汽輪機及其調節系統建模與參數實測研究

孫清民，劉子烈，富學斌，楊志行

（黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

汽輪機及其調節系統建模與參數實測研究

孫清民，劉子烈，富學斌，楊志行

（黑龍江省電力科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150030）

通過對汽輪發電機組及其調節系統的原理和結構分析，對各系統進行建模，并結合對各模型參數的獲取，詳細論述了現場實測的試驗方法，為汽輪發電機組及其調節系統建模參數測試提供了更加詳實的現場試驗方法。

汽輪發電機組；調節系統；建模；現場實測；試驗方法

對于電力系統，無論是計算分析、規劃運行或控制保護都必須建立在準確可信的數學模型基礎上，這些數學模型包括：發電機、勵磁系統、原動機及調節系統等［1］。

汽輪機及其調節系統作為電力系統中的一個重要環節，對承擔系統調頻、調峰任務，維護系統的穩定和提高電能質量都起著非常重要的作用［2－3］，因此開展汽輪機及其調節系統的參數實測工作，并通過對調速器數學模型的研究和仿真計算，建立更為準確的調速系統計算模型，可為電力系統長期穩定的仿真分析提供真實可靠的數據。

1 汽輪機及其調節系統組成及工作原理

圖1 汽輪機及其調節系統組成及工作原理

汽輪機及其調節系統組成及工作原理如圖1所示，其中，調節系統用來監測轉速的變化，通過測量環節、PID控制環節及轉速不等率環節將轉速變化轉換為汽輪機閥位開度指令的變化；執行機構本身為一個閉環系統，接受調節系統的指令，根據當前的開度和指令偏差形成控制信號，經過PID控制、電液轉換以控制錯油門，改變進入油動機的油量，使油動機動作，進而改變原動機輸出的機械功率，達到調節轉速和發電機輸出電磁功率的目的［4－5］。

2 汽輪機及其調節系統建模與參數實測靜態試驗

在電力系統綜合分析程序（PSASP）中，一般將汽輪發電機組調速系統模型分為調節系統、執行機構及原動機3個部分［6］。

調節系統與執行機構數學模型如圖2、圖3所示，其參數的獲取主要通過在汽輪發電機組靜態下試驗和后期計算仿真辨識完成。

靜態試驗是在停機狀態（鍋爐停爐、管道無汽壓、機組冷態）DEH調試完畢，機組具備掛閘條件，且油溫、油壓在正常范圍內，潤滑油、抗燃油系統工作正常，主汽門、調節汽門可以自由開啟或關閉。

靜態試驗的目的是通過PID參數校核、執行結構大階躍及執行機構小階躍3個環節來校核、測試調節系統模型和執行機構模型相關參數。

圖2 汽輪機電液控制調節系統

圖3 執行機構模型

2.1 PID控制環節參數校核測試

本環節測試著重對汽輪機調節系統模型中PID參數進行校核測試，校核PID中所設置的比例、積分等調節參數與PID調節輸出之間的關系，得到PID的傳遞函數。其他參數如測量時間常數TR、死區、轉速不等率K、純延遲時間TS等也可在本環節中測取或通過前期收集和后期辨識計算獲取。在靜態試驗中，通過在仿真模式下對DEH負荷回路PID參數進行校核測試。在DEH工程師站分別對PID功能塊單獨設置為比例環節、積分環節，工程上一般忽略微分功能，KD一般設置為0，無需測量。如純比例環節將比例放大倍數KP分別設置成1、2，KI、KD設置為0；純積分環節將積分放大倍數KI分別設置成10、20，KP、KD設置為0，模擬功率反饋信號進行階躍量為10%額定功率的擾動，通過現場測試和后期計算，校核PID中所設置的比例、積分等調節參數與PID調節輸出之間的關系，得到PID的傳遞函數，此為CCS負荷回路PID參數校核方法。圖4、圖5為現場實測PID校核錄波曲線。

圖4 純比例環節PID校核現場實測錄波曲線

圖5 純積分環節PID校核現場實測錄波曲線

2.2 執行機構開度大階躍測試

執行機構開度大階躍測試主要獲取該系統測量時間常數TR、純延遲時間T、油動機開啟時間常數TO、關閉時間常數TC以及調門最大開啟速度VELOPEN、最大關閉速度VELCLOSE等參數，試驗原理如圖6所示。該環節試驗是在單閥方式下進行，手動設置總閥位指令，使高調門快速開關，此過程調門階躍應不小于30%。圖7為現場實測執行結構大階躍錄波曲線，此過程總閥位階躍為5%－100%－5%。

