CN105260548A - 一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法，该方法通过对汽轮机实际数据的采集和处理，提取出了以符合实际特性总阀位指令和压比数据P_CV-μ函数曲线与调节级压力和归一化后的功率数据p₁-Q^*函数曲线来构建汽轮机蒸汽量环节，替代现有模型中偏离实际特性的汽轮机蒸汽量环节，获得汽轮机模型；该方法修正了现有模型中主汽压力、等效阀位和汽轮机进汽量的函数关系，使模型更为合理；根据机组实际运行数据建立了符合机组实际特性的汽轮机模型，改变了原有模型中惯用的蒸汽量、总阀位指令及主汽压力的简单关系，提高了模型精度和电力系统稳定分析的准确性。

Description

一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法

技术领域

本发明属于汽轮机调节系统实测与建模领域，尤其涉及一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法。

背景技术

汽轮机调节系统参数实测与建模是电力系统“四大参数”实测工作的重点内容之一。电力系统中长期稳定分析中，电磁暂态过程和机电暂态过程是同时进行并相互影响的。在暂态稳定计算中，除了要考虑发电机及其励磁调节系统的影响，还需考虑原动机及其调节系统的动态特性。我国的电源结构中，火电机组占有相当的比重，因此建立能够真实反映此类原动机实际特性的稳定计算用模型就具有十分重要的意义。汽轮机调节系统实测与建模工作的目的在于通过实际试验的方法建立能够真实反映实际汽轮机及其调节系统特性的仿真模型。

汽轮机调节系统模型和参数是电网重要的基础计算数据，因而汽轮机调节系统的建模精度将最终影响电力系统稳定分析的准确性。现有的汽轮机调节系统模型中，以电力系统综合分析程序PSASP为例，其汽轮机模型如附图1所示。该模型假定汽轮机进汽量Q由汽轮机等效阀位P_GV(稳态条件下的P_GV与机组总阀位指令相等)和主汽压力p_T决定，其函数关系为Q＝P_GV·p_T。由此可知，在现有模型中，当P_GV、p_T任一值固定时，Q与另一变量为线性关系。盛锴在2012年4月出版的《电力系统自动化》期刊(论文名为《汽轮机阀门流量特性对电力系统的影响及其控制策略》)指出了主汽压力稳定时实际机组的等效阀位P_GV与进汽量Q可能为非线性关系，而这种非线性关系对机组的实际响应特性和电网的稳定运行均有影响。行业颁布的《同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则》即DL/T1235-2013也提出通过分段线性函数处理调门指令与流量的关系，以匹配P_GV与Q的非线性关系。可见P_GV与Q之间存在非线性对应关系已得到业界的广泛认同。实际机组运行过程中，等效阀位P_GV与主汽压力p_T均非一定值，两者共同影响了汽轮机进汽量Q。现有模型对此三者关系的简化处理降低了模型精度，而DL/T1235-2013中也仅考虑了P_GV与Q的非线性修正。因而为了进一步提高模型精度，需要根据实际机组Q、P_GV、p_T的真实关系对模型进行优化以提高建模精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对已知技术存在的缺陷，提供一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法。使用该方法可提高汽轮机调节系统建模的模型精度，最终提高电力系统稳定分析的准确性。

一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1：采集数据；

从机组正常运行数据中提取各种工况下的调节级压力p₁、主汽压力p_T、总阀位指令P_CV及功率P；

步骤2：对步骤1采集的数据进行预处理；

利用调节级压力p₁和主汽压力p_T构建机组压比μ，

令总阀位指令P_CV为自变量，压比μ为因变量，构建总阀位指令和压比数据P_CV-μ函数曲线μ＝f₁(P_CV)，令等效阀位P_GV等于总阀位指令P_CV，则P_GV-μ函数曲线为μ＝f₁(P_GV)；

对功率P作归一化处理，得到归一化后的汽轮机进汽量Q^*和归一化之后的功率数据P^*：

$Q^{*}=P^{*}=\frac{P}{P_E}$

其中，P_E是机组额定功率；

令调节级压力p₁为自变量，归一化后的汽轮机进汽量Q^*为因变量，构建调节级压力和归一化后的功率数据p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)；

步骤3：构建汽轮机模型的蒸汽流量函数：Q^*＝f₂(p₁)＝f₂(p_T·μ)＝f₂(p_T·f₁(P_GV))

