CN105700380B

CN105700380B - 二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型及其建模方法

Info

Publication number: CN105700380B
Application number: CN201610048072.2A
Authority: CN
Inventors: 李蔚; 廖金龙; 盛德仁; 陈坚红; 吴文健; 张宝
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-01-24
Filing date: 2016-01-24
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2036-01-24
Also published as: CN105700380A

Abstract

本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型及其建模方法。本发明基于MATLAB面向过程的二次再热机组汽轮机调速系统建模方法。综合考虑二次再热机组汽轮机调速系统中不同环节的数学微分方程式以及各环节之间的联系，通过建立描述调速系统动态特性的数学模型，构建控制对象流程，应用MATLAB软件中的SIMULINK模块进行仿真模拟，获得二次再热机组汽轮机调速仿真系统的运行参数，从而代替实际汽轮机调速系统进行性能分析和自动控制研究。本发明很好地解决了二次再热机组比一次再热机组多一级超高压缸对调节转子转速的影响，以及再热容积的功率迟缓对调速系统的精确性与快速性的影响。

Description

二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型及其建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模技术领域，特别涉及一种二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型及其建模方法。

背景技术

随着节能减排的要求日益提高，为了提高机组循环热效率，大型火电机组无疑都采用再热循环。机组再热方式包括一次再热和二次再热，与传统的一次再热技术相比，采用二次再热技术可以提高机组的循环热效率1％～2％，并能有效地减少氮氧化物和二氧化碳等燃烧污染废弃物的排放，因此，二次再热技术是电力工业的重要发展方向。

二次再热机组的汽轮机包括超高压缸、高压缸、中压缸以及低压缸，在结构上比一次再热机组增加了一级超高压缸以及超高压主汽调节阀。二次再热机组中蒸汽经过超高压主汽调节阀进入超高压缸，经超高压缸做功后排汽去往第一级再热器，蒸汽再热后经过高压主汽调节阀进入高压缸做功，然后高压缸的排汽去往第二级再热器再热后进入中压缸继续做功。汽轮机转速的调节依靠调节汽机的进汽量来实现，而二次再热机组由于增加了一级超高压缸，因此相比于一次再热机组增加了一个中间再热容积和超高压汽室容积，以及超高压主汽门与调节汽门的协调控制，这对二次再热机组转速调节的快速性和准确性有很大的影响。

目前国内成功并网运行的二次再热机组较少，可供借鉴的经验较欠缺，所以通过建立二次再热机组汽轮机调速系统的模型来研究并发展二次再热机组控制技术具有重要意义。

发明内容

本发明采用的是基于MATLAB面向过程的二次再热机组汽轮机调速系统建模方法。综合考虑二次再热机组汽轮机调速系统中不同环节的数学微分方程式以及各环节之间的联系，通过建立描述调速系统动态特性的数学模型即建立各环节的传递函数，构建控制对象流程，然后应用MATLAB软件中的SIMULINK模块进行仿真模拟，获得二次再热机组汽轮机调速仿真系统的运行参数，从而代替实际汽轮机调速系统进行性能分析和自动控制研究。

二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型，包括二次再热汽轮机和调速系统，二次再热汽轮机包括依次连接的分别对转子做功的超高压缸、高压缸和中低压缸，调速系统包括依次连接的PID控制器、伺服放大器、电液转换器和油动机，油动机与二次再热机组汽轮机的超高压缸连接，还包括对转子进行测速的测速器及反馈装置，测速器将转子实际转速反馈给PID控制器，进而调节超高压主汽调节阀门的进汽量；

所述模型的输入变量为机组实际转速与给定转速的差值信号，输出变量为机组实际转速；

所述模型采用数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性；

所述模型采用功率系数描述二次再热机组各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总功率的百分比；

通过不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数学微分方程式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数；采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识，采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数；

所述动态特性包括电液转换器、油动机、超高压缸进汽容积、高压缸进汽容积、转子、一次再热容积、二次再热容积、超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率对机组转速调节造成迟滞、超调的影响；

所述环节包括：电液转换器环节、油动机环节、超高压缸进汽容积环节、高压缸进汽容积环节、转子环节、一次再热容积环节、二次再热容积环节、超高压缸功率环节、高压缸功率环节、中低压缸功率环节。

所述机组功率包括超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率。

另外本发明还提供了一种二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的建模方法，

包括以下步骤：

(1)拆分调速系统的组成为：测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动机、反馈装置等；所述动态特性：一次再热容积、二次再热容积、汽室容积等对机组转速调节造成迟滞、超调的影响；及二次再热机组汽轮机功率组成：超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率；

