汽輪機閥門管理動態模型辨識方法研究

馬覃峰,安 甦,劉明順,焦 進,陳 剛,江出陽,趙 勇

(1.貴州電網公司電力調度控制中心,貴州 貴陽 550002;2.貴州電網都勻供電局,貴州 都勻 558099;3.南方電網科學研究院有限責任公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

能源既是國家經濟發展的命脈,也是國家發展戰略的重要支柱。在能源結構轉型期,火電機組將在承擔基礎負荷的條件下參與新能源消納,以保證電網的穩定運行[1]。汽輪機作為火電、核電機組的核心組成設備,其運行狀況直接影響全廠運行安全性和經濟性。結合“中國制造2025”等國家戰略,火電機組在信息技術下進行優化升級為“智能電廠”以實現動態、精準控制是必然趨勢。

目前中型以上的火電廠大都采用數字電液控制系統(DEH)實現對汽輪機的控制[2-3]。數字電液控制系統是火電廠汽輪機組中的重要組成部分,在汽輪機啟停、調速過程中發揮著重要作用,可以在汽輪機正常穩定運行或發生事故時起到調節控制的作用,因此是電廠實現自動化的不可缺少環節[4]。

DEH系統要實現閥門管理功能,閥門管理方案至關重要。閥門管理方案優化也就是配汽方案優化,機組在承擔調峰調頻任務時,即發生劇烈變負荷過程中,由于配汽方案設計不當,使得機組軸心出現偏移、軸瓦溫度高于正常值以及軸振異常等故障是當前電力行業存在的一個普遍問題[5-6]。

為實現閥門管理動態模型精準辨識,本文從汽輪機閥門管理模塊的實際工作原理出發,首先分析了4高調門閥門配置結構的動態特性,通過對各個調門的滑閥油動機環節及高壓缸容積環節進行等效。針對簡化后的模型,結合先驗知識,利用等效綜合閥位指令得到閥門流量特性曲線,以消除實際數據中靜態特性的干擾。最后,利用某汽輪機的實際運行數據進行實驗,實驗結果良好,驗證了本文提出的簡化模型的準確性以及結合了先驗知識的模型辨識方法的可行性與科學性。

1 閥門管理動態模型

1.1 閥門組工作方式及功能

汽輪機一般通過從閥門組來控制進汽量,從閥門組包含了幾個調節汽閥。如圖1所示的兩個高壓主汽閥門以及 1個高調門的閥門配置結構。閥門組有兩種工作方式:一種是節流調節,一種是噴嘴調節。

圖1 閥門組工作方式

DEH系統一般情況下會為各個閥門配備獨立的執行機構。而要實現在上述兩種調節方式間的順利切換,就需要閥門管理程序發揮作用。閥門管理程序可以使得汽輪機在啟動時或者大范圍變負荷時處于節流調節狀態,當負荷基本穩定不變時,處于噴嘴調節狀態,從而使得汽輪機組穩定、安全、高效的運行[7]。

但是,經過調門的流量與閥門開度之間存在非線性關系,倘若直接以流量請求值去確定對應的調門開度,就無法消除這種非線性帶來的影響,從而無法準確反映閥門的靜態特性[8]。DEH系統可利用內嵌軟件對這種非線性影響做出一定的修正,使得流量指令與實際的蒸汽流量始終保持線性關系,然后再將流量指令轉換成對應的閥門開度信號[9]。

1.2 閥位后查表函數的加入

為了使得閥門流量特性曲線具備好的線性度,閥門管理中還需要設計特定的閥門開啟規律,即配汽規律,如圖2所示。

圖2 閥門配汽規律曲線

為了實現多個閥門組合重疊開啟動態模型建立,需要在單個閥門開啟動態模型的基礎上,考慮上述多個閥門組合開啟的流量特性問題。

具體多個閥門重疊開啟的動態模型如圖3所示,其中每個閥門開啟包含滑閥、油動機等動態環節模型;雖然每個閥的閥前壓力均為主蒸汽壓力,但是由于每個閥門開度變化會引起調節級壓力的變化,進而影響每個閥門開度下流過該閥門的流量變化,為了考慮這一影響,每個閥門開度后加入閥位對應的流量特性曲線查表函數,查得不同開度時流過每個閥門的真實流量,以便使之更好的與實際情況相符;最后多個閥門流量疊加,形成經過閥門管理的流入汽輪機的總流量。

圖3 高調閥門管理模塊

1.3 閥門管理動態特性

由上述汽輪機閥門管理動態模型可以看出,汽輪機閥門管理由于涉及多個閥門的重疊開啟,重疊開啟每個閥門的流量不僅與閥門開度有關,而且不同閥門不同開度時各閥門流量還存在耦合影響問題。

