面向凝结水节流调频机组的调速系统建模研究.docx

? ? 面向凝结水节流调频机组的调速系统建模研究 ? ? 杨 康，尹玉兰，祝建飞，邱寅祺，李万军，陈欢乐 （1.上海明华电力科技有限公司，上海 200090；2.淮沪煤电有限公司，安徽 淮南 232098） 0 引言 凝结水节流调频技术能够在减少汽轮机主调门节流度的前提下，满足一次调频变负荷要求，即当一次调频要求机组加减负荷时，通过快速调节凝结水调阀等方式，改变汽轮机抽汽回热系统的抽汽量，从而影响汽轮机蒸汽做功量，使机组负荷得到增减[1]。该控制方式的应用不但能够提高机组运行经济性，同时兼顾了电网一次调频要求，是一种新型节能协调控制技术，正逐步在超（超）临界机组上得到推广应用[2]。 但目前对于采用凝结水调频技术的机组而言，国内尚未建立其调速系统模型，无法满足《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161 号）中5.1.10 条款[3]、《电力二次系统安全管理若干规定》（电监安全〔2011〕9 号）中第十一条规定要求，即《并网电厂涉网安全专项检查提纲》14 条（调速系统）“完成机组调速系统实测建模工作并将实测报告报送所在电网调度机构”要求。因此，针对此类机组开展建模工作具有重要意义。 研究了火电机组回热系统的数学模型，利用Apros 软件进行了凝结水节流调频机组的建模和仿真。并在此基础上，结合田集电厂4 号机组的试验对机组模型进行了适当的简化、等效和参数辨识，得到了满足国家及行业标准规范的模型卡参数。 1 基于Apros的凝结水调频机组建模与仿真 1.1 系统仿真模型建立 凝结水调频系统涉及汽轮机及其回热系统，通过建立汽轮机数学仿真模型，模拟凝结水节流调频工况，为后续试验研究和调速系统建模提供理论依据和指导。本项目基于Apros 建模软件，按照蒸汽的流动行程将汽轮机组划分为若干子系统进行建模，以变工况热力计算为基础，运用流体网络理论和集总参数建模思想建立汽轮机组数学仿真模型。 1）变工况计算中压力与流量的数学关系 级组是一些流量相等，通流面积不随工况变化或变化程度相同的依次串联排列的若干级的组合。汽轮机按照回热抽汽口划分级组，采用弗留格尔公式研究其工况变动前后蒸汽参数间的关系，如式（1）所示： 式（1）中：p10，p20，T0分别为基准工况的级前压力，MPa；级后压力，MPa；级前温度，K；p1，p2，T1分别表示变工况时各参量；G0、G分别为基准工况和变工况时的级组流量，kg/s。 2）级组焓降的数学模型 根据水蒸气性质，压力和比容的乘积与比焓存在固定比例关系，并将蒸汽视为理想气体，认为在级组内的热力过程是一个多变过程。级组的出口焓和入口焓之比可表示为： 式（2）中，h0为参考点比焓，本文模型取1950 kJ/kg；η为等熵膨胀效率；n为多变指数；k为绝热指数。理想气体内存在如下关系： 3）换热设备模型 汽轮机侧的主要换热设备包括回热加热器以及凝汽器，两者的功能都是利用冷流体冷却蒸汽，实现蒸汽的凝结放热。回热加热器利用从汽轮机某些中间级后抽出的蒸汽来加热凝汽器的凝结水和锅炉的给水[4]。通常分为表面式加热器和混合式加热器，凝结水系统中仅除氧器为混合式加热器，其建模方法和原理与表面式加热器类似。 对于表面式加热器而言，主要包含过冷段、凝结段和过热段。根据质量守恒、能量守恒、换热方程和容积方程可得如下模型关系： 加热器壳侧质量守恒方程： 加热器壳侧能量守恒方程： 加热器管侧能量守恒方程： 壳侧与管侧换热方程： 加热器壳侧容积方程： 经推导和整理可得表面式加热器数学模型表达式为： 式中，Ge为加热器抽汽流量，kg/s；Gu为上级疏水流量，kg/s；Gd为加热器疏水流量，kg/s；V为壳侧水空间容积，m3；V为壳侧汽空间容积，m3；ρ′为壳侧压力对应的饱和水密度，kg/m3；ρ为壳侧压力对应的饱和蒸汽密度，kg/m3；he为抽汽比焓，kJ/kg；tu为上级疏水温度，℃；td为加热器疏水温度，℃；cw为水的比热容，kJ·kg-1·0C-1；Q为单位时间加热器壳侧与管侧的换热量，kW；e为壳侧压力对应的饱和水比内能，kJ/kg；e为壳侧压力对应的饱和蒸汽比内能，kJ/kg；Xe为壳侧金属参与换热的有效系数，通常取0.2；Ms为壳侧金属质量，kg；cs为壳侧金属比热容，kJ·kg-1·0C-1；ts为壳侧压力对应的饱和温度，℃；G为进入表面式加热器给水流量，kg/s；t1为给水进口温度，℃；t2为给水出口温度，℃；Vt为管束容积，m3；ρ为换热管束内给水密度，kg/m3；Mt为换热管束质量，kg；ct为换热管束比热容，kJ·kg-1·0C-1；Ps为壳侧压力，kPa；h为壳侧压力对应的饱和水比焓，kJ/kg；h为壳侧压力对应的饱和蒸汽比焓，kJ/kg；Gc为凝结水流量，kg/s；Gf为进入混合式加热器的给水流量