参数测试讲义
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汽轮机及调节系统参数与建模引言长期以来我国电力系统的相关部门在进行电力系统稳定计算中所使用的汽轮机及其调节系统模型存在着严重的失真由制造厂提供的模型和参数有时也与实际相差甚远。
在研究中汽机及其调速系统的数学模型和参数往往容易被忽略。
对中长期稳定分析、频率性能控制或调速系统调试整定而言汽机及其调速系统的数学模型和参数的准确程度却非常的关键。
随着电力系统对仿真计算精度要求的提高、以及电力系统控制逐步趋于复杂化运行、规划和设计等研究部门对电力系统发电机、励磁系统、负荷和汽轮机及其调速系统的模型、参数也提出了更新、更高的要求。
引言另一方面:机组运行工况的变化将导致调节对象运行特性和参数的变化要保持良好的响应特性有时需采用自适应控制在线调整控制器的参数。
在运行过程中调节系统性能的退化和故障的发生首先反映在系统各组成环节参数和时间常数的变化上可以通过在线连续监测系统参数的变化来判断系统性能的退化和故障。
因此汽轮机调节系统的参数辨识也是实现自适应优化控制、系统状态监测和故障诊断的重要手段之一。
年IEEE(美国电气与电子工程师协会)曾给出可以应用于电力系统分析计算的各类汽轮机、水轮机及其调速系统的典型数学模型的理论框图除部分给出了设计参数外大部分的参数均难以得到。
设备提供商往往出于多种原因也没给出具体的参数(下为电力行业标准DLT汽轮机调节控制系统试验导则中给出的参考数值)。
并网汽轮机组及其调节系统的运行特性直接关系到机组对电网指令及在电网波动情况下的响应能力进一步影响到供电品质和电网运行安全稳定性。
进行汽轮机及其调速系统参数实测通过建立电网稳定性研究所需要的汽轮机及其调速系统数学模型用以实现电网稳定性的分析具有重要的实用价值。
通过系统建模可以分析各种扰动条件下系统的频率响应和负荷响应确定电网稳定性的边界条件预测在电网频率波动情况下机组的动态响应特性及可能对机组热力系统的协调造成的影响对汽轮机及其调节系统动态特性的研究、实现功能预测对于稳定电网频率、优化汽轮机热力系统的协调特性提高电网稳定性和电能质量将产生巨大的经济效益和社会效益对提高电网的安全稳定和经济运行水平有着十分重要意义。
电力系统仿真电力系统数字仿真已成为电力系统研究、规划和设计的重要手段其功能特性对于提高研究、设计的效率和可信性有重要作用电力系统仿真软件主要用来进行潮流计算、电磁暂态仿真、机电暂态仿真、控制保护仿真等。
电力系统仿真BPA程序自二十世纪年代初期开发的大型电力系统离线分析程序。
目前电力系统多数单位所用的BPA程序是中国电力科学研究院在美国BPA程序年月版本的基础上经过消化吸收开发而成的中国版程序且已在我国电力系统规划设计、调度运行和试验研究等各部门得到了广泛的应用成为我国电力系统分析计算的重要工具之一主要用来计算潮流和暂态稳定并在上世纪末应用较广。
电力系统仿真程序可以在屏幕上输出最大摇摆角还可以给出对应的两台发电机名种传统原动机模型其中种为蒸汽轮机一种为水轮机调速器模型。
如串联组合、单再热汽轮机模型(TB卡)、数字电液调节模型(GJ卡)给出了模型参数的范围没有具体数值有待于辨识。
没有其他发电机组如燃气mdash蒸汽联合循环、核电机组的模型。
调节系统的建模与参数测试汽轮机及其调节系统的参数测试是电网ldquo四大参数测试rdquo工作的一部分。
即:根据中国电力科学研究院《中国版BPA暂态稳定程序用户手册(版)》中有关调速器和原动机模型的分类、说明结合电网内各有关汽轮机组的实际情况特制定有关参数测试的规范和要求以促进汽轮机及其调节系统的参数测试工作。
