CN103216282B - 基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火电机组的调峰技术领域，具体涉及一种基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统与方法。该系统包括高压缸、中压缸、低压缸、发电机、凝汽器、循环水泵、控制系统、凝结水泵、锅炉、循环水泵电机执行单元，其特征在于，还包括背压连续调节系统。该方法包括以下步骤：步骤1：控制系统中的逻辑判断单元判断本机组所处的工作情况；步骤2：背压保护子系统进入执行阶段；步骤3：最佳背压子系统进入执行阶段；步骤4：变负荷控制子系统执行阶段。对于湿冷机组来说，通过循环水流量的连续调节可改变机组背压并进而在一定程度上实现对机组的变负荷控制。因此，本发明可在一定程度上改善火电机组的变负荷运行特性及经济性。

Description

基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统与方法

技术领域

本发明属于火电机组的调峰技术领域，具体涉及一种基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统与方法。

背景技术

我国的能源结构布局中，火力发电占主导地位、匮乏平抑新能源电力随机波动性的电源。随着风电、太阳能发电等新能源电力的规模化开发利用，新能源电力消纳面临的问题和矛盾更加突出。为保障电力系统的安全、优质、经济运行，目前华北电网已出台了“华北区域发电厂并网运行管理实施细则”来考核并网发电厂的负荷、频率跟踪能力，若机组的跟踪能力达不到要求将对电厂实施高额的经济惩罚。因此，发展大型火电机组的调峰技术是我国解决能源电力问题的必由之路。

一直以来，火电机组的调峰问题主要依赖于机组的负荷控制系统（即协调控制系统），其基本原理即在保证机组稳定运行的前提下，通过主汽门调门的开度变化最大限度地利用锅炉侧的蓄热，快速响应电网侧的负荷要求。但锅炉侧的大滞后、大迟延特性使得炉侧的变化很难跟上汽机侧的调节，而且目前大参数火电机组均采用直流炉，其锅炉侧蓄热要远低于汽包炉，这更限制了火电机组实现大范围快速变负荷的能力。进一步改善火电机组的快速深度变负荷特性对于提高电网的稳定性、实现大规模新能源电力的接入具有十分重要的意义。

发明内容

本发明针对锅炉侧的大滞后、大迟延特性使得炉侧的变化很难跟上汽机侧的调节等不足，提出了一种基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统与方法。

一种基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统，其特征在于，该系统包括高压缸1、中压缸2、低压缸3、发电机4、凝汽器6、循环水泵7、控制系统15、凝结水泵16、锅炉8、循环水泵电机执行单元17和背压连续调节系统5，其中，

所述高压缸1、中压缸2、低压缸3、凝汽器6、凝结水泵16和锅炉8依次相连；

所述发电机4与低压缸3相连；

所述凝汽器6的循环水入口与循环水泵7的出水口相连，凝汽器6循环出水口与冷却水相连；

所述循环水泵7的进水口与冷却水相连，所述循环水泵7还与循环水泵电机执行单元17相连；

所述控制系统15、背压连续调节系统5及循环水泵电机执行单元17依次相连；

所述控制系统15由能量管理子系统9、分散控制子系统10和逻辑判断单元11组成，逻辑判断单元11分别与能量管理子系统9和分散控制子系统10相连；

背压连续调节系统5由背压保护子系统12、变负荷控制子系统13和最佳背压子系统14组成，背压保护子系统12分别与变负荷控制子系统13和最佳背压子系统14相连；

所述背压保护子系统12，通过接收所述分散控制子系统10输出的当前机组的实际负荷N(t)、循环水入口温度t_w1以及系统设定的背压上下限值计算得到循环水泵电机转速的上下限值；并将循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min送入最佳背压子系统和变负荷控制子系统，用于确保机组在运行过程中背压不超限来保证机组的安全运行；

所述逻辑判断单元11，根据能量管理子系统9输出的中调负荷指令N₀和分散控制子系统10输出的机组实际负荷N(t)，判断本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况还是变负荷运行工作情况；

所述最佳背压子系统13，当逻辑判断单元11的判断结果为稳定负荷运行工作情况时，最佳背压子系统13启动运行，接收背压保护子系统12传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，并从分散控制子系统10中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，用来计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt，并将计算得到的循环水泵转速的最佳转速α_opt，送入循环水泵电机执行单元17执行；

