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摘要：汽轮机阀门流量特性是影响电力系统稳定性的重要因素，通过建立电网汽轮机及其调速系统、发电机、励磁系统的数学模型，研究了汽轮机调节阀门流量特性对电网安全稳定性的影响机制。数学分析和仿真结果表明，当汽轮机阀门流量特性不佳时，会引起原动机功率的周期性波动。针对此现象，提出了调整后的汽轮机调速系统控制策略，该策略能够抑制功率控制方式下的比例—积分—微分控制器的过度调节，有效增加系统阻尼，抑制原动机的功率波动。
关键词：汽轮机；阀门调节；流量特性；调速系统；控制策略；功率振荡
1、DEH阀门控制原理
在当今发电厂里大多采用DEH系统对汽轮机进行控制,擅长管理和控制各种汽阀门是DEH系统中最优质的用途,在DEH系统中必须将指令由流量转化为阀门的开度,所以流量和阀门的开度有着相当密切的关系,也就是阀门流量的特性曲线。
1.1DEH控制原理
DEH即汽轮机数字电液控制系统，是目前大型电站汽轮机普遍采用的控制装置，它主要完成机组在启停及正常运行过程中对汽轮机的进汽和排汽参数、缸温、轴承温度及转速、发电机功率等重要参数的监视。外界负荷增加时，发电机的反扭距增大，转子的扭距平衡转速将要下降，使汽轮机发电机组发出的电功率与外界电负荷相适应，这是汽轮机自身调节特性。
1.2顺序阀控制原理
控制系统根据机组负荷要求，计算出与当时主汽参数相对应的流量值，经高低负荷限制，输出到阀门管理程序，通过阀门管理程序换算成与之对应的阀门开度。如图1所示，顺序阀控制时，在多个函数对流量指令进行分配和修正，实现汽机实际流量与流量指令成线性关系，按照汽轮机高调门的开关顺序，对汽轮机流量指令进行分配，从而确定各高压调门的流量，最终确定各高压调门的开度。
如图2(a)所示，若汽门继续开大，虽然汽门的通流面积仍在增大，但汽门前后的压差减小，流量随升程增大的趋势变缓。随后，即使汽门升程继续加大，流量增加很少。如果在前一调节汽门完全开启，后续调节汽门才开启，这样就会形成图2(b)实线所示的曲线。因此，在前一汽门「1尚未完全开启，后续调节汽门必须提前开启，阀门开启要有一定的重叠度，以补偿前一调节汽门的非线性特性，即得到图2(b)虚线所示的曲线[3]a。
2、阀门流量特性优化方法
不难看出，阀门是具备其本身的流量特征的，这是一个客观存在的事实，不可能轻易发生改变。想要优化阀门的流量特征曲线最直接的办法就是优化它们的实际流量特征曲线，优化办法是不相同的。因此，这种优化在一定程度上存在复杂性及难操作性。综上，我们只能根据实际的阀门流量曲线来判断和识别，管理流量曲线从而优化阀门流量，稳定电力系统。具体的操作思路是:在优化流量曲线之前，根据前人总结和测试的各个电力系统的不同阀门运行时的实际流量特征所绘制的流量特征曲线来作为优化阀门管理曲线，然后通过下达指令来实现。这里所说的指令不是普通意义上的指令，而是专业的流量指令—阀门开度指令。在这种思路操作之下，我们便能够实现对阀门管理曲线的优化，从而控制汽轮机蒸汽流量，控制电力系统稳定发展。除此之外，汽轮机阀门流量曲线也需要根据不同的阀门曲线比如单、顺阀的关系来优化进行。到目前为止，主要存在单、顺阀按一定比例设置，在已经研究出的理论中，管理曲线有两种形式，一种是单、顺阀之间采用比例、偏置修正模式；还有一种就是单、顺阀不同的阀门之间采用不同的管理曲线。
