火电机组快速甩负荷（FCB）过程给水控制研究.pdf

第 5 7卷 第 1 期 2 0 1 5年 2月 汽轮机技术 TURBI NE TECHN0L0GY Vo l _ 5 7 No 1 F e b 2 01 5 火电机组快速甩负荷 ( F C B ) 过程给水控制研究 周云龙 ， 王 迪 ， 邓彤天 ( 1东北电力大学， 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2贵州电力试验研究院， 贵 阳 5 5 0 0 0 2 ) 摘要： 为了研究火电机组快速甩负荷( F C B ) 过程给水控制技术， 通过 Ma t l a b S i m u l i n k仿真平台建立给水泵汽轮机 及其 调节 系统动态数学模 型。研究 了不 同流量特性 阀门对 给水泵汽轮机转速 的影 响 ； 主汽轮机 负荷变化 对给水泵 汽轮机转速的影响； F C B过程汽包水位的变化。仿真结果表明： 当给水泵汽轮机发生小扰动时， 流量特性为对数型 的低压调节阀门对于转速控制优于其它特性阀门； 在 F C B过程中， 主汽轮机负荷降低越快， 对于给水泵汽轮机的影 响越大； 提前增大汽包锅炉给水量能够很好地解决汽源切换过程水位过低问题。 关键 词 ： 火 电机 组 ； 给水控 制 ； 仿真 ； 快 速甩负荷 分类号： T K 2 6 3 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 1 - 5 8 8 4 ( 2 0 1 5 ) 0 1 - 0 0 6 9 - 0 4 S t u d y o f Fe e d W a t e r Co n t r o l o f T h e r ma l P o we r Un i t Du r i n g F a s t Cu t Ba c k Z HOU Yu n - l o n g ，WANG D i ，DE NG T o n g - t i a n ( 1 No r t h e a s t D i a n l i U n i v e r s i t y，J i l i n 1 3 2 0 1 2，C h i n a ； 2 G u i z h o u E l e c t r i c P o w e r T e s t & R e s e a r c h I n s t i t u t e ，G u i y a n g 5 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e p r o c e s s o f f e e d w a t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y o f t h e r ma l p o we r F C B，e s t a b l i s h e d t h e mo d e l o f f e e d w a t e r p u mp t u r b i n e， wh i c h w a s d e riv e d f r o m ma s s a n d e n e r gy b ala n c e S t u d i e d t h e i mp a c t o f d i f f e r e n t fl o w c h a r a c t e ri s t i c o f v a l v e s o n f e e d w a t e r p u mp t u r b i n e s p e e d；i mp a c t o f p a r a me t e r s o f ma i n t u r b i n e o n f e e d wa t e r p u mp t u r b i n e s p e e d；d r u m wa t e r l e v e l c h a n g e s d u ri n g F C BS i mu l a t i o n r e s u l t s s h o we d t h a t ：wh e n s ma l l d i s t u r b a n c e o f f e e d w a t e r p u mp t u r b i n e o c c u r ，t h e fl o w c h a r a c t e r i s t i c s o f l o g a rit h mi c t y p e o f l o w p r e s s u r e r e g u l a t i n g v a l v e f o r