CN101431310B - 循环流化床发电机组的协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种循环流化床发电机组的协调控制方法，该协调控制方法在原有直接能量平衡方法的基础上，减少了两级PID运算环节，并将锅炉和汽轮机作为一个整体考虑，增加了压力回拉及功率偏差运算模块回路，限制汽轮机调整门的动作速率；增加了功率前馈及压力前馈模块，将负荷点的变化量前移，这样可以弥补循环流化床锅炉的滞后特性；增加了Y1、Y2、Y3和Y4共四个折线函数，让复杂的动态特性在函数中加以体现，将强耦合的系统加以分解之后再整合，让机组的响应能力更快更稳定。循环流化床发电机组应用本协调控制方法后，不仅可以将偏差变化量提前，更主要的是缩短了锅炉作为一个大滞后环节的调整时间。

Description

循环流化床发电机组的协调控制方法

技术领域

本发明属于发电机组控制技术领域，尤其是一种循环流化床发电机组的协调控制方法。

背景技术

电力的正常供应离不开发电设备，而发电设备主要由锅炉、汽轮机、发电机、辅助设备及控制设备组成，其中最常用的锅炉是煤粉炉。发电机组的工作原理是：原煤经过给煤机进入锅炉燃烧，燃烧产生的热量被锅炉中循环的水吸收，水的温度超过饱和温度后变成水蒸气，水蒸气带动汽轮机高速旋转，被带动的发电机的闭合线圈在磁场作用下进行切割磁力线运动产生电能并输入电网。

控制设备根据调度中心的负荷指令(发电功率指令)对锅炉的给煤量和蒸汽压力进行调控以实现供电的平衡和蒸汽的平衡。为了对锅炉的给煤量和蒸汽压力进行调控，较常见的控制方法如图3所示，它是1957年由L&N公司提出的一种直接能量平衡控制方法；主要表达了锅炉的发热量与汽轮机的需求量之间的平衡，由于其良好的控制效果使该控制方法在煤粉炉发电机组中得到了全面的应用。该控制方法的控制过程是首先比较当前功率设定值与瞬时电网功率的偏差，经过两级PID(比例积分微分调节器)调整后的输出值控制汽轮机调整门的开大、减小或保持，使发电机输出功率增加、减小或保持，此时汽轮机机前压力发生变化，控制系统将变化的汽轮机机前压力与机前压力设定值进行比较，再将比较的结果经过两级PID调整后控制循环流化床锅炉给煤机转速增加、减小或保持，使汽轮机机前压力与汽轮机机前压力设定值平衡，所以从整个控制过程来看，它是一个动态平衡的过程，不仅能够响应电网频率变化的需求，而且能够维持发电机组内部蒸汽的供需平衡。

随着科技的进步，循环流化床锅炉以其燃烧高效率、低污染、燃料适应性广等优点正逐步取代传统的煤粉炉，循环流化床锅炉和煤粉炉的主要区别在于：煤粉炉的燃料进入炉膛后快速燃烧，而循环流化床锅炉燃料是煤粒，煤粒进入炉膛后分层燃烧，未燃烧完的煤粒通过循环又回到炉膛继续燃烧，整个燃烧时间较长，热容量比煤粉炉也大很多，但正是由于循环流化床锅炉内的煤粒为循环燃烧方式，使其燃烧特性是纯迟延大惯性，特别是其纯迟延时间在整个燃烧过程中占的比例较大，传统煤粉炉的燃烧迟延时间是4～6分钟，而循环流化床锅炉的燃烧迟延时间在16～22分钟以上，如果继续采用传统的直接能量平衡方法来控制循环流化床发电机组，会带来很大的扰动。随着锅炉容量的增大，床料增多，热惯性也同时变大，而控制也变的更困难。因此，循环流化床锅炉发电机组的控制除匹配好各工艺参数之间的关系以外，最重要的还是应从解决纯迟延大惯性着手考虑控制方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将蒸汽压力偏差和功率偏差交织在一起进行调节、能够快速响应电网频率变化、同时依据蒸汽压力偏差维持机组内部蒸汽供需平衡的循环流化床发电机组的协调控制方法。

