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(xué)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(shí)

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(xué)研究院，杭州 310014）

結(jié)合PG9351 FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的特性，對(duì)機(jī)組燃料氣系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了測試和辨識(shí)，在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，得出了機(jī)組燃料氣系統(tǒng)及其原動(dòng)機(jī)的BPA穩(wěn)定計(jì)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(shí)

0 引言

在目前浙江電網(wǎng)燃?xì)廨啓C(jī)組占比逐步增大的情況下，燃?xì)廨啓C(jī)組的可靠運(yùn)行對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定以及中長期穩(wěn)定性都產(chǎn)生顯著的影響。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)組而言，機(jī)組功率的變動(dòng)、對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的響應(yīng)等均通過燃料氣系統(tǒng)與壓氣機(jī)IGV（進(jìn)口導(dǎo)葉）的匹配實(shí)現(xiàn)。

在電力系統(tǒng)穩(wěn)定計(jì)算中采用不同的原動(dòng)機(jī)及其燃料氣控制系統(tǒng)模型和參數(shù)，其計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大差異，因此需要能正確反映設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，使計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠。

1 原動(dòng)機(jī)及其燃料氣控制系統(tǒng)參數(shù)

1.1 原動(dòng)機(jī)參數(shù)

某電廠7號(hào)機(jī)組額定功率為415 MW，發(fā)電機(jī)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(fù)荷控制回路

7號(hào)燃?xì)廨啓C(jī)組使用的是MARK VIe控制器。燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速控制回路見圖1。

燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)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(dāng)實(shí)際功率與電功率之差進(jìn)入死區(qū)以后，停止改變TNR，以達(dá)到功率閉環(huán)的目的。圖1所示回路為轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制的內(nèi)回路，TNR與TNH（實(shí)際轉(zhuǎn)速）之差作為功率回路的前饋對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的燃料量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

原始的設(shè)計(jì)回路中，當(dāng)一次調(diào)頻動(dòng)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(dá)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(dòng)作以后功率不會(huì)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?zèng)]有死區(qū)及限幅。

該一次調(diào)頻修正環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是：當(dāng)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?xì)廨啓C(jī)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(shí)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(jìn)行對(duì)比，內(nèi)回路相當(dāng)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(shí)測與辨識(shí)

2.1 控制系統(tǒng)模型參數(shù)實(shí)測與辨識(shí)

（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(biāo)幺值基準(zhǔn)為390.3 MW（標(biāo)準(zhǔn)工況下）；頻率標(biāo)幺值基準(zhǔn)為50 Hz；燃?xì)忾y開度標(biāo)幺值基準(zhǔn)在燃?xì)廨啓C(jī)額定工況下為1。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型參數(shù)實(shí)測與辨識(shí)

采用BPA中的GA模型（如圖3所示）來表示執(zhí)行機(jī)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(shí)間，To為開啟時(shí)間，Pmax為最大原動(dòng)機(jī)功率，Pmin為最小原動(dòng)機(jī)功率。T1為油動(dòng)機(jī)行程反饋環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)（缺省值為0.02 s）。

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作特性測試

7號(hào)機(jī)配備了4只燃?xì)庹{(diào)門，分別為D5，PM1，PM2，PM3擴(kuò)散燃燒調(diào)節(jié)閥，主要在啟動(dòng)過程中使用。在預(yù)混燃燒方式下，使用PM4與PM1燃?xì)庹{(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?xì)庹{(diào)節(jié)閥進(jìn)行試驗(yàn)，能夠反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。進(jìn)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(jìn)行了10%～90%，50%～60%等不同階躍量試驗(yàn)。測試錄波圖如圖4、圖5所示。

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

2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)辨識(shí)得出PID參數(shù)為：預(yù)混燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的Kp=10，Ki=0，Kd=0。辨識(shí)所得參數(shù)的階躍仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近。圖6、圖7為辨識(shí)得出的模型參數(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比，兩者吻合較好。

圖3 電液伺服機(jī)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(shí)際與仿真對(duì)比（預(yù)混燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥PM2 10%關(guān)閉）

