No. 13FEPG1360 شناسايي تجربي مدل ديناميكي توربين و گاورنر مكانيكي نيروگاه بخاري تبريز جعفر ا قاياري پژوهشكده توليد نيرو پژوهشگاه نيرو باقر شهبازي پژوهشكده توليد نيرو پژوهشگاه نيرو تهران ايران baghershahbazi@gmail.com Tتهران T T ايران jaghayari@nri.ac.ir بهمن مظفري نيروگاه تبريز تبريز ايران mozafari@gmx.com چكيده نيروگاههاي بخاري جزء توليد كنندگان پايه در هر شبكه برق هستند و در ديناميك بلند مدت شبكه نقش دارند. مطالعات ديناميك شبكه نيازمند در اختيار داشتن مدل ديناميكي توليدكنندههاي ا ن است. نيروگاه بخاري تبريز داراي سيستم گاورنر مكانيكيهيدروليكي (MHC) ميباشد. مدل ديناميكي توربين و گاورنر مكانيكي تبريز با دقت مطلوب بر اساس نتايج تستهاي ميداني انجام گرفته در نيروگاه شناسايي و اراي ه ميگردد. تست توربين بخار با گاورنر مكانيكي اولين بار در كشور انجام شده است. روش بكار رفته در شناسايي مدل نيروگاه مي تواند بعنوان پايهاي جهت شناسايي مدل نيروگاههاي بخاري بكار رود. واژههاي كليدي توربين بخار شناسايي مدل ديناميكي گاورنر 1. مقدمه تنوع سيستم توربين و سيستم كنترلي گاورنينگ نيروگاههاي بخاري بيش از گازي و ا بي است. اين نيروگاهها بعنوان توليدكنندگان پايه در برق مطرح هستند و در ديناميك بلند مدت شبكه تاثير گذار هستند. در واحدهاي بخاري بدليل تاخير ذاتي موجود در بويلر امكان پاسخدهي سريع ندارند. توربينهاي بخاري معمولا از سه طبقه فشار بالا (HP) فشار مياني (IP) و فشار پايين (LP) تشكيل يافتهاند بخشهاي ديگر ا ن شامل محفظه هواي ورودي (چست) به طبقه فشار بالا محفظه هواي ريهيتر بين HP و IP و محفظه هواي كراسا ور بين IP و LP ميباشد (شكل( 1 )). تنظيم سرعت و بار از طريق تنظيم ميزان بخار ورودي به توربين توسط شيرهاي كنترلي انجام ميگردد. گاورنر توربين بستگي به ساخت و دوره طراحي توربين ممكن است مكانيكيهيدروليكي (MHC) الكتروهيدروليكي (EHC) و يا ديجيتالي الكتروهيدروليكي باشد.(DEH) يك سيستم گاورنر MHC از بخشهاي گاورنر سرعت رله سرعت سرووموتور هيدروليكي و شيرهاي كنترلي تشكيل يافته است (شكل( )). در برخي در بارهاي پايين يا در حالت اضافه سرعت شيرهاي مياني نيز تعبيه شدهاند كه ورود بخار به طبقه فشار مياني را كنترلي ميكنند. انواع مختلف سيستمهاي توربين و گاورنرهاي هيدروليكي در [1] بررسي و مدل رياضي براي ا نها اراي ه شده است. در اين مدلها عموما فشار در شير كنترلي ثابت دانسته شده و يا در درام بويلر ثابت بهمراه افت فشار تا سر شير كنترلي مدل شده است. در تغييرات بار سريع و
