汽轮机及其调节系统建模与参数实测研究

汽轮机及其调节系统建模与参数实测研究
孙清民;刘子烈;富学斌;杨志行
【摘要】通过对汽轮发电机组及其调节系统的原理和结构分析,对各系统进行建模,并结合对各模型参数的获取,详细论述了现场实测的试验方法,为汽轮发电机组及其
调节系统建模参数测试提供了更加详实的现场试验方法.
【期刊名称】《东北电力技术》
【年(卷),期】2016(037)010
【总页数】4页(P41-44)
【关键词】汽轮发电机组;调节系统;建模;现场实测;试验方法
【作者】孙清民;刘子烈;富学斌;杨志行
【作者单位】黑龙江省电力科学研究院,黑龙江哈尔滨 150030;黑龙江省电力科学
研究院,黑龙江哈尔滨 150030;黑龙江省电力科学研究院,黑龙江哈尔滨 150030;黑龙江省电力科学研究院,黑龙江哈尔滨 150030
【正文语种】中文
【中图分类】TK26
对于电力系统，无论是计算分析、规划运行或控制保护都必须建立在准确可信的数学模型基础上，这些数学模型包括：发电机、励磁系统、原动机及调节系统等［1］。

汽轮机及其调节系统作为电力系统中的一个重要环节，对承担系统调频、调峰任务，维护系统的稳定和提高电能质量都起着非常重要的作用［2－3］，因此开展汽轮
机及其调节系统的参数实测工作，并通过对调速器数学模型的研究和仿真计算，建立更为准确的调速系统计算模型，可为电力系统长期稳定的仿真分析提供真实可靠的数据。

汽轮机及其调节系统组成及工作原理如图1所示，其中，调节系统用来监测转速
的变化，通过测量环节、PID控制环节及转速不等率环节将转速变化转换为汽轮机阀位开度指令的变化；执行机构本身为一个闭环系统，接受调节系统的指令，根据当前的开度和指令偏差形成控制信号，经过PID控制、电液转换以控制错油门，
改变进入油动机的油量，使油动机动作，进而改变原动机输出的机械功率，达到调节转速和发电机输出电磁功率的目的［4－5］。

在电力系统综合分析程序（PSASP）中，一般将汽轮发电机组调速系统模型分为
调节系统、执行机构及原动机3个部分［6］。

调节系统与执行机构数学模型如图2、图3所示，其参数的获取主要通过在汽轮发电机组静态下试验和后期计算仿真辨识完成。

静态试验是在停机状态（锅炉停炉、管道无汽压、机组冷态）DEH调试完毕，机
组具备挂闸条件，且油温、油压在正常范围内，润滑油、抗燃油系统工作正常，主汽门、调节汽门可以自由开启或关闭。

静态试验的目的是通过PID参数校核、执行结构大阶跃及执行机构小阶跃3个环
节来校核、测试调节系统模型和执行机构模型相关参数。

2.1 PID控制环节参数校核测试
本环节测试着重对汽轮机调节系统模型中PID参数进行校核测试，校核PID中所
设置的比例、积分等调节参数与PID调节输出之间的关系，得到PID的传递函数。

其他参数如测量时间常数TR、死区、转速不等率K、纯延迟时间TS等也可在本
环节中测取或通过前期收集和后期辨识计算获取。

在静态试验中，通过在仿真模式下对DEH负荷回路PID参数进行校核测试。

在DEH工程师站分别对PID功能块
单独设置为比例环节、积分环节，工程上一般忽略微分功能，KD一般设置为0，
无需测量。

如纯比例环节将比例放大倍数KP分别设置成1、2，KI、KD设置为0；纯积分环节将积分放大倍数KI分别设置成10、20，KP、KD设置为0，模拟功率反馈信号进行阶跃量为10%额定功率的扰动，通过现场测试和后期计算，校核
PID中所设置的比例、积分等调节参数与PID调节输出之间的关系，得到PID的
传递函数，此为CCS负荷回路PID参数校核方法。

图4、图5为现场实测PID校核录波曲线。

2.2 执行机构开度大阶跃测试
执行机构开度大阶跃测试主要获取该系统测量时间常数TR、纯延迟时间T、油动
机开启时间常数TO、关闭时间常数TC以及调门最大开启速度VELOPEN、最大
关闭速度VELCLOSE等参数，试验原理如图6所示。

