CN102679314B - 超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界锅炉动态加速前馈信号的自适应校正方法。该方法可根据即时负荷偏差大小、温度随负荷和时间的变化率以及压力随负荷和时间的变化率，对超临界锅炉变负荷过程中的锅炉动态加速前馈信号进行智能自适应调整，同时根据中间点温度的安全裕量对其进行限幅，从而有效地提高了动态加速前馈信号补偿精准度，避免了过补偿及锅炉超温现象的发生。

Description

超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法

技术领域

本发明涉及一种热工控制技术，尤其涉及一种超临界锅炉模拟量控制系统中的锅炉动态加速前馈功能的自适应校正方法。

背景技术

目前，国内外新建的火力发电机组绝大多数都采用了更加高效环保的超临界机组。而超临界机组和以往亚临界机组最大的不同之处在于锅炉，水与水蒸汽工质本身的热物理特性决定了超临界机组只能采用直流锅炉。与汽包锅炉相比较，直流锅炉的工质完全依靠给水泵的压头一次性通过各受热面，各段受热面之间没有像汽包那样固定的汽水分界点。所以当燃水比失调后，各受热面吸热量比例会发生变化，对出口汽温影响很大。同时，现代超临界火力发电机组一般都设计采用变压运行方式。这时，锅炉工质会从亚临界变化到超临界状态。在亚临界时，工质的加热区段有热水段，蒸发段和过热段；随着锅炉运行压力升高，汽化潜热减少，当运行参数达到或超过临界点(压力22.115MPa、温度374.15℃)时，水直接变为蒸汽，汽化潜热变为零，锅炉内的工质不再有汽液两相共存的蒸发段。因此，超临界变压运行锅炉在不同负荷工况下，其工质的物性会发生显著变化。这种非线性很大程度上直接影响和决定了超直流锅炉的运行控制特性。而且，直流锅炉的蓄热系数和惯性明显比汽包锅炉小，主要控制参数的变化速率和波动幅度也要比汽包锅炉大得多。各主要运行参数之间具有更明显的强耦合和非线性特性。直流锅炉这种复杂的控制特性也决定了其控制策略必须根据锅炉的热力学机理、结构特性和自动调节理论更精确地确定各控制回路之间的静态校正、动态补偿和解耦控制方案。

为了维持锅炉出口额定温度，燃水比是直流锅炉运行调节中一个至关重要的参数，因此现有的直流锅炉控制系统设计中锅炉给水和燃烧控制回路也按照哪一侧直接接受锅炉主控指令和另一侧通过燃水比校正区分为以水为基础(又称为煤跟水)或以煤为基础(水跟煤)方式(由于我国绝大多数大型电站机组都为燃煤机组，因此常以燃煤一词来代表燃料)。

上世纪末及本世纪初，我国上海、东方、哈尔滨等主要电站设备制造集团先后从国外引进了超临界火力发电机组的设计和制造技术。1992年，我国第一台超临界参数火力发电机组在上海石洞口二厂投入商业运行。截止2011年底，我国投产的超临界机组已逾数百台，百万等级超超临界机组也达到了40余台，数量已居世界第一。

尽管我国在超临界火力发电设备的生产制造和超临界机组的基建运行等方面已经积累了越来越多的经验，逐步缩小了与世界先进水平的距离，但在一些关键技术的自主设计和自主创新能力方面与世界上先进技术国家仍然存在着相当的差距。如从机组的自动控制功能看，尽管大多数超临界机组的控制策略设计都是由国内厂商自主完成设计和工程服务，但大多仍是完全按照国外锅炉技术支持厂商提供的典型图纸进行参照设计，许多方面并不能完全满足国内机组运行实际的需要。

