燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型建立研究

摘 要：近年來(lái)，燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由于具有裝機(jī)容量大、環(huán)境污染小、啟停快捷以及能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益引起人們的重視。本文利用Matlab/Simulink對(duì)某聯(lián)合循環(huán)電站燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行模型組建，并對(duì)其全工況進(jìn)行仿真分析，得出其仿真結(jié)果切實(shí)符合其實(shí)際物理過(guò)程，由此證明，該模型能夠用來(lái)對(duì)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：燃?xì)?蒸汽 循環(huán)機(jī)組 研究

中圖分類號(hào)：TM611.31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0086-02

通常情況下，燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)三大部分構(gòu)成，而目前最常見(jiàn)的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組是無(wú)補(bǔ)燃的余熱鍋爐型，在該系統(tǒng)中，燃?xì)廨啓C(jī)處于主動(dòng)的地位，余熱鍋爐則伴隨燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，蒸汽輪機(jī)通常為盡可能地利用燃?xì)庥酂幔话氵\(yùn)行方式采取滑壓式。本文通過(guò)對(duì)型號(hào)為GEMS7001EA的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的非線性狀態(tài)空間方程加以分析，從動(dòng)能與熱能之間的互相轉(zhuǎn)化及其控制等方面對(duì)建立燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型進(jìn)行研究。

1 聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制、轉(zhuǎn)子角加速度控制、透平溫度控制和壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉控制四大控制系統(tǒng)組成。

轉(zhuǎn)速及負(fù)荷控制系統(tǒng)。作為燃?xì)廨啓C(jī)最基本的控制系統(tǒng)，負(fù)荷/轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是指為方便對(duì)負(fù)荷加以調(diào)節(jié)，其轉(zhuǎn)速控制在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)為有差控制，并且這時(shí)的轉(zhuǎn)速控制器保持10～50之間的增益值和2%～10%的不等率。此外，在燃機(jī)輪機(jī)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，為了調(diào)整其負(fù)荷，通常首先對(duì)其轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整，使其與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間產(chǎn)生一定量的差值，以便令輸出燃料的基準(zhǔn)值得到改變，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)荷得以調(diào)整的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速不等率去4%時(shí)，利用W/（Y+Z）這一傳遞函數(shù)，可得W=1/轉(zhuǎn)速不等率=25；其中Y=0.05.Z=1。

轉(zhuǎn)子角加度速度控制系統(tǒng)。加速度控制系統(tǒng)是指為保證燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)組安全，因此在遇到某些特殊情況時(shí)，如燃?xì)廨啓C(jī)起動(dòng)過(guò)程的起動(dòng)加速率受到限制或者突然出現(xiàn)甩負(fù)荷抑制動(dòng)態(tài)超速的現(xiàn)象，為使得熱部件的熱沖擊減少，而對(duì)轉(zhuǎn)子的角加速度加以限制，使其低于系統(tǒng)所給定的值。其具體過(guò)程是，首先將速度信號(hào)進(jìn)行微分，得出實(shí)際的加速度，接著，用這個(gè)加速度與額定加速度相比較，再將兩者的偏差輸入積分調(diào)節(jié)器內(nèi)，利用公式G（S）=100/S，最后加以積分得到加速度燃料基準(zhǔn)[1]。

透平溫度控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)是指為防止透平的進(jìn)口葉片產(chǎn)生損害，因此對(duì)透平的進(jìn)口溫度T3加以限制。而在實(shí)際的溫度控制系統(tǒng)操作過(guò)程中，溫控系統(tǒng)首先通過(guò)控制排氣溫度TX來(lái)達(dá)到控制T3的效果，并且該系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)比例積分調(diào)節(jié)器，其計(jì)算公式為：

式中：uf為燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)的燃料控制信號(hào)；n為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)；為控制燃料壓力的速比閥輸出信號(hào)。其中，0.15≤uf（t）≤1.0。

其次，轉(zhuǎn)子模塊的微分方程模型為：

（4）

式中：為壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉角度；為壓氣機(jī)入口導(dǎo)葉控制器的控制信號(hào)。

再次，排氣溫度計(jì)算模塊的微分方程為：

（5）

式中：TX為透平的實(shí)際溫度；為溫度場(chǎng)的輸出信號(hào)。此外，額定排溫Tr的值一般設(shè)定為538℃。

由于該無(wú)補(bǔ)燃的鍋爐汽輪機(jī)在整個(gè)電站中輸出功率比例較小，因此可以將蒸汽壓力的變化忽略不計(jì)，這時(shí)得到蒸汽流量與發(fā)電功率之間的關(guān)系如圖1所示。

其中TR與TS分別代表再熱器和高壓透平的時(shí)間常數(shù)；C表示在整個(gè)蒸汽輪機(jī)功率中高壓透平功率所占的百分比[4]。

3 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組模型建立研究

通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代科技，將GEMS7001EA型燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的控制系統(tǒng)模型置入Simulink/Matlab軟件之中，利用仿真技術(shù)對(duì)其加以研究，從而對(duì)參數(shù)及模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

鑒于燃?xì)廨啓C(jī)要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，需要讓其轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)的頻率變化基本保持一致。然而由于在正常情況下電網(wǎng)頻率的變動(dòng)以及單個(gè)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變動(dòng)均微乎其微，因此，可以將轉(zhuǎn)速的變動(dòng)給整個(gè)電網(wǎng)頻率所帶來(lái)的影響，在進(jìn)行一次調(diào)頻的過(guò)程中忽略不計(jì)。故而，在建立燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)模型時(shí)，可以初步認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速保持一個(gè)恒定的值。此時(shí)，為了是機(jī)組功率實(shí)現(xiàn)誤差調(diào)節(jié)，并且完成并網(wǎng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速需要采取有差轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。此外，為了保證機(jī)組能夠一次調(diào)頻成功，還可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)，將機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的給定值適當(dāng)增大，以便使得該機(jī)組的功率相應(yīng)增加。其中轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)是負(fù)荷指令的前饋環(huán)節(jié)，它在燃?xì)鈾C(jī)組并網(wǎng)之后通過(guò)改變汽輪機(jī)出力的升降來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)給定值的效果。并且通過(guò)轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)調(diào)節(jié)的出力伴隨轉(zhuǎn)速基準(zhǔn)的增加而上升[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在Matlab/Simulink仿真軟件環(huán)境下對(duì)GEMS7001EA型燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)模型加以研究分析，使系統(tǒng)能夠真實(shí)再現(xiàn)燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組電站升降符合等工作原理，得出其轉(zhuǎn)速能夠基本與額定值保持一致，且負(fù)荷的輸出相應(yīng)比較迅速，由此證明燃?xì)廨啓C(jī)可以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻，并且說(shuō)明能夠用來(lái)對(duì)實(shí)際燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

[1]李麟章.大型單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組控制系統(tǒng)及其特點(diǎn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30（18）：99-102.

[2]周云海，沈廣，危雪，等.燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組作為黑啟動(dòng)電源的可行性及其仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（14）：99-103.

[3]徐清.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體性能保證方式探討[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（z1）：70-74.

[4]李方吉，鄧旭東.大型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組維修策略[J].熱力發(fā)電，2009，38（9）：89-91.

[5]王兵樹(shù)，CUI Ning，張聰師，等.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（12）：3107-3113.