汽輪機調節系統遲緩率實測方法研究

2020-06-19 08:07:20代波濤

機械工程師 2020年5期

代波濤

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046）

0 引言

一次調頻能力及水平是國內外電網對汽輪發電機組的整體運行性能的重要考核指標。一次調頻的性能指標取決于電液調節系統的不等率及遲緩率。其中遲緩率是導致動態特性響應延遲、不同幅度轉速波動，進而影響調節系統穩定性的重要因素。其計算、測取方法復雜多樣且意見不一。基于數字式電液調節系統（DEH），研究制定準確有效的實際測定遲緩率方法，對于抑制、消除電網頻率波動，保證電網高效、經濟、安全運行，滿足國內外用戶的要求，意義重大。

1 電液調節系統靜態遲緩率理論計算

數字式電液調節系統采用現代先進技術，相比純液壓調節系統，其遲緩率大幅減小。遲緩率計算包括開環系統及閉環系統遲緩率計算方法。電液調節系統遲緩率是產生遲滯環節遲緩率的累計。

在閉環系統中，積分環節的所處位置對整個系統遲緩率的影響較大。即電液調節系統遲緩率計算與其結構、積分環節在系統所處位置密切相關。調節系統采用積分環節，應盡量前置積分環節，則在其它條件相同時，系統的靈敏度將提高。

電液調節系統的遲緩率及不等率通常用ε、δ表示。產生遲緩率的閥門位移反饋(LVDT)測量環節、測速環節、滑閥、油動機環節及一次調頻死區環節，一般可用εLVDT、ε測速、ε滑閥、ε油動機、ε一次調頻死區表示。由于伺服功放卡件中的PI控制器積分環節的作用，調節系統的整體遲緩率僅與LVDT測量環節、測速環節、一次調頻死區環節的遲緩率相關，而與位于伺服功放卡PI控制器之后的滑閥和油動機的遲緩率無關，用計算公式表征：

一般情況下，實測汽輪機調節系統遲緩率時，暫不考慮一次調頻死區環節，由此，系統的遲緩率計算公式簡化為

測量元件產生的遲緩率既包括其精度產生遲緩率，也包括其死區產生遲緩率。用ε測量環節、ε精度、ε卡澀分別代表測量元件遲緩率、測量元件中測量精度及卡澀所產生的遲緩率。用計算公式表征：

綜合以上因素，電液調節系統遲緩率的計算公式可表征為[1]

靜態遲緩率的計算方法的正確性只能通過仿真測試近似地驗證，因為仿真測試時無法得到絕對靜態。而系統的動態遲緩率，必須充分考量伺服功放卡PI控制器后滑閥死區及油動機死區產生的影響。

2 電液調節系統遲緩率的傳統實測方法

2.1 純液壓調節系統靜態特性曲線求取遲緩率法

測定純液壓調節系統的靜態特性通過試驗測定，即并網前的空載試驗及并網后的帶載試驗。通過試驗測定油動機行程與汽輪機功率的對應關系，按照四象限圖法[1]可繪制汽輪機轉速n與功率PT的對應曲線（見圖1），確定純液壓調節系統靜態特性曲線，進而求得調節系統的遲緩率[2]。

1) 并網前的空載試驗。

圖1 四象限圖法繪制靜特性

手動打開調節汽閥至某一開度，調節主汽閥旁路閥或電動主汽閥旁路閥開度，汽輪機轉速隨其緩慢地開大、關小，緩慢地上升降、下降。調速器滑環、油動機隨之動作。用n、ΔSx、ΔSz分別表示轉速、調速器滑環行程和油動機活塞行程，根據測取的數據即可求得調速器靜態特性曲線及中間放大元件靜態特性曲線。測試時，每個測點盡可能保持一段時間。在預置的上限、中限和下限閥位需各進行一次試驗，可使得實測數據會與穩定工況下的數值更接近。

2)并網后帶載試驗。

手動調整漸增或漸減汽輪機功率，用PT、ΔSz分別表示汽輪機功率、油動機的行程，根據測取的數據即可求得汽輪機功率與油動機的行程的關系曲線。

調速器靜態特性、中間放大元件的靜態特性、油動機活塞和汽輪機功率的關系特性曲線確定后，使用四象限圖法即可繪制出汽輪機調節系統的靜態特性曲線（n-PT關系曲線）。同一開度上測取兩點，多點即可繪成兩條線，其差值表明調節系統存在的遲滯，按照計算公式可求取調節系統的遲緩率[3](見圖2)。

