测功法甩负荷试验及分析-冯伟忠

测功法甩负荷试验及分析Dynamometry-loadRejectionTestingandAnalysis上海外高桥发电厂　　冯伟忠　(上海200137)【摘要】　介绍了上海外高桥发电厂4号机组测功法甩负荷试验情况,对测功法和常规法两种试验进行了对比,分析了两者间的异同之处,并对以往文献中尚未述及的试验中出现的功率振荡现象进行了理论分析。【关键词】　测功法　常规法　甩负荷试验Abstract　InthisarticletheloadrejectiontestingusingdynamometryontheNo.4generatingunitinWaigaoqiaoPowerPlantisintroduced.Twokindsoftestingusingdynamometryandconventionalmethodarecompared,andthesimilaritiesanddif-ferencesbetweenbothareanalyzed.Finally,thepoweroscillationphenomenaocurringinthetest,notmentionedinthepreviousdocumentsaretheo-reticallyanalyzed.Keywords　dynamometry　conventionalmethod　loadrejectiontest1997年9月,外高桥发电厂4号机进行了测功法甩负荷试验。为对常规法和测功法进行比较,仍进行了常规法的50%和100%甩负荷试验。这次试验与以往不同之处在于,常规法的试验不单只是求取最高转速,而要求能精确的测得甩负荷后的转速飞升过程,从而能较准确地求取转子的转动惯量,以使测功法的计算准确性得到保证。1　试验简述1.1　试验方法外高桥发电厂4号机组为上海汽轮机厂和上海电机厂引进西屋技术生产的300MW单轴、双缸双排汽,电液调速(DEH)及水氢氢汽轮发电机组。末级叶片为905mm,电调系统具有OPC功能。本次测功法试验时,人为模拟“主开关跳闸”信号至DEH。由于OPC的作用,DEH迅速关闭高、中压调门。在此同时,除测量和记录常规甩负荷试验有关的参数外,还记录了发电机出口有功功率变化曲线。因试验前,已将OPC的作用时间设置值延长且不解除逆功率保护,故调门关闭后未再开启,约13s后,主开关跳闸,试验结束。1.2　试验仪器功率测量和记录的准确性、可靠性和尽可能小的惯性时间常数,对试验结果的计算和研判至关重要。为确保万无一失,本次试验采取了双重手段。一路为常规方法,记录电量变送器的出口电流(4～20mA),该变送器型号为PAR-11232B型安装式功率变送器,精度0.2级。为尽可能减小惯性时间常数,再请制造厂作了局部改进。在基本满足纹波系数要求的前提下,响应时间经测定达44ms。从实际使用效果来看较为理想。功率测量的另一路为微机系统,直接测量发电机CT、PT电流、电压(包括相角差),再间接计算功率曲线,该系统的采样频率达1800次/s,此方式的优点是几乎不存在惯性环节。从实际记录曲线来看,尚有干扰存在。但由于较容易剔除和处理,故其记录结果仍很有价值。为保证常规法转速飞升曲线记录的正确性,本次试验除仍沿用以往的常规方法(频率-电压转换及磁带记录等)外,还专门定制了一套微机转速记录装置。该装置能高精度、高速地记录转速飞升曲线,从实际使用情况来看,非常令人满意,在二次常规法试验中起到了关键作用。1.3　数据处理和测量结果1.3.1　数据处理为确保测量数据的真实性和处理结果的准确性,本次试验数据的处理、曲线的绘制等除公式由人工输入外,全部由计算机进行,以尽量避免人为因素。其中变送器输出电流经采样频率达1000次/s的计算机转换成数据系列后再进行处理。1.3.2　转动惯量的求取转动惯量的求取见附表。从二次常规法甩负荷所求得的转动惯量值非常接近,误差仅为1.1%。