圖7 PM3閥門小開度階躍實(shí)際與仿真對(duì)比（預(yù)混燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥PM3 10%關(guān)閉）

圖8 PM2閥門小開度階躍實(shí)際與仿真對(duì)比（預(yù)混燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥PM2 10%階躍開啟）

2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)開啟動(dòng)作特性測試

根據(jù)圖3所示模型和前面辨識(shí)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(shí)測結(jié)果吻合得很好。因此開啟過程執(zhí)行機(jī)構(gòu)比例系數(shù)也為Kp=10，Ki=0，Kd=0。

綜合PM2和PM3燃?xì)饪刂崎y的開度階躍試驗(yàn)可得，執(zhí)行機(jī)構(gòu)Kp=10，Ki=0，Kd=0。

2.3 原動(dòng)機(jī)模型參數(shù)實(shí)測與辨識(shí)

根據(jù)對(duì)圖8所示的燃?xì)廨啓C(jī)手動(dòng)方式下功率階躍錄波圖的分析，燃?xì)廨啓C(jī)也有類似于汽輪機(jī)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(dāng)頻率階躍發(fā)生時(shí)，由于燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)迅速，燃料量迅速增加，提高了渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度，而壓氣機(jī)IGV動(dòng)作相對(duì)較慢，渦輪機(jī)產(chǎn)生的功率在瞬態(tài)過程中的變化大于壓氣機(jī)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(jī)耗功緩慢增加，導(dǎo)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(jī)時(shí)間常數(shù)和壓氣機(jī)時(shí)間常數(shù)。可以采用汽輪機(jī)的原動(dòng)機(jī)TB模型（如圖10所示）來模擬燃機(jī)的特性。因此采用改變設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速之差來實(shí)現(xiàn)總閥位指令的階躍，對(duì)原動(dòng)機(jī)施加擾動(dòng)。采用階躍試驗(yàn)中FSR（燃料沖程參考）與功率的變化趨勢來辨識(shí)原動(dòng)機(jī)模型參數(shù)。

圖9 PM3閥門小開度階躍實(shí)際與仿真對(duì)比（預(yù)混燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥PM3 10%階躍開啟）

圖10 一次中間再熱式汽輪機(jī)TB模型

根據(jù)辨識(shí)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(shí)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(shí)測功率吻合得很好。

根據(jù)表1所示原動(dòng)機(jī)特性辨識(shí)結(jié)果，采用以上辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行閥位負(fù)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(duì)比圖可見，辨識(shí)得出的模型參數(shù)的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果在較長的時(shí)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(hào)機(jī)燃料氣控制系統(tǒng)及其原動(dòng)機(jī)的BPA穩(wěn)定計(jì)算用模型參數(shù)。通過將仿真結(jié)果與實(shí)際原動(dòng)機(jī)階躍和一次調(diào)頻動(dòng)作結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了燃料氣控制系統(tǒng)及其原動(dòng)機(jī)模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。

表1 原動(dòng)機(jī)模型辨識(shí)結(jié)果

圖11 原動(dòng)機(jī)特性參數(shù)校核

[1]荊迪.9FA燃?xì)廨啓C(jī)燃燒系統(tǒng)故障原因分析及改進(jìn)[J].發(fā)電設(shè)備，2014，28（5）∶364-368.

[2]顧榮昌.Mark VIe一體化控制系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2014，（7）∶104-106.

[3]周斌，殷娟.Mark VIe控制系統(tǒng)在6FA燃?xì)廨啓C(jī)組中的應(yīng)用 [C]//中國石油和化工自動(dòng)化第十一屆年會(huì)論文集，2012.

[4]王勇，盛榮.淺析燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)通訊故障[C]//中國石油和化工自動(dòng)化第十一屆年會(huì)論文集，2012.

[5]丁勇能，馬春江，趙麗娟，等.某起9FA燃機(jī)DLN2.6＋排氣分散度異常情況淺析[C]//中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)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。