s p e e d c o n t r o l i s s u p e r i o r t o o t h e r c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a l v e ；t h e f a s t e r t h e ma i n t u r b i n e l o a d d e c r e a s e s ，t h e g r e a t e r t h e i mp a c t o f t h e f e e d p u mp t u r b i n e d u rin g F CB；i n c r e a s i n g i n a d v a n c e f e e d wa t e r c o u l d c o n t r o l d r u m w a t e r l e v e l we l l i n s wi t c h i n g p r o c e s s Ke y wo r d s ： t h e r m a l p o we r u n i t ； f e e d wa t e r ； c o n t r o l s i m u l a t i o n； f a s t c u t b a c k U 日 U 吾 随着 国民经 济 的快 速 发展 ， 人 民生 产 生 活用 电 量 的增 加 ， 对于电网的供 电安全也提出了更高要求， 而电网由于 自 身结构、 自然环境、 人为等因素， 容易出现薄弱环节 ， 造成大 面积停电事故 J 。所以， 为了积极采取措施保障电网供电 安全的可靠性， 除了电网 自身结构多加改进外 ， 发电机组也 要配合电网负荷的变化。火电机组快速甩负荷至带厂用电 ( F C B ) 功能能够在电网停电事故后快速降负荷带厂用电， 首 先 ， 该功能能够待电网故障解除后 ， 迅速升负荷 ， 省去 了重新 点炉启机的时间和资金 ， 保障了供电的及时性； 其次， 一旦电 网大面积停电， 电厂失去启动电源， 利用厂用电可以作为“ 黑 启动” 电源 ， 该 “ 星星之火” 还可以为其它电厂提供启动电 源。在我国发电企业中， 火力发电占有重要地位。据统计， 我国火力发电量 占总发电量的7 0 左右 ， 而这些机组很少能 够实现 F C B， 原因是其控制技术及设备结构不利于该功能的 实现 。 2 1世 纪后， 我 国火 电机组 先后 进行 过多 次 F C B试 验 ， 而成功实现 F C B的机组并 不 多 ， 在 这些 失败 的试验 中 ， 很多是 由于给水控 制不及时 ， 造 成给水量 过低 ， 引发锅 炉 主燃料跳闸。当机组给水系统单纯依靠电动给水泵给水时， 不存在汽源切换问题 ， 但是我 国大部分 3 0 0 MW 以上火力发 电机组都以汽动给水泵为主， 将电动给水泵作为备用泵 ， 当 发生 F C B时， 由于主汽轮机抽汽不足， 同时， 给水母管压力升 高， 使得在 F C B动作开始后非常容易引起给水量小的问题 。 本文针对火电机组 F C B给水过程引发的各类问题， 建立 给水泵汽轮机调节系统动态数学模 型 ， 研 究相关 结构参数 对 其动态特性的影响 ， 对汽包锅炉机组 F C B过程引发的汽包水 位过低问题提 出控制策 略 ， 对工程实 际应用具有 一定 的指 导 作用 。 1 给水泵汽轮机调节系统建模 汽包锅炉给水控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉 的蒸发量， 以维持汽包水位在规定的范围内， 同时保持稳定 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 8 - 0 4 基金 项 目： 贵州电网公司科技项 目( 0 6 6 6 0 0 k k 5 2 2 0 1 2 0 1 3 0 ) 。 作者 简介 ： 周云龙( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ， 吉林扶余人 ， 工学博士 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事多相流及锅 内过程的教学与研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 汽轮机技术 第 5 7卷 的给水流量。对于直流锅炉而言， 主要通过调节给水量来控 制燃水比， 进而完成过热汽温的控制。汽动泵不仅调节特性 好， 而且可以直接将蒸汽的热能转变为机械能； 电动泵要经 过两次能量的转换， 即蒸汽热能由汽轮发 电机变成电能， 电 能再经过电动调速泵变成机械能， 所以汽动泵比电动泵有更 高 的效率 。 