一篇老外的论文，讲得是系统建模和仿真。

核动力三轮车 · 发表于 2013-11-21 21:18:32

   8爷之前发了篇老外的论文，讲得是系统建模和仿真。文章很好，但必威APP精装版下载上没见后文，自己就试着翻译了下。为了保证语句通顺，适当修改了下原文内容。图见原文及附件。

                                    《电网频率波动下的CCPP建模和长期响应仿真》

   一套典型的联合循环发电机组（以下简称CCPP）包括：共轴的燃气轮机（GT）、汽轮机（ST）和发电机（generator），以及余热锅炉（HRSG）。燃机轮机配有进口导叶（IGV）用以调节压气机进气流量，稳定燃机涡轮排气温度（因为电站燃机常用的控制模式是涡轮排气温度T=Const）。
   为了进行多种电力系统扰动下的机组的长期响应仿真，需要建立一套包括其相关控制、保护功能的数学模型。大扰动的长期仿真通常是为了研究真实（电力）系统发生过的事故可能导致的（针对机组的）特定后果。长期仿真之所以特别困难是由于（机组）多变的控制逻辑和复杂的保护机制所致。这些保护包括电厂辅助系统以及开关柜中的：电机过激励限制、低激励限制（underexcitation）、volts-per-hertz protection（谁知道的说声）以及低频保护、高频保护、失磁保护（loss-of-field）等复杂的保护动作。大扰动，特别是（电网）频率异常波动下的机组数学模型，是难以通过现场测试辨识的。
   GE电气已经发展了适用于电厂设计、分析的详细的燃机、汽轮机、电机、相关控制系统的数学模型。业已同过现场测试或者细致的论证证实了这些模型的重要特性。对于马来西亚电网瓦解（也不知道他说的是哪一次）这类事故，我们最关心的是燃机能多快增大功率输出以及（电网）频率降低对机组最大输出的影响。论文【2】介绍了一种简单的CCPP燃机数学模型。这个模型考虑了进口导叶角度控制、排气温度控制以及（基于电网频率（运行转速））变转速下的燃机出力。这是个模型是建立在对物理定律和燃机设计模型分析的基础上的。
   公式表明（P=Tw  ==！！），孤网运行（比如从北米电网切到北棒电网或者切到厂用电运行）下发电机超发会导致部分甩负荷以及电网频率上升。有很多控制措施致力于防止超速，包括调速器（gonvernor）、负荷控制（PLU，后来我认为翻译成功率平衡控制更合适==！但懒得改了）、燃机升速控制和汽轮机转速控制（在后文中如果觉得“**控制”读起来不顺，请加后缀“单元”）。无论在正常工况还是异常工况，调速器都根据实测转速与整定值偏差，通过控制燃料供应，改变燃机总功率，控制转速。汽轮机的转速控制（单元）只在非正常工况才动作调节阀，控制速度。升速控制监测转子加速度，通过控制燃机燃料供应以及汽轮机调节阀控制加速度（升速控制主要在启机阶段有用）。等转速恢复正常后，只要负荷控制没有动作，则燃机回到正常工况。
   负荷控制监测透平出力和发电机发电量，并且通过整定负载系数、调节汽轮机调节阀，使得机组在空负荷额定转速下运行。它可以避免机组遮断。需要有操作员的指令机组才可以重新带负荷。只有部分联合循环电站具有负荷控制功能（因为那货太贵）。
   在电厂设计阶段，只对全甩负荷进行了大量研究。这是因为全甩负荷对于电厂影响最大而且全甩负荷可以进行现场测试。而部分甩负荷不能进行现场测试。只要所有的阀门工作正常，机组在全甩负荷时就不会被遮断。
   本文介绍了余热锅炉、汽轮机及其相关控制系统的模型，构建了GE电气STAG109FA联合循环发电机组的数学模型。这个模型是从详细设计模型简化而来。在这个模型中，包含了足够的细节用以模拟机组对于电网波动的响应，包括正负5%的频率偏差。这个模型不适用于CCPP启、停机过程仿真。它适用于50%以上负荷的机组状态仿真——这已经显著低于机组工况点。
   如图一所示，是一套典型CCPP的流程图。余热锅炉有三个汽包给高、中、低压缸供汽，包括省煤器在内，共有11个换热器，省煤器可以预热汽包给水，换热器中，水/汽走管程。燃机涡轮排气经过换热器，与水/汽进行热交换。通过高压主汽调节阀（MCV）、中压进汽调节阀（ICV）、中压补汽调节阀（IPAV）和低压补汽调节阀（LPAV）调节高中低压缸进汽。（汽轮机为单回热三缸两排汽配置。LP蒸汽来自LP drum和IP排汽，IP蒸汽来自IP drums和HP排汽，相当于HP、IP之间回热，IP、LP补汽。）
这个模型主要研究在正负5%频率偏差，50%以上负荷时候的机组特性。相关变量、模型结构和参数参照一座在运行的电站（model plant）进行进行设置。
   如图二所示，燃机由轴流式压气机、燃烧室和涡轮组成。空气经过压气机压缩，在燃烧室与燃料混合燃烧，燃气进入涡轮做功。涡轮出力带动压气机（压缩空气）和同轴发电机（发电）。燃机的相关变量有：燃料消耗量Wf，空气质量流量Wa——这货是IGV角度thetaIGV的函数（因为这货只有IGV可调）、压气机转速w（omiga），大气温度Ta和大气压力Pa的函数）。输出变量有净轴功PmGT（供给发电部分的功率），排气质量流量Wx，排气温度Tx和压气机压比CPR。文献【2】描述了一种包含相关控制系统的简化燃机模型。空气流速系数（airflow speed factor）决定了燃机在不同转速下的输出（功率）。这个模型揭示了我们可以通过不同进气温度下的变负荷测试得到这个空气流量系数（修正喉差，建立进气流量与温度、压力、湿度和喉差的计算公式）。燃机模型基于如下假设：
1、净轴功PmGT只和燃料消耗量Wf相关。（不仅相关，而且可以认为是线性相关）
2、因为燃料质量占比很小，Wx=Wa。（显然成立）
3、驱动压气机的轴功为常数。（IGV角度不变下可以认为是常数）。
4、唯一的动态因素就是发出燃料调整指令到燃料喷射量变动，进气流量变动到净轴功率变动之间的时滞。
   根据电厂实际调研，可以对余热锅炉和汽轮机做如下简化假设：
1、       锅炉给水从省煤器和减温器得到的能量很小，没必要为省煤器单独建模。给水控制调节迅速，无需为给水系统和汽包阀门管道系统建模。
2、       凝汽器温度和水位变化对系统影响有限，也没有必要对减温器以及往凝汽器的旁通管路建模。流经高压汽包蒸汽对应的减温器以及回热管路的水量对系统建模影响不大，可以视作常数。