所述变负荷控制子系统，当逻辑判断单元11的判断结果为不稳定负荷运行工作情况时，接收背压保护子系统12传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，以及能量管理子系统下发的中调负荷指令N₀，并从分散控制子系统10中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，用来计算得出机组变负荷控制所需的循环水泵电机转速α_var，并将计算得到的电机转速α_var送入循环水泵电机执行单元17执行。

一种进行火电机组负荷控制的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：控制系统15中的逻辑判断单元11首先接收能量管理子系统9输出的中调负荷指令N₀和分散控制子系统10输出的机组实际负荷N(t)，根据公式

|N₀-N(t)|≤δ

判断本机组所处的工作情况，满足上述公式的本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况；不满足上述公式的本机组所处的工作情况是不稳定负荷运行工作情况，其中，δ为设定值；

步骤2：背压保护子系统根据能量管理子系统9输出的当前机组的实际负荷N(t)、循环水入口温度t_w1以及系统设定的背压上下限值，计算得到循环水泵电机转速的上下限值；并将循环水泵电机转速上限值α_max和转速下限值α_min送入最佳背压子系统和变负荷控制子系统；

步骤3：当逻辑判断单元11判断本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况时，执行步骤4；当逻辑判断单元11判断本机组所处的工作情况是不稳定负荷运行工作情况时，执行步骤5；

步骤4：最佳背压子系统进入执行阶段，最佳背压子系统接收背压保护子系统12传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，并从分散控制子系统10中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt，并将计算得到的循环水泵转速的最佳转速α_opt送入循环水泵电机执行单元执行；

步骤5：变负荷控制子系统进入执行阶段，接收背压保护子系统12传递过来的循环水泵电机转速上限值α_max和循环水泵电机转速下限值α_min，并从分散控制子系统10中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，从能量管理子系统9读入的中调负荷指令N₀，用于计算得出循环水泵的系统变负荷控制转速α_var，并将计算得到的系统变负荷控制转速α_var送入循环水泵电机执行单元17执行。

所述步骤2中背压保护子系统计算得出循环水泵转速的最大值α_max和转速的最小值α_min具体方法为：通过机组背压p_k与循环水泵电机转速α之间的非线性关系，求解以下隐式方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_k={\left(\frac{t_s+100}{57.66}\right)}^{7.46}\×9.8\×{10}^{-3}\\ t_s=t_{w1}+\frac{D_c(h_c-h_n)}{4.1868D_w}+\frac{D_c(h_c-h_n)}{4.1868D_w(e^{\frac{\mathrm{kA}}{4.1868D_w}}-1)}\\ (a-k_0)D_w^2+{\mathrm{bD}}_w+{\mathrm{c\α}}^2-H_0=0\end{array}\right.$

其中：t_s为凝汽器压力对应的饱和温度；t_w1为冷却水入口水温；D_c为汽轮机排汽量，在确定的汽轮机负荷工况下为定值；Δh=h_c-h_n为焓差，它表示1kg蒸汽所放出的热量，在确定的汽轮机负荷工况下一般为定值；D_w为变速循环水泵提供的循环水流量；k为总体传热系数，在确定的工况下一般为常数；A为凝汽器冷却面积；a，b，c为循环水泵特性曲线表达式的常数，k₀为循环水泵管路特性曲线表达式中的常数，H₀为循环水泵管路特性的净扬程。

计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt具体为：将机组汽轮机功率与循环水泵耗功率的差值作为目标函数，由寻优算法计算所述目标函数的最大值，及对应的最佳背压与循环水泵电机的最佳转速α_opt，其中机组汽轮机功率为P(t)=F(N(t),t_w1,α)，循环水泵的耗功率由泵在额定转速下的特性曲线与相似定律求得。