在实际应用(测功法)中,选用100%常规法试验所得之转动惯量值。—29—第31卷　　中　国　电　力　　1998年第6期附表　　转动惯量的求取负荷P/MW起始转速/r·min-1最高转速/r·min-1初始飞升速率/Δn·Δt-1转动惯量公式转动惯量/kg·m2时间常数/s147.03005.83062.5149.30P0(c30)2n0ΔnΔt298709.8268303.43004.73168.3311.74P0(c30)2n0ΔnΔt295379.7173　　注:表中“起始转速”为转动惯量计算取值点起始转速,和甩负荷初始转速略有不同。2　测功法计算2.1　测功法功率积分值2.1.1　功率变送器记录值积分(最大值)　A1(max)=∫T10P1(t)dt∑2670n=1P1(n)Δt|Δt=0.001s=1.68129×108　J2.1.2　计算机数采装置记录值积分(最大值)　A2(max)=∫T20P2(t)dt∑2623n=1P2(n)Δt|Δt=0.001s=1.6478×108　J注:　①上述积分值均采用计算机直接处理;②此次测功法甩负荷初始负荷值恰为300MW,故不必作修正。因功率变送器存在惯性环节,所得之值略偏大是正常的,故选用计算机数采积分值A2作为以下超速计算用数据较为合理。2.2　测功法超速计算为有利于技术分析,本次试验分别用基本公式[3]和IEC公式[1]进行计算。另外,为便于比较,将功率积分值折算成100%常规法甩负荷初始负荷值。A′2=A2×303.4300=1.6665×108　J2.2.1　用基本公式计算Δk1=2·A′2J+k20-k0或　Δn1=1800·A′2c2·J+n20-n0=1800×1.6665×108c2×29537+3004.22-3004.2=166.6r/min2.2.2　用IEC公式计算　　　Δk2=A′2Jk0或　　Δn2=900·A′2c2·J·n0=900×1.6665×108c2×29537×3004.2=171.3r/min2.2.3　误差计算常规法超速值:Δn0=nmax-n0=3168.3-3004.2=164.1r/min用基本公式误差　Δ1=Δn1-Δn0=166.6-164.1=+2.5r/min用IEC公式误差Δ2=Δn2-Δn0=171.3-164.1=+7.2r/min另外,考虑最大可能误差,选用功率变送器记录积分值,并用IEC公式计算,则可得:Δn′2=900·A1·303.4300c2·J·n0=900×1.68129×108×303.4300c2×29573×3004.2=174.7r/minΔ′2=Δn′2-Δn0=174.7-164.1=+10.6r/min上述结果在工程上都能满足要求。作为参考,转动惯量选用两次甩负荷所得平均值,并采用基本公式计算,可得:J′=J100+J502=29537+298702=29703.5kg·m2Δn1=1800·A′2c2·J′+n20-n0=1800×1.6665×108c2×29703.5+3004.22-3004.2=163.9r/min　　误差仅为　Δ1=Δn1-Δn0=163.9-164.1=-0.2r/min从上述计算可以看出,基本公式比之IEC公式有着较高的精度,这也验证了理论分析[3]。3　测功法各有关曲线比较分析3.1　测功法功率曲线记录的两种方式比较从图1中可以清晰地看出,由于变送器存在的惯性环节,记录曲线出现了迟后现象,造成曲线包络—30—1998年第6期　　中　国　电　力　　第31卷面积增大,从而导致了一定的正误差。本次试验所用之功率变送器经改进后的响应速度已高达44ms,因而其记录值积分误差仅为+2%。如果是常规变送器(响应速度240～400ms),则误差可能会达到不能接受之程度(见图6)。本次试验,变送器的改进方式是尽可能减小出口滤波电容之电容量。然而,这样做会导致其输出电流的纹波系数略为超标。