3、       因为进汽温度稳定，蒸汽比焓不变。如图3-5，是高中低压缸的蒸汽流程图。相关变量有蒸汽压力、流量、（温度为常数）、MCV、ICV和旁通阀阀位等。如图6-8所示，分别是HP、IP、LP部分模型。
   系统控制参数是现场设定的，模型结构和参数需要在每个项目现场调试。因此，本文能做的就是依据已有的样本电站的参数进行仿真。如图9-11，是CCPP的模型结构图。系统输入有：大气温度Ta、大气压力Pa、发电量Pe和负荷系数Lref。相关的控制有：
1、燃机控制。如文献【2】所述，包括排气温度控制、IGV控制、调速器和升速控制。升速控制通过调节燃料供应控制升速率，主要用在启动阶段控制燃机升速曲线。在部分甩负荷时，该模块也可能动作。控制信号XAC会传给汽轮机阀位控制。
2、汽轮机控制。包括进汽压力控制、进气压力限制、MCV、IPAV、LPAV的旁通控制（旁通凝汽器），还有汽轮机转速控制（避免超速用的，没必要控制升速）。
3、负荷控制。作用于燃机和汽轮机。负荷控制产生两个信号：负荷不平衡信号以及甩负荷发生信号LRO。如果输出到电机的轴功与发电量之差超过了整定值（比如0.4表么值），或者发电量降低速率超过了整定值（比如0.35表么值每秒）。PLU信号置位，ICV和LPAV完全关闭。在LRO信号控制下，MCV和IPAV全关。Lref负荷系数设置为全速空负荷的100.3%。一旦功率不平衡消失，PLU信号自动复位，但LRO不自动复位。
   已经在不同的负荷系数、低频冲击和部分甩负荷条件下进行过系统性能仿真。
   为了测试整个系统在正常运行工况，没有系统扰动的情况下的自动调整能力，做了负荷系数变动的模拟。（说白了就是测试整个机组对电网负荷的跟随特性。）图12a是负荷系数的变动图，开始阶段为1.1p.u.。除了开始和结束阶段负荷系数超过1.0 p.u.时（此时是排气温度控制限制了功率不能提升），调速器都调整输出，跟随负荷系数变动，如图12-b。IGV控制保证了燃机排气温度恒定（这是电站燃机的常用控制模式），如图12-c。排气温度和流量，如图12-d，决定了输出功率，如图12-e。如图12-f和图12-g所示，MCV和IPAV在滑压控制下保持全开保持（温度不变，流量减小、压力减小，ST出力减小），LPAV调整来流蒸汽压力，保证低压缸LP进气压力稳定（避免水击）。蒸汽比焓和流量决定了汽轮机出力，如图12-b。简化模型和详细模型的结果相近。
   燃机的输出功率和总功率在负荷变化过程中保持线性，如图13-a。Y轴便是空负荷下输出功率，也就是驱动压气机消耗的功率Px（x轴就是输出用来发电/飞车的功率）。随着负荷系数变动，汽轮机出力则有时滞的跟随（压气机消耗功率Px）变动，如图13-b，两者是线性相关的。如前述，以上关系意味我们可以采用进一步简化汽轮机系统的模型(因为简化模型与详细模型结果很接近)。
   图14是简化模型的低频冲击仿真结果。系统出力为90%额定功率，即366MW。电网频率在25s内降低了5%，和文献【1】中马来西亚电网事故情形相似。调速器首先对此做出反应，增加了燃机功率，导致输出功率超过了额定功率，这也就导致排气温度上升。过了几秒后，温度控制的的IGV全开，减小了燃机出力，并且有效降低排气温度到整定值。后由于燃机减速导致空气流量减小，最终的功率接近初始状态。在整个过程中，汽轮机出力基本不变。
在设计阶段，对全部甩负荷进行了大量研究，因为他对于进行电厂设计很关键。甩负荷测试是通过解列电机实现的（此处tripping按理说应该是跳闸，但貌似试验不是这样做的，请高手指点）。在保持电机并网的情况下，部分甩负荷是很难实现的，这就像在孤网运行模式下，由额外的电机驱动机组（要测试燃机对部分甩负荷的响应，就要在一个孤网中，通过一个可控制功率输出的设备带动整个机组，并且还要保证机组本身的电机处在并网状态，简直就没法干）。
   如图15所示，是30%甩负荷。一甩负荷，转速就迅速上升，调速器就减小了燃机燃料供应。这就导致燃机排气温度降低，温度控制关小了IGV，试图维持排气温度。燃机升速控制使得MCV、IPAV、LPAV暂时关闭。由于功率减小没有超过40%，负荷控制没有动作，负荷系数保持不变。由于调速器整定值调低了5%，速度最终稳定在额定转速的101.5%。
   如图16所示，是70%甩负荷。一甩负荷转速就迅速上升。调速器就减小了燃烧室燃料供应，导致燃机排气温度降低，温度控制关小IGV保证排气温度。同时，由于甩负荷超过40%，负荷控制使得汽轮机处于全速空负荷状态。MCV、ICV、IPAV、LPAV关闭。之后，ICV和LPAV打开，放空了汽缸中的蒸汽。同时，负荷系数整定在100.3%空负荷值。转速迅速下降到显著低于额定转速的水平。由于速度降低，调速器增加了燃料供应，温度控制开打了IGV稳定排气温度。由于调速器整定值调低，负荷系数整定为空负荷，最终速度稳定在98.9%额定转速。汽轮机转速控制在整个仿真过程中没有动作。但在没有配置负荷控制或者负荷控制失效的情况下，汽轮机速度控制可以遮断燃机，防止飞车。（70%甩负荷有超调现象了）
   在电网低频冲击下，多种控制有效、迅速的调整了燃机空气流量、燃料供应。模型响应对于控制参数和系统动态特性非常敏感（告诉你要保证一个电站一个模型，保证参数准确）。电网频率波动超过5%，低频率保护、高频率保护会导致燃机遮断。在严重的电网频率波动冲击下，不能想当然的认为相关控制系统可以有如在正常工况下的动作，因为电网频率发生了变化。电厂在频率波动下的特性难以实测。因此，对于仿真结果要谨慎对待。
   在电网频率异常的情况下，燃机响应迅速并且其性能在机组整体性能中处于支配地位（主要是压气机）。调速器和燃机温度控制起到了关键的作用。燃机在额定转速下的最大连续出力稳定性和进气温度（主要影响压气机特性）（对于机组响应特性）是两个很重要因素。负荷控制、燃机升速控制和汽轮机速度控制（对于机组响应特性）也有影响。
如上控制系统的整定值都是现场设定的，因此，需要做测试进行系统辨识。最好有燃机制造商提供的变转速、变进气温度下的燃机特性曲线。
   汽轮机出力随着燃机出力改变，汽轮机系统时间常数长达100多秒（主要是由于回热环节造成的）。所以本文模型可以进一步简化，将汽轮机简化为一个滞后环节，呃，至少在本模型中可以。

