汽轮机阀门管理动态模型辨识方法研究

马覃峰,安 甦,刘明顺,焦 进,陈 刚,江出阳,赵 勇

(1.贵州电网公司电力调度控制中心,贵州 贵阳 550002;2.贵州电网都匀供电局,贵州 都匀 558099;3.南方电网科学研究院有限责任公司,广东 广州 510663)

0 引言

能源既是国家经济发展的命脉,也是国家发展战略的重要支柱。在能源结构转型期,火电机组将在承担基础负荷的条件下参与新能源消纳,以保证电网的稳定运行[1]。汽轮机作为火电、核电机组的核心组成设备,其运行状况直接影响全厂运行安全性和经济性。结合“中国制造2025”等国家战略,火电机组在信息技术下进行优化升级为“智能电厂”以实现动态、精准控制是必然趋势。

目前中型以上的火电厂大都采用数字电液控制系统(DEH)实现对汽轮机的控制[2-3]。数字电液控制系统是火电厂汽轮机组中的重要组成部分,在汽轮机启停、调速过程中发挥着重要作用,可以在汽轮机正常稳定运行或发生事故时起到调节控制的作用,因此是电厂实现自动化的不可缺少环节[4]。

DEH系统要实现阀门管理功能,阀门管理方案至关重要。阀门管理方案优化也就是配汽方案优化,机组在承担调峰调频任务时,即发生剧烈变负荷过程中,由于配汽方案设计不当,使得机组轴心出现偏移、轴瓦温度高于正常值以及轴振异常等故障是当前电力行业存在的一个普遍问题[5-6]。

为实现阀门管理动态模型精准辨识,本文从汽轮机阀门管理模块的实际工作原理出发,首先分析了4高调门阀门配置结构的动态特性,通过对各个调门的滑阀油动机环节及高压缸容积环节进行等效。针对简化后的模型,结合先验知识,利用等效综合阀位指令得到阀门流量特性曲线,以消除实际数据中静态特性的干扰。最后,利用某汽轮机的实际运行数据进行实验,实验结果良好,验证了本文提出的简化模型的准确性以及结合了先验知识的模型辨识方法的可行性与科学性。

1 阀门管理动态模型

1.1 阀门组工作方式及功能

汽轮机一般通过从阀门组来控制进汽量,从阀门组包含了几个调节汽阀。如图1所示的两个高压主汽阀门以及 1个高调门的阀门配置结构。阀门组有两种工作方式:一种是节流调节,一种是喷嘴调节。

图1 阀门组工作方式

DEH系统一般情况下会为各个阀门配备独立的执行机构。而要实现在上述两种调节方式间的顺利切换,就需要阀门管理程序发挥作用。阀门管理程序可以使得汽轮机在启动时或者大范围变负荷时处于节流调节状态,当负荷基本稳定不变时,处于喷嘴调节状态,从而使得汽轮机组稳定、安全、高效的运行[7]。

但是,经过调门的流量与阀门开度之间存在非线性关系,倘若直接以流量请求值去确定对应的调门开度,就无法消除这种非线性带来的影响,从而无法准确反映阀门的静态特性[8]。DEH系统可利用内嵌软件对这种非线性影响做出一定的修正,使得流量指令与实际的蒸汽流量始终保持线性关系,然后再将流量指令转换成对应的阀门开度信号[9]。

1.2 阀位后查表函数的加入

为了使得阀门流量特性曲线具备好的线性度,阀门管理中还需要设计特定的阀门开启规律,即配汽规律,如图2所示。

图2 阀门配汽规律曲线

为了实现多个阀门组合重叠开启动态模型建立,需要在单个阀门开启动态模型的基础上,考虑上述多个阀门组合开启的流量特性问题。

具体多个阀门重叠开启的动态模型如图3所示,其中每个阀门开启包含滑阀、油动机等动态环节模型;虽然每个阀的阀前压力均为主蒸汽压力,但是由于每个阀门开度变化会引起调节级压力的变化,进而影响每个阀门开度下流过该阀门的流量变化,为了考虑这一影响,每个阀门开度后加入阀位对应的流量特性曲线查表函数,查得不同开度时流过每个阀门的真实流量,以便使之更好的与实际情况相符;最后多个阀门流量叠加,形成经过阀门管理的流入汽轮机的总流量。

