低压缸零出力改造机组汽轮机及其调节系统参数实测建模

贾 斌，李晓波，殷建华

（内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020）

0 引言

汽轮机及其调节系统作为电力系统的重要组成环节，承担着系统调频、调峰任务，良好的动态特性对提高电能质量、维护电力系统稳定运行具有重要作用。通过对并网机组开展汽轮机及其调节系统参数实测与建模工作，可以得到机组参与电网一次调频的动态特性，为电力系统仿真计算提供准确的数学模型。为提高火电机组供热能力和运行性能，近年来机组灵活性改造在我国北方地区得到了广泛开展，汽轮机方面比较流行的改造方式为“低压缸零出力”改造[1-4]。改造后汽轮机本体结构及典型运行工况发生了显著变化，汽轮机及其调节系统对电网一次调频的响应特性、对电网调度指令的响应能力均发生了明显变化。

电力系统原有汽轮机及其调节系统模型和参数是基于80%纯凝工况利用一次调频试验获得的，而机组灵活性改造后以低压缸零出力工况运行，电网仿真计算如果继续沿用原有模型，得到的仿真结果将会与实际情况存在较大偏差；多台机组偏差的叠加将影响电网稳定分析结果的准确性[5]。本文针对某电厂低压缸零出力改造机组开展汽轮机及其调节系统参数实测、建模工作，确定改造后汽轮机及其调节系统模型与参数，并与纯凝工况模型、参数进行对比研究。

1 模型结构的确定

根据DL/T 1235—2019《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》规定的原则，电网稳定分析所用汽轮机及其调节系统实测、建模及模型参数辨识可按照调节系统、执行机构、汽轮机三个相对独立的部分分环节进行[6]，电力系统专用计算程序（国内常用PSD-BPA、PSASP）中给出了以上三部分的典型模型。

本文测试机组汽轮机为国产330 MW亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、采暖抽汽/凝汽式两用汽轮机。机组于2017年完成低压缸零出力改造，在低压缸切除工况下,机组额定出力为206.9 MW，最大出力为219.7 MW。电液调节系统（DEH）、分散控制系统（DCS）为上海新华自动控制公司产品。根据现场控制组态、设备情况选用汽轮机及其调节系统模型，各模型所用参数及其名称见表1。

表1 汽轮机及其调节系统模型所用参数名称

1.1 DEH模型

根据现场逻辑组态，机组DEH、协调控制（CCS）一次调频控制逻辑由比例、积分、加减等模块组成[7]。机组并网后可用阀位控制、功率控制和调节级压力控制三种方式运行，其中带负荷前馈的功率控制为机组常用控制方式，Δω经一次调频组态运算形成PCV，用以调节机组功率。由此，DEH模型选用PSASP电力系统专用计算程序中9型调速器（见图1）。模型中待确定的参数，一部分可以通过查阅资料获取，另一部分则需要通过测试数据辨识获得。

图1 DEH模型

1.2 执行机构模型

执行机构由伺服卡、电液伺服阀和油动机组成。电网稳定计算中使用统一的电液伺服系统模型（见图2）。执行机构模型参数通过静态试验阀门小阶跃测试参数辨识获取[8]。该模型以PCV作为输入量，在伺服卡中经PID环节放大作用输出电信号，再由电液伺服阀转化为液压信号控制油动机动作。TR一般取经验值0.01~0.02 s；TO、TC由静态试验阀门大阶跃测试曲线计算获取。

图2 电液伺服机构模型

1.3 汽轮机模型

机组完成低压缸零出力改造后，供热季低压缸以零出力工况或部分出力工况运行。图3为一次中间再热机组低压缸零出力改造后系统结构示意图。改造后，中低压连通管道增设可完全密封的供热蝶阀，并在连通管上设置小旁路以通过少量的低压缸冷却蒸汽[9]。低压缸零出力运行时关闭供热蝶阀，切断低压缸进汽，中压缸排汽全部进入热网加热器，低压缸通过小旁路保留极少量的冷却蒸汽。