该环节试验是在单阀方式下
进行，手动设置总阀位指令，使高调门快速开关，此过程调门阶跃应不小于30%。

图7为现场实测执行结构大阶跃录波曲线，此过程总阀位阶跃为5%－100%－5%。

2.3 执行机构开度小阶跃测试
执行机构开度小阶跃测试主要为获取执行机构中电液转换PID模块参数，试验原
理如图8所示。

该环节试验是在单阀方式下进行，手动设置总阀位指令，进行高
调门动作阶跃，此过程调门阶跃应不小于5%。

图9为现场实测执行结构小阶跃录波曲线。

汽轮机及其调节系统建模与参数实测动态试验是在机组并网、稳定运行在80%额
定负荷及以上，所有保护均正常投入下进行，DEH及CCS各运行方式可以正常投入、运行稳定及无扰切换，调节品质满足一次调频要求且一次调频功能可以正常投入［7］，并保证机组的各项保护正常投入，试验期间尽量维持汽轮机参数在额定值附近。

汽轮机及其调节系统建模与参数实测动态试验的目的，一是通过DEH阀控方式下总阀位指令阶跃进行原动机的实测建模，二是通过对整个环节的功率闭环
频率扰动实测机组对频率扰动的闭环响应特性，校核模型的准确性。

3.1 DEH阀控方式下总阀位指令阶跃
该环节试验在DEH阀控方式下进行总阀位指令的上、下阶跃，控制阶跃量，使得阶跃引起的负荷变化不超过10%额定负荷，来获取汽轮机高压缸前汽室容积时间
常数TCH、再热汽室容积时间常数TRH、低压缸连通管汽室容积时间常数TCO。

高压缸功率系数λ及高、中、低压缸功率比例系数FHP、FIP、FLP可通过理论计算或前期对电厂参数收集来获取。

汽轮机原动机模型如图10所示。

试验前，负荷维持在80%额定负荷左右，主汽压力维持在额定压力值，主汽温度、再热汽温、真空维持在额定值［8］。

试验通过调整一次调频转速，进行5～10 r
／min的偏差给定，如将实际转速从3 000 r／min突升至3 010 r／min，稳定2 min，再降至3 000 r／min。

在试验期间，主汽压力将变化，此时运行人员无需
维持压力稳定，只需维持温度、水位稳定即可，待机组稳定在一个负荷点。

试验过程通过记录功率、总阀位指令、高调门位移反馈、汽包压力、主汽压力、调节级压力、高压缸排汽压力、再热汽压、中压缸排汽压力等参数的变化来计算汽轮机各容积时间常数。

3.2 功率闭环频率扰动
功率闭环频率扰动主要通过对整个环节的功率闭环频率扰动实测机组对频率扰动的闭环响应特性，校核汽轮机及其调节系统模型的准确性。

该环节试验可通过DEH
功率闭环频率扰动和CCS功率闭环频率扰动2种方式进行，本文以CCS功率闭环频率扰动试验为例。

首先将DEH功率闭环退出，投CCS功率闭环，其试验条件和方法与DEH阀控方式下总阀位指令阶跃试验相同，也是通过调整一次调频转速，进行5～10 r／min的偏差给定，进行频率扰动试验。

本文对汽轮机及其调节系统原理和结构进行分析，对各系统进行建模，通过现场实测来获取模型所需的参数值，从而建立与汽轮机及其调节系统实际相符合的模型。

通过对汽轮机及其调节系统模型的建立和分析，分别通过静态和动态试验详细论述了现场实测方法，从而获取各系统所需参数，为系统建模和后期模拟计算提供参考。

孙清民（1983），男，硕士，工程师，从事汽轮发电机组热力性能试验、调速系
统建模试验及技术监督工作。

【相关文献】
［1］PSASP6.22新增模型说明［R］.北京：中国电力科学研究院，2000.
［2］田云峰，郭嘉阳，刘永奇，等.用于电网稳定性计算的再热凝汽式汽轮机数学模型［J］.电网
技术，2007，31（5）：39－44.
［3］王官宏.原动机调节系统对电力系统动态稳定影响的研究［D］.北京：中国电力科学研究院，2008.
［4］张向军.参与电网调频的汽轮机电子调节系统功能分析［J］.东北电力技术，1996，17（6）：1－4.
［5］黄润泽.国产600 MW机组调速系统动态特性研究［J］.东北电力技术，2002，23（11）：10－12.
［6］电力系统综合分析程序（PSASP）用户手册［R］.北京：中国电力科学研究院，2001.
［7］汽轮机电液调节系统性能验收导则：DL／T 824—2002［S］.
［8］同步发电机原动机及其调节系统参数实测与建模导则：DL／T 1235—2013［S］.。