一 般来讲， 汽动泵设计有两个汽源， 正常运行时， 低压汽 源工作， 在遇到类似于 F C B主汽轮机快速大范围降负荷时， 就要切换至高压汽源工作。其 中低压汽源一般来 自主汽轮 机四段或五段抽汽， 高压汽源来 自冷端再热器。锅炉给水过 程分为两步， 首先由凝结水泵将冷凝水经低压加热器送至除 氧器， 而后通过给水泵由除氧器送人锅炉。在锅炉给水量发 生变化时， 主要通过改变给水泵的转速来调节给水量， 而给 水泵的转速主要依靠给水泵汽轮机的转速变化， 所以， 给水 泵汽轮机工作转速范围较大， 保证锅炉的给水过程不受影 响。 给水泵汽轮机调节系统与主汽轮机调节系统类似 J ， 其 结构如图 1所示 ， 其中高、 低压油动机模型分别采用惯性环 1 1 节 = 、 来表示， 、 分别为高、 低压油动机惯性 j 十 l 1 L 十1 时间常数， 控制器采用 P I 控制器。 图 1 给水泵 汽轮机调节系统示意 图 给水泵特性主要由给水泵本体特性及其连接管道两部 分构成 ， 其数学模型如 图 2所示 。 h0 图 2给 水 泵 汽 轮 机 数 学 模 型 ， t o d 出 o ) = P rP p ( 1 ) 式中， 为给水泵汽轮机转速； J为常数； P 为给水泵汽轮机 功率； P 。 为给水泵功率。 P =Q r H o 叼 r=Q h 0 ( 2 ) P ： ( 3 )p P e Q A 式中， P 为给水泵出口压力； Q 为给水流量； Q ， 为给水泵汽 轮机进汽量 ； 为给水泵汽轮机进汽焓降； 为给水泵汽轮 机进汽有效焓降。 Qr=c 1 Z r P r =c l C 2 Z P =k P A Z r ( 4 ) 式 中， P 为主汽轮机功率 ； z 为 阀门开度 。 当0 8 1 时 h 0=h 0 H=c o n s t ( 5 ) 当 I A 0 8 时 ( 4 6 + o s 6 s ) ( 6 ) 管道压力模 型为 P p ( ( 7 ) p Q 4“ 给水泵出口压力模型为 ( 盖 ) ( 卜 to。 ) ( 一 ) + k 5 ( 一 ) 令 = 坼 = = Q a ，结合式 ( 7 ) 、 式 ( 8 ) 即可得 到图 2中的 和 ， 其 中下 角标 “ 0 ” 是指 额定3 2 况下相 应参 数， 本文仿真相关参数设定为 k = 0 7 8 2 6 、 k ： = 0 2 1 7 4 、 k ，= 一 0 5 9 8、 k =0 5 8 8， k = 一0 3 7 2 。 2 阀门流量特性对给水泵汽轮机的影响 火电厂中调节阀门的种类比较多， 为了研究在给水泵汽 轮机动态调节过程中不同流量特性阀门对转速的影响， 本文 仿真计算了阶跃扰动下流量特性分别为直线型、 对数型、 快 开型、 抛物线型阀门对转速的影响， 其中不同流量特性公式 如式 ( 9 )一式( 1 2 ) 所示 。 直线型流量特性： = ( 一 去 ) + ( 9 ) 对数型流量特性 ： =R 。 ( 1 0 ) m 缸 快开型流量特性 ： ( 1 一 ) ( 1 _ r ) ( 1 1 ) 抛物线型 流量 特性 ： Q： R ( 1 2 ) m “ 、一 式中， Q为阀门流量； Q 为阀门最大流量 ； 为阀门开度； R 为阀门可调比 ， 本文设定 R= 4 0 。 仿真过程如下 ， 前 1 0 0 s 稳定运行 ， 在第 1 0 0 s 给定转速阶 跃上升至1 0 5 ， 1 5 0 s时给定转速阶跃下降至 1 ， 2 0 0 s时主汽 轮机负荷从 1阶跃下降至0 9， 2 5 0 s时阶跃升高至 1 ， 转速仿 真结果如图 3所示 。 通过观察图 3发现， 对数型阀门调节特性优于其它 3种 特性阀门， 快开型阀门调节的动态过程最不稳定。所以在不 需要切换汽源的小扰动情况下， 对数型阀门有益于给水泵汽 轮机转速控制。为了研究小扰动对阀门本体的影响， 本文仿 真计算阶跃扰动下低压调节阀门开度的变化， 通过观察图 4 发现， 快开型阀门调节过程开度变化剧烈 ， 对于阀门的安全 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 周云龙等 ： 火电机组快速甩负荷 ( F C B) 过程给水控制研究 7 1 蚓 啦 毫 媒 * 憾 匿 扭 寒 图 3 阶跃扰动下不 同流量特性 阀门对转 速的影 响 图 4 阶跃扰动下低压调节阀门开度变化 影响较大 ， 对数型阀门开度变化较小。所以， 在只有低压汽 源工作的小扰动情况下， 无论对于给水泵汽轮机转速 的控 制， 还是从阀门安全可靠性考虑， 流量特性为对数型的阀门 优于其它特性阀门。 