本实用新型采取的技术方案是：

一种循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：其协调控制方法的步骤是：

(1).设定发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值，系统由手动运行切换至自动运行状态；

(2).检测电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值并存储；

(3).将发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值分别替换为已存储的电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值；

(4).将电网瞬时功率值、发电机输出功率设定值、汽轮机机前压力设定值与汽轮机机前压力值的差值共同输入到压力回拉及功率偏差运算模块处理；

(5).将压力回拉及功率偏差运算模块处理的结果与发电机输出功率设定值输入到PID1进行比较处理；

(6).PID1输出信号控制汽轮机调整门的开大、减小或保持；

(7).将汽轮机调整门的开大、减小或保持导致机前压力变化后的压力数值与汽轮机机前压力设定值共同输入到PID2进行比较处理；

(8).将PID2输出信号与发电机功率设定值和汽轮机机前压力设定值共同输入到功率前馈及压力前馈模块处理；

(9).功率前馈及压力前馈模块的输出信号控制循环流化床锅炉给煤机转速的增加、减小或保持；

(10).重复步骤(4)～步骤(9)，即完成循环流化床发电机组的协调控制。

而且，所述的压力回拉及功率偏差运算模块的处理流程是：发电机功率设定值经过滞后环节处理后的输出值一路输入至折线函数Y2处理，另一路与电网瞬时功率值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y3处理，另一路与折线函数Y1的输出值进行加运算，加运算的结果作为PID1的输入量。

而且，所述的PID1的比较处理流程是：PID1的一路等于零的输入量经过PID1内置函数运算后的输出值控制汽轮机调整门保持开度，PID1的一路大于零或小于零的输入量经PID1内置函数运算后的输出值与折线函数Y2的输出值做加运算，加运算的结果控制汽轮机调整门开大或减小。

而且，所述的PID2的比较处理流程是：汽轮机机前压力与汽轮机机前压力设定值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y1处理，另一路与折线函数Y3的输出值进行加运算，加运算的结果等于零时经PID2内置函数运算后的输出值控制循环流化床锅炉给煤机保持转速，加运算的结果大于零或小于零的输出值经PID2内置函数运算后的输出值作为功率前馈及压力前馈模块的一个输入量。

而且，所述的功率前馈及压力前馈模块的处理流程是：发电机功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力设定值经滞后环节处理后的输出值进行乘运算，乘运算的结果、发电机输出功率设定值的导函数dy/dx的输出值和PID2的一路输出值进行加运算，加运算的结果控制循环流化床锅炉给煤机转速的增大或减小。

而且，所述的折线函数Y1、Y2和Y3如下：

Y1＝k₁x+b₁       (I)

Y2＝k₂x+b₂       (II)

Y3＝k₃x+b₃       (III)

其中：

折线函数Y1中：k₁∈(0，1)，b₁∈[0，0.005)，x∈[0，3]；

折线函数Y2中：k₂∈(0，1)，b₂∈[0，0.1)，X∈[0，300]；

折线函数Y3中：k₃∈(0，1)，b₃∈[0，0.02)，X∈[0，300]。

而且，所述的折线函数Y4为

Y4＝k₄x+b₄         (IV)

其中：

折线函数Y4中k₄∈(0.003，0.005)，b₄∈[0，0.0001)，X∈[0，300]。而且，所述的PID1的内置函数为

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(V\right)$

其中：

u(t)是PID1的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是汽轮机调整门开度与发电机功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值的差值，汽轮机调整门开度与发电机功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

而且，所述的PID2的内置函数为

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(\mathrm{VI}\right)$

u(t)是PID1的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是循环流化床锅炉给煤机转速首先减去发电机输出功率设定值的导函数dy/dx，再减去发电机功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力相乘之后的数值，循环流化床锅炉给煤机转速、发电机输出功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值和汽轮机机前压力均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

