考虑不同一次调频技术下汽轮机及回热系统热力学特性的热力机组建模与实验验证

《Energy》：Modeling and experimental validation of thermal power units considering thermodynamics characteristics of turbine and regenerative system for different primary frequency regulation technologies

　　摘要：在可再生能源占比较高的电力系统中，热力发电机组仍是重要的主频率调节资源。目前用于电力系统研究的标准汽轮机模型通常通过蒸汽容积时间常数和功率系数来表示汽轮机本体，因此无法准确描述依靠再生式加热器实现的频率调节技术，如凝结水节流和高压加热器给水旁路调节。为弥补这一缺陷，本文通过将汽轮机本体热力学模型与再生系统的动态传热模型相结合，构建了一种动态主频率调节模型。该模型能够描述汽轮机各级、抽汽管道、表面再生加热器以及除氧器之间的压力与流量关系，其初始状态及随运行条件变化的参数则通过电厂DCS数据及设计资料确定。研究通过实际600兆瓦机组在控制阀预节流、高压加热器给水旁路调节及凝结水节流条件下的实验数据进行验证。在控制阀预节流条件下，所提模型的最小动态功率输出误差为92.86%，相比恒定壳侧压力模型和标准汽轮机模型，分别提升了55.86%和48.41%的精度。在高压加热器给水旁路调节和凝结水节流条件下，最大绝对功率误差分别为1.64兆瓦和2.00兆瓦，相比简化模型分别降低了59.00%和24.53%。研究结果表明，将汽轮机本体与再生系统相结合对于评估传统及基于再生系统的频率调节技术的短期调节能力至关重要。

引言：随着“碳达峰”“碳中和”目标的推进，电力系统中可再生能源发电装置及电子设备的比例逐渐上升。可再生能源的间歇性与不确定性增加了对电力系统频率调节能力的需求。另一方面，采用电子设备的可再生能源发电装置缺乏同步惯性，无法主动响应电网频率变化。因此，在中国，热力发电机组仍将在很长一段时间内作为最关键的频率调节资源。准确评估热力发电机组的频率调节特性，对于实现有效的电网频率分析具有重要意义。目前，用于电网频率分析的热力发电机组主频率调节仿真模型包括锅炉模型和汽轮机模型。汽轮机模型通过蒸汽容积时间常数和功率系数来描述汽轮机发电的动态延迟，并为高压汽轮机引入了自然过补偿系数，这一模型被广泛应用于《发电机原动机及调速器建模与测试指南》以及国内主流电力系统分析程序中。然而，标准汽轮机模型在描述热力发电机组的主频率调节动态特性时存在一定误差，且仅适用于传统的控制阀预节流方式，无法反映新兴频率调节技术下的功率输出特性。这是因为汽轮机不仅包含汽轮机本体，还包括由多个抽汽级和再生加热器组成的再生系统。标准模型仅考虑了汽轮机本体，忽略了再生系统的热储存效应，从而导致在控制阀预节流条件下的主频率调节动态特性描述出现偏差。此外，诸如凝结水节流和高压加热器给水旁路调节等新型频率调节技术，正是利用再生系统的能量储存能力来提升频率调节性能。由于标准模型未考虑再生系统，因此无法准确分析在这些先进控制策略下的热力发电机组动态主频率调节特性。为此，有必要考虑汽轮机的级间压力降、抽汽点的压力特性以及再生系统的动态传热特性，从而构建适用于电网频率分析的汽轮机模型。目前已有一些关于再生系统特性的研究。某研究考虑了抽汽的影响，但未考虑各级再生加热器的动态特性；另一研究基于机械分析建立了考虑高压再生加热器热储存效应的汽轮机模型，却忽略了低压再生加热器的动态特性以及凝结水流量变化对再生加热器特性和汽轮机功率输出的影响。此外，还有一些关于新型频率调节技术的研究，这类研究可分为两种建模方法。第一种是基于实验数据建立功率输出变化与凝结水及给水旁路流量变化之间的动态关系，这类数据驱动型模型虽适用于控制设计，但在训练条件之外的电网评估中可靠性较低。第二种是机理建模，可进一步分为专用仿真软件模型和动态数学模型。有研究使用GSE仿真软件构建了考虑各单元组件动态耦合特性的完整热力发电机组瞬态模型，但这些由专用仿真软件开发的模型在计算速度和通用性方面仍有提升空间，无法用于电网的在线仿真分析。还有研究对除氧器、低压再生加热器的动态特性进行了机械分析，并建立了凝结水节流过程的动态数学模型，这些模型侧重于描述再生系统中热参数的动态特性，但未考虑抽汽流量变化对热参数的影响，也无法准确分析汽轮机本体与再生系统之间的耦合特性。而且，这些模型主要适用于特定的频率调节技术，无法准确描述多种频率调节技术协同作用下的汽轮机功率输出特性。随着热力发电机组逐渐成为保障电网稳定运行的核心电源，机组需要更频繁地进行大范围出力调整，实际运行中在不同工况下，尤其是在深度削峰工况下，机组的频率调节性能差异显著。然而，目前的电力系统瞬态仿真大多使用固定参数来描述所有工况下汽轮机的功率输出特性，这与实际情况不符，尤其是在机组处于极端工况时，会导致较大误差，进而影响电网调度人员对系统频率安全特性的准确把握。有研究指出，标准汽轮机模型中的蒸汽容积时间常数和功率系数应在不同工况下有所变化。另有研究认为，汽轮机模型参数随工况的变化是导致深度削峰工况下仿真值与实际值出现较大误差的主要原因。因此，汽轮机模型中的参数应随工况变化，而现有的汽轮机数学模型及参数确定方法无法准确反映各种频率调节技术及不同工况下热力发电机组的真实频率调节能力。本研究构建了一种综合考虑汽轮机本体与再生系统之间动态耦合特性的汽轮机模型，以满足新电力系统中的频率调节仿真需求。基于机组分布式控制系统收集的实际数据，提出了一种遵循运行条件的初始状态识别方法。该模型适用于单独或协同应用多种频率调节技术时的仿真分析，能够更准确地反映不同工况下汽轮机功率输出特性的差异，有助于电网准确掌握热力发电机组的真实频率调节能力，从而实现精确的频率稳定性分析。综上所述，本研究要解决的研究缺口在于：现有的汽轮机主频率调节模型要么将汽轮机本体简化为固定的时间常数和功率系数，要么只关注再生系统的热动态特性而不考虑汽轮机各级的压力与流量之间的反馈关系，要么仅适用于某种特定的频率调节技术。因此，它们无法满足需要用相同模型结构及符合实际工况的参数来评估控制阀预节流、高压加热器给水旁路调节及其协同运行方式的电力系统频率调节研究需求。本研究的范围是蒸汽抽汽凝汽式热力发电机组在主频率调节过程中的短期汽轮机侧及再生系统侧的动态响应。对于控制阀预节流及控制阀预节流与高压加热器给水旁路调节协同作用的仿真，所提模型被嵌入到面向电网的频率调节仿真框架中：上游使用带有阀门-流量模块的标准锅炉模型，根据阀门开度指令和锅炉热负荷输入计算瞬态主蒸汽压力和主蒸汽流量，再将得到的主蒸汽压力和流量传递给连接汽轮机本体与再生系统的模型。所有对比用的汽轮机模型都采用相同的带有阀门-流量模块的锅炉模型及参数设置，因此仿真结果的不同源于汽轮机及再生系统建模假设的差异，而非锅炉或阀门输入的不同。在验证高压加热器给水旁路调节和凝结水节流效果时，主频率调节的操纵变量分别是给水旁路流量和凝结水流量指令，主蒸汽阀门和锅炉热负荷输入不会被刻意干扰，主蒸汽参数则基于扰动前的DCS数据初始化，并在相应仿真中保持不变。详细的燃烧、燃烧控制及协调控制系统逻辑不在本研究的范畴之内。本研究的主要贡献如下：首先，将汽轮机本体热力学模型与高压再生加热器、低压再生加热器及通过抽汽管流动阻力与除氧器相连的动态传热模型相结合，从而可以统一处理抽汽流量、抽汽压力、壳侧压力及各级焓降的变化。其次，与主要适用于传统控制阀预节流方式、无法准确描述基于再生系统热储存的频率调节技术的标准汽轮机模型不同，所提模型为控制阀预节流、高压加热器给水旁路调节、凝结水节流以及控制阀预节流与高压加热器给水旁路调节协同控制提供了统一的建模结构，因此既能描述基于阀门的频率调节方式，也能描述通过再生系统实现的频率调节技术。第三，利用DCS数据、热平衡数据及结构参数建立了一种初始状态识别方法，使得模型参数和初始热状态能够随运行条件变化，无需通过额外的动态扰动试验来识别参数。最后，该模型通过实际600兆瓦机组的实验数据进行了验证，结果显示其与标准汽轮机模型及简化的再生系统模型相比，能更准确地预测短期功率输出动态特性。