汽轮机及其调节系统参数测试的目的是为了正确建立汽轮机及其调节系统的数学模型得出BPA程序格式的工程实用化调速系统模型参数应用于电网稳定性分析计算的生产实际。
国内调节系统参数实测的现状年月江苏省开始年内蒙古电网调度工作会明确指出:机组试运期间应完成调速系统(含原动机)参数实测工作并于机组投运后一个月内将实测参数报告上报调度部门审核。
年山西省电力公司指出:新建发电机组在h试验前必须完成项试验:调峰深度试验、AGC联调试验、一次调频功能试验、进相试验、PSS试验、励磁系统参数测试及调速系统参数测试。
安徽省规定:新投产机组应在基建投产半年试运行期间内完成调速器系统、模型参数的在线测试并上报省调方式科。
国内调节系统参数实测的现状华北电网年开始广东电网公司《发电厂并网管理办法》(GPGMR)在机组满负荷试运前应完成励磁系统及调速系统的模型参数实测试验、PSS稳定器试验、一次调频和AGC功能试验、进相能力试验和最低技术出力试验。
南方电网总调及相关文件对汽轮机及其调节系统参数实测也作出了明确规定。
汽轮机调节系统电液调节系统汽轮机调节系统中的测量、控制与转换部分逐步采用数字电子器件代替原机械与液压部件并增加了功率信号使之成为功频电液调节系统基本控制原理不变。
汽轮机本体数学模型及其简化单轴、单再热、凝汽式汽轮机的一般结构(合缸)BPA版对原动机模型的归类随着电力系统数学模型的发展和程序应用实际经验的积累BPA程序得到了不断的完善和开发使程序在国内外都得到了新的发展。
年月中国版《BPA暂态稳定程序用户手册()》在原有版程序用户手册基础上经修正、补充部分内容形成。
根据《中国版本BPA暂态稳定程序用户手册》版ldquo电调型调速器模型rdquo中汽轮机及调速器的模型分类电调型调速系统主要由调节系统(亦称控制系统)、电液伺服系统和原动机三类模型共同组成一个完整的模型。
BPA版对原动机模型的归类汽轮机(原动机)模型共六类:无再热器TA串联组合、单再热器TB串联组合、双再热器TC交叉组合、单再热器一(分轴)TD交叉组合、单再热器二(分轴)TE交叉组合、双再热器一TF。
BPA版对原动机模型的归类串联组合、单再热器汽轮机模型TB:汽轮机本体数学模型及其简化相应地中国版本PSDBPA版ldquo串联组合、单再热器汽轮机模型rdquo如下图。
主汽压力的数学模型在BPA程序中假定汽轮机调门变化时主汽压力不发生变化这个假设在仿真分析时带来了很大的误差而实际上主汽压力对汽轮机调门变化非常敏感。
由于主汽压力变化直接影响到机组功率尤其是高压缸功率的变化因此在电网稳定性计算中很有必要研究汽轮机主汽压力的数学模型。
控制系统模型及其简化DEH包括电气和液压两个部分。
其中电气部分主要用于控制信号的运算和安全保护等液压部分作为DEH的执行机构主要是把控制信号转化调节阀油动机的行程改变机组的进汽量。
下图为某发电厂DEH控制系统工作原理的简化框图包括阀门执行及伺服模块的原理框图它包括一个单侧进油的油动机、一个电液转换器(EH)、一块电液转换伺服模板(HSS)以及反馈阀门开度的位移变送环节(LVDT)等。
在电液转换伺服模板内附加有一个流量非线性修正功能F(x)。
控制系统模型及其简化而阀门执行及伺服模块的简化框图如:汽轮机调节系统参数辨识调速系统中大部分的环节可以用一阶传递函数表示从功能上可以绘制出其传递函数框图如下:对于纯电调的机组伺服阀的时间常数比较小几乎可以忽略这样响应时间主要就集中在高压缸、中压缸和再热器上。
现场试验有时不能得到图中所示的详细传递函数关系所以在实际应用中会进行必要的简化和(或)等效辨识出一个比较简洁的功能转化关系。
