馬曉飛, 王軍偉, 魯桂明, 2
(1. 杭州汽輪機(jī)股份有限公司, 杭州 310022; 2.浙江大學(xué)工程師學(xué)院, 杭州 310058)
為提升火力發(fā)電效益、響應(yīng)節(jié)能減排號(hào)召、減少?gòu)S用電份額,用小型汽輪機(jī)拖動(dòng)鍋爐給水泵已成為電力生產(chǎn)工藝流程中的主流配置方案。我國(guó)西北地區(qū)嚴(yán)重缺水,但風(fēng)能充足,發(fā)電機(jī)組常采用空氣冷凝器(簡(jiǎn)稱空冷器)配置[1]。寧夏某熱電廠擬建設(shè)燃煤超臨界直流爐直接空氣冷卻機(jī)組,其配套給水泵汽輪機(jī)排汽直接進(jìn)入空冷器。由于直流爐無(wú)汽包,且大風(fēng)天氣對(duì)空冷器的冷卻效果會(huì)有很大的影響[2],從而直接影響機(jī)組的排汽壓力,導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行工況變化較大,因此對(duì)給水泵汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)特性提出了很高的要求。
筆者基于給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性,對(duì)其進(jìn)行分模塊數(shù)學(xué)建模,利用仿真手段研究了排汽壓力變化對(duì)給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響,可為機(jī)組的調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行提供參考。
目前,給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本采用電液調(diào)節(jié)方式,其主要任務(wù)是控制給水泵汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速,滿足各個(gè)工況下的鍋爐給水流量要求,其調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖[3]見圖1。
給水泵汽輪機(jī)的型號(hào)為NK63/56,為提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度,采用了高壓抗燃油系統(tǒng)。鍋爐給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用了電液調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包含了數(shù)字電液(MEH)控制器、電液伺服卡、電液伺服閥、油動(dòng)機(jī)、線性差動(dòng)位移變送器(LVDT)、調(diào)節(jié)汽閥等,給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為被控對(duì)象。
MEH轉(zhuǎn)速控制器的算法采用了普通增強(qiáng)型比例、積分、微分控制算法,其傳遞函數(shù)G1(s)為:
(1)
式中:s為拉普拉斯算子;Kp為比例增益;Ti為積分時(shí)間;Kd為微分增益;Td為微分速率。
電液伺服閥是將電液伺服卡輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為油壓信號(hào)的重要部件,是電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,該部件的可靠性將直接影響整個(gè)機(jī)組的調(diào)節(jié)性能。對(duì)電液伺服閥的微分方程進(jìn)行降階處理后得到輸入電信號(hào)與油壓信號(hào)之間的關(guān)系,通過(guò)無(wú)量綱折算可得其傳遞函數(shù)G2(s)為:
(2)
式中:Tsv為電液伺服閥時(shí)間常數(shù)。
油動(dòng)機(jī)的選型配置一般有通流式和斷流式。該給水泵汽輪機(jī)采用了斷流式油動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu),油動(dòng)機(jī)通過(guò)杠桿支架與調(diào)節(jié)汽閥的閥桿相連。根據(jù)油動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力的平衡關(guān)系,通過(guò)無(wú)量綱折算,得出油動(dòng)機(jī)的輸入油壓信號(hào)與油動(dòng)機(jī)行程的傳遞函數(shù)G3(s)為:
(3)
式中:Tv為油動(dòng)機(jī)時(shí)間常數(shù)。
