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600MW中间再热式汽轮机调速系统的建模与仿真

牛永哲赖海龙李丽伟

（上海电力学院能源与机械工程学院，上海，200090）

摘要：分析了某火电厂典型的600MW中间再热式汽轮机DEH控制系统的工作原理及各环节的动、静态特性，建立了相应数学模型。在MATLAB/SIMULINK平台下建立了控制系统的整体模型并进行了仿真研究。结果验证了模型的正确性和控制方案的合理性，研究可为汽轮机控制系统提供相应理论基础和控制策略。

关键词：600MW；再热式汽轮机；DEH控制系统；建模；仿真

中图分类号：TP273 文献标志码：A

Modeling and simulation of 600mw reheat steam turbine control system

LAI Hai-long, LI Li-wei, NIU Yong-zhe

（College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electic

Power, Shanghai, 200090）

Abstract:The working principle and the static and dynamic characteristics of each link of the typical coal-fired power plant 600MW reheat steam turbine DEH control system are analyzed , and the corresponding mathematical model is established。The control system of the whole model is established and the simulation studies are carried out in the MA TLAB/SIMULINK platform. Results verify the correctness of the model and the rationality of the control scheme and good robustness, the research can provide corresponding theoretical basises and control strategies for the steam turbine control system.

Keywords: 600MW, Reheat Steam Turbine, Control System, Modeling, Simulation

0 引言

600MW汽轮机控制系统均已采用数字式电液调速(DEH)系统[2]，它是一个由许多环节组成的动态系统，对汽轮机设备的安全运行，维持电网频率起着至关重要的作用。故建立汽轮机调速系统完整的数学模型，研究其工作机理和性能具有重要意义[1]。

本文对某火电厂600MW中间再热式汽轮机DEH控制系统[2]的工作原理及各环节的动态?静态特性进行了分析,推导出了相应的数学模型。基于MATLAB/SIMULINK平台下用模块化建模方法先建立了各个模块，组成了整体模型, 并整定出了控制器参数。最后，在负荷扰动?汽压扰动?功率给定值扰动三种不同扰动下,得到了控制系统功率和转速

的输出曲线。 1 600MW 汽轮机DEH 控制系统的组成及工作原理

该电厂600MW 汽轮机DEH 控制系统是根据西屋公司DEH-Ⅲ型的功能原理开发的。汽轮机数字电液控制系统(DEH)主要由电/液转换器?油动机?蒸汽容积?中间再热器?汽轮机转子以及控制器组成。它采用电子元件和电气设备对汽轮机工作系统的状

态进行监视，以数字的方式传递信号?计算机分析判断?发出控制指令，然后通过电/液转换器将电气信号转换为液压执行机构能够执行的液压信号，达到完成控制操作的目的。

图1所示为该机组DEH 的原理方框图。系统由三个回路串级组成：内回路调节级压力回路、中间回路功率回路、外回路转速一次调频回路。

图1 600MW 中间再热式汽轮机DEH 控制系统原理图

2 中间再热式汽轮机DEH 控制系统的数学模型

2.1 数学模型建立的条件

在整个调节系统数学模型的推导过程前做如下假定:

(1)小偏差线性化：在整个调节过程中，各部件都是在平衡位置的附近作微幅变化，在这种情况下，可以将非线性方程在工作点处进行泰勒展开。

(2)运动部件的质量不计：调节系统的动力油压较高，运动部件的尺寸和质量较小，因此其质量可忽略不计。

(3)液态摩擦力不计：部件的运动速度较低，液态摩擦力相对于静摩擦力小得多，因此不考虑液态摩擦力的影响。

基于以上假设，可建立各个环节的运动方程，经拉氏变换后可导出其传递函数。 2.2 各环节的传递函数 (1)汽轮机转子其方程：a

B t

d T h C d ?ρ=+。

并网运行时，转子与电网频率同步，其特性近似惯性环节，则传递函数为：

a 1

()s+G s T B

(2)蒸汽容积其方程为：-t

d T d ρρ

μρ=，

则其传递函数为：1

()s+1

G s T ρ=

(3)中间再热容积将中间再热容积看成一个集中容积，即认为其中的压力是处处相等的，则它和喷嘴室容积是非常相似的，可得中间再热容器方程：h

H t d T C h d ρ=-，则其传递函数为：1

()s+1

h G s T =

(4)油动机其动态方程为：

d T R d μ?