汽轮机调节系统参数辨识控制系统模型及其简化BPA给出的电液伺服模型GA:控制系统模型及其简化BPA给出的调节系统模型(GIGI):控制系统模型及其简化BPA给出的调节系统模型(GJ):控制系统模型及其简化BPA给出的调节系统模型(GK):控制系统模型及其简化完整的调速器和原动机模型:机组转子的数学模型机组转子的数学模型相对比较简单转子转速相对于转子的输入和输出功率来说仅仅是一个积分环节。
它仅有一个独立的特征参数转子时间常数Ta。
其物理意义可理解为转子在额定机械功率的作用下从零转速飞升到额定转速所需要的时间。
在数值上它可以由转子的转动惯量和汽轮机的额定功率换算而来。
图中PM为蒸汽转变的机械功PE为发电机的电磁阻力所作的功。
试验设计以带DEH系统的再热汽轮机为例一般情况下需要进行的试验项目有:一、调节系统静态模拟试验(必要)通过调节系统静态模拟试验可以获取调节系统的分环节特性包括转速反馈通道特性、功频处理单元特性和阀门管理特性以及系统速度变动率、系统迟缓率或调频死区和油动机动作速度等。
二、机组带负荷试验(一般)带负荷试验主要是为了获取配汽机构的特性计算调门的非线性流量特性。
试验设计三、机组甩负荷试验(必要)通过机组甩负荷试验可以精确地获取转子的转动惯量、蒸汽有害容积和调门最大关闭速度等。
考虑到甩负荷试验的风险和工作量对于机组进行过甩负荷试验已经获知转子转动惯量的情况下可以不再进行甩负荷试验。
四、机组动态扰动试验(必要)。
动态扰动试验是测试中间再热容积的一个有效手段通过动态扰动试验还可以获取调速系统的响应速度、调节室蒸汽容积、低压连通管蒸汽容积以及工业或采暖管道蒸汽容积。
汽轮机调节系统参数测试方法汽轮机及其调节系统调查表(设计值):()机组型号、生产厂家、锅炉类型、DCS(DEH)生产厂家等()高、中、低压缸功率比、发电机转子转动惯量、蒸汽容积时间常数等()调节系统参数:转速不等率、迟缓率控制回路PID参数、一次调频死区、限幅、DEH控制周期、调门开启速度等。
汽轮机调节系统参数测试方法汽轮机调节系统参数测试方法四个部分:一、调节系统静止试验()测试高压调门的时间常数()调节系统频差调节系数和迟缓率测试()转速反馈通道动态特性测试。
二、调节系统带负荷试验三、调节系统动态扰动试验四、调节系统动态特性试验(甩负荷试验)。
汽轮机调节系统参数测试方法测点清单:汽轮机调节系统参数测试方法试验测点分布及采集通道图:汽轮机调节系统参数测试方法试验的组织和分工电科院负责主持整个试验包括方案编写、组织实施可能遇到的问题分析和处理方法并对试验结果进行评价使之满足要求。
电厂负责协调和给予相应的配合包括:提供临时电源、仪表(须经效验满足要求)和线材协助接入相应信号运行方式调整使运行工况满足提供相关的资料和图纸协助记录相关数据协调试验期间与其他专业的联系。
汽轮机调节系统参数测试方法试验安排及条件汽轮机调节油循环完毕、油质合格与油系统检修有关的工作均已完毕工作票已收回调节系统各部套已安装完毕。
有关仪器、仪表已安装在设计的位置临时测点等已安装完毕。
现场具备开始静态调整试验的条件(油质机组运行方式满足试验)。
各信号经传感器接出接至采集仪便携式计算机通过并行口与采集装置连接采集数据送至计算机的硬盘保存。
汽轮机汽门具备开启的条件。
带负荷试验要求机组具备接带满负荷的能力动态扰动试验需一次调频调试合格并正常投入。
机组进入h满负荷试验之前一次全部完成并合格。
汽轮机调节系统参数测试方法调门动作速度测试在调门单阀或顺序阀方式下进行试验为了确保试验数据的可靠每个试验各进行两次。