图3 高调阀门管理模块

1.3 阀门管理动态特性

由上述汽轮机阀门管理动态模型可以看出,汽轮机阀门管理由于涉及多个阀门的重叠开启,重叠开启每个阀门的流量不仅与阀门开度有关,而且不同阀门不同开度时各阀门流量还存在耦合影响问题。

此外,油动机是调节汽阀的执行机构,其运作过程存在容积效应与惯性影响,每个阀门的滑阀、油动机均具有动态响应过程,由于滑阀油动机与高压缸容积效应,阀门控制过程存在动态影响,即流量特性与控制策略不同步,导致阀门管理动态模型建立和模型参数辨识复杂,获得与实际数据高度吻合的汽轮机阀门管理动态模型困难。

2 阀门管理动态模型简化及辨识方法

2.1 模型简化

本节主要对阀门管理模型进行简化,简化内容主要包括以下几点:

(1)将4个滑阀油动机简化为1个“等效滑阀油动机”。

(2)将4个调门对应的高压缸容积效应简化为1个“等效高压缸容积效应”。

最终,阀门管理模型可简化为两输入(即主蒸汽压力与综合阀位指令)、两动态环节(即滑阀油动机动态与高压缸容积动态)、一非线性(即阀门流量特性)、一输出(即调节级压力)的形式,如图4所示。

图4 阀门管理简化动态模型

2.2 模型辨识方法

简化模型中,滑阀油动机时间、高压缸容积时间常数是待辨识的两个动态参数,阀门流量特性是待辨识的静态特性。但由于实际数据中同时包含了动态因素与静态因素,因此,本文利用先验知识来确定阀门流量特性曲线,消除实际数据中静态特性的干扰,从而增加对于动态参数的辨识准确度。

3 实验验证

3.1 实验数据

本文实验数据来自于某660 MW超临界空冷燃煤发电机组,汽轮机型号为NZK660-24.2 MPa/566 ℃/566 ℃,数据包括主蒸汽压力Pzq如图5所示、综合阀位指令Fz如图6所示及调节级压力Ptj如图7所示。

图5 主蒸汽压力

图6 综合阀位指令

图7 调节级压力

3.2 辨识结果

3.1.1 阀门流量特性曲线辨识

本小节结合了实验机组的先验知识,以实测调节级压力与实测主蒸汽压力之比作为等效综合阀位指令Fcv,利用实测等效综合阀位指令Fcv与综合阀位指令Fz拟合出阀门流量特性曲线如图8所示。拟合曲线的获得主要是利用机组等效综合阀位指令与综合阀位指令的先验知识,从稳态角度二者为非线性一一映射关系,实际数据表现出的偏离拟合值主要是因为阀门开启或者关闭过程的动态响应,结合这一先验知识可获得二者拟合关系如图所示。

图8 阀门流量特性曲线

将该阀门流量特性曲线代入到模型中进行非线性修正,并以实际主蒸汽压力、综合阀位指令为输入,将模型输出结果与实际调节级压力进行比较,最终辨识出动态参数结果如表1所示。

表1 汽轮机模型参数取值

3.3 模型精确度验证

将辨识后的参数代入到模型中,将仿真结果与实际调节级压力Pzq对比,结果如图9所示,可以看出利用简化汽轮机阀门管理动态模型能够获得很高的建模精度,实现与实际数据高度吻合的效果。

图9 整体模型辨识效果

为了更进一步检验模型辨识效果,将实际调节级压力Ptj的辨识结果进行局部对比,结果如图10所示,可以看出模型得到的调节级压力局部波动也与实际数据高度吻合,进一步验证利用简化汽轮机阀门管理动态模型能够获得很高的建模精度,利用该简化汽轮机阀门管理动态模型建模和辨识方法能够更好地满足汽轮机高精度仿真和控制需求。

图10 实测调节级压力辨识结果对比局部图

4 结论

本文主要完成了以下工作:

(1)从汽轮机阀门管理模块的实际工作原理出发,分析了4高调门阀门配置结构的动态特性,通过对各个调门的滑阀油动机环节及高压缸容积环节进行等效,将阀门管理模块模型简化为了仅包含一个非线性修正以及两个动态环节的结构。

(2)针对简化后的模型,结合先验知识,利用等效综合阀位指令得到阀门流量特性曲线,以消除实际数据中静态特性的干扰,从而获得更高的动态参数辨识精度。

(3)利用某汽轮机的实际运行数据进行实验,实验结果良好,验证了本文提出的简化模型的准确性以及结合了先验知识的模型辨识方法的可行性与科学性。