P P0F P4F P3F بزرگ سيستم كنترل بويلر فشار بخار را تنظيم مي كند. اثرات شير مياني و اراي ه مدل رياضي براي ا ن براي انواع كنترلرها در ] ] انجام شده است كه عملكرد ا نرا در بستن شيرهاي مياني جهت كنترل اضافه سرعت به هنگام از دست دادن بار يا در بارهاي پايين مدل مي نمايد. مرجع ] تخميني سعي در محاسبه و استخراج پارامترهاي توربين با استفاده از داده هاي عملكردي واحد دارد. در ] 3] به روشهاي 4] توربين گاورنر بويلر و كنترلهاي مربوط به ا ن منطبق بر مدل TGOV5 از كتابخانه PSS/E زيمنس براي يك توربين درام دار براساس نتايج تست اراي ه شده است. بخش فشار پايين و فشار متوسط جهت ساده سازي در هم ادغام شده اند و بر لزوم اندازه گيري با سرعتي بيش از 1 نمونه در ثانيه تاكيد شده است. در داخل كشور اولين واحد بخاري كه مدل ديناميكي ا ن براساس تست تجربي استخراج گرديد واحد بخاري همدان ] 5] ميباشد كه سيستم كنترل ا ن EHC است. ساير مطالعات قبلي در داخل كشور (مانند ] 6]) بر مبناي روشهاي محاسباتي و تقريبي بوده است. در اين مقاله پارامترهاي مدل ديناميكي توربين و گاورنر تستهاي تجربي استخراج و اراي ه مي گردد. MHC واحد بخاري نيروگاه تبريز براساس در ادامه تستهاي انجام شده و همچنين پارامترهاي استخراج شده براي هر قسمت اراي ه شده است..معرفي نيروگاه بخاري تبريز نيروگاه تبريز داراي دو واحد 368 مگاوات بعد از معرفي نيروگاه از نتايج تست و ساخت شركت ا لستوم فرانسه ميباشد كه جمعا 736 مگاوات برق نامي توليد ميكند. بويلر نيروگاه از نوع درام دار ميباشد و فشار نامي بخار حدود نيز حدود 1134 ton/hr ميباشد. قسمت هم محور 178 بار و دبي نامي واحد توربين از نوع فشار متغير بوده و از چهار شامل توربين فشار قوي (HP) فشار متوسط (IP) و دو قسمت توربين فشار ضعيف (LP) تشكيل شده عدد گاورنينگ ولو ) (GV وجود دارد و بخار قبل از ورود به است. قبل از توربين HP 6 HP از ا نها مي گ ذ رد. شكل( 1 ) شماتيك لولههاي كراس ا ور و طبقات توربين نيروگاه را نشان ميدهد[ 7]. سيستم كنترل بارسرعت توربين نيروگاه تبريز توسط شركت "Hitachi" ساخته شده و از نوع مكانيكيهيدروليكي (MHC) مي باشد و بخش الكترونيكي جهت اعمال ستهاي تنظيمي اپراتور از طريق مدارهاي پتانسيومتري براي بار وسرعت است كه بعد از گذر از يك مدار تنظيم نرخ به موتور تغيير دهندهي سرعت يا موتور لود ليميت و ساير بخشها اعمال ميگردد بخش اصلي كنترلر نيروگاه داراي مدار مكانيكي است. گاورنر سرعت از نوع وزنهاي گريز از مركز است. شماتيك گاورنر در شكل( ) نشان داده شده است فشار روغن ايجاد شده توسط گاورنر سرعت سبب مكاندهي رله سرعت و بعد از چند مرحله تقويت شيرهاي كنترلي را مكان دهي ميكند. بخش اصلي گاورنر نيروگاه شامل كلي گاورنر سرعت تغيير دهندهي سرعت محدود كنندهي بار رلهي سرعت سروموتور ميل بادامك وشيرهاي كنترلي و بخشهاي ديگري شامل بخش هاي حفاظتي و... ميباشد. 3.رژيم هاي كاري توربين در واحدهاي بخار 4 نوع كنترل استراتژيك يا مودهاي عملياتي بمنظور كنترل بار و فركانس وجود دارد: بويلر پيرو (بويلر پيشتاز ) P كنترل يكپارچه فشارP5F P[8]. توربين پيروPF ) P پيشتازP1F (توربين P P يا هماهنگ بويلرتوربين و مود كنترل نيروگاه بخار تبريز در مود بويلر پيرو كار مي كند و تغييرات مورد نياز از طريق تغيير ميزان بازشدگي شيرهاي كنترل انجام ميشود. در اين مود هرگونه تغيير در توليد با تغيير در ميزان بازشدگي شيرهاي كنترل توربين شروع مي شود. تغيير در ميزان بازشدگي شيرهاي كنترل سبب تغيير فشار بخارتراتل شده و سيستم كنترل بويلر جهت تنظيم فشار ميزان سوخت و هواي بويلر را تغيير مي دهد. 4.