此外,油動機是調節汽閥的執行機構,其運作過程存在容積效應與慣性影響,每個閥門的滑閥、油動機均具有動態響應過程,由于滑閥油動機與高壓缸容積效應,閥門控制過程存在動態影響,即流量特性與控制策略不同步,導致閥門管理動態模型建立和模型參數辨識復雜,獲得與實際數據高度吻合的汽輪機閥門管理動態模型困難。

2 閥門管理動態模型簡化及辨識方法

2.1 模型簡化

本節主要對閥門管理模型進行簡化,簡化內容主要包括以下幾點:

(1)將4個滑閥油動機簡化為1個“等效滑閥油動機”。

(2)將4個調門對應的高壓缸容積效應簡化為1個“等效高壓缸容積效應”。

最終,閥門管理模型可簡化為兩輸入(即主蒸汽壓力與綜合閥位指令)、兩動態環節(即滑閥油動機動態與高壓缸容積動態)、一非線性(即閥門流量特性)、一輸出(即調節級壓力)的形式,如圖4所示。

圖4 閥門管理簡化動態模型

2.2 模型辨識方法

簡化模型中,滑閥油動機時間、高壓缸容積時間常數是待辨識的兩個動態參數,閥門流量特性是待辨識的靜態特性。但由于實際數據中同時包含了動態因素與靜態因素,因此,本文利用先驗知識來確定閥門流量特性曲線,消除實際數據中靜態特性的干擾,從而增加對于動態參數的辨識準確度。

3 實驗驗證

3.1 實驗數據

本文實驗數據來自于某660 MW超臨界空冷燃煤發電機組,汽輪機型號為NZK660-24.2 MPa/566 ℃/566 ℃,數據包括主蒸汽壓力Pzq如圖5所示、綜合閥位指令Fz如圖6所示及調節級壓力Ptj如圖7所示。

圖5 主蒸汽壓力

圖6 綜合閥位指令

圖7 調節級壓力

3.2 辨識結果

3.1.1 閥門流量特性曲線辨識

本小節結合了實驗機組的先驗知識,以實測調節級壓力與實測主蒸汽壓力之比作為等效綜合閥位指令Fcv,利用實測等效綜合閥位指令Fcv與綜合閥位指令Fz擬合出閥門流量特性曲線如圖8所示。擬合曲線的獲得主要是利用機組等效綜合閥位指令與綜合閥位指令的先驗知識,從穩態角度二者為非線性一一映射關系,實際數據表現出的偏離擬合值主要是因為閥門開啟或者關閉過程的動態響應,結合這一先驗知識可獲得二者擬合關系如圖所示。

圖8 閥門流量特性曲線

將該閥門流量特性曲線代入到模型中進行非線性修正,并以實際主蒸汽壓力、綜合閥位指令為輸入,將模型輸出結果與實際調節級壓力進行比較,最終辨識出動態參數結果如表1所示。

表1 汽輪機模型參數取值

3.3 模型精確度驗證

將辨識后的參數代入到模型中,將仿真結果與實際調節級壓力Pzq對比,結果如圖9所示,可以看出利用簡化汽輪機閥門管理動態模型能夠獲得很高的建模精度,實現與實際數據高度吻合的效果。

圖9 整體模型辨識效果

為了更進一步檢驗模型辨識效果,將實際調節級壓力Ptj的辨識結果進行局部對比,結果如圖10所示,可以看出模型得到的調節級壓力局部波動也與實際數據高度吻合,進一步驗證利用簡化汽輪機閥門管理動態模型能夠獲得很高的建模精度,利用該簡化汽輪機閥門管理動態模型建模和辨識方法能夠更好地滿足汽輪機高精度仿真和控制需求。

圖10 實測調節級壓力辨識結果對比局部圖

4 結論

本文主要完成了以下工作:

(1)從汽輪機閥門管理模塊的實際工作原理出發,分析了4高調門閥門配置結構的動態特性,通過對各個調門的滑閥油動機環節及高壓缸容積環節進行等效,將閥門管理模塊模型簡化為了僅包含一個非線性修正以及兩個動態環節的結構。

(2)針對簡化后的模型,結合先驗知識,利用等效綜合閥位指令得到閥門流量特性曲線,以消除實際數據中靜態特性的干擾,從而獲得更高的動態參數辨識精度。

(3)利用某汽輪機的實際運行數據進行實驗,實驗結果良好,驗證了本文提出的簡化模型的準確性以及結合了先驗知識的模型辨識方法的可行性與科學性。