事实上，我们根据这些测试得出的关系曲线可以看出，汽轮机阀门开度与进入汽轮机的蒸汽流量是呈现非线性关系的。调节阀门的流量特征曲线是调节汽轮机的实际调节系统的重要方法，根据这种调节，将流量指令改变，从而成为了与之相对应的阀位指令。在现实的生活生产操作中，应用汽轮机调速模型是必不可免的，在这种情况下，通常不区分流量指令和阀位指令。因此，在汽轮机模型当中的阀门流量特性实际上是与等效阀位与蒸汽流量间的关系相互对应的。在这种情况下要给汽轮机和它的调速系统建造模型就必须要考虑汽轮机调节阀门流量特性对它的的影响。
3、阀门流量特性对电力系统稳定性影响的机理分析
由图２可知，负荷控制下的单机系统是闭环控制系统，则其闭环特征方程为：
1＋ｋＧＫ（ｓ）ＧＺ（ｓ）ＧＴ（ｓ）ＧＥＮ（ｓ）=0 (7)
式中：ＧＥＮ（ｓ）为发电机模型的传递函数。发电机高阶模型的非线性程度较高，如果再考虑励磁系统、ＰＳＳ的影响，发电机模型会变得更加复杂。基于Ｐｒｏｎｙ分析的思想基础：根据输出／输入在扰动作用下的关系，可以从全阶模型中抽取出线性化的低阶模型，从而得到相关的传递函数[16]。在基于实测参数的前提下，计及励磁系统、ＰＳＳ影响的发电机模型可表示为：
当ｋ为０到∞时，式（７）的轨迹如附录Ａ图Ａ１所示。可以看出，随着ｋ的增大，有２个共轭极点延伸至实轴零点的右侧，这时系统不再稳定。这就是阀门流量局部特性增大造成机组发生功率振荡的原因。
式中：ΔＦＧ为机组流量指令增加时的实际蒸汽流量增量；ΔＦＬ为流量指令增量。
４汽轮机的改进控制策略
通过仿真和实际试验得出：当机组功率发生持续波动时，将负荷控制切换为手动控制可以快速平息波动。然而由于控制模式需运行人员手动切换，增加了不确定的主观因素。以南方电网２００８年４月２１日低频振荡事故为例，红河电厂２号机组功率持续波动时间超过６ｍｉｎ，而运行人员始终未进行干预。因此，在控制策略的选择上需排除人为主观因素的影响。
从控制策略出发，２．２节中的功率波动可以认为是控制器过度调节引发的。因此，在控制系统的比例—积分—微分控制环节后增加速率限制环节，以抑制此种过度调节。改进控制策略如图７所示。图７中速率限制环节的速率限值为３０ＭＷ／ｍｉｎ
式中：Ｆ０为扰动幅值；ν为频率比；ξ为阻尼比；ＫＳ为发电机同步转矩系数。
当汽轮机功率无波动时，Ｆ0=0，Ｂ=0，即低频振荡消失。因此，改进后的控制策略能够有效预防功率波动引起的电网低频振荡。
四、结束语
在某种程度上说，电力系统的稳定运行是整个国家甚至整个国际人民生活安定的重要保障，因此，对于汽轮机阀门流量的稳定同样是我们保障生活生产的前提。为了保障电力系统的稳定性，首先要保证汽轮机阀门的流量特征平稳进行，这样才能降低国家的损失。但面对现在复杂化的电力系统及汽轮机阀门的流量特征，还有很多问题还没有解决，大面积停电现象仍有发生仍然会不断发生。因此，保障汽轮机阀门流量特征的稳定是一项巨大的工程。
参考文献
[1]徐誉玮,雷增强,彭佩.汽轮机数字电液控制阀门流量特性试验及优化[J].广东电力,2015,03:12-16.
[2]赵征,刘子瑞,杨彦波,杨熙卉.汽轮机阀门流量特性曲线分析及优化[J].仪器仪表用户,2015,05:27-30.
论文作者:敖日格勒
论文发表刊物:《电力设备》2017年第3期
论文发表时间:2017/4/25
标签：汽轮机论文; 流量论文; 阀门论文; 曲线论文; 指令论文; 特性论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第3期论文;