مدل سازي نيروگاه مدل كلي كه براي سيستم گاورنر و توربين نيروگاه تبريز اراي ه شده منطبق بر مدل توربين با گاورنر IEEEG1 از كتابخانه ] MHC 1] و همچنين منطبق بر مدل PSS/E زيمنس ] 9] و بصورت شكل( 3) ميباشد همانطور كه ملاحظه ميشود به سه بخش اصلي گاورنر توربين و روتور تقسيم ميشود. روشهاي تحليلي براي بدست ا وردن تقريبي برخي پارامترهاي مدل (مانند ثابت زمانيهاي چست كراس ا ور و ري هيتر و ضريب توانهاي طبقات توربين) وجود دارد ] 10] اما برخي پارامترها مانند ثابت زماني و ضريب بهرهي گاورنر و همچنين ثابت زماني سروموتور از روش تحليلي قابل حصول نميباشد بنابراين براي بدست ا وردن اين 1 Boiler Following Turbine Leading 3 Turbine Following 4 Boiler Leading 5 Coordinate 6 Variable Pressure
پارامترها و همچنين استخراج دقيقتر پارامترهاي بدست ا مده از روش تحليلي تستهاي مفصلي انجام شده و پارامترها شناسايي شده اند كه در بخش بعدي اراي ه خواهند شد. 5.شناسايي تجربي مدل ديناميكي كنترلي نيروگاه در اين مقاله مدل تجربي شناسايي شده براي توربين و گاورنر مكانيكي اراي ه ميگردد. مدل بخش الكترونيكي كه حد واسط بين اپراتور و بخش مكانيكي جهت ارتباط ا نهاست اراي ه نميگردد. براي شناسايي هريك از اجزاء تستهاي مختلفي همچون سنكرون شدن بارگيري كاهش بار رانبك خاموش كردن يكبارهي توربين واحد انجام و طي ا نها سيگنالهاي مختلفي همچون توان سرعت موقعيت بادامك دبي بخار گرديد و تا حد امكان سعي شده تستها با سرعت بالا انجام گيرند تا شناسايي پارامترها با دقت بالاتري صورت گيرد. تمام پارامترها اندازهگيري نسبت به مقادير حداكثر كه توان 316. MW و دبي بخار 105.4ton/h و موقعيت بادامك 84.3 درصد است بيبعد سازي (بر واحد) شدهاند. شكل 1 : شماتيك طبقات توربين و لولههاي كراس ا ور شكل : شماتيك بخش اصلي گاورنر واحد بخاري نيروگاه تبريز 3
P P6F از جعبه ابزار شناسايي Matlab پارامترها استفاده گرديده است. از روشهاي مدلسازي شكل 3: مدل كلي توربين و گاورنرواحد بخاري نيروگاه تبريز براي پردازش دادهها و استخراج ARMAX و ARX در اين نرم افزار براي شناسايي مدلهاي خطي استفاده ميگردد كه توابع برازش شده با تعيين حداقل مربعات خطا نتيجه ميگردند. دادهها با نرخ 1000 نمونه در ثانيه اندازهگيري شدهاند. 