而且，所述的滞后环节所使用的函数为

Y(n)＝K1*X(n)+K1*X(n—1)+K2*Y(n—1)        (VII)

其中：

K1＝T/(2LG+T)，K2＝(2LG—T)/(2LG+T)，

T为运算周期，缺省值为0.02秒；LG为滞后时间，通常设置在0～300秒之间；Y(n)为函数输出；X(n)为输入；X(n)为本周期输入，则X(n—1)则为上周期输入，Y(n—1)为上周期输出。

本发明的优点和积极效果是：

1.本协调控制方法在原有直接能量平衡方法的基础上，减少了两级PID运算环节，并将锅炉和汽轮机作为一个整体考虑，增加了压力回拉及功率偏差运算模块回路，限制汽轮机调整门的动作速率；增加了功率前馈及压力前馈模块，将负荷点的变化量前移，这样可以弥补循环流化床锅炉的滞后特性；增加了Y1、Y2、Y3和Y4共四个折线函数，让复杂的动态特性在函数中加以体现，将强耦合的系统加以分解之后再整合，让机组的响应能力更快更稳定。循环流化床发电机组应用本协调控制方法后，不仅可以将偏差变化量提前，更主要的是缩短了锅炉作为一个大滞后环节的调整时间。

2.本协调控制方法在PID1前增加了压力回拉及功率偏差运算模块，该模块中将机前压力的偏差按一定比例负方向加到汽轮机的控制回路中，利用的是汽轮机的响应速度快的特点，实现了蒸汽压力偏差的平衡并实现了循环流化床锅炉最直接最快速的调节。

3.本协调控制方法中采用发电机功率输出设定值与电网瞬时功率之间的偏差作为前馈，提高了快速响应一次调频的速度，在功率偏差增加时，利用汽轮机快速响应的特点，直接开大或关小汽轮机调整门，使压力随之快速变化。

4、本发明将压力偏差和负荷偏差交织在一起进行调节，不仅能够快速响应电网频率变化的需求，而且能够依据压力偏差的情况，维持机组内部供需平衡

附图说明

图1是本发明的简化流程方框图；

图2是本发明的详细流程方框图；

图3是现有技术控制流程方框图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种循环流化床发电机组的协调控制方法，其协调控制方法的步骤是：

(1).设定发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值，系统由手动运行切换至自动运行状态；

(2).检测电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值并存储；

(3).将发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值分别替换为已存储的电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值；

(4).将电网瞬时功率值、发电机输出功率设定值、汽轮机机前压力设定值与汽轮机机前压力值的差值共同输入到压力回拉及功率偏差运算模块处理。压力回拉及功率偏差运算模块的处理流程是：发电机功率设定值经过滞后环节处理后的输出值一路输入至折线函数Y2处理，另一路与电网瞬时功率值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y3处理，另一路与折线函数Y1的输出值进行加运算，加运算的结果作为PID1的输入量。

其中压力回拉及功率偏差运算模块中的折线函数Y1、Y2和Y3为：

Y1＝k₁x+b₁             (I)

Y2＝k₂x+b₂             (II)

Y3＝k₃x+b₃             (III)

其中：

折线函数Y1中：k₁∈(0，1)，b₁∈[0，0.005)，X∈[0，3]；

折线函数Y2中：k₂∈(0，1)，b₂∈[0，0.1)，X∈[0，300]；

折线函数Y3中：k₃∈(0，1)，b₃∈[0，0.02)，X∈[0，300]；

PID1的内置函数为：

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(V\right)$

u(t)是PID1的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是汽轮机调整门开度与发电机功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值的差值，汽轮机调整门开度与发电机功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

PID2的内置函数为：

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(V\right)$

u(t)是PID1的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是循环流化床锅炉给煤机转速首先减去发电机输出功率设定值的导函数dy/dx，再减去发电机功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力相乘之后的数值，循环流化床锅炉给煤机转速、发电机输出功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值和汽轮机机前压力均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