(2)确定输入变量为实际转速与给定转速的转速信号偏差，输出变量为二次再热机组实际转速，根据调速系统的输入与输出确定各环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程；

(3)采用数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性；

(4)采用功率系数描述二次再热机组各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总功率的百分比，二次再热机组的功率组成为超高压缸功率、高压缸功率和中低压缸功率，三者功率系数相加为1；

(5)考虑调速系统不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数学微分方程式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数；

(6)面向过程建立二次再热机组汽轮机调速系统模型，并应用MATLAB软件的SIMULINK模块进行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识；

(7)采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数。

优选的，所述步骤(3)中数学环节为比例、积分、微分、惯性、延迟形式。

优选的，所述步骤(3)中，PID控制器采用数学环节为比例、积分、微分；再热容积、汽室容积采用一阶惯性数学环节。

优选的，所述步骤(5)中，建立超高压缸进汽容积环节的传递函数的推导方法如下：

先建立超高压缸进汽容积数学模型

q₁＝q₁(s₁,p) q₂＝q₂(s₂,p)

q₁--流经阀门1的蒸汽流量；q₂--流经阀门2的蒸汽流量；

s₁--阀门1的开度；s₂--阀门2的开度；

p--容器内蒸汽压力；

根据气体流动的连续方程式有：

(q₁-q₂)dt＝Vdρ

式中：ρ--气体的密度；V--气体体积；

将方程按泰勒级数展开，略去高阶项得：

化简得一般形式的气体容积方程：

式中：

对于调节阀与喷嘴之间的容积来讲，因为喷嘴组的出口面积是不变的，所以Δs₂＝0，即χ_s2＝0；

因此有：

在稳定状态下，此时当阀门1的位移从0变化到Δs₁₀(此时χ_s1＝1)时，容积中的压力将从0变化到p₀(χ_p＝1)，此时K₂＝1；

因此有气体容积方程为：

所以，经过拉式变换得：

所以，超高压缸进汽容积环节的传递函数为：

优选的，所述步骤(6)中，辨识过程为在正常情况下对被测对象输入一个阶跃信号，记录响应曲线，再对冲激响应曲线与模型传递函数进行比较，确定其传递函数类型，最后通过响应曲线辨识出其所述传递函数的参数。

优选的，所述步骤(7)中，整定步骤为先把积分时间调至T_i＝∞，微分时间调至T_d＝0，此时调节器只利用纯比例作用，在干扰作用下整定比例度，使被调参数产生振荡，调到等幅振荡为止，记下此时的临界比例度δ_k值，及临界周期T_k值，然后根据经验公式计算出各参数的整定值。

本发明还提供了二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的使用方法。

通过二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型，应用MATLAB软件的SIMULINK模块进行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识；然后采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数。

下面对本发明进一步描述：

基于MATLAB面向过程的二次再热机组汽轮机调速系统建模方法，包括以下步骤：

(8)针对二次再热机组汽轮机调速系统进行详细分析，拆分调速系统的组成(如：测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动机、反馈装置等)，分析动态特性(如一次再热容积、二次再热容积、汽室容积等对机组转速调节造成迟滞、超调的影响)，研究二次再热机组汽轮机功率组成(如超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率)。

(9)确定调速系统的输入变量和输出变量，输入变量为实际转速与给定转速的转速信号偏差，输出变量为二次再热机组实际转速，根据调速系统的输入与输出确定各环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程。

(10)采用比例、积分、微分、惯性、延迟等数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性，如PID控制器采用比例、积分、微分等数学环节，再热容积、汽室容积采用一阶惯性数学环节等。

(11)采用功率系数描述二次再热机组汽轮机各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总功率的百分比。如二次再热机组汽轮机的功率组成为超高压缸功率、高压缸功率和中低压缸功率，三者功率系数相加为1。

(12)考虑调速系统不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数学微分方程式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数。

(13)面向过程建立二次再热机组汽轮机调速系统模型，并应用MATLAB软件的SIMULINK模块进行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识。辨识过程为在正常情况下对被测对象输入一个阶跃信号，记录响应曲线，再对冲激响应曲线与模型传递函数进行比较，确定其传递函数类型，最后通过响应曲线辨识出其所述传递函数的参数。

(14)采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数。整定步骤为先把积分时间调至T_i＝∞，微分时间调至T_d＝0，此时调节器只利用纯比例作用，在干扰作用下整定比例度，使被调参数产生振荡，调到等幅振荡为止，记下此时的临界比例度δ_k值，及临界周期T_k值，然后根据经验公式计算出各参数的整定值。