根據(jù)NK63/56型給水泵汽輪機(jī)的特點(diǎn),該給水泵汽輪機(jī)為純冷凝汽輪機(jī),調(diào)節(jié)汽閥為提板式結(jié)構(gòu)。調(diào)節(jié)汽閥布置在進(jìn)汽室中,調(diào)節(jié)汽閥出口直接連通汽輪機(jī)的噴嘴室,其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,且進(jìn)汽室和噴嘴室的容積很小,在此情況下,調(diào)節(jié)汽閥動(dòng)作時(shí),進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)的蒸汽流量隨即變化。通過(guò)分析力矩的影響因素后,利用最小偏差法和泰勒級(jí)數(shù)展開對(duì)增量方程進(jìn)行處理,通過(guò)無(wú)量綱折算,得到給水泵汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子方程[4-6]為:
(4)
式中:Ta為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);φ為角速度增量變化相對(duì)值;λ為轉(zhuǎn)子的自平衡系數(shù);μ為油動(dòng)機(jī)行程變化相對(duì)值;Ψ(t)為汽輪機(jī)給水泵的負(fù)載。
根據(jù)轉(zhuǎn)子方程,可以得出轉(zhuǎn)速與油動(dòng)機(jī)行程關(guān)系的傳遞函數(shù)G4(s)為:
(5)
對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分塊建模,并在Simulink軟件中進(jìn)行連接仿真,得到整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真框圖見圖2。
在該調(diào)節(jié)系統(tǒng)配置中,由于給水泵汽輪機(jī)的排汽直接進(jìn)入空冷器,故空冷器在大風(fēng)天氣時(shí),出力受到影響,直接影響了給水泵汽輪機(jī)的排汽壓力,從而影響給水泵汽輪機(jī)的效率和運(yùn)行工況,進(jìn)而影響鍋爐給水流量。
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,給水泵汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)為1.094 MPa、366.2 ℃,轉(zhuǎn)速為5 642 r/min,排汽壓力的變化范圍為12~56.5 kPa。根據(jù)熱力計(jì)算原理,研究了排汽壓力與理想焓降、質(zhì)量流量、汽輪機(jī)內(nèi)效率及質(zhì)量流量變化率的關(guān)系,并通過(guò)擬合后,得到相應(yīng)關(guān)系曲線(見圖3),其中:質(zhì)量流量變化率為質(zhì)量流量變化量與額定質(zhì)量流量變化量的比;排汽壓力變化率為排汽壓力變化量與額定排汽壓力變化量的比。
由圖3可知:給水泵汽輪機(jī)的排汽壓力發(fā)生變化時(shí),首先導(dǎo)致進(jìn)入汽輪機(jī)做功蒸汽的理想焓降發(fā)生變化(見圖3(a)),使得蒸汽的做功能力發(fā)生變化;排汽壓力升高導(dǎo)致蒸汽理想焓降逐步降低,蒸汽的做功能力下降,為維持給水泵汽輪機(jī)的出力,需要通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入給水泵汽輪機(jī)的蒸汽流量,以滿足運(yùn)行工況需求;蒸汽質(zhì)量流量隨著排汽壓力的增大而增大(見圖3(b)),同時(shí)也使得機(jī)組的運(yùn)行工況偏離了設(shè)計(jì)工況,導(dǎo)致汽輪機(jī)內(nèi)效率發(fā)生變化(見圖3(c));質(zhì)量流量變化率與排汽壓力變化率的關(guān)系呈單調(diào)遞增關(guān)系(見圖3(d)),排汽壓力的變化越劇烈,給水泵汽輪機(jī)運(yùn)行中的質(zhì)量流量變化就越明顯。
該機(jī)組的空冷器由于處風(fēng)口位置,常年受大風(fēng)天氣影響,采用空冷給水泵汽輪機(jī)搭配直流鍋爐的方式,對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)提出了很高的要求。如果在排汽壓力變化時(shí),給水流量響應(yīng)跟不上系統(tǒng)要求,會(huì)造成鍋爐水冷壁過(guò)熱甚至爆管。
筆者在研究中,首先將排汽壓力曲線擬合成功率曲線,然后對(duì)給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,利用Simulink軟件平臺(tái)進(jìn)行仿真,得出排汽壓力變化時(shí),調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線及鍋爐給水泵功率的變化曲線,從而為系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