μδ

=-+，则其传递函数为：1

()s+1

c G s T =

(5)电/液转换器该环节差动电压信号经控制指令转换、放大为液压信号，由液压执行机构去控制调节阀，引起滑阀位移发生变化，实现自动调节。该环节推导出的传递函数如下：1

()s+1

e G s T =

(6)频差放大器：传递函数为：1

()G s δ

(7)测速反馈：传递函数为：1()s+1

f G s T =

，由于测速时间常数很小，可将其近似为：

()1G s =

(8)测功反馈：假设测量得到的发电机功率已完全校正为汽轮机的实发功率，该环节也可近似为：()1G s =

(9)PID 调节器：传递函数为：

()I

P D K G s K K s s

+ 式中， a T 为转子飞升时间常数；T ρ为蒸汽容积时间常数；h T 为中间再热容积时间常数；c T 为油动机时间常数；e T 为电/液转换器时间常数；B C 为再热机组高压缸功率占总功率的份额；H C 为再热机组中低压缸功率占总功率的份额；B 为考虑电网频率变化时负荷的自平衡能力和电网中各并列机组调节系统动作对电网频率影响的系数；R 为外界负荷扰动的相对值；?为转速变化的相对值；ρ为蒸汽汽室中压力变化的相对值；b 为蒸汽容积时间常数；μ为油动机活塞位移变化的相对值；h 为中间再热容积中压力变化的相对值；δ为调节系统的速度不等率。

3 系统仿真与结果分析

3.1 仿真框图及参数设置

根据图1，在MATLAB/SIMULINK 平台下将各个仿真模块连接起来，得到的汽轮机并网后的负荷控制系统仿真方框图如图2所示。

图 2 汽轮机数字电液控制系统仿真方框图

根据文献[2,6,7]，本文该电厂600MW 中间再热式汽轮机组参数值如表1所示。表1 600MW 中间再热式汽轮机组参数表

参数值参数值 0.01 8 0.2 1/3 0.25 2/3

3.2 控制器参数的整定

图2中，转速控制器仅投比例，其P 值为

，取为0.05。调节级压力控制器为内

调节器，功率控制器为外调节器，在对它们进行参数整定时遵循“先内后外”的原则，在单个调节器采用试凑法进行参数整定。然后再对不同扰动下系统的输出进行综合研究，根据各种扰动下的控制性能综合确定具体参数。本文得到一组汽轮机并网后负荷控制参数最佳控制器参数如表2所示。

表2 控制器参数设置情况表 3.3仿真结果分析

3.3.1 三种扰动方式下的仿真

针对推导出的600MW 中间再热式汽轮机数学模型，负荷控制的仿真研究主要是在并网带负荷后负荷扰动、汽压扰动、功率给定值扰动三种不同的扰动方式下汽轮机功

率和转速的输出曲线。 3.3.1.1 汽压扰动

将汽压扰动模块的参数Final value 设置为0.2，仿真时间设置为30s,其他均设置为0。仿真后得到的汽轮机功率和转速的输出曲线如图4所示。

差值为0；转速偏差在23秒内回到额定值，

此过程中最大动态偏差约为0.07％，静态偏

差为0。

3.3.1.1负荷扰动

跃量增加或减少机组目标负荷指令，并且设

置负荷变化的速率为3％MCR/min[5]。故将

功率给定值模块的Slope参数值设置为0.03，

限幅器模块中的上、下限分别设置为0.15和

0.77％，汽轮机转速增加了0.76％，这与生产实际基本吻合，调节过程中功率变动的最大动态偏差约为1.9％，静态偏差为0.02%，调节时间为10秒，转速的最大动态偏差约为0.8％，静态偏差为0.01%。

根据文献[5]，机组受扰动后应能在5～50s时间内稳定下来,动态过程的振荡次数不大于2～3次，负荷变动动态偏差不大于3%MCR，负荷变动静态偏差不大于0.5%MCR；转速动态偏差不大于3%额定转速，静态偏差不大于1%额定转速。经比较后可知，在三种分别不同的扰动下，机组均能在较短时间内在一次振荡次数内快速的稳定下来，控制系统能与现场实际基本吻合，保证电网频率基本不变，各项参数均满足实际生产的指标要求。上述仿真结果表明了模型的正确性和控制系统良好的控制功能。

4结语

本文建立了600MW中间再热式汽轮机DEH控制系统的整体模型并进行了仿真研

对进一步了解DEH

指导DEH控制系统的

[1] 肖增弘, 徐丰.汽轮机数字式电液调节

系统[M]. 北京: 中国电力出版社, 2003:19-59.

[2] 大唐国际发电股份有限公司.汽轮机分

册[M].北京: 中国电力出版社,2008:6-97.

[4] 朱北恒.火电厂热工自动化系统实验[M].

北京：中国电力出版社,2006:292-362.

[5] 中华人民共和国电力行业标准.火电厂

热工自动化系统检修运行维护规程. [6] 高伟,李阳海,黄树红.600MW汽轮机

调速系统试验及辨识研究[J].汽轮机技

术,2006,8(4) :48-51.

[7] 曹祖庆．汽轮机调节动态特性一一计算、

分析、试验和研究方法[M]．北京：水

利电力出版社，1991:202-214.

通讯地址：上海市杨浦区平凉路2103号电话：139********

E-mail：niuyongzhe@https://www.wendangku.net/doc/752350302.html,

作者简介:牛永哲(1986- )，男，硕士研究生，研究方向为电站负荷跟踪控制系统的优化研究。