基于MATLAB面向过程的建模方法，先分析二次再热机组汽轮机调速系统的调节原理，明确调速系统的构成环节，并构建对象控制流程。根据各环节本身的特性以及相互之间的作用关系，采用相应的数学环节来描述动态特性建立各环节的传递函数模型，然后采用冲激响应法在SIMULINK中对传递函数中的时间常数进行参数辨识。最后将建立好的二次再热机组汽轮机调速系统模型在SIMULINK中用临界比例带法对PID调节器的参数进行辨识，从而完成整个二次再热机组汽轮机调速系统的建模工作。

本发明基于MATLAB面向过程建立二次再热机组汽轮机调速系统模型，很好地解决了二次再热机组比一次再热机组多一级超高压缸对调节转子转速的影响，以及再热容积的功率迟缓对调速系统的精确性与快速性的影响。本模型可用来研究二次再热机组的转速调节过程和动态特性分析，为二次再热机组的自动控制提供有效方法。

附图说明

图1是二次再热机组汽轮机转速调节原理图。

图2是各环节传递函数框图。

图3是蒸汽容积示意图。

图4是二次再热机组汽轮机调速系统仿真框图。

图5是二次再热机组汽轮机升速仿真曲线图。

具体实施方式

二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的建模方法，包括以下步骤：

(15)拆分调速系统的组成为：测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动机、反馈装置等；所述动态特性：一次再热容积、二次再热容积、汽室容积等对机组转速调节造成迟滞、超调的影响；及二次再热机组汽轮机功率组成：超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率；

(16)确定输入变量为实际转速与给定转速的转速信号偏差，输出变量为二次再热机组实际转速，根据调速系统的输入与输出确定各环节之间的相互作用关系，构建对象控制流程；

(17)采用数学环节模拟二次再热机组汽轮机调速系统的动态特性；

(18)采用功率系数描述二次再热机组各汽缸功率占二次再热机组汽轮机总功率的百分比，二次再热机组的功率组成为超高压缸功率、高压缸功率和中低压缸功率，三者功率系数相加为1；

(19)考虑调速系统不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导各环节的数学微分方程式，建立描述对象动态特性的完整数学模型，即建立各环节的传递函数；

(20)面向过程建立二次再热机组汽轮机调速系统模型，并应用MATLAB软件的SIMULINK模块进行仿真模拟，采用冲激响应法对传递函数中的时间常数进行参数辨识；

(21)采用临界比例带法对二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型中的PID调节器参数进行分步整定，得出调节器的各项参数。

图1是二次再热机组汽轮机转速调节原理图。通过测速器测出二次再热机组的实际转速，然后与给定转速形成差值信号，将差值信号进行PID运算后输出为超高压主汽阀阀位开度指令信号，阀位开度指令信号由电液转换器转换成油压信号，然后油压信号经油动机输出为油动机行程即阀位开度信号，阀位开度信号经超高压汽室容积环节输出为超高压缸调节级压力信号，然后超高压缸调节级压力信号经过超高压缸、高压缸、中低压缸三个功率环节输出为转子机械功率信号，从而得到转子的转速信号。因此，二次再热机组汽轮机转速调节原理为将转子实际转速与给定转速比较，若实际转速偏低，则开大超高压主汽阀门提高机组进汽量，若实际转速偏高，则关小超高压主汽阀门降低机组进汽量，通过调节超高压主汽阀门开度来改变汽轮机进汽量进而改变转子机械功率从而调节转子转速。

图2是各环节传递函数框图。本发明是基于MATLAB的面向过程建模，通过采用SIMULINK动态仿真工具来辨识模型参数。如图2，根据不同环节之间的联系以及各环节本身的特性来推导数学微分方程式，然后进行拉式变换得到各环节的传递函数。

下面以超高压缸进汽容积环节为例说明建立传递函数模型的过程。

由于超高压缸进汽容积不规则，所以首先讨论一般情况下的蒸汽容积运动方程，然后再结合蒸汽在喷嘴室的具体情况加以修正。

一般情况下蒸汽容积的示意图如图3，其中：

q₁＝q₁(s₁,p) q₂＝q₂(s₂,p)

q₁--流经阀门1的蒸汽流量；q₂--流经阀门2的蒸汽流量；

s₁--阀门1的开度；s₂--阀门2的开度；

p--容器内蒸汽压力。

根据气体流动的连续方程式有：

(q₁-q₂)dt＝Vdρ

式中：ρ--气体的密度；V--气体体积。

将方程按泰勒级数展开，略去高阶项得：

化简得：

式中：

上式为一般形式的气体容积方程。对于调节阀与喷嘴之间的容积来讲，因为喷嘴组的出口面积是不变的，所以Δs₂＝0，即χ_s2＝0。

因此有：

在稳定状态下，此时当阀门1的位移从0变化到Δs₁₀(此时χ_s1＝1)时，容积中的压力将从0变化到p₀(χ_p＝1)，此时K₂＝1。

因此有气体容积方程为：

所以，经过拉式变换得：

所以，超高压缸进汽容积的传递函数为：

同理，依次建立电液转换器、超高压缸进汽容积、高压缸进汽容积、转子、再热容积、超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率的数学模型，推导出传递函数。