对上锅、东锅、哈锅分别从法国阿尔斯通APBG和美国阿尔斯通APUS、日立巴布科克BHK和日本三菱重工MHI、英国三井巴布科克MBEL(现为斗山巴布科克)技术引进的几种在国内应用最多的超(超)临界锅炉的控制策略进行对比分析可以看出，其中，阿尔斯通Alstom和MBEL的超临界锅炉控制策略采用的是水跟煤模式，并采用了以蒸发受热面焓增来进行燃水比校正，代表了欧洲锅炉制造厂商侧重于利用锅炉机理来进行控制回路补偿的风格。MHI和BHK提供的超临界锅炉控制策略设计则采用的是煤跟水方式，MHI通过水燃比来控制汽水分离器入口工质的微过热度，并且把每一受热面(后烟道后墙水冷壁入口及一、二、三和末级过热出口)的温度偏差加起来作为水燃比校正回路的前馈信号；BHK则采用了屏式过热器出口温度即中间点温度进行水燃比校正。而MHI和BHK等日本公司的一个设计特点就是在燃料、送风、给水等控制回路采用了并行的锅炉输入指令(Boiler Input Demand，BID)和锅炉输入动态加速前馈(Boiler Input Rate，BIR)。BIR信号设计为在稳态时不起作用，负荷变化时每个调节回路及加、减负荷等不同模式下的BIR时间常数都不相同，可以满足机组在负荷快速变化时各子系统间的动态平衡。由于BIR的动作特性需要经过大量的实际试验才能精确确定，而且机组运行工况变化时，BIR补偿作用的快慢、强弱也必须随之改变。

从第一批投产的超(超)临界锅炉的运行控制情况看，由于国内超(超)临界机组普遍存在基建时间偏短、试运行试验安排少的实际情况，相当多的超(超)临界机组的BIR功能都未能仔细地进行试验和整定，并没有起到原设计的效果。也有一些电厂在投产后陆续对BIR环节进行了调整，并在机组参与AGC和一次调频时起到了较好的作用^[1]～[4]。实践证明，BIR设计思想是一种充分适合直流锅炉单元机组特点的控制策略。即使是对欧洲厂商的超临界锅炉控制策略设计，BIR也是一种能够进一步改进其AGC和一次调频性能的有效方法。但前提也是必须设法提高BIR对不同调节回路和工况变化时的补偿精准度。

随着国内区域电网进一步推行“两个细则”，对火力发电机组的控制性能和控制品质提出了更高的要求，电网AGC的需求特性和机组侧响应能力间的矛盾也就变得更加突出。而高参数、大容量的超临界机组在参与AGC和一次调频时，既要满足电网快速响应的要求，又要同时兼顾其自身的运行参数稳定和金属材料等方面的允许裕度。因此，本发明申请人在所承担的上海市技术引进与创新计划项目中，针对目前国内超临界机组运行的实际需求，提出了一种采用自适应校正来提高超临界锅炉模拟量控制系统中的锅炉动态加速前馈补偿精准度的优化控制方法。

参考资料：

[1]王远平，傅望安，时标，王利国.华能玉环电厂4×1000MW超超临界机组燃水比控制策略[J].电力设备，2008，9(1)：8-12.

[2]赵松烈.三期机组协调控制系统设计和改进[C]／／全国火电600MWe级机组能效对标及竞赛第十四届年会论文集：450-457，中国电力企业联合会，2010.昆明.

[3]张传胜.1000MW超超临界机组自动控制系统研究与分析[J].华电技术，2008，30(7)：1-5.

[4]张秋生，梁华，胡晓花，李生光，刘潇.超超临界机组的两种典型协调控制方案[J]中国电力，2011，44(10)：74-79

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，针对目前电网对超临界机组参加AGC自动和一次调频的高性能要求，提出了一种具备自适应校正能力的锅炉动态加速前馈回路BLR的实现方法。

在超临界锅炉模拟量调节系统的机组主控(1)接受中调指令(51)并经逻辑处理后形成机组指令信号(11)；而汽机主控(10)和锅炉主控(2)分别调节机组的功率(50)和机前压力(52)；同时，锅炉主控(2)还将输出锅炉给水调节回路(12)、锅炉燃料调节回路(14)、锅炉风量调节回路(15)的并行控制指令；其中锅炉给水调节回路(12)直接接受锅炉主控(2)的控制指令，并经过水燃比(3)和中间点温度校正(4)，以及氧量校正(5)和风煤交叉连锁(13)分别形成锅炉燃料调节回路(14)和锅炉风量调节回路(15)的控制指令；锅炉出口过热主汽温调节器(6)、喷水减温调节器(16)为一串级调节回路；在锅炉给水调节回路(12)、锅炉燃料调节回路(14)、锅炉风量调节回路(15)和喷水减温调节器(16)中分别设计有锅炉动态加速前馈(7)以加快锅炉在变负荷工况的响应能力以及对各调节回路之间的动态特性差异进行补偿。

本发明在上面所述的锅炉动态加速前馈(7)模块中增加了一个自适应校正模块8，该模块可对锅炉动态加速前馈(7)的增益校正系数(81)和速率校正系数(82)进行在线自适应调整，具体是按以下方法步骤实现的：

