沈利萍，顧正皓，丁勇能

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

基于MARK VIe控制系統(tǒng)的燃料氣系統(tǒng)參數(shù)辨識

沈利萍1，顧正皓2，丁勇能1

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

結(jié)合PG9351 FA燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的特性，對機組燃料氣系統(tǒng)的參數(shù)進行了測試和辨識，在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出了機組燃料氣系統(tǒng)及其原動機的BPA穩(wěn)定計算用模型參數(shù)。

MARK VIe；DLN2.6+燃燒系統(tǒng)；燃料氣控制；參數(shù)辨識

0 引言

在目前浙江電網(wǎng)燃氣輪機組占比逐步增大的情況下，燃氣輪機組的可靠運行對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定以及中長期穩(wěn)定性都產(chǎn)生顯著的影響。對于燃氣輪機組而言，機組功率的變動、對電網(wǎng)負荷的響應(yīng)等均通過燃料氣系統(tǒng)與壓氣機IGV（進口導葉）的匹配實現(xiàn)。

在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計算中采用不同的原動機及其燃料氣控制系統(tǒng)模型和參數(shù)，其計算結(jié)果會有較大差異，因此需要能正確反映設(shè)備實際運行狀態(tài)的數(shù)學模型和參數(shù)，使計算結(jié)果真實可靠。

1 原動機及其燃料氣控制系統(tǒng)參數(shù)

1.1 原動機參數(shù)

某電廠7號機組額定功率為415 MW，發(fā)電機容量為468 MVA，燃料氣控制器制造廠為GE，燃料氣控制器綜合程序模型類型為PI閉環(huán)調(diào)節(jié)。

1.2 MARK VIe轉(zhuǎn)速負荷控制回路

7號燃氣輪機組使用的是MARK VIe控制器。燃氣輪機的轉(zhuǎn)速控制回路見圖1。

燃氣輪機控制回路分為外回路與內(nèi)回路。外回路為功率控制回路，并不采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，其主要控制方式為速率控制，通過比較功率指令與實際電功率，生成升降的開關(guān)量指令，然后以一定的速率（0.005%）來增加或減少TNR（轉(zhuǎn)速指令）的數(shù)值，當實際功率與電功率之差進入死區(qū)以后，停止改變TNR，以達到功率閉環(huán)的目的。圖1所示回路為轉(zhuǎn)速/負荷控制的內(nèi)回路，TNR與TNH（實際轉(zhuǎn)速）之差作為功率回路的前饋對燃氣輪機的燃料量進行調(diào)節(jié)。

原始的設(shè)計回路中，當一次調(diào)頻動作以后，由于功率閉環(huán)的作用，功率將逐漸調(diào)節(jié)至設(shè)定值。為達到一次調(diào)頻考核的要求，電廠熱工人員在功率指令上疊加了一次調(diào)頻的修正環(huán)節(jié)，從而使一次調(diào)頻動作以后功率不會拉回。外回路的頻率修正環(huán)節(jié)帶有2 r/min死區(qū)與限幅。內(nèi)回路的轉(zhuǎn)速沒有死區(qū)及限幅。

該一次調(diào)頻修正環(huán)節(jié)的特點是：當頻率超出一次調(diào)頻控制死區(qū)后，將一次調(diào)頻修正功率疊加到功率指令上。

由于該燃氣輪機組的燃料氣系統(tǒng)與BPA中的幾種模型均不相同，因此根據(jù)MARK VIe控制系統(tǒng)的實際情況，選用了較為接近的GJ卡模型，如圖2所示。將燃料氣系統(tǒng)與BPA GJ模型進行對比，內(nèi)回路相當于GJ模型中的前饋K2，頻差直接作用在調(diào)節(jié)器輸出，功率控制回路類似于GJ模型中的積分控制器，而GJ模型中的比例控制器Kp應(yīng)設(shè)置為0。