压力回拉及功率偏差运算模块和功率前馈及压力前馈模块中的滞后环节的函数为：

Y(n)＝K1*X(n)+K1*X(n—1)+K2*Y(n—1)(VII)

K1＝T/(2LG+T)，K2＝(2LG—T)/(2LG+T)，

T为运算周期，缺省值为0.02秒；LG为滞后时间，通常设置在0～300秒之间；Y(n)为函数输出；X(n)为输入；X(n)为本周期输入，则X(n—1)则为上周期输入，Y(n—1)为上周期输出。

(5).将压力回拉及功率偏差运算模块处理的结果与发电机输出功率设定值输入到PID1进行比较处理。PID1的比较处理流程是：PID1的一路等于零的输入量经过PID1内置函数运算后的输出值控制汽轮机调整门保持开度，PID1的一路大于零或小于零的输入量经PID1内置函数运算后的输出值与折线函数Y2的输出值做加运算，加运算的结果控制汽轮机调整门开大或减小。

(6).PID1输出信号控制汽轮机调整门的开大、减小或保持；

(7).将汽轮机调整门的开大、减小或保持导致机前压力变化后的压力数值与汽轮机机前压力设定值共同输入到PID2进行比较处理。PID2的比较处理流程是：汽轮机机前压力与汽轮机机前压力设定值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y1处理，另一路与折线函数Y3的输出值进行加运算，加运算的结果等于零时经PID2内置函数运算后的输出值控制循环流化床锅炉给煤机保持转速，加运算的结果大于零或小于零的输出值经PID2内置函数运算后的输出值作为功率前馈及压力前馈模块的一个输入量。

(8).将PID2输出信号与发电机功率设定值和汽轮机机前压力设定值共同输入到功率前馈及压力前馈模块处理。功率前馈及压力前馈模块的处理流程是：发电机功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力设定值经滞后环节处理后的输出值进行乘运算，乘运算的结果、发电机输出功率设定值的导函数dy/dx的输出值和PID2的一路输出值进行加运算和PID2的一路输出进行加运算，加运算的结果控制循环流化床锅炉给煤机转速的增大或减小。以及功率前馈及压力前馈模块中的折线函数Y4为：

Y4＝k₄x+b₄(IV)

其中：

折线函数Y4中k₄∈(0.003，0.005)，b₄∈[0，0.0001)，X∈[0，300]。

(9).功率前馈及压力前馈模块的输出信号控制循环流化床锅炉给煤机转速的增加、减小或保持；

(10).重复步骤(4)～步骤(9)，即完成循环流化床发电机组的协调控制。

本实施例中压力回拉及功率偏差运算模块、PID1、PID2和功率前馈及压力前馈模块的具体处理流程如图2所示。

Claims (10)

1.一种循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：其协调控制方法的步骤是：

(1).设定发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值，系统由手动运行切换至自动运行状态；

(2).检测电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值并存储；

(3).将发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值分别替换为已存储的电网瞬时功率值和汽轮机机前压力值；

(4).将电网瞬时功率值、发电机输出功率设定值、汽轮机机前压力设定值与汽轮机机前压力值的差值共同输入到压力回拉及功率偏差运算模块处理；

(5).将压力回拉及功率偏差运算模块处理的结果与发电机输出功率设定值输入到PID1进行比较处理；

(6).PID1输出信号控制汽轮机调整门的开大、减小或保持；

(7).将汽轮机调整门的开大、减小或保持导致机前压力变化后的压力数值与汽轮机机前压力设定值共同输入到PID2进行比较处理；

(8).将PID2输出信号与发电机输出功率设定值和汽轮机机前压力设定值共同输入到功率前馈及压力前馈模块处理；

(9).功率前馈及压力前馈模块的输出信号控制循环流化床锅炉给煤机转速的增加、减小或保持；

(10).重复步骤(4)～步骤(9)，即完成循环流化床发电机组的协调控制。

2.根据权利要求1所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的压力回拉及功率偏差运算模块的处理流程是：发电机输出功率设定值经过滞后环节处理后的输出值一路输入至折线函数Y2处理，另一路与电网瞬时功率值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y3处理，另一路与折线函数Y1的输出值进行加运算，加运算的结果作为PID1的输入量。