章节摘录：考虑再生系统的蒸汽轮机动态热力学建模。本研究采用图1所示的结构对蒸汽抽汽凝汽式汽轮机的汽轮机本体和再生系统进行建模。以带有喷嘴蒸汽分配装置的汽轮机本体作为建模对象，将其划分为调节级、中间级和末级，每经过一个抽汽点就划分一个压力级。对于采用节流蒸汽分配方式、没有调节级的机组，可将第一个抽汽点之前的各级合并为一组进行分析。

初始状态识别方法。本研究建立的汽轮机模型适用于各种恒压和变压工况下的仿真分析。汽轮机模型参数分为稳态参数和动态参数，稳态参数在不同工况下保持不变，而动态参数则会随工况变化。为准确反映汽轮机在不同工况下的动态响应特性，动态参数值需相应调整。

实验结果与模型验证。在控制阀预节流工况下，模型输入为转速偏差或相应的阀门开度指令。附录图A1中的标准锅炉模型带有阀门-流量模块，可将阀门开度变化转换为主蒸汽流量和主蒸汽压力，然后将其传递给连接汽轮机本体与再生系统的模型。在控制阀预节流工况下对比的所有汽轮机模型均采用相同的锅炉模型及参数设置。在高压加热器给水旁路调节和凝结水节流工况下，操纵变量分别为给水旁路流量和凝结水流量指令。

结论。本研究通过将汽轮机本体热力学与再生系统传热动力学相结合，开发了一种用于蒸汽抽汽凝汽式热力发电机组的动态汽轮机侧主频率调节模型，并通过实验对其进行了验证。主要结论及未来工作如下：(1)建立了涵盖汽轮机本体、抽汽管道、再生加热器及除氧器的耦合热力学模型。该模型明确考虑了提取流程、提取点压力之间的反馈关系。CRediT作者贡献声明：刘军：写作——初稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，形式分析，概念构建。徐飞：资源获取，项目管理，调研，资金筹措，形式分析，数据整理。陈雷：写作——审阅与编辑，验证。郝凌：写作——审阅与编辑，验证。闵勇：监督，数据整理。黄一涵：验证。霍红燕：资源获取，数据整理。利益冲突声明：作者声明没有已知的财务利益或可能影响本文所述工作的个人关系。致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（52276073）的支持。刘军|徐飞|陈雷|郝凌|闵勇|黄一涵|霍红燕，中国北京100084，清华大学电气工程系。