圖1 功率轉(zhuǎn)速控制回路

圖2 BPA GJ燃料氣器模型

2 參數(shù)實測與辨識

2.1 控制系統(tǒng)模型參數(shù)實測與辨識

（1）功率控制回路類似于積分控制，功率控制外回路的速率控制為0.005%/s。

（2）由于MARK VIe控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與BPA中的GJ卡相差較大，因此控制參數(shù)不能直接用于參數(shù)設(shè)置。

（3）功率標幺值基準為390.3 MW（標準工況下）；頻率標幺值基準為50 Hz；燃氣閥開度標幺值基準在燃氣輪機額定工況下為1。

2.2 執(zhí)行機構(gòu)模型參數(shù)實測與辨識

采用BPA中的GA模型（如圖3所示）來表示執(zhí)行機構(gòu)的特性。其中Kp為伺服控制系統(tǒng)的比例系數(shù)，Ki為伺服控制系統(tǒng)的積分系數(shù)，Kd為伺服控制m的微分系數(shù)。Tc為關(guān)閉時間，To為開啟時間，Pmax為最大原動機功率，Pmin為最小原動機功率。T1為油動機行程反饋環(huán)節(jié)時間常數(shù)（缺省值為0.02 s）。

2.2.1 執(zhí)行機構(gòu)動作特性測試

7號機配備了4只燃氣調(diào)門，分別為D5，PM1，PM2，PM3擴散燃燒調(diào)節(jié)閥，主要在啟動過程中使用。在預(yù)混燃燒方式下，使用PM4與PM1燃氣調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)燃料量。在燃料分配中，PM3和PM2占主要部分，PM1為值班氣，通過的燃料量較少。因此選取PM3和PM2燃氣調(diào)節(jié)閥進行試驗，能夠反映執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性。進行PM3和PM2燃料調(diào)節(jié)閥開啟和關(guān)閉速度的測試，分別進行了10%～90%，50%～60%等不同階躍量試驗。測試錄波圖如圖4、圖5所示。

通過辨識PM2和PM3閥門80%階躍試驗數(shù)據(jù)可得：閥門關(guān)閉時間常數(shù)為Tc=1 s，閥門開啟時間常數(shù)為To=1 s。

2.2.2 執(zhí)行機構(gòu)關(guān)閉動作特性測試

采用預(yù)混調(diào)節(jié)閥PM2，PM3的10%關(guān)閉階躍試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)辨識得出PID參數(shù)為：預(yù)混燃氣調(diào)節(jié)閥的Kp=10，Ki=0，Kd=0。辨識所得參數(shù)的階躍仿真結(jié)果與實測結(jié)果接近。圖6、圖7為辨識得出的模型參數(shù)的仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比，兩者吻合較好。

圖3 電液伺服機構(gòu)GA模型

圖4 PM2閥門大開度階躍錄波

圖5 PM3閥門開度階躍錄波

圖6 PM2閥門小開度階躍實際與仿真對比（預(yù)混燃氣調(diào)節(jié)閥PM2 10%關(guān)閉）

圖7 PM3閥門小開度階躍實際與仿真對比（預(yù)混燃氣調(diào)節(jié)閥PM3 10%關(guān)閉）

圖8 PM2閥門小開度階躍實際與仿真對比（預(yù)混燃氣調(diào)節(jié)閥PM2 10%階躍開啟）

2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)開啟動作特性測試

根據(jù)圖3所示模型和前面辨識出的Kp=10，Ki=0，結(jié)合To=1 s，仿真10%階躍結(jié)果如圖8、圖9所示。仿真結(jié)果與實測結(jié)果吻合得很好。因此開啟過程執(zhí)行機構(gòu)比例系數(shù)也為Kp=10，Ki=0，Kd=0。

