CN1043193A - 发电设备的控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电设备控制方法及其控制系统，该控制方法是以功率步进式变化调节发电设备的，当预置功率有一个阶跃变化时，自动中止控制系统的动态部分，同时改变鼓风机容量和粉碎机的供煤量。本方法特别适用于信号的频率和功率可自动控制发电设备的控制系统，该设备包括：加煤机、粉碎机并带有相应的鼓风机、燃烧炉、蒸汽锅炉、汽轮机和发电机，发电机带有负载控制系统，包括功率控制系统和动力蒸汽压力控制系统。

Description

本发明涉及一种发电设备控制方法和一个发电设备控制系统，特别是适合于这样一种控制方式：用一个频率和功率自动控制信号使得发电设备的功率输出以步进方式变化。本发明所涉及的发电设备包括加煤机、粉碎机，特别是带有相应的鼓风机、燃烧炉、蒸汽锅炉、汽轮机和一台发电机组成，并带有负载控制系统，包括一个功率控制系统和动力蒸汽压力控制系统。

现有技术中众所周知的是波兰专利说明书第118，919号，其中一种发电设备的控制方法可用于使预置功率以步进方式变化，其关键在于输给粉碎机的煤量也以步进方式变化。人们熟知该系统的要点是产生一个步进控制信号来控制粉碎机的进煤量。该信号是由两个信号叠加而成，其中一个信号是反映蒸汽锅炉内蒸汽压力实际数值的信号，它在加法器中与另一个信号叠加;另一个信号是对应于发电机的输出功率步进式变化信号所产生的，它是前一个信号的二阶微分。

根据第118，919号的专利说明书，上面所说的这两个信号中的第一个信号假定它在最初以步进方式变化到一定数值，然后在控制对象响应的延迟时间T₀内线性地增加，与之相反第二个信号-即第一个信号的二阶微分，假定开始是以步进方式增加然后在T₀期间降为零。这两个信号经加法器叠加后作用于加煤机，该信号在开始阶段以步进方式增加然后在T₀期间保持恒定值，并以此决定煤的供给量，使之大大超过为保证预置功率值增大而必需的供煤量。此信号在T₀期间后降到另一个数值，该值决定粉碎机的供煤量以便得到所要求增加的输出功率。在上述的方法中，假定了功率的迅速增加在开始阶段的需求是由蒸汽锅炉内积累的热量来满足的。

第118，919号专利说明书中所述的方法具有严重缺陷，它没有考虑到燃烧炉供煤的延迟和在开始阶段利用蒸汽锅炉内积累的热量这一要求。预先确定的功率变化量引起加煤机供煤量几乎同时改变的这一事实意味着将煤从粉碎机传送到燃烧炉并将其中的热量用于蒸汽锅炉加热水的过程须持续足够长的时间。

这些变换会引起控制系统的进一步反应，这就导致发电设备中热平衡的时间延长并引起供电质量失调。这些不利因素限制了发电设备输出功率的可控范围在额定功率6%左右。上述方法的另一个缺点是那些伴随着预定值的改变以及在蒸汽锅炉内部的紊乱而产生的相同影响。这种方法现在只能在改变预定值的情形下正常运行，而在内部发生失调的情况下将会出现问题，这就会使已经存在的初始阶段的失调更加恶化，这对蒸汽锅炉和汽轮机使用寿命产生不良影响。

本发明的目标就是建立这样一种发电设备的控制方法：一方面使得我们能够对功率做较大的、尽可能快的变化，另一方面使我们在有任何内部失调的情况下尽可能缩短不平衡时间以阻止热参数的剧烈变动。

本发明的控制方法已达到这一目标。这个方法要点是：对于连续的发电机的输出功率是中止整个控制系统运行，而以步进式调节发电机输出功率时仅中止其动力部分的运行。这要求同时改变粉碎机的鼓风机输出，并使得改变量对应于相应的功率变化量，同时还要求粉碎机供煤量相应增大到不少于为得到所增加的功率所需供煤量的1.5倍。这一增加的功率是与步进方式增加的预置功率相对应的，然后超量煤逐渐减少到零。在至少达到预定的蒸汽锅炉输出热能的60%所需的时间后，功率控制器或其动力部分又重新启动运行。预置功率的变化而产生的扰动也会同时作用于汽轮机的控制阀，使其在不大于十秒钟的时间内立刻达到预定功率并保持额定功率直到发电设备达到热平衡状态。

根据本发明的控制系统，其特征在于将功率预置调节器输出信号送到功率控制器输入端和功率快速变化比例一微分控制的输入端，二者的输出端连接到一个功率控制加法器。上述加法器的输出控制加煤机，同时功率控制器的驱动是由来自功率预置调节器的一个微分信号来完成。功率控制器的一个输出端控制鼓风机的负载因数，第二个输出端使功率控制系统动力部分中止运行了一段时间。上述的功率控制装置包括一个极化继电器，它由信号12′的差分或改变量来驱动的，通过时间继电器发送出信号13′和16′来分别控制功率控制器和鼓风机控制装置。在特殊的设计中，上述各种功率控制装置将连到快速改变功率控制器输出端，从这里接收一个预置功率变化的差分信号。在另一个特殊设计中，上述提到的控制装置将通过一个独立的微分单元连接到功率预置调节器的输出端。