具体的试验步骤为:()手动方式下设置总阀位指令到()将阀位指令置为相当于给定阀位指令从阶跃变化到完成高压调门的关闭时间测试()在系统达到稳定状态之后再给定阀位指令为回相当于进行阀门的开启试验()为了保证可靠性上述试验过程重复进行两次()给定采样速率为Hz记录试验过程中总阀位输出、各调门行程反馈信号的变化规律。
汽轮机调节系统参数测试方法试验相当于汽轮机调节阀的快关试验和快开试验可以获得油动机的关闭速度和开启速度近似地直接使用该参数作为油动机的时间常数根据计算精度的需要也可以通过辨识获得油动机时间常数和油动机反馈环节的时间常数。
汽轮机调节系统参数测试方法调差系数和迟缓率测试控制系统频差调差系数和迟缓率测试在汽轮机数字电液控制系统DEH端子柜上施加rmin的转速模拟信号模拟机组的并网运行状态调节系统工作在单阀方式完成以下试验:()手动方式下设置总阀位指令到()调整信号源将转速模拟信号由rmin缓慢提升相当于机组转速增加此时调节系统控制调节阀开度逐渐关小直至调门全关()在调节阀全关之后调整信号源将转速模拟信号由上述位置缓慢降低当转速信号降低克服系统的不灵敏区之后调节阀门的开度缓慢增加直到调节阀全开。
()为了提高试验的可靠性上述试验过程重复进行两次()手动方式下将总阀位指令调整到调整信号源将转速模拟信号由rmin缓慢下调此时调门行程应缓慢上升到调门全开时再将转速模拟信号缓慢恢复到rmin()记录试验过程中转速模拟信号、总阀位输出、各调门行程反馈信号的变化规律。
产生的原因在于采用了比例调节的有差系统速度不等率的倒数即为系统增益系数一般速度不等率取为%~并可根据需要进行调整调速系统是由:检测元件放大执行机构控制对象等组成的将各个部分特性组合得到调速系统的总特性即静特性(调节系统四象限图)。
转速不等率delta的影响调速系统静态特性汽轮发电机组均在电网中并列运行假定只有两台机组其中一台机组的调速不等率为delta另外一台(其他所有机组的等效机组)的调速不等率为deltadeltadelta。
当外界负荷变化时电网的频率发生变化相当于转速变化Deltan由于所有机组的转速相等因此所有并列运行机组的调节系统均使得其功率发生变化。
机组并网运行时调速系统的速度变动率反映了机组在稳定运行时机组负荷调门行程随电网周波的变化程度。
速度变动率越小机组对电网周波的敏感程度越大同时机组运行的稳定性也越差。
一般汽轮机组的delta取值为~。
转速不等率delta的影响调速系统静态特性第一台机组的功率变化为DeltaN第二台机组的功率变化为DeltaN由于功率与外界负载一致因此有:DeltaN=DeltaN+DeltaN由于deltadelta同样转速变化条件下第一台机组功率变化的百分数将小于第二台机组功率变化的百分数即:DeltaNDeltaN由于所有机组的调节系统都参与调节改变机组的功率阻止了电网的频率(机组转速)的变化。
转速不等率delta的影响机组在发生事故甩负荷时delta的大小直接决定了甩负荷过程中转速的静态飞升量并对其动态飞升也有不利的影响。
对大机组为了防止机组甩负荷后转速飞升过高一般将delta取值在左右。
迟缓率(不灵敏度)的产生弹簧作用力偏斜、滑阀四周油压分布不均、油流反作用力、滑阀盖度的存在以及调节阀门杆卡涩等带来迟缓现象电液调节系统也存在着滑阀结构以及AD、DA变换的精度带来的误差一般情况下调速系统中的各检测、放大、执行元件均具有不同程度的迟缓这些迟缓造成当机组转速上升时沿着曲线的特性线而转速下降时沿着曲线的特性线。
静态特性线不再是一根线而是一条带状区域在同一功率下转速上升的Nn曲线和转速下降的Nn曲线之间的最大转速差与额定转速的比值称为系统的迟缓率。