步骤(1).自适应校正模块(8)设计为根据机组指令信号(11)实现对锅炉动态加速前馈(7)增益校正系数(81)的负荷非线性修正；

步骤(2).自适应校正模块(8)设计为根据锅炉特征点温度(53)的偏差(67)及其变化率(75)、以及锅炉特征点温度(53)的偏差(67)及其变化率(75)与机组负荷偏差(66)的函数实现对锅炉动态加速前馈(7)增益校正系数(81)的修正，并根据锅炉特征点温度偏差(67)对增益校正系数(81)进行限幅；

这里，锅炉特征点温度(53)可以取为超临界锅炉中间点温度，或者取为锅炉过热器出口蒸汽温度；在二次再热锅炉中，还能取为锅炉一或二次再热器的出口蒸汽温度；或者将所述的锅炉特征点温度(53)的偏差(67)设计为前述各温度偏差的函数，如锅炉中间点温度偏差、过热器出口蒸汽温度偏差以及再热器出口蒸汽温度偏差的一个线性加权函数。

当分散控制系统DCS可以实时计算水和水蒸汽焓值时，上述锅炉特征点温度(53)信号也能以锅炉相应受热面进出口焓差信号代替，如取为锅炉蒸发受热面进出口焓差；或者所述的锅炉特征点温度(53)的偏差(67)也能够设计为锅炉蒸发受热面进出口焓差及过热受热面进出口焓差、一、二次再热器进出口焓差与对应设定值之间偏差的线性加权函数，采用焓差信号能够进一步适应超临界锅炉变压运行的特点。

步骤(3).自适应校正模块(8)设计为根据机前压力偏差(60)及其变化率(70)、以及机前压力偏差(60)及其变化率(70)与机组负荷偏差(66)的函数实现对锅炉动态加速前馈(7)速率校正系数(82)的修正。

锅炉动态加速前馈(7)和自适应校正模块(8)可全部由分散控制系统DCS的标准控制算法组态生成，并以宏模块形式应用于各个调节回路和加、减负荷的不同运行模式；每个调节回路或不同运行模式中的锅炉动态加速前馈(7)和自适应校正模块(8)的算法参数均可分别进行调整。

自适应校正模块(8)还可以采用C语言编程，并作为分散控制系统DCS的扩充算法模块运行于分散控制系统DCS的过程控制器或人机接口站，该算法模块除与锅炉动态加速前馈模块7之间具有双向数据接口之外，还包括一个可在分散控制系统DCS人机接口站运行的调整界面，以完成每个调节回路或不同机组运行模式下扩充算法模块的参数在线调整。

同时还要指出的是，上述方法同样也能设计用于亚临界汽包锅炉控制系统的锅炉动态加速前馈(7)的在线校正；在应用于亚临界汽包锅炉控制系统的锅炉动态加速前馈(7)时，步骤(2)所述的锅炉特征点温度(53)取为锅炉过热器出口蒸汽温度；并且步骤(3)所述的机前压力(52)还能以汽包压力代之。

本发明的有益效果是与现有的技术相比，设计采用了锅炉动态加速前馈BLR的自适应补偿，考虑了各个调节回路在运行工况变化和不同的运行模式下对锅炉动态加速前馈功能的即时修正，从而提高了锅炉动态加速前馈的补偿精准度，有效地提高了超临界锅炉的动态响应特性和控制参数的稳定性。

附图说明

附图1是应用本发明方法的控制功能方框图；

附图2是本发明的BIR功能控制作用示意图；

附图3是应用本发明方法组态实现的控制逻辑实例图。

具体实施方式

下面结合附图1～图3来对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施并给出了具体的实施方式和系统结构，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

某电厂1000MW超超临界火力发电机组锅炉采用的是上海锅炉厂有限公司引进Alstom技术设计制造的超超临界参数燃煤塔式直流锅炉，汽轮机为上汽西门子公司生产的超超临界一次中间再热凝汽式汽轮机，单元机组分散控制系统DCS采用了美国艾默生公司的Ovation系统。

现采用本发明方法在Ovation系统中对原Alstom典型设计的燃煤超超临界锅炉控制策略的锅炉燃烧、给水、汽温等控制逻辑进行了优化修改，分别增加了锅炉动态加速前馈信号BLR以改善机组对电网AGC和一次调频的响应能力(附图1)，其控制作用见附图2。同时，BLR信号采用了本发明提出的自适应校正方法以获得更为精准的调节效果(本实施例的DCS控制逻辑见附图3)，可根据实际运行的机组负荷、机前压力和中间点温度变化和不同调节回路和不同运行模式下的锅炉被控对象的静动态特性差异，即时调整各个BLR信号的幅度和速率，以实现更为精准的动态补偿。