推导出各环节的传递函数后，采用冲激响应法辨识参数即确定各环节的时间常数。

图4是二次再热机组汽轮机转速控制系统仿真框图。根据二次再热机组汽轮机转速调节原理图，将图2建立好的各环节数学模型在MATLAB的SIMULINK中搭建二次再热机组汽轮机转速控制系统仿真框图，进行仿真模拟。在图2中通过冲激响应法对各个传递函数的参数辨识后，在图4中采用临界比例带法求取调节器的参数，具体方法为将积分时间设置为∞，微分时间设置为0，调节器只利用纯比例作用将被调参数调到等幅振荡，然后记下临界比例度以及临界周期的值，然后通过经验公式计算各参数。

图5是二次再热机组汽轮机升速仿真曲线图。将本模型用于SIMULINK中仿真，得出二次再热机组汽轮机升转速曲线图。由图可知，转速控制系统能够按照实际的升速曲线设置控制机组升速，且从仿真曲线看，实际转速能够稳定、准确、迅速地跟踪转速设定值，符合转速控制品质要求。由此可认为仿真模型的特性基本符合实际机组的转速特性，经过整定的转速控制系统，控制性能能够达到预期要求。

Claims

1.二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型，其特征在于：包括二次再热汽轮机和调速系统，二次再热汽轮机包括依次连接的分别对转子做功的超高压缸、高压缸和中低压缸，调速系统包括依次连接的PID控制器、伺服放大器、电液转换器和油动机，油动机与二次再热机组汽轮机的超高压缸连接，还包括对转子进行测速的测速器及反馈装置，测速器将转子实际转速反馈给PID控制器，进而调节超高压主汽调节阀门的进汽量；

所述环节包括：电液转换器环节、油动机环节、超高压缸进汽容积环节、高压缸进汽容积环节、转子环节、一次再热容积环节、二次再热容积环节、超高压缸功率环节、高压缸功率环节、中低压缸功率环节；

所述功率包括超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率。

2.权利要求1所述二次再热机组汽轮机调速系统仿真模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)拆分调速系统的组成为：测速器、PID控制器、伺服放大器、电液转换器、油动机、反馈装置；所述动态特性：一次再热容积、二次再热容积和汽室容积对机组转速调节造成迟滞、超调的影响；及二次再热机组汽轮机功率组成：超高压缸功率、高压缸功率、中低压缸功率；

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中数学环节为比例、积分、微分、惯性、延迟形式。

4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中，PID控制器采用数学环节为比例、积分、微分；再热容积、汽室容积采用一阶惯性数学环节。

5.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(5)中，建立超高压缸进汽容积环节的传递函数的推导方法如下：

先建立超高压缸进汽容积数学模型

q₁＝q₁(s₁,p)q₂＝q₂(s₂,p)

q₁--流经阀门1的蒸汽流量；q₂--流经阀门2的蒸汽流量；

s₁--阀门1的开度；s₂--阀门2的开度；

p--容器内蒸汽压力；

根据气体流动的连续方程式有：

(q₁-q₂)dt＝Vdρ

式中：ρ--气体的密度；V--气体体积；

将方程按泰勒级数展开，略去高阶项得：

化简得一般形式的气体容积方程：

式中：

因此有：

在稳定状态下，此时当阀门1的位移从0变化到Δs₁₀，此时χ_s1＝1时，容积中的压力将从0变化到p₀，χ_p＝1，此时K₂＝1；

因此有气体容积方程为：

所以，经过拉式变换得：

所以，超高压缸进汽容积环节的传递函数为：

6.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(6)中，辨识过程为在正常情况下对被测对象输入一个阶跃信号，记录响应曲线，再对冲激响应曲线与模型传递函数进行比较，确定其传递函数类型，最后通过响应曲线辨识出其所述传递函数的参数。

7.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述步骤(7)中，整定步骤为先把积分时间调至T_i＝∞，微分时间调至T_d＝0，此时调节器只利用纯比例作用，在干扰作用下整定比例度，使被调参数产生振荡，调到等幅振荡为止，记下此时的临界比例度δ_k值，及临界周期T_k值，然后根据经验公式计算出各参数的整定值。