5.1. شناسايي مدل سروموتور و گاورنر شكل 4 : نتيجهي برازش براي مدل سروموتور مقادير بدست ا مده براي پارامترهاي مدل گاورنر و سروموتور عبارتنداز: KRgvR=19.65 TRGVR=.1s T RSVR=.3s مدل گاورنر چنانچه در شكل( 3) نشان داده شده است شامل بلوكهاي گاورنر تغيير دهنده سرعت/بار و سروموتور است. خروجي سروموتور موجب تغيير موقعيت بادامك و از ا نجا نيز تغيير در وضعيت گاورنينگ ولوها ميگردد. كه موجب تغيير در دبي بخار عبوري و تغيير سرعت يا بار ميگردد. مدل ساده شده گاورنر در شكل( 4) نشان داده شده است. ورودي هاي ا ن شامل تغييرات سرعت يا فركانس و مرجع بار است. امكان اندازهگيري موقعيت ولو وجود نداشت لذا موقعيت بادامك اندازهگيري گرديد و خروجي مدل فوق ميباشد. مرجع بار توسط اپراتور و از بخش الكترونيكي تنظيم ميگردد. TRgvR ثابت زماني رله سرعت (شكل( )) است و KRgvR بهره دروپ است. براي بدست ا وردن مدل مربوط به تغيير دهنده سرعت/بار از تست ريجكت بار در 13 مگاوات استفاده شده است ورودي مرجع بار صفر است و با اندازهگيري سيگنالهاي سرعت و موقعيت ميل بادامك بلوكها قابل شناسايي هستند. شكل( 5) مقادير بدست ا مده از تست براي موقعيت ميل بادامك و سرعت توربين را نمايش ميدهد و شكل( 6) نيز منحني واقعي و بدست ا مده از شبيه سازي را نشان ميدهد. شكل 5 : داده هاي تست براي سروموتور 5.. شناسايي مدل ميل بادامك دبي بخار ورودي به توربين از طريق 6 كنترل ولو كه توسط يك سروموتور جابهجا ميشوند كنترل ميشود و درصد بازشدگي هر كدام در بارهاي مختلف متفاوت ميباشد كه اين امر از طريق عملكرد ميل بادامك ميسر ميشود كه علاوه بر ايجاد اين قابليت سبب خطي شدن رابطهي بين سروموتور با توان توليدي توربين(دبي بخار) نيز ميشود. در شكل( تغييرات فلو با موقعيت ميل بادامك نشان داده شده است. در بارهاي بالا (7 مي توان از منحني خطي برازش شده با شيب واحد استفاده نمود ولي در كل 7 Identification toolbox 4
منحني غيرخطي مي باشد. در بارهاي اوليه بدليل عملكرد شيرهاي كنترلي مياني تابع تغيير ميكند و از روش درونيابي براي تعيين رابطه استفاده مي گردد. جدول 1 : نتايج بدست ا مده از شبيه سازي براي مدل توربين K 1 /0 TRZ 3 /5 TRP1 0 /1 TRP 7 /58 پارامتر تست بارگيري 9050 مگاوات 0 /98 سنكرون 1 7 /4 0 /15 8 1 /04 سنكرون 4 / 0 /1 7 /4 شكل 6 : نتيجهي شبيه سازي مدل سروموتور شكل 9 :نتيجهي شبيهسازي توان توربين در تست افزايش بار شكل 7 : منحني موقعيت ميل بادامك و دبي بخار و منحني برازش شده بر ا ن 5.3. شناسايي مدل توربين شكل 10 :نتيجهي شبيهسازي توان توربين در تست سنكرون شكلهاي ) 9) و ) 10) انطباق بسيار مطلوب را نشان ميدهند. براي استخراج مدل نهايي توربين (با دقت بالاتر) از مدل ساخته شده در Simulink (شكل( 11)) كه مدل كاملتري ميباشد استفاده شده است. ورودي سيگنال دبي بخار و خروجي توان توليدي توربين است و همچنين نتايج بدست ا مده از شناسايي انجام شده (جدول( 1)) براي ثابت زمانيها و ضريب بهرهها به عنوان مقادير اوليه براي مدل استفاده شده و با تغيير اين پارامترها در محدودهي مناسب و مقايسهي نتايج بدست ا مده از مدل با نتايج تست مدلي كه داراي كمترين خطاست انتخاب ميگردد. با تفكيك كراس