全高位布置汽輪機機組調節系統參數特性分析

閆曉沛唐廣通李路江王志強張 營

(國網河北能源技術服務有限公司,河北 石家莊 050021)

電力系統穩定分析是電網規劃、研究的重要方法。原動機及其調節系統參數實測與建模是為了建立和規范電力系統并網機組參與電網一次調頻的數學模型,為電力系統的中長期穩定性仿真分析提供真實可靠的數據[1]。機組全高位布置在世界范圍屬于新型機組布置形式,并因其工程總投資少、經濟性高的優點相繼在國內建成,2021年有2臺全高位布置機組及1臺高低位布置機組投產發電。全高位布置機組布置較常規機組有明顯變化,從而對機組原動機及調節系統模型參數產生影響。本文以世界首例全高位布置機組為研究對象,搭建汽輪發電機組及調節系統模型,通過機組參數測試試驗,辨識并建立全高位布置機組的數學模型,進一步研究了全高位布置機組模型參數特點及一次調頻特性。

1 全高位布置機組特點

全高位布置超超臨界汽輪發電機組將汽輪發電機組的高壓缸、中低壓缸以及發電機從常規13.7 m 提升到65 m 高度,靠近鍋爐過熱器出口聯箱處,乏汽直接從汽輪機低壓缸排至空冷凝汽器蒸汽分配管。由于汽輪機采用高位布置,汽輪機整體靠近過熱器及再熱器進、出口聯箱,因此四大管道長度均減小;機組取消了傳統空冷機組的排汽裝置,低壓缸排汽通過排汽管道從機房7層(42 m 標高)直接排至空冷島,從而縮短了排汽管道,減小了機組排汽壓損;汽輪機采用全高位布置使機組的抽汽回熱管道顯著增長,受到設備布置標高影響,汽輪機各抽汽管道至抽汽逆止閥距離也相應增加,變相增加了汽輪機缸體的容積,造成機組缸體容積時間常數變化。汽機房共分10層,其全高位布置超超臨界機組主要設備布置示意見圖1。

圖1 全高位布置超超臨界機組主要設備布置示意

2 汽輪機組及其調節系統模型

根據某全高位布置超超臨界汽輪機組及調節系統的工作原理,其數學模型由調節系統、執行機構、汽輪機、鍋爐、發電機及勵磁系統模型組成[2-5],其模型框圖見圖2。根據機組不同的工況和控制方式,調節系統模塊通過測量環節接受轉速、功率等參數變化,經PID 控制環節及轉速不等率環節輸出總閥位控制指令;執行機構模塊接受調節系統指令,通過自身閉環控制,調整當前機組閥門開度;鍋爐主蒸汽壓力模塊接受機組閥門開度信號及當前機組流量信號,輸出主蒸汽壓力信號,并根據當前主蒸汽壓力及閥門開度生成主蒸汽流量信號;原動機模塊接受主蒸汽流量信號,輸出機組機械功率,最終通過發電機及勵磁系統模塊輸出發電機功率。

圖2 汽輪機及其調節系統模型框圖

建模主要用于電網穩定性分析,汽輪機組及其調節系統模型采用DL/T 1235-2019《同步發電機原動機及其調節系統參數實測及建模導則》(簡稱“導則”)中定義的模型。目前常用的電力系統計算程序靈活性不強,不能利用參數測試試驗采集的頻域或時域測試數據作為當前辨識模塊的輸入/輸出信號,無法實現各模塊或參數的分別辨識,需要解耦不同參數產生的耦合影響以提高模型的仿真精度。為此建模時模型主結構采用導則中定義的模型,各分模塊采用專用軟件分別辨識,整體模型采用電力系統計算程序校核,使模型與目前常用的電力系統計算程序通用,便于后期校核。