它将带来最大:的负荷晃动。
epsilon越大功率不确定范围越大。
因此希望epsilon越小越好但是有些是没有办法消除的只能在合理范围内选定。
并列运行对静态特性的要求、所有并列运行机组在电网负荷变化导致频率变化时承担一定的负荷变化各机组负荷变化量之和等于电网总的负荷变化量、调速不等率越大电网负荷变化时承担的功率变化量越小调速不等率越小承担的功率变化量越大有可能使得delta小的机组寿命受到严重的影响、所有并列运行机组的调速不等率应该相近以使得各机组在电网中运行时其负荷均能够随电网频率的变化而发生变化、电网越大电网的频率越容易维持稳定。
因为此时电网负荷扰动量占电网总容量的百分比将随着电网容量的增加而减小从而引起电网频率较小的变化。
电网功率与频率关系曲线按照机组的静态特性在电网中运行时外界负载变化引起电网频率变化机组调节系统工作的过程如下图所示。
转速不等率的测试方法在机组静止状态下,在DEH上模拟机组的并网状态利用频率发生器在DEH转速输入端模拟机组的转速脉冲信号(根据不同的测速齿轮齿数对应rmin)。
调整阀位指令输出在一个较高的位置()将模拟转速脉冲信号从Hz缓慢升高到Hz。
记录阀位指令随转速的变化关系如下表所示。
转速不等率的测试如下图所示机组转速下降rmin(其中死区rmin)而阀位指令从变化到。
根据本机组的带负荷试验额定参数下机组带额定负荷的阀位为空负荷的设计阀位为因此机组控制系统的实测速度变动率为:试验过程中DEH的死区D设置为:D=plusmnrmin转速反馈通道动态特性测试汽轮机数字电液控制系统DEH端子柜上施加rmin的转速模拟信号模拟机组的并网运行状态调节系统工作在单阀方式完成以下试验:()手动方式下设置总阀位指令到()调整信号源将转速模拟信号由rmin阶跃提升到rmin在系统达到稳定状态后再将转速模拟信号阶跃降低到rmin。
()记录试验过程中转速模拟信号、总阀位输出、各调门行程反馈信号的变化规律。
转速反馈通道动态特性测试调节系统和电液伺服系统组成的环节反映了从转速偏差至汽轮机机械功率之间的传递函数框图。
但由于汽轮机的机械功率获取困难对模型的验证成为难题。
转速反馈通道试验设计不仅可以达到前述时间常数获取的目的也可用其暂态过程的结果来验证从转速偏差至调门开度环节的模型结构及其参数。
高压油动机时间常数为了和BPA程序中定义的高压油动机时间常数相对应这里所说的油动机时间常数包括了油动机的电液伺服阀和电液伺服模板。
机组静止状态下在DEH上模拟机组的并网状态利用频率发生器在DEH转速输入端模拟机组的转速脉冲信号约Hz(对应rmin)。
记录试验过程中油动机的关闭和开启速度。
下图所示分别为DEH单阀状态下试验中纪录的号高压油动机的关闭和开启速度。
高压油动机时间常数根据机组的满负荷点(总阀位指令约)到空负荷(总阀位指令约)在单阀状态下对应#高调门的行程为到。
根据图可以看到油动机关闭时间约为s即关闭速度为:高压油动机时间常数下图为油动机的开启过程可以看到油动机开启时间约为秒即关闭速度为:带负荷试验带负荷试验试验条件通过改变机组的负荷指令测量记录机组负荷与阀门开度之间的关系。
具体内容为:()机组定压运行(额定参数)主蒸汽压力偏差不超过额定值的plusmn温度偏差不超过K()解除一次调频功能即机组负荷不随电网频率变化而由给定输入值确定()回热系统正常投入()机组负荷变化范围由负荷到负荷间隔测量记录一个试验点间隔不大于。
