大型汽輪發電機組“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，其中孤網運行方式較為普遍，但350MW超臨界空冷機組實現“點對點”供電尚屬于首例。由于大型汽輪發電機組的電液調節系統（DEH）在設計、制造中，均是按照機組并網運行來考慮，因此，以“點對點”模式運行的機組需要對DEH控制系統進行“點對點”運行模式的改造。改造的內容主要是對汽輪機的轉速控制、同期并網、一次調頻、二次調頻、超速控制、甩負荷控制、協調控制等控制回路進行改造，使之適應“點對點”模式運行。上述改造已經有較為成熟的改造方法和經驗，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，轉速模型和功率模型仍然是并網運行的特性，沒有體現出“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 并網機組的DEH仿真

仿真程序是DEH控制系統中，在沒有蒸汽的工況下，模擬DEH控制汽輪機從掛閘沖轉到并網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、轉子不實際沖轉升速；蒸汽溫度、壓力、轉速、并網信號、功率等參數均為虛擬；汽輪機閥門及控制系統為真實動作。DEH的仿真功能包括參數檢查、復位、掛閘、打閘、沖轉、摩擦檢查、升速、暖機、過臨界、定速，同期、并網，增減負荷、閥位控制、壓力功率閉環控制、超限控制、CCS遙調控制、一次調頻、超速控制、閥門試驗、甩負荷控制、RB控制等。并網機組的仿真程序中有2個主要的模型：轉速模型及功率模型。其原理是根據汽輪機各調門閥位（也可以采用綜合閥位），反映進汽量即輸入機械功率的大小，并根據不同工況和參數，計算出汽輪機的轉速、功率。

2.1 并網前的轉速功率計算

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

并網前汽輪機功率為0。

具體的計算方法如下：

對于轉速：

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

其中：MZ為旋轉阻力矩，Mn為靜態力矩，kz為阻力系數，n為靜態轉速。

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

根據以上公式，經拉氏變換可得轉速的傳遞函數：

其中n為轉速，t為閥位階躍從0計時的時間，n0為穩態轉速，Δn為閥位階躍對應的穩態轉速階躍，e為自然對數的底，τ為1/2階躍響應時間的系數。

對于功率：

其中P為功率。

2.2 并網后的功率計算

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

并網后：

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

3 “點對點”運行機組的轉速功率計算

3.1 “點對點”機組并網前的轉速功率計算

“點對點”機組在并網前的轉速、功率的計算方法與并網機組相同。

3.2 “點對點”機組并網后的轉速功率計算

對于“點對點”機組，發電機組并網后，汽輪機轉速與“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頻率。在此工況下，電網頻率靜態下與機組閥門開度減掉發電做功的部分成正比，孤網的綜合阻力與速度的平方成正比，總輸入力矩與孤網綜合阻力平衡。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，負荷的功率在轉速變化不大的情況下，可以認為與轉速、閥位開度無關。

“點對點”并網后：

轉速的傳遞函數同2.1：

其中：PI為輸入功率，Pe為發電功率，Pn為旋轉功率，MI為輸入力矩，Me為發電力矩，Mn為旋轉力矩。

其中：Pe為發電功率，PG為孤網負載總功率。

4 并網機組的DEH仿真邏輯

并網機組的DEH轉速仿真邏輯詳見圖1。

轉速仿真回路中，輸入綜合閥位，與壓力參數修正后，經開方計算并乘以轉速系數后，由慣性滯后模塊輸出轉速信號。機組并網后，轉速切換為為常量3000。

圖1 并網機組的DEH轉速仿真邏輯

并網機組的DEH功率仿真邏輯詳見圖2。

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

圖2 并網機組的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轉速仿真邏輯

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

并網機組的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置，設置方式設定為階躍及漸變兩種。

6 結語

根據上述改造，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。轉速在一次調頻的控制下維持3000r/min，負荷的變化擾動會導致轉速發生波動及偏差，一次調頻及二次調頻可通過調節消除上述波動及偏差，在此基礎上，可以進行其他相關的仿真試驗。本改造在寧夏臨河發電分公司3#350MW機組上得到應用，經驗證效果良好。