3 快速甩负荷带厂用 电( F C B) 过程 给水泵 汽轮机汽源切换仿真 给水泵汽轮机汽源切换关系到锅炉的给水， 一套优 良的 汽源切换控制技术能保证在主汽轮机大幅度快速甩负荷时 保证给水量。F C B过程汽轮机负荷降低幅度和速率非常大， 对于该过程的控制技术提出了很高的要求。 一 般而言， 汽轮机在 F C B过程直接降低至厂用电， 为了 研究主汽轮机负荷变化率对给水泵汽轮机的影响， 本文仿真 计算了主汽轮机负荷分别在 1 0 s 、 2 0 s 、 3 0 s 、 4 0 s内线性 降低 9 5 的过程 ， 高、 低压调节阀门均设为线性型 ， 高、 低压调节 阀门最大开度设为 5 。 相关参数仿真结果如图5图 7所示， 随着主汽轮机负 荷降低过程时间的延长， 低压油动机输出的阀门调节时间增 大， 而高压油动机输出阀门调节时间与低压调节阀门开度达 到最大的时间相同， 与主汽轮机负荷变化无关。通过观察图 7发现， 给水泵汽轮机在汽源切换过程中， 随着主汽轮机负荷 变化率的降低 ， 转速变化缓慢 ， 低速运行时间变短， 转速上升 时间不随着负荷的变化发生变动， 所 以在汽轮机甩负荷过程 世( 霹 杠 哩 蠼 图5 主汽轮机负荷变化时低压油动机开度变化 蚓 螂 暴 图 6 主汽轮机负荷变化时高压油动机开度变化 图 7 主汽轮机 负荷变化 时给水泵汽轮机转速变化 中， 负荷变化率对于给水泵汽轮机的影响是非常大的。 由于给水泵汽轮机高、 低压汽源来 自主汽轮机不同段抽 汽， 在 F C B过程中高、 低压汽源之间压力关系对于转速是有 影响的。为了研究高 、 低压汽源性质对给水泵汽轮机 的影 响， 本文仿真计算在主汽轮机负荷 4 0 s 线性降低9 5 时高、 低压汽源不同压力条件下， 给水泵汽轮机的转速变化 ， 仿真 结果如 图 8所示 。 蚓 擗 喜 苌 图 8 高 、 低压汽源压力 比对转速的影响 通过观察图 8发现， 在本文所设定的相关参数条件下， 高低压汽源压力比小于4： 1时， 给水泵汽轮机的转速稳定时 不能够达到所设定转速， 这是 因为在高 、 低压汽源调节 阀门 开度范围内， 备用高压汽源无法补充主汽轮机的负荷变化幅 度。所以， 在实际应用过程中， 要合理配置高低压汽源， 保证 在汽源切换后 ， 给水 泵汽轮机转速能够达到设定值 。 4 快速甩负荷带厂用 电( F C B) 工况下汽源 切换对汽包水位的影响 对于汽包锅炉而言， 给水控制的任务是使给水量适应锅 炉蒸发量来维持汽包水位在规定 的范围内。汽包水位是锅 炉运行中一个非常重要的监控参数， 维持汽包水位是保持汽 轮机和锅炉安全运行的必要条件 。 为了研究机组 F C B过程给水泵汽轮机汽源切换过程对 汽包水位 的影响， 本文建立 了某 3 0 O MW 机组汽包水位模 型 ， 从而完成了锅炉给水系统基本模型的建立 ， 仿真计算 了不同流量特性的高压调节阀门在 F C B过程对于汽包水位 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 汽轮机技术 第 5 7卷 的影响 。 一 二 一 d tF ( p 一P ” ) +i 1 0 5 6 ( 1 3 ) l 。 70 U 式中， h为汽包水位； D 为锅炉给水流量 ； D 为汽包出口流 量； F为对应汽包水位下的汽包横截面积； p 为饱和水密度； p ” 为饱和蒸汽密度； V 为锅炉蒸发系统饱和水容积； 为锅炉 蒸发系统饱和蒸汽容积； p 为汽包压力 ； 为汽包水位以 下饱和蒸汽容积； D为动态过程中锅炉的瞬时蒸发量 ； D 为 稳态下锅炉 的蒸 发量 。 仿真结果如图9所示， 通过观察发现， 火电机组 F C B过 程中汽源切换过程对于汽包水位影响较大 ， 水位下降速率较 大， 仅 2 0 s 左右时间就下降至最低。通过仿真计算高压调节 阀门不同流量特性在 F C B汽源切换过程对汽包水位的影响， 快开型流量特性阀门对于汽包水位的控制由于其它 3种特 性 阀门。 暑 昌 、 图 9 F C B过程汽源切换对锅炉汽包水位 的影 响 在 F C B汽轮机汽源过程中， 为了解决锅炉给水量过低问 题， 本文仿真计算了 F C B信号开始后 ， 主汽轮机抽汽压力下 降之前， 提前增大给水量， 使得在 F C B后水位不至于过低。 