   这篇论文主要就是想说模型中的CCPP机组在部分甩负荷条件下，不会导致电机解列，不会遮断燃机。读懂整个流程的关键点（以功率减小为例）在于：
   甩负荷导致速度上升，速度上升导致调速器减小燃油供给，进而减小燃机总功率。（调速器伺服阀和有系统建模是比较麻烦的。）功率下降意味着涡轮进排气温度下降。但系统的控制模式是保证涡轮排气温度稳定。这时就关小IGV，进来的冷空气少了，燃气初温就上升了。进气量小了，燃料少了，最终功率也就降了，功率平衡就实现了。
   作者列举了马来西亚电网瓦解事故。由于电网崩溃导致甩负荷。燃机作为调峰机组，首先自己不能在节骨眼上闯祸，其次在紧要关头也不能趴窝。看文中所述是做得到的。这样，至少在后续恢复电网供电时可以将其作为起点电站。而且在恢复电网供电中，往往会出现异常波动，比如用电大户争相启动。燃机能够迅速适应功率变动的特性是的其可以改善电网品质。从燃机自身安全出发，涡轮进气温度很重要，排气温度高了，涡轮前温度就高，涡轮叶片受不了。所以要通过各种手段保证排气温度。甩负荷时，机组不能超速。超速了就可能跳车，甚至可能飞车，这就什么都虾米了。这篇论文通过建模仿真，揭示了文中那样的机组在设定的条件下可以保证电机不解列，机组及时降低功率，维持运转。这是有意义的。因为常规研究的全甩负荷意味着电机从电网解列，燃气轮机自持转动。这篇论文还揭示了，可以进一步简化整个系统的模型。这也是本文的贡献之一，不管简化后你拿来干什么。