步骤4：以步骤3获得的汽轮机模型蒸汽流量函数作为现有汽轮机调节系统模型中高压汽室容积环节的输入数据，获得基于机组实际特性的汽轮机模型；

所述基于机组实际特性的汽轮机模型的传递函数如下：

$G\left(s\right)=\frac{P_M}{Q^{*}}=\frac{F_{HP}\[1+(1+\mathrm{\λ})\·T_{RH}s\]}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{IP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{LP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)(1+T_{CO}s)}$

其中，P_M为机械功率；T_CH为高压汽室蒸汽容积时间常数；T_RH为再热器蒸汽容积时间常数；T_CO为连通管蒸汽容积时间常数；λ为高压缸功率自然过调系数；F_HP、F_IP、F_LP分别为高、中、低压缸功率比，上述参数均为汽轮机系统本身固有属性参数，Q^*为汽轮机进汽量。

在所述步骤3之前，对P_GV-μ函数曲线μ＝f₁(P_GV)和p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)进行平滑处理。

有益效果

本发明提供了一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法，该方法通过对汽轮机实际数据的采集和处理，提取出了以符合实际特性总阀位指令和压比数据P_CV-μ函数曲线与调节级压力和归一化后的功率数据p₁-Q^*函数曲线来构建汽轮机蒸汽量环节，替代现有模型中偏离实际特性的汽轮机蒸汽量环节，获得汽轮机模型；该方法修正了现有模型中主汽压力、等效阀位和汽轮机进汽量的函数关系，使模型更为合理；根据机组实际运行数据建立了符合机组实际特性的汽轮机模型，改变了原有模型中惯用的蒸汽量、总阀位指令及主汽压力的简单关系，提高了模型精度和电力系统稳定分析的准确性。

附图说明

图1为现有技术中汽轮机模型；

图2为本发明所述的汽轮机模型；

图3为总阀位指令和压比数据的函数曲线，(a)为平滑处理前，(b)为平滑处理后；

图4为平滑处理前后的p₁-Q^*函数曲线；

图5为该机组不同负荷条件下仿真进汽量与实际汽轮机进汽量比较，(a)为负荷工况1，(b)为负荷工况2，(c)为负荷工况3，(d)为负荷工况4。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法，包括以下步骤：

步骤1：采集数据；

从机组正常运行数据中提取各种工况下的调节级压力p₁、主汽压力p_T、总阀位指令P_CV及功率P；

步骤2：对步骤1采集的数据进行预处理；

利用调节级压力p₁和主汽压力p_T构建机组压比μ，

令总阀位指令P_CV为自变量，压比μ为因变量，构建总阀位指令和压比数据P_CV-μ函数曲线μ＝f₁(P_CV)，令等效阀位P_GV等于总阀位指令P_CV，则P_GV-μ函数曲线为μ＝f₁(P_GV)；

对功率P作归一化处理，得到归一化后的汽轮机进汽量Q^*和归一化之后的功率数据P^*：

$Q^{*}=P^{*}=\frac{P}{P_E}$

其中，P_E是机组额定功率；

令调节级压力p₁为自变量，归一化后的汽轮机进汽量Q^*为因变量，构建调节级压力和归一化后的功率数据p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)；

步骤3：构建汽轮机模型的蒸汽流量函数：Q^*＝f₂(p₁)＝f₂(p_T·μ)＝f₂(p_T·f₁(P_GV))

步骤4：以步骤3获得的汽轮机模型蒸汽流量函数作为现有汽轮机调节系统模型中高压汽室容积环节的输入数据，获得基于机组实际特性的汽轮机模型，如图2所示；

所述基于机组实际特性的汽轮机模型的传递函数如下：

$G\left(s\right)=\frac{P_M}{Q^{*}}=\frac{F_{HP}\[1+(1+\mathrm{\λ})\·T_{RH}s\]}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{IP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{LP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)(1+T_{CO}s)}$

其中，P_M为机械功率；T_CH为高压汽室蒸汽容积时间常数；T_RH为再热器蒸汽容积时间常数；T_CO为连通管蒸汽容积时间常数；λ为高压缸功率自然过调系数；F_HP、F_IP、F_LP分别为高、中、低压缸功率比，上述参数均为汽轮机系统本身固有属性参数，Q^*为汽轮机进汽量。

在所述步骤3之前，对P_GV-μ函数曲线μ＝f₁(P_GV)和p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)进行平滑处理。