綜合PM2和PM3燃氣控制閥的開度階躍試驗可得，執(zhí)行機構(gòu)Kp=10，Ki=0，Kd=0。

2.3 原動機模型參數(shù)實測與辨識

根據(jù)對圖8所示的燃氣輪機手動方式下功率階躍錄波圖的分析，燃氣輪機也有類似于汽輪機的兩段特性，初始階段有很快的上升，然后功率緩慢上升。其解釋為：當頻率階躍發(fā)生時，由于燃氣調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)迅速，燃料量迅速增加，提高了渦輪機進氣溫度，而壓氣機IGV動作相對較慢，渦輪機產(chǎn)生的功率在瞬態(tài)過程中的變化大于壓氣機消耗的功率，因此產(chǎn)生了初升段的迅速增加，隨著IGV的開啟，空氣流量增加，壓氣機耗功緩慢增加，導致了后期的功率緩慢增加。TB模型中的Tch和Trh，其物理意義為渦輪機時間常數(shù)和壓氣機時間常數(shù)。可以采用汽輪機的原動機TB模型（如圖10所示）來模擬燃機的特性。因此采用改變設(shè)定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之差來實現(xiàn)總閥位指令的階躍，對原動機施加擾動。采用階躍試驗中FSR（燃料沖程參考）與功率的變化趨勢來辨識原動機模型參數(shù)。

圖9 PM3閥門小開度階躍實際與仿真對比（預(yù)混燃氣調(diào)節(jié)閥PM3 10%階躍開啟）

圖10 一次中間再熱式汽輪機TB模型

根據(jù)辨識結(jié)果，在Matlab中以FSR為輸入量，功率為輸出量，比較仿真功率與實測功率的曲線如圖8所示，可見，在階躍加入引起功率迅速變化的階躍，仿真功率與實測功率吻合得很好。

根據(jù)表1所示原動機特性辨識結(jié)果，采用以上辨識參數(shù)進行閥位負載階躍特性仿真校核，采用FSR為輸入量，功率為輸出量，采用TB模型，得到結(jié)果如圖11所示。由對比圖可見，辨識得出的模型參數(shù)的仿真結(jié)果與實測結(jié)果在較長的時間段內(nèi)基本一致。

3 結(jié)論

在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出了7號機燃料氣控制系統(tǒng)及其原動機的BPA穩(wěn)定計算用模型參數(shù)。通過將仿真結(jié)果與實際原動機階躍和一次調(diào)頻動作結(jié)果比對，驗證了燃料氣控制系統(tǒng)及其原動機模型參數(shù)的準確性。

表1 原動機模型辨識結(jié)果

圖11 原動機特性參數(shù)校核

[1]荊迪.9FA燃氣輪機燃燒系統(tǒng)故障原因分析及改進[J].發(fā)電設(shè)備，2014，28（5）∶364-368.

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[3]周斌，殷娟.Mark VIe控制系統(tǒng)在6FA燃氣輪機組中的應(yīng)用 [C]//中國石油和化工自動化第十一屆年會論文集，2012.

[4]王勇，盛榮.淺析燃氣輪機控制系統(tǒng)通訊故障[C]//中國石油和化工自動化第十一屆年會論文集，2012.

[5]丁勇能，馬春江，趙麗娟，等.某起9FA燃機DLN2.6＋排氣分散度異常情況淺析[C]//中國電機工程學會燃氣輪機發(fā)電專業(yè)委員會學術(shù)年會論文集，2014.

（本文編輯：徐 晗）

Fuel Gas System Parameter Identification Based on MARK VIe Control System

SHEN Liping1，GU Zhenghao2，DING Yongneng1
（1.Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.，Ltd.，Hangzhou 310015，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Combining characteristics of PG9351 FA gas-steam combined cycle units，the paper tests and identifies parameters of fuel gas system.On the basis of test result，the model parameters for BPA stability calculation of fuel gas system and its prime mover are concluded.

MARK VIe；DLN2.6+combustion system；fuel gas control；parameter identification

TK267

B

1007-1881（2015）10-0033-04

2015-06-03

沈利萍（1976），女，助理工程師，從事火電廠技術(shù)綜合管理工作。