圖6 執行機構大階躍原理圖

圖7 執行機構開度大階躍現場實測錄波曲線

2.3 執行機構開度小階躍測試

執行機構開度小階躍測試主要為獲取執行機構中電液轉換PID模塊參數，試驗原理如圖8所示。該環節試驗是在單閥方式下進行，手動設置總閥位指令，進行高調門動作階躍，此過程調門階躍應不小于5%。圖9為現場實測執行結構小階躍錄波曲線。

圖8 執行機構小階躍原理圖

圖9 執行機構開度小階躍現場實測錄波曲線

3 汽輪機及其調節系統建模與參數實測動態試驗

汽輪機及其調節系統建模與參數實測動態試驗是在機組并網、穩定運行在80%額定負荷及以上，所有保護均正常投入下進行，DEH及CCS各運行方式可以正常投入、運行穩定及無擾切換，調節品質滿足一次調頻要求且一次調頻功能可以正常投入［7］，并保證機組的各項保護正常投入，試驗期間盡量維持汽輪機參數在額定值附近。汽輪機及其調節系統建模與參數實測動態試驗的目的，一是通過DEH閥控方式下總閥位指令階躍進行原動機的實測建模，二是通過對整個環節的功率閉環頻率擾動實測機組對頻率擾動的閉環響應特性，校核模型的準確性。

3.1 DEH閥控方式下總閥位指令階躍

該環節試驗在DEH閥控方式下進行總閥位指令的上、下階躍，控制階躍量，使得階躍引起的負荷變化不超過10%額定負荷，來獲取汽輪機高壓缸前汽室容積時間常數TCH、再熱汽室容積時間常數TRH、低壓缸連通管汽室容積時間常數TCO。高壓缸功率系數λ及高、中、低壓缸功率比例系數FHP、FIP、FLP可通過理論計算或前期對電廠參數收集來獲取。汽輪機原動機模型如圖10所示。

圖10 汽輪機原動機模型

試驗前，負荷維持在80%額定負荷左右，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］。試驗通過調整一次調頻轉速，進行5～10 r／min的偏差給定，如將實際轉速從3 000 r／min突升至3 010 r／min，穩定2 min，再降至3 000 r／min。在試驗期間，主汽壓力將變化，此時運行人員無需維持壓力穩定，只需維持溫度、水位穩定即可，待機組穩定在一個負荷點。試驗過程通過記錄功率、總閥位指令、高調門位移反饋、汽包壓力、主汽壓力、調節級壓力、高壓缸排汽壓力、再熱汽壓、中壓缸排汽壓力等參數的變化來計算汽輪機各容積時間常數。

3.2 功率閉環頻率擾動

功率閉環頻率擾動主要通過對整個環節的功率閉環頻率擾動實測機組對頻率擾動的閉環響應特性，校核汽輪機及其調節系統模型的準確性。該環節試驗可通過DEH功率閉環頻率擾動和CCS功率閉環頻率擾動2種方式進行，本文以CCS功率閉環頻率擾動試驗為例。首先將DEH功率閉環退出，投CCS功率閉環，其試驗條件和方法與DEH閥控方式下總閥位指令階躍試驗相同，也是通過調整一次調頻轉速，進行5～10 r／min的偏差給定，進行頻率擾動試驗。

4 結束語

本文對汽輪機及其調節系統原理和結構進行分析，對各系統進行建模，通過現場實測來獲取模型所需的參數值，從而建立與汽輪機及其調節系統實際相符合的模型。通過對汽輪機及其調節系統模型的建立和分析，分別通過靜態和動態試驗詳細論述了現場實測方法，從而獲取各系統所需參數，為系統建模和后期模擬計算提供參考。

［1］PSASP6.22新增模型說明［R］.北京：中國電力科學研究院，2000.

［2］田云峰，郭嘉陽，劉永奇，等.用于電網穩定性計算的再熱凝汽式汽輪機數學模型［J］.電網技術，2007，31（5）：39－44.

［3］王官宏.原動機調節系統對電力系統動態穩定影響的研究［D］.北京：中國電力科學研究院，2008.

［4］張向軍.參與電網調頻的汽輪機電子調節系統功能分析［J］.東北電力技術，1996，17（6）：1－4.

［5］黃潤澤.國產600 MW機組調速系統動態特性研究［J］.東北電力技術，2002，23（11）：10－12.

［6］電力系統綜合分析程序（PSASP）用戶手冊［R］.北京：中國電力科學研究院，2001.

［7］汽輪機電液調節系統性能驗收導則：DL／T 824—2002［S］.

［8］同步發電機原動機及其調節系統參數實測與建模導則：DL／T 1235—2013［S］.

Research on Modeling and Parameter Measurement of Steam Turbine Regulating System

SUN Qingmin，LIU Zilie，FU 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，從事汽輪發電機組熱力性能試驗、調速系統建模試驗及技術監督工作。

2016－05－25）