所述步骤4中变负荷控制子系统13，首先从分散控制子系统10读取当前的机组的实际负荷N(t)、与循环水入口温度t_w1，并根据接收到的背压保护子系统送入的循环水泵电机转速的上限值α_max和下限值α_min，变负荷控制子系统13中的负荷计算模块计算得到机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min；若负荷最大值N_max小于中调负荷指令N₀，转速值α₁=α_max，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α_max；当计算获得的机组变负荷运行负荷最小值N_min大于中调负荷指令N₀时，转速值α₂=α_min，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α_min；当中调负荷指令N₀恰巧位于上述机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min之间时，则仅根据循环水变速调节即能达到机组变负荷需求，由半分法可求得此时机组所需的变负荷控制转速α₃，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α₃。

本发明的有益效果：本发明可在一定程度上改善火电机组的变负荷运行特性及经济性。对于湿冷机组来说，通过调节循环水流量来调节机组背压，当机组采用变频循环水泵时，通过调节电机的转速来连续调节提供的循环水流量，进而连续改变机组背压；同时，由于循环水流量变化时，机组背压几乎是即时响应的，即改变循环水泵电机转速可以迅速地对当前的机组出力作出影响。因此，在保证机组背压在安全区工作的前提下，通过循环水流量连续调节在一定程度上实现机组的快速变负荷调节具有较高的可行性。

附图说明

图1为火电机组的功率背压特性曲线；

图2为背压参与机组负荷调节示意图；

图3为基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统结构示意图；

图4为系统实施的基本流程图。

其中，1-高压缸、2-中压缸、3-低压缸、4-发电机、5-背压连续调节系统、6-凝汽器、7-循环水泵、8-锅炉、9-能量管理子系统、10-分散控制子系统、11-逻辑判断单元、12-背压保护子系统、13-变负荷控制子系统、14-最佳背压子系统、15-控制系统、16-凝结水泵、17-循环水泵电机执行单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：

背压连续调节系统由变负荷控制子系统13、背压保护子系统12和最佳背压子系统14组成，如图3所示。其中，背压保护子系统12需保持时刻运行，变负荷控制子系统13与最佳背压子系统14为“二选一”运行，当机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况时，背压保护子系统12与最佳背压子系统14组合运行，以实现机组的安全经济运行；当机组有变负荷需求时，即当机组所处的工作情况是不稳定负荷运行工作情况时，背压保护子系统12与变负荷控制子系统13组合运行，在保证机组安全运行的基础上，尽可能提高机组的变负荷速率。

背压连续调节系统5的整个实现流程如图4所示，首先通过比较机组实际负荷N(t)与接收到的中调负荷指令N₀，判断当前是处于稳定负荷运行工作情况还是不稳定变负荷运行工作情况，当逻辑判断结果为稳定负荷运行工况时，则背压连续调节系统进入最佳背压子系统14执行；反之，则进入变负荷控制子系统13执行。

背压连续调节系统运行的基础是机组安全运行，因此，背压保护子系统需时刻运行。该系统中包含一个背压限幅模块，该模块的基本作用是根据所设置的背压上下限，并根据系统从分散控制子系统（DCS）中获得的机组当前的机组的实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1两个变量，计算获得循环水泵电机转速的上下限，并将该上下限值分别送入最佳背压子系统和变负荷控制子系统。如图2所示的最高背压容许上限即系统所设置的背压上限值，极限背压即系统所设置的背压下限值，要确保机组安全运行，其背压必须在图2所示的背压上下限内运行。

最佳背压系统中包含一个最佳背压寻优模块，该寻优模块实现的是一个非线性函数的连续寻优算法，该算法为智能算法（如遗传算法），其目标函数为机组汽轮机功率与循环水泵耗功率的差值。当该系统开始执行时，系统从机组的分散控制子系统DCS中读取机组当前的机组的实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，并接收背压限幅模块送入的循环水泵电机转速的上下限值，通过寻优算法获得电机的最佳转速，并将该值送入循环水泵电机的执行机构。如图2所示的最佳背压曲线即通过该寻优算法获得的机组在不同运行工况下的最佳背压值，该最佳背压值同时对应循环水泵电机的最佳转速，当机组在稳态工况下运行时，沿此最佳背压线运行可最大限度地达到节能降耗的目的。

