300MW機組汽輪機調節系統建模研究

姜杰夫

(大唐華銀株洲發電有限公司，湖南株洲412005)

300MW機組汽輪機調節系統建模研究

姜杰夫

(大唐華銀株洲發電有限公司，湖南株洲412005)

對某機組進行汽輪機調節系統參數實測，以建立汽輪機執行機構模型和汽輪機本體模型。發現該機組數字式電液控制系統 (DEH)中的負荷控制回路模型與電力系統綜合分析程序 (PSASP)中的內置模型存在較大區別，利用PSASP中的用戶自定義建模功能，建立電液調節系統模型和汽輪機調節系統模型，并最終實現對該機組汽輪機調節系統建模效果的仿真校核。

汽輪機調節系統；DEH；用戶自定義建模；仿真校核

在電力系統中，汽輪機調節系統承擔著系統調頻、調峰的任務，對于維護系統穩定和提高電能質量都起著非常重要的作用。隨著科學技術和制造工藝的快速發展，汽輪機調節系統動態特性、響應速度得到了極大的提高〔1〕。而汽輪機調節系統模型的完善程度是影響電力系統穩定分析可靠性和精確性的重要因素。汽輪機調節系統參數測試的目的，是通過現場試驗的方法建立和規范電力系統穩定計算用的汽輪機及其調節系統模型〔2－6〕。

文獻 〔7〕對汽輪機調節系統的建模質量有明確要求，所建立的模型應能夠反映被建模機組的實際情況。

對大唐華銀株洲發電有限公司4號機組進行了汽輪機調節系統參數實測。建立了該機組的執行機構模型和汽輪機本體模型，在試圖對該機組的電液調節系統進行建模的過程中發現，該機組所采用的DEH為某公司生產的XDPS－400系統，其控制策略與典型電液調節系統存在明顯的區別，無法直接利用典型電液調節系統模型完成汽輪機調節系統的建模工作。因此借助PSASP中的用戶自定義建模功能，根據該機組DEH中的控制策略，如實地建立了該機組的電液調節系統模型，并最終對其進行仿真校核。校核結果表明，建立的汽輪機調節系統模型能夠真實反映實際機組特性，為電力系統分析提供了準確的基礎數據。

1 汽輪機調節系統參數實測與建模

1.1 電液伺服系統的參數實測與建模

不考慮主汽壓力時，汽輪機調節系統模型可由電液調節系統、電液伺服機構、汽輪機模型組成。其中電液調節系統根據功率/頻率計算生成流量指令，電液伺服機構對流量指令轉換而成的閥位信號為調門開度，控制進入汽輪機的蒸汽流量，蒸汽流量在汽輪機內膨脹做功轉換為機械功率。圖1為調節系統中的電液伺服機構模型。

圖1中:Tc為油動機關閉時間常數；To為油動機開啟時間常數；VELopen為過速開啟系數；VELclose為過速關閉系數；PMAX為原動機最大輸出功率；PMIN為原動機最小輸出功率；PCV為閥位指令值；PGV為閥位開度；T2為LVDT變送器時間常數；Kp為電液轉換器PID比例環節倍數；KD為電液轉換器PID微分環節倍數；KI為電液轉換器PID積分環節倍數。

在停機條件下，對該機組進行執行機構大/小階躍擾動試驗，取高調門GV1作為電液伺服系統模型的建模對象，根據其實際動作特性確定電液伺服系統模型的參數。

圖2是GV1大階躍擾動時的動作特性曲線。當GV1大幅度動作時，可認為電液伺服系統伺服電流達到極限值，電液轉換器運動到極限位置，根據圖2所示的最大開啟和關閉速度曲線，計算油動機開啟時間常數To為1.225 s，油動機關閉時間常數TC為1.771 s。

GV1小階躍擾動時的動作特性曲線如圖3所示。小階躍擾動試驗中，伺服卡和電液轉換器均工作在線性條件下，未達到極值，此時電液伺服系統的PID參數對閥門動作曲線有重要影響，根據圖3中GV1的動作特性可以辨識得到電液轉換器PID的控制參數:KP＝8，KI＝1，KD＝0。

根據執行機構大/小階躍擾動試驗，得到電液伺服系統模型的相關參數，將所得參數輸入電液伺服系統模型中，建立完整的電液伺服系統模型。

為了驗證所建立模型的準確性，對其進行仿真校核。大階躍試驗條件下，模型仿真結果與實測結果如圖4所示:

比較圖4中的仿真曲線和實際曲線，按照文獻〔7〕的要求計算其偏差，見表1。表1中:tup是電液伺服機構上升時間，表示階躍試驗中，從階躍量加入開始到被控量變化至90%階躍量所需時間；ts是電液伺服系統調節時間，表示從起始時間開始，到被控量與最終穩態值之差的絕對值始終不超過5%階躍量的最短時間。

小階躍試驗條件下，模型仿真結果與實測結果如圖5所示:

比較圖5中的仿真曲線和實際曲線，計算其偏差見表2。

表1和2表明，所建立的電液伺服系統模型能夠滿足文獻 〔7〕中仿真與實測的誤差允許值要求。

1.2 汽輪機的參數實測與建模

圖6是穩定計算用的再熱凝汽式汽輪機模型。其中:TCH為高壓汽室蒸汽容積時間；TRH為再熱蒸汽容積時間；TCO為低壓連通管蒸汽容積時間；FHP為高壓缸功率系數；FIP為中壓缸功率系數；FLP為低壓缸功率系數 (FHP＋FIP＋FLP＝1)；λ是高壓缸功率自然過調系數；PGV為進入汽輪機的蒸汽流量；PM為汽輪機輸出的機械功率。

汽輪機模型中需要確定的參數共7個:TCH/ TRH/TCO，FHP/FIP/FLP，λ。對中、低壓缸作合缸處理，即此時TCO＝0，FLP＝0。再熱容積時間常數TRH是基于再熱壓力是該容積環節的集總參數確定的，其值由閥控方式階躍擾動試驗中的再熱壓力變化趨勢辨識可得TRH＝19.7 s。

圖7表明，再熱容積環節的仿真曲線與實際再熱壓力變化趨勢吻合，這說明了所得辨識結果(TRH＝19.7 s)是能夠較好地反映實際再熱容積環節的特性。TCH通過類似方法可以辨識獲得，本文不再贅述；根據汽輪機熱力特性說明書，計算得到λ＝0.6，FHP＝0.265，FLP＝0.735。根據以上確立的參數，可以建立的完整汽輪機模型。

2 模型整體校核

為了確認所建立模型的精確程度，根據文獻〔7〕的要求對模型進行整體校核，通過仿真數據與實測數據的比較結果，計算相應的品質參數，最終根據品質參數與規定指標的偏差判斷建模的效果。

對建立的模型進行仿真計算，需要在專門的電力系統計算程序中進行。以湖南地區為例，所采用的電力系統計算程序為PSASP。盡管在PSASP中，提供了汽輪機調節系統模型，但其中的電液調節系統模型較為簡單，其負荷控制回路結構與該廠4號機組存在較大區別。圖8是PSASP中的電液調節系統負荷控制回路模型。

圖8中:Kf是控制器的前饋增益，KP是PID控制器的比例系數，KI是PID控制器的積分系數；KD是PID控制器的微分系數。該電液調節模型具有典型的前饋－反饋控制的特點。而該廠4號機組其電液調節系統負荷控制回路模型如圖9所示。

比較圖8和9可以發現，在圖9中功率設定與一次調頻增量之和并非作為前饋作用，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，因此無法直接調用PSASP中的內置模型用于仿真計算。利用PSASP的用戶自定義建模功能建立了與圖9相同電液調節系統的汽輪機調節系統模型，并利用該模型實現了仿真校核。汽輪機閉環頻率擾動試驗下的仿真曲線與實測曲線的比較如圖10，11所示。

根據圖10，11計算仿真曲線與實測數據的品質參數，如表3所示。表3中:PHP是高壓缸最大功率出力功率，表示階躍試驗中功率快速變化過程達到的最大值減去初始功率的數值；THP是高壓缸峰值時間，表示階躍試驗中從階躍量加入起到功率達到高壓缸最大功率出力功率所需時間；ts是功率調節時間。

圖10，11及表3表明，在模型整體校核過程中，建立的模型能夠較好地反映實際機組的功率響應特性且其品質參數滿足文獻 〔7〕的要求。

3 結語

利用大唐華銀株洲發電有限公司4號機組進行了汽輪機調節系統，實測數據建立了其汽輪機調節系統模型，對模型進行了仿真校核。校核結果表明，該模型能夠滿足電力系統穩定分析的需要。由于該機組所采用的電液調節系統負荷控制回路模型與PSASP內置模型不同，因此需要利用用戶自定義建模功能建立與其結構相同的模型。而某公司提供的電液調節系統負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節系統模型能夠在其他同類型機組上得到有效應用。

〔1〕盛鍇，朱曉星.再熱凝汽式汽輪機調速系統模型的仿真及驗證 〔J〕.熱力發電，2014，43(3):87-91.

〔2〕盛鍇，劉復平，劉武林，等.汽輪機閥門流量特性對電力系統的影響及其控制策略 〔J〕.電力系統自動化，2012，36 (7):104-109.

〔3〕盛鍇.高壓汽室蒸汽容積環節模型參數對再熱凝汽式汽輪機調速系統仿真校驗的影響 〔J〕.華東電力，2012，40(11): 2 049-2 053.

〔4〕盛鍇，朱曉星，倪宏偉，等.汽輪機調節系統模型仿真校核技術 〔J〕.中國電力，2013，46(12):52-58.

〔5〕盛鍇.基于內模控制的火電機組功率控制系統 〔J〕.熱能動力工程，2013，28(6):616-621.

〔6〕盛鍇.分散控制系統控制器實時性能的測試方法及應用 〔J〕.電站系統工程，2013，29(5):50-52.

〔7〕DL/T 1235—2013同步發電機原動機及其調節系統參數實測與建模導則 〔S〕.北京:中國電力出版社，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，學士，工程師，現從事火力發電企業熱工專業工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.006

2014-04-14 改回日期:2014-11-26