图3 一次中间再热机组低压缸零出力改造后系统结构示意图

低压缸零出力改造后，汽轮机高压蒸汽容积、再热蒸汽容积及高、中压缸做功能力均未发生变化，仅在低压缸零出力工况运行时，牺牲低压缸做功能力换取机组供热能力[10]。由于汽轮机根本结构未发生改变，只是调整了运行方式，此类型汽轮机模型可以选择PSASP程序中典型一次中间再热汽轮机模型（见图4）。

图4 典型一次中间再热汽轮机模型

模型中λ用来表征机组动态调整过程中高压缸功率过调现象。由于汽轮机高压调节阀与高压缸之间存在高压蒸汽容积，高压缸排汽口与中压调节阀之间存在再热蒸汽容积，中低压连通管道存在低压蒸汽容积，导致机组功率输出调整滞后于调节阀动作[11]。汽轮机的这种功率输出特性，典型模型中以相应的惯性环节和时间常数来表示。

2 低压缸零出力改造机组模型参数实测、辨识与校核

2.1 执行机构模型参数

由于改造前、后汽轮机电液伺服机构未发生改变，且执行机构模型参数由静态试验获取，所以该部分模型及参数仍沿用改造前实测建模结果。

2.2 汽轮机模型参数

汽轮机模型参数通过对DEH功率开环控制方式的一次调频扰动试验数据，进行参数辨识获得。

2.2.1 参数实测

本文针对机组低压缸零出力工况开展实测、建模，现场参数实测方法如下。

（1）相关导则要求，动态扰动试验机组负荷为额定值的80%以上[6]。测试机组改造后额定负荷为206.9 MW，结合机组供热期运行典型负荷点，确定试验负荷点为180 MW。

（2）机组退出自动负荷控制（AGC），退出CCS控制，投入DEH阀位控制方式、顺序阀控制。

（3）开启低压缸冷却旁路，保持少量（20 t/h）低压缸冷却蒸汽；供热蝶阀全关，切除低压缸进汽。

（4）强制±10 r/min的一次调频转速偏差，进行一次调频上、下阶跃扰动试验。

（5）记录以下参数的变化情况：功率、总阀位指令，高压调节阀反馈、频差、主汽压力、高排压力、中排压力、再热压力。

2.2.2 参数辨识与校核

该汽轮机模型中需要确定的参数有：高、中、低容积时间常数TCH、TRH、TCO；高、中、低三缸功率比例FHP、FIP、FLP；高压缸功率自然过调系数λ。

根据机组低压缸零出力工况热平衡关系，计算得出FHP=0.443，FIP=0.557，FLP=0，TCO则失去实际物理意义。根据试验测得的高压调节阀开度和机组功率，采用PSD-BPA仿真程序辨识得到高压容积时间常数TCH=0.5 s，高压缸功率自然过调系数λ=1.0。根据试验测得的主汽压力和再热压力，仿真辨识得到再热容积时间常数TRH=12.0 s。

功率仿真结果与实测曲线对比结果见图5。在这一步仿真工作中，图1所示电液调节系统模型通过选择开关屏蔽了调节级压力控制器和负荷控制器，仿真计算以功率开环控制方式进行，可以理解为是对执行机构模型和原动机模型的联合校验。使用上述模型参数后，上、下阶跃仿真曲线与实测曲线吻合效果良好，说明测试、辨识得出的汽轮机模型与执行机构模型能够很好地反映机组DEH阀位控制方式一次调频响应特性。

图5 低压缸切除工况阀位方式上、下阶跃仿真结果与实测结果比对

2.3 汽轮机及其调节系统模型整体仿真校核

将图1、图2、图4三部分模型串联组合得到完整的原动机及调节系统模型，通过功率闭环方式频率扰动试验数据仿真进行模型整体校核。试验过程中机组投入CCS控制方式，其他测试过程同2.2.1节。

执行机构与原动机模型参数前面已经辨识得到，电液调节系统中的模型参数通过现场查阅资料与控制组态进行初步设定。通过PSD-BPA系统仿真求出相同频率扰动下模型输出曲线，与实测曲线进行比较。如果仿真与实测偏差不满足DL/T 1235—2019[6]要求则重新调整电液调节系统模型参数，直至仿真误差合格。有功功率仿真曲线与实测曲线对比结果见图6。