变负荷控制子系统包含两个负荷计算模块和一个半分法计算模块。系统开始执行时，第一个负荷计算模块首先从分散控制子系统DCS中读取机组当前实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，并根据接收到的背压限幅模块送入的循环水泵电机转速的上下限值，计算获得机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min，若负荷最大值N_max仍小于中调负荷指令N₀，则证明从安全角度考虑，仅凭循环水变速调节无法达到中调要求，变负荷控制系统只能尽最大所能满足部分变负荷需求，即此时送入电机转速执行机构的转速值α₁为最大转速值α_max；同理，当计算获得的机组变负荷最小值N_min仍大于中调负荷指令N₀时，则将最小转速值α_min送入电机转速的执行机构，即α₂=α_min；当中调负荷指令N₀恰巧位于机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min之间时，则仅靠循环水变速调节即能满足机组变负荷需求，由半分法可求得此时机组所需的变负荷控制转速α₃，计算完毕后将该转速送入循环水泵电机的执行机构。以上三种情况在任意时刻有且仅有一种情况发生。如图2所示，当机组接收到的中调指令大于机组当前实际负荷时，则机组需要升负荷，此时机组可通过变负荷控制子系统提高循环水泵电机转速来降低背压进而达到机组升负荷的目的；反之，同理。

Claims (5)

1.基于背压连续可调的火电机组负荷控制系统，其特征在于，该系统包括高压缸(1)、中压缸(2)、低压缸(3)、发电机(4)、凝汽器(6)、循环水泵(7)、控制系统(15)、凝结水泵(16)、锅炉(8)、循环水泵电机执行单元(17)和背压连续调节系统(5)，其中，

所述高压缸(1)、中压缸(2)、低压缸(3)、凝汽器(6)、凝结水泵(16)和锅炉(8)依次相连；

所述发电机(4)与低压缸(3)相连；

所述凝汽器(6)的循环水入口与循环水泵(7)的出水口相连，凝汽器(6)循环出水口与冷却水相连；

所述循环水泵(7)的进水口与冷却水相连，所述循环水泵(7)还与循环水泵电机执行单元(17)相连；

所述控制系统(15)、背压连续调节系统(5)及循环水泵电机执行单元(17)依次相连；

所述控制系统(15)由能量管理子系统(9)、分散控制子系统(10)和逻辑判断单元(11)组成，逻辑判断单元(11)分别与能量管理子系统(9)和分散控制子系统(10)相连；

背压连续调节系统(5)由背压保护子系统(12)、变负荷控制子系统(13)和最佳背压子系统(14)组成，背压保护子系统(12)分别与变负荷控制子系统(13)和最佳背压子系统(14)相连；

所述背压保护子系统(12)，通过接收所述分散控制子系统(10)输出的当前机组的实际负荷N(t)、循环水入口温度t_w1以及系统设定的背压上下限值计算得到循环水泵电机转速的上下限值；并将循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min送入最佳背压子系统和变负荷控制子系统，用于确保机组在运行过程中背压不超限来保证机组的安全运行；

所述逻辑判断单元(11)，根据能量管理子系统(9)输出的中调负荷指令N₀和分散控制子系统(10)输出的机组实际负荷N(t)，判断本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况还是变负荷运行工作情况；

所述最佳背压子系统(14)，当逻辑判断单元(11)的判断结果为稳定负荷运行工作情况时，最佳背压子系统(14)启动运行，接收背压保护子系统(12)传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，并从分散控制子系统(10)中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，用来计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt，并将计算得到的循环水泵转速的最佳转速α_opt，送入循环水泵电机执行单元(17)执行；

所述变负荷控制子系统，当逻辑判断单元(11)的判断结果为不稳定负荷运行工作情况时，接收背压保护子系统(12)传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，以及能量管理子系统下发的中调负荷指令N₀，并从分散控制子系统(10)中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，用来计算得出机组变负荷控制所需的循环水泵电机转速α_var，并将计算得到的电机转速α_var送入循环水泵电机执行单元(17)执行。

2.一种使用如权利要求1所述的系统进行火电机组负荷控制的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

步骤1：控制系统(15)中的逻辑判断单元(11)首先接收能量管理子系统(9)输出的中调负荷指令N₀和分散控制子系统(10)输出的机组实际负荷N(t)，根据公式

|N₀-N(t)|≤δ

判断本机组所处的工作情况，满足上述公式的本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况；不满足上述公式的本机组所处的工作情况是不稳定负荷运行工作情况，其中，δ为设定值；

