适用电网稳定性计算的一种超临界汽轮机动态数学模型

第55卷第3期2013年6月汽轮机技术TURBINETECHN0L0GYV0155NO3JUN2013适用电网稳定性计算的一种超临界汽轮机动态数学模型谷俊杰，陈顺青华北电力大学能源动力与机械工程学院，保定071003摘要超临界火电机组在国内发电机组中所占比例较高，其对大区域互联电网稳定性产生较大影响。针对此问题，建立了超临界再热凝汽式汽轮机动态数学模型，提出了高、中压缸功率同时过调的概念，对传统的电力系统稳定计算的汽轮机模型进行了改进；给出了利用汽轮机有效热平衡数据计算汽轮机模型中的高、中压缸功率自然过调系数的新法。该模型与传统模型和改进模型比较参数求解过程简单，计算精度有了一定程度的提高。关键词超临界汽轮机；动态数学模型；电网稳定性；过调系数；求解过程；计算精度分类号TM711文献标识码A文章编号10015884201303017503ADYNAMICMATHEMATICALMODELOFSUPERCRITICALSTEAMTURBINEF0RPOWERGRIDSTABILITYCALCULATIONGUJUNJIE，CHENSHUNQINGSCHOOLOFENERGYPOWERANDMECHANICALENGINEERING，NOAHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY，BAODING071003，CHINAABSTRACTINPRESENTDOMESTIC，THEPROPORTIONOFSUPERCRITIEALTHERMALPOWERUNITSFORGENERATINGELECTRICITYISHIGHER，WHICHHAVEGREATINFLUENCEONLARGEAREAINTERCONNECTEDPOWERGRIDSTABILITYTOSOLVETHISPROBLEM，WEFOUNDADYNAMICMATHEMATICMODELOFSUPERCRITIEALREHEATSTEAMTURBINE，ANDWEPUTFORWARDTHECONCEPTIONOFOVERREGULATIONCOEFFICIENTSOFTHEHIGHANDINTERMEDIATEPRESSURECYLINDERATTHESAMETIME，IMPROVINGTHETRADITIONALSTEAMTURBINEMODELFORPOWERGRIDSTABILITYCALCULATIONANDUSINGTHESTEAMGENERATORSTEAMTURBINEHEATBALANCEDATA，WEPROVIDEADYNAMICMETHODOFCALCULATINGTHEOVERREGULATIONCOEFFICIENTSOFTHEHIGHANDINTERMEDIATEPRESSURECYLINDERCOMPEDWITHTHETRADITIONALMODELANDTHEIMPROVEDMODEL，THEPROCESSOFSOLVINGPARAMETERSISSIMPLEANDTHECALCULATIONACCURACYOFTHISMODELHASBEENIMPROVED，TOSOMEEXTENTKEYWORDSSUPERCRITICALSTEAMTURBINE；NEWMATHEMATICALMODEL；POWERGRIDSTABILITY；OVERREGULATIONCOEFFICIENT；SOLVINGPROCESS；CALCULATIONACCURACY再热凝汽式汽轮机数学模型功率响应和实际功率响应过渡O前言过程结果不太一致的问题，在经典模型的基础上提出了一种带有高压缸功率自然过调系数概念的改进型再热凝汽式汽超临界火电机组在国内发电机组中所占比例较高，当超轮机数学模型本文称为单过调改进模型。虽然单过调改临界火电机组系统受到较大的扰动时会对大区域互联电网进模型在一定程度上解决了该问题，但是单过调改进模型在的稳定性产生较大影响。推导求解高压缸功率自然过调系数时，过程非常复杂，不容由于一次调频具有较快的自动平衡系统中幅值较小的、易被工程人员理解与接受，而且其仿真实验得到的结果与实快速的随机负荷波动的特点，是维护电网稳定的一种重要际功率响应曲线还有一些差距。基于这些考虑，对单过调模手段。故在进行互联电网的稳定性研究时，可以把汽轮机及型进行了改进，给出了利用汽轮机有效热平衡数据计算汽轮其调节系统的动态特性考虑在内。基于以上考虑加之目前机模型中的高、中压缸功率自然过调系数的新方法。所面临的电力系稳定计算中所使用的汽轮机及其调节系统模型存在着一定失真，开展超临界机组汽轮机建模的研究1超临界再热凝汽式汽轮机动态数学模型对解决我国互联电网所面对的稳定性问题具有重要的意义。经典再热凝汽式汽轮机数学模型忽略了汽缸之间的互11超临界再热凝汽式汽轮机动态数学模型塑堕里些建型盘查蕉误差。