每一负荷试验点下稳定min~min()试验期间主汽压力、温度、再热蒸汽压力和温度、凝汽器真空等参数基本在额定值()试验过程中记录机组负荷、调节阀门开度、调节级压力、调节汽门后压力、蒸汽流量等参数数据。
动态扰动试验动态扰动试验试验条件()油系统工作正常()机组各负荷区域运行稳定()系统转速死区设定为plusmnrmin机组参与一次调频的死区为rmin速度变动率为()DEH工作在阀门控制状态试验过程中机组的目标负荷保持不变()为避免在试验过程中其它环节对一次调频功能的限制切除压力及功率控制回路。
并设置汽包水位、主汽压力、调节级压力等监视段参数。
()试验期间尽量维持主汽压力稳定、再热温度和凝汽器真空在规定值附近。
动态扰动试验试验方法()设定阀位值在对应机组负荷左右()从DEH工程师工作站将转差给定阶跃扰动rmin(不含死区)机组负荷快速变化约MW。
()在机组运行稳定后(约min)再将转差给定调整到零此时调节阀快速动作回到原来的负荷对应的开度()选取采样频率为Hz记录试验过程中机组转速信号、总阀位指令、调节阀行程位置反馈信号、汽包压力、主汽压力、调节级后压力、高排压力、再热压力和中排压力的变化规律。
动态扰动试验产生的方法根据DEH的类型动态扰动阶跃可以选取如下的一种方法产生:)通过一次调频回路在工程师站将rmin的转速给定(基准)修改为rmin(相当于电网周波突变Hz)产生一个转速偏差约min后机组负荷趋于稳定再将转速给定恢复到rmin。)
修改转速反馈后的频差处理曲线使得一次调频回路输出一个相当于rmin频差的调频量(负荷或阀位)叠加到DEH的目标值约分钟后机组负荷趋于稳定再将频差处理曲线恢复正常。
以上两种方式无法实现时可以在DEH手动方式下通过紧急阀位手动直接将总阀位指令增加%~%约min后机组负荷趋于稳定再恢复原阀位。
但很遗憾该方式不能测试负荷变化与频差的关系。
动态扰动试验结果下图为另一台国产MW中间再热汽轮发电机组试验曲线。
动态扰动试验结果某机组DEH一次调频的设计曲线死区为plusmnrmin限幅为plusmnMW。
试验过程中将转速给定置为rmin相当于机组的转速扰动偏差为rmin。
则理论调频幅度应为(转速每变化%负荷的变化量):动态扰动试验结果扰动试验过程中参数的变化列表:动态扰动试验结果下图为某电厂国产MW再热凝汽式汽轮发电机组试验时的功率响应实测曲线。
试验时为了模拟电网的周波摆动在电调的转速参考端施加了一个rmin的阶跃扰动即转速参考由原来的rrain突然强置为rmin。
试验过程中汽机的功率自动和锅炉的压力自动都没有投入。
动态扰动试验目的通过试验获取阶跃扰动时机组各主要部分参数的变化规律利用转差阶跃扰动过程的试验数据结合参数辨识可以对高压容积、再热容积和中低压联通管容积时间常数进行辨识获得相关时间常数。
蒸汽容积时间常数蒸汽容积时间常数:质量平衡方程:假设容积前后的压力不变流量与进出阀门开度z、z和压力p有关按泰勒级数展开略去高阶无穷小项:蒸汽容积时间常数蒸汽容积时间常数:式中:物理意义:当流入容积的流量为汽轮机的额定流量Qmax时使容积中的蒸汽量从增加到Vrho时的时间:蒸汽容积时间常数仿真值及实测值比较高压容积时间常数辨识结果仿真与实测数据的比较再热容积时间常数辨识结果仿真与实测数据的比较:再热蒸汽容积时间常数再热器容积时间常数的辨识:下图为是以速度级压力为输入高压缸排汽和再热蒸汽的压力平均为输出以一阶惯性环节为模型进行最小二乘的参数辨识。
再热蒸汽容积时间常数仿真为验证再热器容积的模型及参数将扰动试验的下降过程作为模型的输入进行仿真分析。
如下图所示为负荷下降过程和扰动全过程的仿真验证结果与现场数据的对比:系统参数辨识结果系统参数辨识结果系统参数辨识结果谢谢大家!