圖2 靜態特性

轉速變化率與調節系統遲緩率通常呈正比變動趨勢。為快速完成遲緩率測試，一般會加大轉速變化率。為使油動機慣性產生的遲緩率測量偏差小于0.01%，則轉速變化率需小于75 r/min（油動機時間常數按0.2 s估算，不等率為0.05），根據仿真測算，轉速變化率為60 r/min時，動態對系統遲緩率的影響僅約為0.012%。

2.2 通過DEH參數實測試驗測定遲緩率的方法

通過四象限圖法可繪制出調節閥門行程-轉速對應關系曲線（見圖3）。

遲緩率是整個調節系統對各控制變量的敏感度的體現。而對調速系統，其轉速的遲緩率表征的是：一旦機組的轉速發生變化，調節系統開始調節時轉速偏差幅度的大小。設汽輪機額定轉速為n0，賦值3000 r/min；轉速發生微小變化時，偏差的幅度為Δn；調節閥門固定開度時Δn的極值為nε，即在Δn超過極值nε時，調節系統開始響應并改變調節閥門開度。調節系統的遲緩率可用公式ε=nε/n0表征。

由此可知，通過試驗測取轉速微小變化的極值，即可對系統的遲緩率進行測定。機組在靜止狀態下完成的遲緩率實測試驗的步驟如下：

1) 切除DEH系統的超速保護控制（OPC）功能及一次調頻限制功能，設定一次調頻限幅為±100 r/min。

2)施加3000 r/min的轉速模擬信號至DEH轉速測量模件；施加信號至DEH開關量輸入模件，模擬并網運行狀態；切除協調控制系統（CCS）；DEH系統投入單閥控制方式。

3) 在DEH系統中將閥位綜合指令設置為30%，即調節閥門位于低負荷開度。將施加的3000 r/min轉速模擬信號緩慢降低，模擬電網頻率降低即汽輪機轉速降低，DEH系統將逐漸開大調節閥門增加出力；模擬轉速降低到2900 r/min時，保持30 s。調整施加的轉速模擬信號，緩慢將轉速模擬信號恢復到3000 r/min。

圖3 ΔSx - n對應關系曲線

4) 在DEH系統中將閥位綜合指令設置為90%，即調節閥門位于低負荷開度。將施加的3000 r/min轉速模擬信號緩慢提升，模擬電網頻率升高即機組轉速的增加，DEH系統將逐漸關小調節閥門減少出力；轉速模擬信號提升至3100 r/min時，保持30 s。調整施加的轉速模擬信號，緩慢將轉速模擬信號恢復到3000 r/min。

使用高速記錄儀實時采集、記錄試驗中轉速模擬信號、綜合閥位輸出、各調節閥門位于反饋等信號的變化過程，可繪制轉速上升、下降全程調節閥門開度-對應轉速變化的ΔSx-n關系曲線。將某一調節閥門開度位置對應的上升轉速和下降轉速值取差即為Δn。選取足夠數量的位置進行取差即可求得nε=max（Δn），進而得到最接近實際數值的遲緩率ε[4]。

上述傳統的求遲緩率的方法適用于純液壓調節系統，也適用于電液調節系統。雖然傳統的方法能夠求得調節系統不等率及多個特征值，但其試驗過程、方法比較繁瑣、復雜。此外，維持系統在理想靜態中幾乎是不可能的，即動態對系統遲緩率的影響無法擺脫[5]。

3 頻率擾動檢測靜態遲緩率方法

通過深入研究國外電廠不同的遲緩率測量方法及思路，可以確定施加微小速度階躍擾動進行系統遲緩率檢測是非常有效測量的方法。根據上述靜態遲緩率理論計算及傳統實測方法可知，實際調節系統靜態遲緩率的測量在純轉速的調節方式下即可，亦即微小速度階躍擾動可在DEH系統轉速測量輸入端即轉速反饋環節施加，如圖4所示。

圖4 頻率擾動檢測靜態遲緩率

當速度階躍擾動Δf＜Δn時，油動機將不會有明顯的動作；當此速度階躍擾動Δf＞Δn時，油動機動作明顯。據此現象及特性，可對實際調節系統遲緩率實施在線檢測，確定實測的系統遲緩率是否滿足行業標準要求。此外，也可對理論分析求得的系統遲緩率進行核驗。分析可知，此時測得的系統靜態遲緩率僅與測速環節有關，與LVDT、伺服功放卡件PI參數、滑閥及油動機死區無關。

根據圖4中的模型[6]進行測試，頻率擾動試驗時要求模擬頻率躍變不大于Δf=20 mHz赫茲。圖5為頻率躍變擾動信號。