暑 暑 、 芒 圃 图 1 0 F C B过程提前增大给水量对汽包水位的影响 为了研究该过程， 本 文分别仿真计算 了提前 5 s增大5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 的给水量 ， 仿真结果如图 1 0所示， 通过观察 发现， 提前增大给水量后， 汽包水位先升高后降低 ， 随着提前 给水量的增大， 给水泵汽轮机汽源切换后汽包水位降低较 小 ， 有效地缓解了水位过低的问题。这种通过提前提高汽包 水位来弥补汽源切换过程水位降低的方式对于机组 F C B过 程锅炉给水控制是非常有效的。 5 结语 ( 1 ) 利用建模仿真 的方法可以对火 电机组 F C B工况下 给水相关控制过程进行仿真研究， 省去了现场试验带来的麻 烦 ， 为火电机组 F C B过程控制优化提供借鉴。 ( 2 ) 当发生不需要汽 源切换 的小扰 动时 ， 流量特 性 为对 数型的低压调节阀门对于转速控制优于其它特性阀门。 ( 3 ) 在机组 F C B过程中， 主汽轮机负荷降低越快， 对于 给水泵汽轮机的影响越大。所以， 在保证降低负荷量不变的 情况下， 应尽量控制主汽轮机负荷变化速率。 ( 4 ) 在机组 F C B过程中， 针对汽包锅炉采用提前增大给 水量能够很好地缓解了在汽源切换过程中水位过低的问题。 参 考 文 献 1 赵希正强化 电网安全保 障可靠供 电一美 加“ 8 1 4 ” 停 电事故 给我们 的启示 J 电网技术 ， 2 0 0 3， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 7 2 邵德军 ， 尹项根 ， 陈庆前 ， 等2 0 0 8年冰雪 灾害对我 国南方地 区 电网的影响分析 J 电网技术 ， 2 0 0 9， 3 3 ( 5 ) ： 3 84 3 3 冯伟忠大机组实现快 速甩 负荷 的现实性 和技术分析 J 动 力工程 ， 2 0 0 8， 2 8 ( 4 ) ： 5 3 25 4 7 4 王海涛 印尼 I ND R A MA Y U电站 3 3 0 MW 机 组 F C B控 制功能 的优化 J 热力发电 ， 2 0 1 2， 4 1 ( 1 1 ) ： 5 96 6 5 段学友 ， 焦 晓峰 ， 张谦 ， 等6 6 0 MW 超超 l临界 直接空 冷机组 F C B功能实现 与经 济型分 析 J 内蒙古 电力 技术 ， 2 0 1 3， 3 1 ( 1 ) ： 3 4 4 2 6 金伟韧 ， 李 明亮 ， 张 洪刚大型火 电机组快 速甩负荷功 能的探 讨 J 动力工程 ， 2 0 0 6， 2 6 ( 4 ) ： 5 2 0 5 2 4 7 李海涛 ， 宋百玲 ， 杨瑞给水泵汽 轮机建模 和仿真分 析 J 汽轮机技术 ， 2 0 0 8 ， 5 0 ( 1 ) ： 7 2 7 3 8 魏庆韪 锅 炉汽包水 位 的测量 与控 制 J 化工 自动化 及仪 表 ， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 1 1 ) ： 1 3 3 41 3 3 6 9 章臣樾锅炉动态特性及其数学模型 M 北京 ： 水利 电力 出 版社 ， 1 9 8 7 ( 上 接第 6 8页 ) 关系特性。实例验证表明， 本文所得出的凝汽器传热端差 & 与冷却水量 D 之间的关系特性结论 ， 理论基础扎实， 数学推 导严格， 分析结果真实合理， 符合工程实际 ， 为凝汽器的设计 计算 、 变工况分析和现场运行指导奠定了良好基础。 参 考 文 献 1 蔡颐年蒸汽轮机装置 M 北京 ； 机械工 业 出版 社 ， 1 9 8 3 9 5 1 1 5 2 蔡颐年汽轮机装 置 M 北 京 ； 机械工业 出版社 ， 1 9 8 9 9 0一 l 1 0 3 齐复东， 等电站凝汽设备和冷却系统 M 北京： 水利电力 出版社 ， 1 9 9 0 2 7 3 0， 1 4 51 5 2 4 张卓澄大型 电站凝汽器 M 北京 ： 机 械工业 出版 社 ， 1 9 9 3 3 O 一5 4 5 周兰欣 ， 等凝汽器传热端差的计算 与分 析 J 汽轮机技 术 2 0 0 4， 4 6 ( 3) ： 1 7 01 7 2 6 徐葆华凝 汽器传热计算方法分析 J 动力工程 ， 1 9 8 1 ( 3) 1 7 2 7 7 江宁 ， 等影 响汽轮机凝 汽器真空 主要因素作 用分析 J 热力透平 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 4 ) ： 2 0 7 2 1 1 8 数学手册编写组 数学手册 M 北京： 高等教育出版社 】 9 8 4 1 0 6一】 O 8 出 一 一 +ll 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m