文献3指出了经典超临界再热凝汽式汽轮机动态数学模型本文称为动态收稿日期20130129基金项目河北省教育厅科学研究指导性项目Z2007414。作者简介谷俊杰1959一，男，教授，主要从事火电机组非线性优化控制方面的研究176汽轮机技术第55卷双过调改进模型不仅考虑到高、中压缸之间的互相影响，而且还考虑到中、低压缸之间的互相影响，从而提出了高、中压缸功率同时过调的概念，建立了一种全新的超临界汽轮机动态数学模型，并给出了推导求解动态双过调改进模型中的高、中压缸功率自然过调系数的新方法。该动态双过调改进模型如图1所示。图1动态双过调改进汽轮机模型图1中，。为高压缸蒸汽容积时间常数；为再热器蒸汽容积时间常数；为连通管蒸汽容积时间常数；OR。为高压缸功率比；OR为中压缸功率比；OR，为低压缸功率比其中，OT，1；NO为进入汽轮机的蒸汽流量；为汽轮机转子的机械功率输出；A为高压缸功率自然过调系数；A为中压缸功率自然过调系数。文献4已经给出了动态双过调改进模型不同工况中。、OT、O，等参数的计算方法和实例计算，本文在此不再赘述。12确定动态双过调改进模型过调系数的新方法本文给出求解动态双过调改进模型中高压缸功率自然过调系数A和中压缸功率自然过调系数A的方法如下所述。由于汽轮机的功率可表示为N卵GAH1式中，G为蒸汽流量，TH；AH为等熵焓降，KJKG；叼为汽轮机内效率。在这3个变量中，首先考虑蒸汽流量G的变工况。根据汽轮机级组的变工况原理有，、RF丁_R一二坠一R，、G一P一PTO其中，GL、P0L、PTO1为变工况参数；G、P0、PTO为设计工况参数蒸汽流量，TH；进汽压力，MPA；背压，MPA；进汽温度，。忽略温度的变化，则有GG3上式即为弗留格尔公式，可得变工况后的级前压力22。2一P；导4变工况后的级后压力222一P5将式5和式4相比得P21PO16其次，考虑等熵焓降KJKG的变工况。众所周知，汽轮机蒸汽流通部分的蒸汽焓降等于定流量工质所做的功。因此，假设蒸汽在汽轮机蒸汽流动过程中流量没有发生改变，那么针对等熵过程则有PVCONSTANT7式中，是蒸汽比容；是过程绝热指数，对于过热蒸汽有13。因此，设计工况下的理想比焓降可表示为AH。吉RTO1一8所以，级组等熵焓降的变化为其中AHTOPOLL0L，。1一一I旦LAH十。1IBKL110JTO卜告式11中，P。、TO均是设计值，且TO，则B为一常数，P等于P或者在某一不大范围内波动。在变工况时忽略级组效率的变化，则有一N1一垒旦一GHO竹砖1_令YG1测有FYBX1一I【L11JJ12由上式可知，只要知道汽轮机设计工况的级前压力，级后压力，背压这3个设计值后Y厂就是一个仅与有关的函数。于是利用MATLAB软件对Y厂求导得导函数Y厂曲线，取导函数曲线曲率变化渐缓段的平均值作为动态双过调改进模型的高、中压缸功率自然过调系数。13过调系数的实例计算根据图2给出的某600MW超临界机组NZK600242566566型汽轮机THATURBINEHEATACCEPTANCE工况系统循环热平衡图，对动态双过调改进模型的高压缸功率自然过调系数进行实例计算。由图2可知汽轮机设计工况的级后压力，级前压力，背压分别为P24543MPA，P0242MPA，PP，将高压缸所有级组视为一级后，其级后压力即为背压，K13将P。、P、K代入式11得，B068。当这些数据确定后，Y厂仅是的函数，利用MATLAB软件对Y厂求第3期谷俊杰等适用电网稳定性计算的一种超临界汽轮机动态数学模型177图2汽轮机系统THA工况循环热平衡图图3Y，数值曲线导，得导函数图如图3所示。由导函数图像可以看出，导函数在0310区间上变自然过调系数。利用MATLAB软件求该区间段导函数值的平均值的具体过程为在MATLAB中生成导函数图像后，其“WORKPLACE”中自动生成导函数横纵坐标数值的矩阵文件夹，根据选定的导函数横坐标区间0310确定并选中导函数值文件夹中对应的导函数值纵坐标区间，点击鼠标右键，在出现的菜单栏中点击“CREATEVARIABLEFROMSELECTION”，则在“WORKPLACE”中生成一个名为“UNNAMED”的矩阵文件夹，在MAAB“COMMANDWINDOW”中输入“MEANUNNAMED”命令，按回车键便可得到该区间段导函数值的平均值A11635。同理，利用相同的计算过程可以得出中压缸功率自然过调系数，A14587。其余各工况的高、中压缸功率自然过调系数的求解过程同以上过程一致，故不再赘述，各工况的高、中压缸功率自然化缓慢，于是取该区间段导函数值的平均值作为高压缸功率过调系数的计算结果如上表1所示。表1动态双过调改进模型的仿真参数23种模型的仿真实验对比通过本文计算及相关文献可知动态双过调改进模型各不同工况的仿真参数如表1所示。由相关文献可知经典再热汽轮机的数学模型和单过调改进模型的仿真参数如表2所示。利用SI