大型汽轮发电机组“点对点”运行方式下的DEH仿真模型

郑小虎，霍万龙

（国家电投宁夏青铜峡能源铝业集团有限公司，宁夏 银川 750002）

1 概述

近年来，大用户直供电、自备电厂自供电已在全国有较多的开展，其中孤网运行方式较为普遍，但350MW超临界空冷机组实现“点对点”供电尚属于首例。由于大型汽轮发电机组的电液调节系统（DEH）在设计、制造中，均是按照机组并网运行来考虑，因此，以“点对点”模式运行的机组需要对DEH控制系统进行“点对点”运行模式的改造。改造的内容主要是对汽轮机的转速控制、同期并网、一次调频、二次调频、超速控制、甩负荷控制、协调控制等控制回路进行改造，使之适应“点对点”模式运行。上述改造已经有较为成熟的改造方法和经验，本文不再赘述。但是，上述改造一般并未对DEH中的一个重要组成部分，即仿真程序进行改造，机组运行前进行的仿真试验中，转速模型和功率模型仍然是并网运行的特性，没有体现出“点对点”运行的特性，不利于对DEH“点对点”运行控制功能的检查验证，也不利于运行人员熟悉“点对点”模式下的控制方式及特性。

2 并网机组的DEH仿真

仿真程序是DEH控制系统中，在没有蒸汽的工况下，模拟DEH控制汽轮机从挂闸冲转到并网带负荷的全部功能的控制程序。仿真运行时，汽轮机主再热管道无蒸汽、转子不实际冲转升速；蒸汽温度、压力、转速、并网信号、功率等参数均为虚拟；汽轮机阀门及控制系统为真实动作。DEH的仿真功能包括参数检查、复位、挂闸、打闸、冲转、摩擦检查、升速、暖机、过临界、定速，同期、并网，增减负荷、阀位控制、压力功率闭环控制、超限控制、CCS遥调控制、一次调频、超速控制、阀门试验、甩负荷控制、RB控制等。并网机组的仿真程序中有2个主要的模型：转速模型及功率模型。其原理是根据汽轮机各调门阀位（也可以采用综合阀位），反映进汽量即输入机械功率的大小，并根据不同工况和参数，计算出汽轮机的转速、功率。

2.1 并网前的转速功率计算

并网前，汽轮机的转速在静态下与阀门开度成正比，旋转阻力与速度的平方成正比，输入力矩与转子旋转阻力平衡。当阀门开度变化时，输入力矩变化，克服转子转动惯量，转速以一定加速度变化，转速变化引起阻力变化，直至抵消输入力矩的变化，转速在新的转速下重新平衡。

并网前汽轮机功率为0。

具体的计算方法如下：

对于转速：

其中：M为汽轮机驱动力矩，kv为阀门开度系数，V为阀门开度，pm为主汽压力。

其中：MZ为旋转阻力矩，Mn为静态力矩，kz为阻力系数，n为静态转速。

其中：ΔM为加速力矩，MI为输入力矩，Mn为静态力矩，ω为角加速度，J为转动惯量。

根据以上公式，经拉氏变换可得转速的传递函数：

其中n为转速，t为阀位阶跃从0计时的时间，n0为稳态转速，Δn为阀位阶跃对应的稳态转速阶跃，e为自然对数的底，τ为1/2阶跃响应时间的系数。

对于功率：

其中P为功率。

2.2 并网后的功率计算

对并网机组而言，发电机组并网后，汽轮机转速与电网频率锁定，由于本机的输出功率W1远小于并入电网的总功率W，因此本机的功率变化对电网频率的影响可以忽略不计，即本机的转速变化可以忽略不计。电网频率稳定在50Hz，变化很微小，可以认为恒定不变。因此，并网后转速为3000r/min。

并网后：

其中n为转速，P为功率，pm为主汽压力，ke为功率系数，V为阀位开度，V3000为3000r/min下的阀位开度。

3 “点对点”运行机组的转速功率计算

3.1 “点对点”机组并网前的转速功率计算

“点对点”机组在并网前的转速、功率的计算方法与并网机组相同。

3.2 “点对点”机组并网后的转速功率计算

对于“点对点”机组，发电机组并网后，汽轮机转速与“点对点”频率锁定，由于本机的输出功率W1等于“点对点”的总功率Wg，因此本机的功率变化直接影响孤网频率。在此工况下，电网频率静态下与机组阀门开度减掉发电做功的部分成正比，孤网的综合阻力与速度的平方成正比，总输入力矩与孤网综合阻力平衡。当机组阀门的开度变化时，输入力矩变化，克服“点对点”综合转动惯量，频率以一定加速度变化，频率变化引起阻力变化，直至抵消输入力矩的变化，频率在新的频率下重新平衡。

“点对点”运行的机组功率等于“点对点”总的负载功率，负荷的功率在转速变化不大的情况下，可以认为与转速、阀位开度无关。

“点对点”并网后：

转速的传递函数同2.1：

其中：PI为输入功率，Pe为发电功率，Pn为旋转功率，MI为输入力矩，Me为发电力矩，Mn为旋转力矩。

其中：Pe为发电功率，PG为孤网负载总功率。

4 并网机组的DEH仿真逻辑

并网机组的DEH转速仿真逻辑详见图1。

转速仿真回路中，输入综合阀位，与压力参数修正后，经开方计算并乘以转速系数后，由惯性滞后模块输出转速信号。机组并网后，转速切换为为常量3000。

图1 并网机组的DEH转速仿真逻辑

并网机组的DEH功率仿真逻辑详见图2。

功率仿真回路中，输入综合阀位，与压力参数修正后，减去3000r/min下对应的阀位开度，乘以功率系数后输出信号。机组并网前，功率切换为常量0。

图2 并网机组的DEH功率仿真逻辑

5 “点对点”运行机组的DEH仿真改造

“点对点”运行机组的DEH仿真逻辑详见图3。

图3 “点对点”机组的DEH转速仿真逻辑

并网前的转速仿真回路保持不变，并网后，综合阀位减去功率信号与功率系数的乘积，与压力参数修正后，经开方计算并乘以“点对点”转速系数后，经惯性滞后模块输出转速信号。为防止仿真转速回路与一次调频回路产生震荡，将惯性滞后模块的时间常数增大（30～60s），使之与一次调频的响应周期（＜10s）偏离。

并网机组的DEH功率仿真逻辑详见图4。

图4 “点对点”机组的DEH功率仿真逻辑

“点对点”方式下，机组并网后功率切换为变量Pe。Pe可以在操作员画面上由运行人员设置，设置方式设定为阶跃及渐变两种。

6 结语

根据上述改造，DEH能够满足“点对点”模式下的仿真需求。在仿真模式下，机组并入“点对点”后，机组功率在操作员站上自0开始，由运行人员模拟实际情况来增加或减少。转速在一次调频的控制下维持3000r/min，负荷的变化扰动会导致转速发生波动及偏差，一次调频及二次调频可通过调节消除上述波动及偏差，在此基础上，可以进行其他相关的仿真试验。本改造在宁夏临河发电分公司3#350MW机组上得到应用，经验证效果良好。