2.1 汽輪發電機組電液調節系統模型

汽輪機及其調節系統模型采用導則中定義的模型,包括含高壓缸功率過調系數的汽輪機模型、汽輪機電液控制系統調節系統模型、電液伺服系統模型。同時考慮到全高位布置汽輪機采用高位布置,汽輪機整體靠近過熱器及再熱器進、出口聯箱,四大管道長度均減小會影響容積時間常數,因此要建立鍋爐實測模型。汽輪發電機組電液調節系統模型見圖3。

圖3 汽輪發電機組電液調節系統模型

2.2 單機無窮大系統建模

發電機、勵磁系統及電力系統具有較強的非線性特征,文獻[6-7]以某發電機模型為例,給出了用于描述其特征的數學方程式。由于發電機模型的數學方程十分復雜,為了簡化仿真過程,可以根據電力系統的輸出、輸入在擾動作用下的關系,從全階模型中抽取出線性化的低階模型,從而得到相關的傳遞函數,在仿真程序中構建實際機組的單機無窮大系統模型(可以不包括汽輪機調節系統模型),并通過仿真參數設置,仿真機械功率階躍變化時電磁功率的階躍響應,從而得到系統的輸入、輸出數據,實現電力系統的快速建模仿真。

電力系統研究中,Prony分析的思想指出,根據輸出、輸入在擾動作用下的關系,從全階模型中抽取出線性化的低階模型,得到相關的傳遞函數[8-10]。低階傳遞模型(s)為

式中:PE為電磁功率;PM為機械功率;ωn為系統自然振蕩頻率;ξ為系統阻尼系數。本文根據實際電網數據,建立機組對應的單機系統模型,通過Prony分析,確定式(1)中的參數,此時ωn=10.784 rad/s,ξ=0.109。最終的傳遞函數為

結合電力系統特點,選擇過程模型(Process modles)中的欠阻尼模型(Under damped),其傳遞模型(s)為

式中:K為比例系數;TW為振蕩環節的時間常數;TZ為一節微分環節時間常數。辨識結果為K=1,TW=0.093 465,TZ=0.011 907,ξ=0.106 98,最終的傳遞函數為

對不同的辨識結果G1(s)和G2(s)進行相似度分析,圖4 為模型仿真相似度對比界面,其中P2U 為G1(s)的仿真相似度,相似度97.53%,P2ZU 為G2(s)的仿真相似度,相似度99.32%。結果顯示,采用G2(s)作為傳遞函數能夠更好地仿真已知的電力系統。

圖4 2種單機無窮大系統模型仿真相似度對比

本文采用G2(s)作為傳遞函數,用于汽輪機調節系統建模與仿真的電力系統模塊。

3 全高位布置超超臨界機組參數實測及分析

該全高位布置超超臨界機組汽輪機采用全周進汽調節,無調節級及補氣閥,一次調頻采用高調閥節流調節,參數實測采用時域測量法,靜態試驗中調節系統、執行機構的實測建模與常規布置并無差異。本文主要介紹負載試驗,為保證試驗準確性,負載試驗前需要完成機組閥門流量特性試驗、一次調頻試驗,確保閥門流量特性設置與實際吻合,一次調頻功能正常,為保證協調方式下試驗的安全及精度,需要完成機組負荷擾動試驗,確保機組協調控制性能良好。

3.1 鍋爐主蒸汽壓力模型參數辨識

鍋爐主蒸汽壓力模型參數辨識在機組80%負荷、采用閥控方式下頻差-負荷階躍響應的數據,以實測總閥位數據作為鍋爐主蒸汽壓力模型輸入,對鍋爐主蒸汽壓力模型參數進行單獨辨識,機組負荷試驗過程中鍋爐主蒸汽壓力波動值最大達到2.1 MPa,可見全高位布置超超臨界機組負荷及主蒸汽流量的擾動對鍋爐主蒸汽壓力的響應相當明顯,反之,主蒸汽壓力的大幅波動必然對機組負荷產生影響,因此為保證建模的準確性,需要建立鍋爐主蒸汽壓力模型。在機組建模及參數辨識過程中,應首先對鍋爐容積時間常數、過熱器時間常數、過熱器流量系數等重要參數進行辨識,確保鍋爐主蒸汽壓力模型準確的前提下在進行后續仿真,仿真鍋爐主蒸汽壓力模型時,應以實測總閥位作為鍋爐主蒸汽壓力模型輸入型號,以提高仿真精度。