3.根据权利要求1所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的PID1的比较处理流程是：PID1的一路等于零的输入量经过PID1内置函数运算后的输出值控制汽轮机调整门保持开度，PID1的一路大于零或小于零的输入量经PID1内置函数运算后的输出值与折线函数Y2的输出值做加运算，加运算的结果控制汽轮机调整门开大或减小。

4.根据权利要求1所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的PID2的比较处理流程是：汽轮机机前压力与汽轮机机前压力设定值进行差运算，差运算的结果一路输入至折线函数Y1处理，另一路与折线函数Y3的输出值进行加运算，加运算的结果等于零时经PID2内置函数运算后的输出值控制循环流化床锅炉给煤机保持转速，加运算的结果大于零或小于零的输出值经PID2内置函数运算后的输出值作为功率前馈及压力前馈模块的一个输入量。

5.根据权利要求1所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的功率前馈及压力前馈模块的处理流程是：发电机输出功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力设定值经滞后环节处理后的输出值进行乘运算，乘运算的结果、发电机输出功率设定值的导函数dy/dx的输出值和PID2不等于零的输入值经过内置函数运算后的一路输出值进行加运算，加运算的结果控制循环流化床锅炉给煤机转速的增大或减小。

6.根据权利要求2所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的折线函数Y1、Y2和Y3如下：

Y1＝k₁x+b₁    (I)

Y2＝k₂x+b₂    (II)

Y3＝k₃x+b₃    (III)

其中：

折线函数Y1中：k₁∈(0，1)，b₁∈[0，0.005)，X∈[0，3]；

折线函数Y2中：k₂∈(0，1)，b₂∈[0，0.1)，X∈[0，300]；

折线函数Y3中：k₃∈(0，1)，b₃∈[0，0.02)，X ∈[0，300]。

7.根据权利要求5所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的折线函数Y4为

Y4＝k₄x+b₄    (IV)

其中：

折线函数Y4中k₄∈(0.003，0.005)，b₄∈[0，0.0001)，X∈[0，300]。

8.根据权利要求1或2或3所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的PID1的内置函数为

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(V\right)$

其中：

u(t)是PID1的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是汽轮机调整门开度与发电机输出功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值的差值，汽轮机调整门开度与发电机输出功率设定值经过折线函数Y2处理后的输出值均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

9.根据权利要求1或4或5所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的PID2的内置函数为

$u\left(t\right)=K[e\left(t\right)+\frac{1}{T_i}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}+T_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}]+\mathrm{FF}\left(t\right)---\left(\mathrm{VI}\right)$

u(t)是PID2的输出，e(t)表示输入，K是比例系数，T_i是积分时间常数，T_d是微分时间常数，t是时间，FF(t)是循环流化床锅炉给煤机转速首先减去发电机输出功率设定值的导函数dy/dx，再减去发电机输出功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值与汽轮机机前压力相乘之后的数值，循环流化床锅炉给煤机转速、发电机输出功率设定值经折线函数Y4处理后的输出值和汽轮机机前压力均为系统由手动运行切换至自动运行时刻的取值。

10.根据权利要求2或5所述的循环流化床发电机组的协调控制方法，其特征在于：所述的滞后环节所使用的函数为

Y(n)＝K1*X(n)+K1*X(n-1)+K2*Y(n-1)     (VII)

其中：

K1＝T/(2LG+T)，K2＝(2LG-T)/(2LG+T)，

T为运算周期，缺省值为0.02秒；LG为滞后时间，取值为0～300秒；Y(n)为函数输出；X(n)为本周期输入，则X(n-1)则为上周期输入，Y(n-1)为上周期输出。

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