不过,由于测功法在进行计算时,要进行积分运算,而纹波系数略大,只相当于在记录曲线中增大了绝对值仅为0.4%满度的高频(相对甩负荷曲线而言)分量,而高频周期分量对积分结果的影响为零,故这种改进方法是可取的。图1　两种测量方式记录曲线比较3.2　测功法换算飞升曲线和常规法曲线之比较由图2可见,测功法换算飞升曲线和常规法曲线并不相似,但在最高值附近却能很接近,这里的原因主要是由于测功法的试验曲线中出现了一个周期为0.7s的衰减振荡分量,使得测功法之换算飞升曲线出现了畸变,而衰减振荡分量对周期的定积分值很小,故最高转速仍能和常规法基本吻合。另外,从图2中还可以看出,用基本公式绘制的曲线比之用IEC公式绘制的曲线误差小。图2　两种飞升曲线比较3.3　测功法功率曲线分析本次试验测得发电机出口功率曲线如图3(计算机数采值),该曲线和人们想象的有所不同,中间出现了显著的衰减振荡分量。为能对其进行定性和定量分析,笔者对微机所记录之功率曲线进行了数学分析,得该曲线的拟合方程如下:图3　发电机出口功率曲线P(t)=P0　　　　　　　　　　　　0≤tt0∑4n=0Tn(t-t0)n　　　　　　　t0tt1C1e-T(t-tT)sin(k(t-tT)+c2)+C2e-U(t-tT)+C3e-V(t-tT)+C4　　　tt1说明:①第一时段;0≤tt0;直线段。②第二时段;t0tt1;初始功率下降段,用多项式进行表达。③第三时段;tt1;衰减振荡段。④式中所有未知参数均已求出。⑤该方程之曲线能和微机记录曲线几乎重合。对于第一、第二时段之曲线,人们很容易理解,而第三段曲线则不易想象。对上述方程中该时段之表达式进一步分析可以看出,式中第2、第3项实际上是高压缸和中低压缸的剩余蒸汽之功率衰减曲线。C2、C3为这二者的初值,而β、γ则分别是这二个分量的衰减系数。式中第4项是空载损耗分量,在转速不变时,该值为常数。问题是第1项这个衰减振荡分量从何而来。在此期间,高、中压调门关闭后再也没有开启过,当然也没出现过调速系统的振荡。3.4　衰减振荡产生分析经进一步分析,该振荡分量源于转子惯性力的存在。当同步发电机并网运行时,静子合成旋转磁场与转子合成旋转磁场间存在一相对夹角,即功率位移角δ。两磁场间可以看作存在弹性耦合。负荷增加时,该位移角δ增大,相当于把磁力线拉长,同理,负荷减小时,位移角也减小,可看作将磁力线缩短。当负载突然变化时,由于弹性的作用和转子转动惯量的存在,转子位移角δ不能立即达到稳定值,将引起振荡。在此期间,转子会围绕新平衡点时而加速,时而减速,并随着加、减速振幅的衰减,位移角逐步稳定于新的平衡点δ′。当发电机突然甩负荷时,新的目标平衡角δ=0,必然会出现较大振荡。发电机功角方程为:—31—第31卷　　测功法甩负荷试验及分析　　1998年第6期　图4　同步电机振荡机械模型P=mE0UXssinW式中　m——相数;E0——激磁电势;U——端电压;Xs——同步电抗;W——功率角。从方程中可见,当甩负荷(测功法)时,除功率角W之外,其它参数都没有发生变化,故上式可表示为:P=PmaxsinW,亦即在甩负荷的过渡过程中,主要是W的变化,其目标值是0。在以上机械模型图中,转子R在汽轮机驱动转矩∑Mr作用下,与电网S拉开一角度W1,当突然撤去转矩∑Mr时,转子R必然在弹性力的作用下被电网拉回。其夹角W将不断缩小。然而,在原平衡位置时,两者间没有相对速度,当W减小时,转子将减速,亦即两者间出现了相对速度。当W=0时,功率平衡了,但转子与电网间的相对速度达最大值,由于转子惯性力mr的存在,将使其越过平衡点继续运动,直至其相对速度能全部转为“弹性势能”。这时W2为负值。同理,发电机出口功率亦将出现负值。不过因转子阻尼线圈或等效阻尼线圈的存在,这种振荡的振幅会不断衰减,直至最后平衡。对于单极对转子,可用下述微分方程表述该运动。Jk0=d2Wdt2+Kk0dWdt+PsynsinW=Pd-P0式中　J——转子转动惯量;k——电网角速度;K——转子阻尼系数;W——功率角;Psyn——比整