ا ور و ريهيتر ثابت زماني ا ن بصورت جداگانه شناسايي ميگردد و ضرايب بهره طبقات مختلف نيز استخراج ميگردند. اين مدل در تستهاي مختلفي كه شامل بارگيري و باربرداري از واحد ميباشد نيز صحت سنجي شده است. براي شناسايي مدل توربين ابتدا بلوك هاي مربوط به طبقه فشار پايين و فشار متوسط توربين در شكل( 3) ادغام شده و مدل ساده شدهي شكل( 8) براي ا ن در نظر گرفته ميشود ] 4]. شكل 8 : مدل ساده شده توربين كه در ا ن T Rp1R و TRpR به ترتيب ثابت زماني چست و ريهيتر ميباشد و خروجي مدل توان خروجي ژنراتور ميباشد كه همان توان توربين منهاي تلفات است كه اندازهگيري شده است. براي شناسايي مدل توربين از تست هاي بارگيري با نرخ بالا (بيش از 60 مگاوات در دقيقه) و تستهاي سنكرون كردن واحد با شبكه همراه با باردهي اوليه استفاده شده است. نتايج بدست ا مده براي پارامترهاي توربين در جدول( 1) ا ورده شده است. نتايج شبيه سازي شده براي دو نمونه از تستهاي ذكر شده در شكلهاي ) (10) نشان داده شده است. 9) و 5
نتايج نهايي بدست ا مده براي پارامترهاي سيستم توربين عبارتنداز: T 1 =0.05 s T =7.66 s T 3 =0.1s T 4 =0.15 s K 1 =0.9 KRR=0.9 KR3R=0.1 KR4R=0.1 شكل( 13 ) نمودار سرعتزمان توربين كه در دور Shut Down 300 شده است را نشان ميدهد كاهش دور بصورت نمايي است و و ثابت زماني انحناء ا ن متناسب با J/B است كه J ممان اينرسي است بنابراين: τ = J B = 555.6 & B = 45.4 J = 5335kg. m به منظور برواحد سازي لازم است ω J و B در ضرب گردند و در P n مدل شكل( 3 ) قرار داده شوند. شكل 11 : مدل پارامتري توربين در 5.4. شناسايي مدل روتور Simulink براي بدست ا وردن مدل روتور از تست Shut Down استفاده شده است. در اين تست همانطور كه در شكل( 1) ملاحظه ميشود ابتدا سرعت توربين در دور 300 بصورت كاملا پايدار ثابت نگه داشته شده است. دبي عبوري از توربين در اين سرعت برابر 0/75 ton/h ميباشد. دبي در دور نامي و بيباري برابر 18/75 ton/h است. با توجه به خطي بودن رابطه توان با دبي در نقاط استاتيك و پايدار اختلاف دبي بخار در دور فوق و دور نامي معادل دو دور: 0/61 مگاوات توان ميباشد. با فرض ثابت ماندن ضريب 6 [ Bω B ] = 0.61 10 B 45.4 J s B بين اين شكل 13 : منحني سرعت روتورزمان در تست Shut Down 6.مدل نهايي استخراج شده و صحت سنجي جهت صحت سنجي مدل نهايي از تستهاي بارگيري از 300 به 310 مگاوات و تست كاهش بار سريع از 180 به 85 مگاوات استفاده شده است. منحني تغييرات بار واقعي و مقدار شبيه سازي شده توسط مدل در شكلهاي (14) الي (17) به همراه منحني تغييرات خطاي نسبي توان اراي ه شده است. نتايج انطباق بسيار مطلوب را نشان ميدهند. نتايج صحت سنجي نشان مي دهد كه حتي در تست سريع كاهش بار خطاي پيش بيني توان كمتر از %1.5 است و مدل دقت مناسبي در پيش بيني توان توليدي دارد. P loss = ω. 1 = 310 شكل 1 : منحني مربوط به دبي بخار در تست Shut Down شكل 14 : شبيه سازي مدل سيستم كنترلي در تست افزايش بار( 300 مگاوات) 6