在本实施例中，锅炉动态加速前馈7和自适应校正模块8全部由Ovation系统的标准控制算法组态生成，并以宏模块形式应用于各个调节回路和加、减负荷的不同运行模式；每个调节回路或不同运行模式中的锅炉动态加速前馈BLR和自适应校正模块的算法参数均可分别进行调整。

超超临界锅炉模拟量调节系统的机组主控1接受中调指令LDC并经逻辑处理后形成机组指令信号ULD；而汽机主控10和锅炉主控2分别调节机组的功率NT和机前压力PT；汽机主控10的控制指令将输出至汽机控制系统9；同时，锅炉主控2还将输出锅炉给水调节回路12、锅炉燃料调节回路14、锅炉风量调节回路15的并行控制指令；其中锅炉给水调节回路12直接接受锅炉主控2的控制指令，并经过水燃比3和中间点温度校正4，以及氧量校正5和风煤交叉连锁13分别形成锅炉燃料调节回路14和锅炉风量调节回路15的控制指令。而锅炉出口过热主汽温调节器6和喷水减温调节器16为一串级调节回路。

在锅炉给水调节回路12、锅炉燃料调节回路14、锅炉风量调节回路15和过热汽温串级调节回路16中分别设计有锅炉动态加速前馈模块7以加快锅炉在变负荷工况的响应能力以及对相互之间的动态特性差异进行补偿。

锅炉动态加速前馈模块7在稳态时不起作用，当中调指令50对机组的指令发生变化时，其与机组指令11的偏差△D和机组指令11的微分信号24都会出现变化，这时机组变负荷逻辑中的算法41、42、43、44、47会激活BIR功能，即切换算法27将被BIR逻辑输出48切换至微分算法24的输出，其与偏差△D算法23的非线性输出25的乘积26输入到BIR动作形成算法：增益非线性函数31、增益单向限幅32、33、速率非线性函数34、增益校正35、速率校正36和速率算法37，其动作原理见附图2。在本实施例中，该BLR模块作为DCS宏模块分别组态于不同的调节回路中，而不同的BLR的输出将作为动态前馈作用于给水调节回路12、燃料调节回路14、风量调节回路15和主汽温串级调节回路16。

采用本发明的方法在锅炉动态加速前馈模块7中设计了一个自适应校正模块8，该模块可对锅炉动态加速前馈7的增益校正系数G和速率校正系数V进行在线自适应调整，具体是按以下方法步骤实现的：

步骤(1).锅炉动态加速前馈模块7的增益校正系数G可由自适应校正模块8根据机组指令信号11实时进行负荷的非线性修正73；

步骤(2).锅炉动态加速前馈信号模块7的增益校正系数G可由自适应校正模块8根据锅炉中间点温度偏差67(即设定的中间点温度限值63和实际中间点温度53之差△TM)及其变化率75，以及锅炉中间点温度53的偏差67与机组负荷偏差66(即机组指令11和实发功率51之差△NT)的比率74实时进行汽温的非对称修正77，即根据d△TM／dt和△NT／△TM的变化方向和变化速率改变增益校正系数G；

步骤(3).锅炉动态加速前馈模块7的增益校正系数G可由自适应校正模块8根据锅炉中间点温度53的偏差67的非线性函数78进行汽温限幅，即当中间点温度超过限值时，小选算法79将限制步骤(2)的增益汽温修正77朝可能导致中间点温度想继续越限的方向变化，并与步骤(1)的负荷非线性修正73的乘积80形成增益校正系数G的输出81，即在本实施例中：

G=min((d△TM／dt×△NT)／△TM±△TM)，f(△TM))×f(ULD)

步骤(4).锅炉动态加速前馈模块7的速率校正系数V可由自适应校正模块8根据机前压力偏差60(即机前压力定值62与实际机前压力52之差△PT)及其变化率70，以及机前压力偏差60与机组负荷偏差66的比率68实时进行汽压的非对称修正71、72，该功能将根据d△PT／dt和△NT／△PT的变化方向和变化率改变速率校正系数V，在本实施例中：