根據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的測(cè)算,給水泵汽輪機(jī)的排汽壓力變化范圍為12~56.5 kPa,變化速率為10 kPa/min、12.5 kPa/min、15 kPa/min。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后,假定在某個(gè)時(shí)刻,空冷器受大風(fēng)影響,使得機(jī)組排汽壓力升高(從12 kPa升高到56.5 kPa),假定變化速率為10 kPa/min,所需時(shí)間為267 s。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中加入時(shí)長(zhǎng)為267 s、斜率為0.000 955 s-1的擾動(dòng)。由于排汽壓力升高,為了維持給水泵汽輪機(jī)功率,需要消耗更多的蒸汽。機(jī)組在穩(wěn)定工況下,從最大進(jìn)汽質(zhì)量流量的64.65%以0.000 955 s-1的速率升高到最大進(jìn)汽質(zhì)量流量的90.15%,所需時(shí)間為267 s。
排汽壓力以10 kPa/min變化時(shí),通過(guò)仿真計(jì)算得到相應(yīng)參數(shù)的變化見圖4。由圖4可知:排汽壓力以10 kPa/min變化時(shí),調(diào)節(jié)汽閥開度響應(yīng)輸出則根據(jù)排汽壓力擾動(dòng)速率,從64.65%升到90.15%;轉(zhuǎn)速最大變化量為27 r/min,當(dāng)擾動(dòng)量達(dá)到穩(wěn)定值后,實(shí)際轉(zhuǎn)速立刻反彈,在經(jīng)過(guò)35 s的調(diào)整后,達(dá)到5 640 r/min,此時(shí)可認(rèn)為排汽壓力變化所引起的轉(zhuǎn)速變化消失,系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài);給水泵功率最大變化量為86 kW,當(dāng)擾動(dòng)量達(dá)到穩(wěn)定值后,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)35 s的調(diào)整,變化量縮小到8 kW,此時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定工況。
當(dāng)排汽壓力變化以15 kPa/min變化時(shí),機(jī)組排汽壓力從12 kPa升高到56.5 kPa所需時(shí)間為178 s。因此,在系統(tǒng)中加入時(shí)長(zhǎng)為178 s、斜率為0.001 43 s-1的擾動(dòng)。機(jī)組進(jìn)汽穩(wěn)定后,從最大進(jìn)汽質(zhì)量流量的64.65%以0.001 43 s-1的速率經(jīng)過(guò)178 s后,升高到最大進(jìn)汽質(zhì)量流量的90.15%。
排汽壓力以15 kPa/min變化時(shí),通過(guò)仿真計(jì)算得到相應(yīng)參數(shù)的變化見圖5。
由圖5可知:排汽壓力以15 kPa/min變化時(shí),轉(zhuǎn)速最大變化量為41 r/min,當(dāng)擾動(dòng)量達(dá)到穩(wěn)定值后,實(shí)際轉(zhuǎn)速立刻反彈,在經(jīng)過(guò)46 s的調(diào)整后,達(dá)到5 640 r/min,系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài);給水泵功率最大變化量為128 kW,當(dāng)擾動(dòng)量達(dá)到穩(wěn)定值后,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)46 s調(diào)整后,變化量縮小到8 kW,此時(shí)可認(rèn)為系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定工況。
根據(jù)以上仿真結(jié)果可知:排汽壓力變化以15 kPa/min變化時(shí),機(jī)組轉(zhuǎn)速變化量最大(41 r/min),在擾動(dòng)信號(hào)消失后,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為41 s,給水泵汽輪機(jī)功率變化量為128 kW,功率變化率(給水泵汽輪機(jī)輸出功率變化量占額定功率的比)為2%,可以滿足系統(tǒng)要求。
該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置可以滿足大風(fēng)天氣下對(duì)機(jī)組排汽壓力的要求,為該熱電廠的實(shí)際運(yùn)行提供理論參考,并且對(duì)空冷器的負(fù)載變化提出了限制條件,可為國(guó)內(nèi)直流鍋爐搭配空冷給水泵汽輪機(jī)系統(tǒng)中給水泵汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。