همچنين اين مدل ميتواند بعنوان شبيه ساز توربين واحد (در زمان اتصال به شبكه) مورد استفاده واقع شود. شكل 15 : خطاي نسبي مدل سازي توان در تست افزايش جدول : نتايج بدست ا مده از تست براي پارامترهاي سيستم توربين مقدار 19 /65 0 /1 0 /3 0 /05 7 /4 0 /1 0 /15 0 /9 0 /9 0 /1 0 /1 7 /9 0 /014 5335 واحد j.s پارامتر KRgv TRgv TRSV TR1 TR TR3 TR4 KR1 KR KR3 KR4 TR5 B(p.u.) J Kg.mP شكل 16 : نتيجهي شبيهسازي در تست كاهش بار سريع( 85180 مگاوات) منابع [1]. IEEE Committee Report, dynamic models for steam and hydro turbines in power system studies, IEEE Trans, power App. Syst.,vol PAS 9, no.6, 19041915,Nov./Dec.1973 []. IEEE Working group Report, Dynamic models for fossil fueled steam units in power system studies, IEEE Trans. Power Syst.,Vol.6, no.,pp.753761,may 1991. [3]. B. Vahidi, M.R.B. Tavakoli, W. Gawlik, Determining Parameters of Turbine's Model Using Heat Balance Data of Steam Power Unit for Educational Purposes, IEEE Trans. Power Systems, 007. [4]. M. Ažubalis, V. Ažubalis, A. Joaitis, R. Ponelis, Identification of model parameters of steam turbine and governor, Oil shale, Vol.6, No.3.Special, 009, pp.5468. [5] ا قاياري جعفر شهبازي باقر "شناسايي مدل ديناميكي توربين نيروگاه بخاري شهيد مفتح همدان" كنفرانس برق ا بان 1390. شكل 17 : خطاي نسبي در مدل سازي توان در تست كاهش بار بدين ترتيب تمامي پارامترهاي مربوط به بخشهاي مكانيكي و هيدروليكي توربين (شكل( 3 )) استخراج و نتايج بدست ا مده از تست براي پارامترها در جدول( ) ا ورده شده است. 7.نتيجه گيري در اين مقاله نتايج انجام تحليلها و تستهاي شناسايي مدل ديناميكي كنترلي توربين نيروگاه بخاري تبريز اراي ه گرديد و پارامترهاي مدل سيستم توربين گاورنر و روتور شناسايي گرديد و صحت سنجي انجام شده در بارگذاريهاي مختلف كه تحت سرعت بالاتر از حالت نرمال نيروگاه انجام گرفته مويد دقت مطلوب مدل ديناميكي استخراج شده است كه ميتواند در محدوده مختلف كاركرد واحد حتي در سرعتهاي بارگذاري بالا استفاده گردد و در مطالعات ديناميك شبكه برق كشور مورد استفاده قرار گيرد. [6] رسولي محمد "مدل سازي گاورنر واحدهاي نيروگاه بيستون " پژوهشگاه نيرو پژوهشكده برق گروه بهرهبرداري شبكه 138. [7] اسناد نيروگاه تبريز. [8]. Kundur, P. Power System Stability and Control, Mc.Graw Hill, New York, 1994. [9]. Power System Simulator PSS/E, Program Operation Manual, Power Technologies, Inc., New York, USA. [10] ا قاياري جعفر شهبازي باقر "مدلسازي ديناميكي كنترلي و رويه تست توربين و بخش مكانيكي گاورنر نيروگاه بخاري تيريز " پژوهشگاه نيرو پژوهشكده برق گروه ماشينهاي الكتريكي.1389 7