V=(d△PT／dt×△NT)／△PT±△PT

根据上述步骤实时计算出的增益校正系数81和速率校正系数82将分别输出到BLR宏算法模块的加法器35、36，完成对应BIR的自适应校正。

Claims (5)

1.一种超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法，其中，超临界锅炉模拟量调节系统的机组主控(1)接受中调指令(51)并经逻辑处理后形成机组指令信号(11)；而汽机主控(10)和锅炉主控(2)分别调节机组的功率(50)和机前压力(52)；同时，锅炉主控(2)还将输出锅炉给水调节回路(12)、锅炉燃料调节回路(14)、锅炉风量调节回路(15)的并行控制指令；其中锅炉给水调节回路(12)直接接受锅炉主控(2)的控制指令，并经过水燃比(3)和中间点温度校正(4)，以及氧量校正(5)和风煤交叉连锁(13)分别形成锅炉燃料调节回路(14)和锅炉风量调节回路(15)的控制指令；锅炉出口过热主汽温调节器(6)、喷水减温调节器(16)为一串级调节回路；在锅炉给水调节回路(12)、锅炉燃料调节回路(14)、锅炉风量调节回路(15)和喷水减温调节器(16)中分别设计有锅炉动态加速前馈(7)以加快锅炉在变负荷工况的响应能力以及对各调节回路之间的动态特性差异进行补偿，其特征在于：所述的锅炉动态加速前馈(7)还包括一个自适应校正模块(8)，以实现对锅炉动态加速前馈(7)的增益校正系数(81)和速率校正系数(82)的在线自适应控制，具体是按以下方法和步骤实现的：

步骤(1).自适应校正模块(8)设计为根据机组指令信号(11)实现对锅炉动态加速前馈(7)增益校正系数(81)的负荷非线性修正；

步骤(2).自适应校正模块(8)设计为根据锅炉特征点温度(53)的偏差(67)及其变化率(75)、以及锅炉特征点温度(53)的偏差(67)及其变化率(75)与机组负荷偏差(66)的函数实现对锅炉动态加速前馈(7)增益校正系数(81)的修正，并根据锅炉特征点温度(53)的偏差(67)对增益校正系数(81)进行限幅；

步骤(3).自适应校正模块(8)设计为根据机前压力偏差(60)及其变化率(70)、以及机前压力偏差(60)及其变化率(70)与机组负荷偏差(66)的函数实现对锅炉动态加速前馈(7)速率校正系数(82)的修正。

2.如权利要求1所述的一种超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法，其特征在于：所述锅炉动态加速前馈(7)和自适应校正模块(8)均由分散控制系统DCS标准控制算法组态生成，并以宏模块形式分别应用于各个调节回路和加、减负荷的不同运行模式；每个调节回路或不同运行模式中的锅炉动态加速前馈(7)和自适应校正模块(8)的算法参数均能分别进行在线调整。

3.如权利要求1所述的一种超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法，其特征在于：所述的锅炉动态加速前馈(7)由分散控制系统DCS的标准控制算法模块组态生成，并以宏模块形式用于不同的调节回路或不同运行模式；自适应校正模块(8)则采用C语言编程，并作为分散控制系统DCS的扩充算法模块运行于分散控制系统DCS的过程控制器或人机接口站，该扩充算法模块除与对应的锅炉动态加速前馈(7)之间具有双向数据接口之外，还包括一个能在分散控制系统DCS人机接口站运行的调整界面，以完成每个调节回路或不同运行模式下扩充算法模块的参数在线整定。

4.如权利要求1所述的一种超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法，其特征在于：所述的锅炉特征点温度(53)为超临界锅炉中间点温度，或者为锅炉过热器出口蒸汽温度，或者为锅炉一、二次再热器出口蒸汽温度；或所述的锅炉特征点温度(53)的偏差(67)设计为前述各温度偏差的函数；或者以锅炉蒸发受热面进出口焓差信号代替；或者所述的锅炉特征点温度(53)的偏差(67)设计以锅炉蒸发受热面进出口焓差、过热受热面进出口焓差，以及一、二次再热器进出口焓差与对应设定值之间偏差的函数代之。

5.如权利要求1所述的一种超临界锅炉动态加速前馈的自适应校正方法，其特征在于：所述的自适应校正模块(8)设计用于亚临界汽包锅炉控制系统的锅炉动态加速前馈(7)的在线校正时；步骤(2)所述的锅炉特征点温度(53)取为锅炉过热器出口蒸汽温度；并且步骤(3)所述的机前压力(52)采用汽包压力代之。

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