图6 低压缸切除工况机组CCS控制方式一次调频上下阶跃仿真、实测曲线对比

在这一步仿真工作中，图1模型选择负荷控制器,仿真计算以功率闭环方式进行，是对调节系统、执行机构、原动机三部分模型及参数的整体仿真校核。仿真曲线与实测曲线吻合效果良好，说明测试、辨识得出的汽轮机及其调节系统模型能够很好地反映机组实际特性。

3 低压缸零出力工况与纯凝工况模型参数及仿真结果对比

前文通过实测、建模给出了测试机组供热季低压缸零出力工况汽轮机及其调节系统建模结果，与纯凝工况比较，两者可以选择相同的模型结构，部分模型参数存在较大差异。执行机构模型、原动机模型、调节系统模型分别对应PSD-BPA程序GA卡、TB卡、GJ/GJ+卡[12]，机组改造前、后模型参数对比见表2—表5。

表2 执行机构模型参数（GA卡）

表5 GJ+卡参数表 s

由以上数据可以看出，低压缸零出力改造机组汽轮机模型中高压容积时间、高压缸功率过调系数、高中压缸做功比例，以及调节系统模型中负荷前馈系数都发生了显著变化。使用改造前和改造后的模型参数分别进行低压缸切除工况实测功率仿真计算，并与实测曲线对比（见图7），可见对于低压缸切除工况一次调频功率响应曲线，若沿用原有仿真模型，仿真结果会严重偏离机组实际功率响应特性，仿真结果应用于电网稳定计算极不可靠。

图7 新建模型与原有模型仿真结果对比

表3 汽轮机模型参数（TB卡）

表4 调节系统模型参数表（GJ卡）

4 仿真结果差异大原因分析

机组改造前、后模型参数辨识结果及仿真结果存在较大差异，主要原因是汽轮机本体结构和运行工况发生了显著变化，导致机组一次调频功率响应特性发生了变化。机组在低压缸零出力工况运行时，主蒸汽从中压缸排出后不再进入低压缸做功，而是直接进入热网加热器对用户供热。在这种工况下，机组功率仅由高压缸和中压缸提供，高、中压缸做功比率提高，一次调频功率响应特性变化较大。图8、图9分别显示了阀位控制方式与CCS控制方式下，机组改造前、后一次调频功率响应实测情况。

从图8、图9可以看出，机组纯凝工况一次调频功率响应速率较平缓，而改造后低压缸切除工况一次调频功率响应速率明显加快，具体对比数据见表6、表7。

表6 阀位控制方式一次调频扰动前、后功率响应

表7 CCS控制方式一次调频扰动前后功率响应

图8 阀位控制方式机组功率响应曲线

图9 CCS控制方式机组功率响应曲线

纯凝工况，一次调频动作后1 s内，阀位控制方式与CCS控制方式机组的功率响应分别达到目标调整量的35.5%和28.1%；低压缸切除工况，一次调频动作后1 s内，两种控制方式机组的功率响应分别达到目标调整量的71.7%和59.7%。与纯凝工况相比，当机组出力比例相同时，低压缸切除工况因供热需求，高、中压缸需要流过更多的主蒸汽流量，同样的调频阀位指令得到更大的高、中压缸调频功率；同时，由于高压蒸汽容积相对较小，高压缸功率响应迅速，因此在低压缸切除工况下，一次调频动作后机组功率响应速率明显加快。低压缸零出力改造机组的这种特性在仿真模型中，直接表现为汽轮机高压缸功率过调系数、调节系统负荷前馈系数的显著增大。

5 结语

本文针对低压缸零出力改造机组开展汽轮机及其调节系统参数实测与建模工作，研究了改造机组的一次调频响应特性。对比改造前、后各环节模型，原动机模型的参数变化明显，如高压容积时间常数、高中低压缸功率比例及高压缸功率过调系数均与改造前存在较大差异。对于调节系统模型，虽然机组实际控制参数未改变，但由于改造后机组一次调频功率响应特性发生了变化，为适应机组新特性，仿真模型中负荷前馈系数、PID环节比例系数也需要进行较大调整。因此，有必要针对低压缸零出力改造机组的冬、夏季运行模式，分别开展实测建模，在电网稳定计算中，根据机组不同的运行模式选用不同的模型参数。