主要辨識參數結果:鍋爐過熱器時間常數17 s、鍋爐容積時間常數75 s、過熱器流量系數3。主蒸汽壓力仿真與實際響應值比較見圖5。

圖5 主蒸汽壓力仿真與實際響應值比較

3.2 高壓缸前汽室、再熱器容積時間常數辨識

參照導則建立高壓缸前汽室、再熱器容積環節模型見圖6,由于該汽輪機無調節級,且試驗期間無高壓調門后壓力測點,無法對高壓缸容積時間常數進行辨識?？紤]到雖然高壓缸容積時間常數實際值比較小,但壓力變送器時間常數值相對較大,從而會造成仿真精度較低。根據模型不同參數對功率影響的敏感度分析,高壓容積時間常數影響功率初始響應,對功率穩定值無影響。為此采用基于功率初始響應的高壓容積時間常數辨識方法,以閥門開度為輸入、初始變化功率為輸出辨識得到高壓缸容積時間常數TCH為0.1 s。在再熱器容積時間常數仿真時,將高壓缸容積、再熱器容積環節模型連接,將實際主蒸汽壓力與實際綜合閥位的乘積作為輸入、再熱壓力作為輸出,辨識得再熱器容積時間常數TRH為34.5 s,再熱蒸汽壓力仿真與實際響應值比較見圖7。

圖6 高壓缸前汽室、再熱器容積環節模型

圖7 再熱蒸汽壓力仿真與實際響應值比較

3.3 模型仿真

在完成以上工作的基礎上,根據設計參數設置仿真模塊仿真參數,對機組進行汽輪機數字電液控制系統(DEH)閥控及協調控制(CCS)投入方式下頻差-負荷階躍響應的整體仿真,圖8、9分別為DEH 閥控及CCS方式下頻差-負荷階躍響應值比較。通過仿真數據與實際負荷比較證明仿真精度比較高。

圖8 DEH閥控方式下頻差-負荷階躍響應值比較

圖9 CCS方式下頻差-負荷階躍響應值比較

3.4 全高位布置超超臨界機組參數特性分析

該全高位布置超超臨界機組實測模型參數中,鍋爐過熱器時間常數及過熱器流量系數與常規布置機組無明顯差異,但較常規布置機組鍋爐容積時間常數明顯偏小,僅為75 s,再熱器容積時間常數明顯增大,達到34.5 s。鍋爐過熱器時間常數及過熱器流量系數并未因全高位布置形式而減小,說明高位布置對以上2個參數并無明顯影響,而再熱器容積時間常數增加的主要原因為,本機組鍋爐設計再熱蒸汽溫度為623 ℃,為此鍋爐廠家在原有基礎上增加了再熱器管道及換熱面,從而造成再熱器容積時間常數顯著增大。超超臨界直流鍋爐并無汽包,且鍋爐容積及蓄熱均低于常規機組,加之高位布置的設計形式,所以鍋爐容積時間常數顯著降低。

4 結束語

(1)本文以世界首例全高位布置超超臨界機組為研究對象,搭建了基于單機無窮大系統的機組及其調整系統穩定性分析實測模型,可用于目前常用的電力系統計算程序及機組一次調頻控制策略優化。

(2)全高位布置超超臨界機組通過建立鍋爐主蒸汽壓力模型,采用基于功率初始響應的高壓容積時間常數辨識方法,可有效提高此類型機組仿真精度,確保實測模型的準確。

(3)全高位布置與常規布置超超臨界機組參數特性相比,鍋爐容積時間常數較小、再熱器容積時間常數較大、過熱器容積時間常數無明顯變化,可考慮提高鍋爐響應速度、增大高壓缸過調功率、中調門參與功率調節的一次調頻控制策略。