái)確定閥門流量特性曲線,消除實(shí)際數(shù)據(jù)中靜態(tài)特性的干擾,從而增加對(duì)于動(dòng)態(tài)參數(shù)的辨識(shí)準(zhǔn)確度。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于某660 MW超臨界空冷燃煤發(fā)電機(jī)組,汽輪機(jī)型號(hào)為NZK660-24.2 MPa/566 ℃/566 ℃,數(shù)據(jù)包括主蒸汽壓力Pzq如圖5所示、綜合閥位指令Fz如圖6所示及調(diào)節(jié)級(jí)壓力Ptj如圖7所示。

圖5 主蒸汽壓力

圖6 綜合閥位指令

圖7 調(diào)節(jié)級(jí)壓力

3.2 辨識(shí)結(jié)果

3.1.1 閥門流量特性曲線辨識(shí)

本小節(jié)結(jié)合了實(shí)驗(yàn)機(jī)組的先驗(yàn)知識(shí),以實(shí)測(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力與實(shí)測(cè)主蒸汽壓力之比作為等效綜合閥位指令Fcv,利用實(shí)測(cè)等效綜合閥位指令Fcv與綜合閥位指令Fz擬合出閥門流量特性曲線如圖8所示。擬合曲線的獲得主要是利用機(jī)組等效綜合閥位指令與綜合閥位指令的先驗(yàn)知識(shí),從穩(wěn)態(tài)角度二者為非線性一一映射關(guān)系,實(shí)際數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的偏離擬合值主要是因?yàn)殚y門開啟或者關(guān)閉過程的動(dòng)態(tài)響應(yīng),結(jié)合這一先驗(yàn)知識(shí)可獲得二者擬合關(guān)系如圖所示。

圖8 閥門流量特性曲線

將該閥門流量特性曲線代入到模型中進(jìn)行非線性修正,并以實(shí)際主蒸汽壓力、綜合閥位指令為輸入,將模型輸出結(jié)果與實(shí)際調(diào)節(jié)級(jí)壓力進(jìn)行比較,最終辨識(shí)出動(dòng)態(tài)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

表1 汽輪機(jī)模型參數(shù)取值

3.3 模型精確度驗(yàn)證

將辨識(shí)后的參數(shù)代入到模型中,將仿真結(jié)果與實(shí)際調(diào)節(jié)級(jí)壓力Pzq對(duì)比,結(jié)果如圖9所示,可以看出利用簡(jiǎn)化汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型能夠獲得很高的建模精度,實(shí)現(xiàn)與實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合的效果。

圖9 整體模型辨識(shí)效果

為了更進(jìn)一步檢驗(yàn)?zāi)Ｐ捅孀R(shí)效果,將實(shí)際調(diào)節(jié)級(jí)壓力Ptj的辨識(shí)結(jié)果進(jìn)行局部對(duì)比,結(jié)果如圖10所示,可以看出模型得到的調(diào)節(jié)級(jí)壓力局部波動(dòng)也與實(shí)際數(shù)據(jù)高度吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證利用簡(jiǎn)化汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型能夠獲得很高的建模精度,利用該簡(jiǎn)化汽輪機(jī)閥門管理動(dòng)態(tài)模型建模和辨識(shí)方法能夠更好地滿足汽輪機(jī)高精度仿真和控制需求。

圖10 實(shí)測(cè)調(diào)節(jié)級(jí)壓力辨識(shí)結(jié)果對(duì)比局部圖

4 結(jié)論

本文主要完成了以下工作:

(1)從汽輪機(jī)閥門管理模塊的實(shí)際工作原理出發(fā),分析了4高調(diào)門閥門配置結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性,通過對(duì)各個(gè)調(diào)門的滑閥油動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)及高壓缸容積環(huán)節(jié)進(jìn)行等效,將閥門管理模塊模型簡(jiǎn)化為了僅包含一個(gè)非線性修正以及兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)。

(2)針對(duì)簡(jiǎn)化后的模型,結(jié)合先驗(yàn)知識(shí),利用等效綜合閥位指令得到閥門流量特性曲線,以消除實(shí)際數(shù)據(jù)中靜態(tài)特性的干擾,從而獲得更高的動(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)精度。

(3)利用某汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好,驗(yàn)證了本文提出的簡(jiǎn)化模型的準(zhǔn)確性以及結(jié)合了先驗(yàn)知識(shí)的模型辨識(shí)方法的可行性與科學(xué)性。