附录1：
   CCPP系统的可能干扰：
电气扰动包括电气短路、自动重合闸、甩负荷及串连电容补偿等；
机械扰动包括不当的进气方式、调速系统晃动、快控汽门等。

附录2:
关于某燃机频率异常下的情况。
   考虑到燃机运行，输出功率将随压气机进口温度而减小，与压气机进口温度（100%功率）的运行相比，输出功率损失在30℃时约9%，在45℃时约20.5%,在50℃时约25%（对所有情况环境压力和温度相等），峰值负荷运行不能用于所提供的燃机类型。
   频率控制在不正常频率的运行
   在额定转速的95%~103%范围内，燃机运行无任何限制
   在额定转速94%~95%或103%~104%间运行时，每种情况可持续20秒，否则当燃机在正常运行时，发电机会从电网脱开，在这些范围（即几种情况）内约运行共30分后，必须对压气机和透平进行检查，在启动或在全速空负荷期间，如果运行晨上述范围燃机会遮断。
   当正常运行期间，速度降到94%以下或升至104%以上，燃机发电机会从电网隔离。
   如果燃机速度在这些范围保持10秒以上，且导致发电机从电网掊开，燃机也会被遮断。
   在甩负荷时，一般速度会达到最大104%，如果速度过到108%，燃机就会被遮断，在正频率反应模式（只用于燃气运行），这些速度限制值也是有效的。燃机初频率调节的功率窗取决于透平基本负荷时的进气温度和部分负荷时透平进气温度的差值。在投运期间，可使视窗最佳化，在燃机额定基本负荷约60%~96%间时，发生全频率响应。在56%~60和96%~100%间，频率响应受到限制，即使在燃机并网，燃机基本负荷56%以下，也不能发生频率响应，对频率响应模式，无时间限制。

zero321 · 发表于 2013-11-21 21:38:30

牛逼

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