所述平滑处理方法为插值法。

以某600MW超临界火电机组作为实施对象，按本发明申请所述方法构建该机组的汽轮机模型。

(1)数据提取

取该机组72小时内400MW～600MW工况下的调节级压力p₁、主汽压力p_T、总阀位指令P_CV、功率P等数据。

(2)数据处理

(2.1)按计算机组压比μ数据，其中p₁是步骤(1)所得的调节级压力数据；p_T是步骤(1)所得的主汽压力数据。

(2.2)令总阀位指令P_CV为自变量，压比μ为因变量，作P_CV-μ函数曲线，采用插值法对P_CV-μ函数曲线进行平滑处理，处理前/后P_CV-μ函数曲线见如图3(a)和(b)所示。处理后的P_CV-μ函数曲线由μ＝f₁(P_CV)表示，设等效阀位P_GV等于总阀位指令P_CV，P_GV-μ函数曲线也由μ＝f₁(P_GV)表示。

(2.3)按对功率数据P进行归一处理。其中，Q^*是归一化后的汽轮机进汽量；P^*是归一化之后的功率数据；P_E是机组额定功率，P_E＝600MW。

(2.4)令调节级压力p₁为自变量，归一化后的汽轮机进汽量Q^*为因变量，作p₁-Q^*函数曲线，并采用线性拟合法对p₁-Q^*函数曲线进行平滑处理，处理前/后p₁-Q^*函数曲线如附图4所示。处理后的p₁-Q^*函数曲线由Q^*＝f₂(p₁)表示。

(3)建模

以步骤(2)所得的μ＝f₁(P_GV)和Q^*＝f₂(p₁)构建模型中的蒸汽流量环节Q^*＝f₂(p₁)＝f₂(p_T·μ)＝f₂(p_T·f₁(P_GV))，模型其余部分与现有模型一致。

与现有模型相比，本发明申请所述方法在构建汽轮机模型过程中，真实考虑了实际机组的等效阀位P_GV、主汽压力p_T、汽轮机进汽量Q的相互影响关系。相应的，模型的仿真精度也更高。

图5是该机组不同负荷条件下仿真进汽量与实际汽轮机进汽量比较。由图5可以看出，较现有模型仿真曲线(即仿真进汽量1)，基于本发明申请所述方法构建的模型仿真曲线(即仿真进汽量2)与机组实际进汽量吻合程度更高。

Claims (4)

1.一种基于机组实际特性的汽轮机模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集数据；

从机组正常运行数据中提取各种工况下的调节级压力p₁、主汽压力p_T、总阀位指令P_CV及功率P；

步骤2：对步骤1采集的数据进行预处理；

利用调节级压力p₁和主汽压力p_T构建机组压比μ，

令总阀位指令P_CV为自变量，压比μ为因变量，构建总阀位指令和压比数据P_CV-μ函数曲线μ＝f₁(P_CV)，令等效阀位P_GV等于总阀位指令P_CV，则P_GV-μ函数曲线为μ＝f₁(P_GV)；

对功率P作归一化处理，得到归一化后的汽轮机进汽量Q^*和归一化之后的功率数据P^*：

$Q^{*}=P^{*}=\frac{P}{P_E}$

其中，P_E是机组额定功率；

令调节级压力p₁为自变量，归一化后的汽轮机进汽量Q^*为因变量，构建调节级压力和归一化后的功率数据p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)；

步骤3：构建汽轮机模型的蒸汽流量函数：Q^*＝f₂(p₁)＝f₂(p_T·μ)＝f₂(p_T·f₁(P_GV))

步骤4：以步骤3获得的汽轮机模型蒸汽流量函数作为现有汽轮机调节系统模型中高压汽室容积环节的输入数据，获得基于机组实际特性的汽轮机模型；

所述基于机组实际特性的汽轮机模型的传递函数如下：

$G\left(s\right)=\frac{P_M}{Q^{*}}=\frac{F_{HP}\[1+(1+\mathrm{\λ})\·T_{RH}s\]}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{IP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)}+\frac{F_{LP}}{(1+T_{CH}s)(1+T_{RH}s)(1+T_{CO}s)}$

其中，P_M为机械功率；T_CH为高压汽室蒸汽容积时间常数；T_RH为再热器蒸汽容积时间常数；T_CO为连通管蒸汽容积时间常数；λ为高压缸功率自然过调系数；F_HP、F_IP、F_LP分别为高、中、低压缸功率比，上述参数均为汽轮机系统本身固有属性参数，Q^*为汽轮机进汽量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3之前，对P_GV-μ函数曲线μ＝f₁(P_GV)进行平滑处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3之前，对p₁-Q^*函数曲线Q^*＝f₂(p₁)进行平滑处理。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述平滑处理方法为插值法。