步骤2：背压保护子系统根据分散控制子系统(10)输出的当前机组的实际负荷N(t)、循环水入口温度t_w1以及系统设定的背压上下限值，计算得到循环水泵电机转速的上下限值；并将循环水泵电机转速上限值α_max和转速下限值α_min送入最佳背压子系统和变负荷控制子系统；

步骤3：当逻辑判断单元(11)判断本机组所处的工作情况是稳定负荷运行工作情况时，执行步骤4；当逻辑判断单元(11)判断本机组所处的工作情况是不稳定负荷运行工作情况时，执行步骤5；

步骤4：最佳背压子系统进入执行阶段，最佳背压子系统接收背压保护子系统(12)传递过来的循环水泵电机转速的上限值α_max和转速的下限值α_min，并从分散控制子系统(10)中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt，并将计算得到的循环水泵转速的最佳转速α_opt送入循环水泵电机执行单元执行；

步骤5：变负荷控制子系统进入执行阶段，接收背压保护子系统(12)传递过来的循环水泵电机转速上限值α_max和循环水泵电机转速下限值α_min，并从分散控制子系统(10)中读入实际负荷N(t)与循环水入口温度t_w1，从能量管理子系统(9)读入的中调负荷指令N₀，用于计算得出循环水泵的系统变负荷控制转速α_var，并将计算得到的系统变负荷控制转速α_var送入循环水泵电机执行单元(17)执行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中背压保护子系统计算得出循环水泵转速的最大值α_max和转速的最小值α_min具体方法为：通过机组背压p_k与循环水泵电机转速α之间的非线性关系，求解以下隐式方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_k={\left(\frac{t_s+100}{57.66}\right)}^{7.46}\×9.8\×{10}^{-3}\\ t_s=t_{w1}+\frac{D_c(h_c-h_n)}{4.1868D_w}+\frac{D_c(h_c-h_n)}{4.1868D_w(e^{\frac{\mathrm{kA}}{4.1868D_w}}-1)}\\ (a-k_0)D_w^2+b{D}_w+c{\mathrm{\α}}^2-H_0=0\end{array}\right.$

其中：t_s为凝汽器压力对应的饱和温度；t_w1为冷却水入口水温；D_c为汽轮机排汽量，在确定的汽轮机负荷工况下为定值；Δh＝h_c-h_n为焓差，它表示1kg蒸汽所放出的热量，在确定的汽轮机负荷工况下一般为定值；D_w为变速循环水泵提供的循环水流量；k为总体传热系数，在确定的工况下一般为常数；A为凝汽器冷却面积；a，b，c为循环水泵特性曲线表达式的常数，k₀为循环水泵管路特性曲线表达式中的常数，H₀为循环水泵管路特性的净扬程。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，计算得出循环水泵转速的最佳转速α_opt具体为：将机组汽轮机功率与循环水泵耗功率的差值作为目标函数，由寻优算法计算所述目标函数的最大值，及对应的最佳背压与循环水泵电机的最佳转速α_opt，其中，机组汽轮机功率为P(t)＝F(N(t),t_w1,α)，循环水泵的耗功率由泵在额定转速下的特性曲线与相似定律求得。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中变负荷控制子系统(13)，首先从分散控制子系统(10)读取当前的机组的实际负荷N(t)、与循环水入口温度t_w1，并根据接收到的背压保护子系统送入的循环水泵电机转速的上限值α_max和下限值α_min，变负荷控制子系统(13)中的负荷计算模块计算得到机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min；若负荷最大值N_max小于中调负荷指令N₀，转速值α₁＝α_max，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α_max；当计算获得的机组变负荷运行负荷最小值N_min大于中调负荷指令N₀时，转速值α₂＝α_min，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α_min；当中调负荷指令N₀恰巧位于上述机组变负荷运行的负荷最大值N_max和负荷最小值N_min之间时，则仅根据循环水变速调节即能达到机组变负荷需求，由半分法可求得此时机组所需的变负荷控制转速α₃，计算得出送入循环水泵电机执行机构的系统变负荷控制转速α_var为α₃。