根据本发明的解决方法，功率预定值一旦发生变化，与加煤机配套的鼓风机风力就会加大，给锅炉提供更多的煤粉，这增加部分的煤粉来自粉碎机内积累的煤粉，这是一种附加效应，原因是空的粉碎机会装进更多的由加煤机供给的煤，而不会阻塞鼓风机风道，否则，这部分附加的煤就会在煤粉碎机中积累以至阻塞风路从而拖延给燃烧炉加煤的运输时间，也就会延长发电装置的不稳定时间。这种给燃烧炉快速提供增加煤量的办法防止了在蒸汽锅炉中过大的压力变化。在这期间由于功率控制系统或其动态部分是停止运行的，这使得供给的煤量改变能够等于由快速功率控制装置所确定的用煤量。

问题是适合于蒸汽锅炉内部失调运行期间的控制器已经被中止工作一段时间了，而且发电设备是受一个适合于步进方式改变功率的控制器控制的。内部的失调已经被一个为此而提供的控制器所消除，此控制器带有特殊的调节装置以改变锅炉的供煤量，这也导致了发电设备热参数的变化率减小。

综上所述，根据本发明，这套控制方法可以保持发电设备非常稳定的运行，同时可以迅速得到所控制的功率，使用这样迅速的可变电源将大大改进电力系统的稳定性。

本发明方法的实施例将在下面结合附图进行描述。图1表示预置功率信号;图2表示粉碎机的供煤量信号;图3表示鼓风机容量信号;图4表示功率控制器工作阶段;图5表示发电设备的功率图;图6给出了涡轮机前压力图;图7画出了在失调期间（见图6）的涡轮机功率;图8通过折算功率表示出涡轮机前压力变化。

根据本发明，该系统的主体通过一个实施方案的实例加以说明，即通过图9的方框图来说明，图10表示功率控制装置图，图11，12，13，14，15和16表示系统中各种信号的变化曲线，根据本发明，这些信号是伴随着步进式预置功率变化的。这些曲线的前一部分对应功率的增加，后一部分对应功率的减少。

根据本发明的方法，初始信号Y₁₁使得发电机获得输出功率E₁，此时，在单位时间内加煤机供煤量为Y₂₁，粉碎机中的煤粉是由供给粉碎机中单位时间内的风量Y₃₁供给锅炉的，由于存在反馈和功率控制，输出功率E₁可以维持恒定。发电装置欲改变E₁值的趋势，将由功率控制装置抵消，因此，举例来说，如果煤的热值减少了且导致E₁值下降时，控制系统将送给一个增加的供煤量Y₂，以便补偿热能的不足，此控制系统可维持E₁的值使其精度在±1%之内。

当从外部给发电设备发出一个指令：以步进方式使发电机输出功率增加至E₂，即E₂-E₁＝E，这将通过把信号Y₁₁+ΔY₁₁转送至控制系统来完成，其中ΔY₁₁值对应于输出功率E₁，且其变化可大于3%。

在所描述的方法中，信号Y₁₁+ΔY₁₁，这一瞬时出现的信号既可以关闭整个控制器的运行，也可仅关闭其动态部分，如图4所示。

同时信号Y₁₁+ΔY₁₁立即引起控制系统增加风机容量为ΔY₃₁，ΔY₃₁的值对应于进风量的增加，而这一增加量所占风机控制范围的比例又相当于信号Y₁₁的变化量ΔY₁₁。这种进风量的迅速改变，又导致这样一种结果：从粉碎机吹过的风不仅带走以前的供煤量Y₂₁而且也带走了增加了的且至今积累在粉碎机中的煤粉。这部分煤将在短时间内到达锅炉，以提供一部分增加的热能。在此期间，加煤机开始提供增加的煤量，即煤量将达到Y₂₁+2.5Y₂₁，这部分增加的煤量等于ΔY₂₁，对应于Y₂₂和Y₂₁之差，其中Y₂₂是为获得预定的发电机输出功率E₂所必须的煤量，Y₂₁是在信号Y₂₁出现之前的煤量。结果，随后供给粉碎机的煤量应增加1.5Y₂₁。然而，一旦达到Y₂₁的值，这个增加的量将被减少。由于前面提到的空气量从Y₃₁到Y₃₁+ΔY₃₁迅速增加，所供应的煤量将以较大的量Y₂₁+1.5Y₂₁+ΔY₂₁送到已经空了的粉碎机中，这种事前排空粉碎机的做法就可防止不良现象的发生，也就是避免由于过分填入煤而使得气流暂时受到阻塞。这部分增加的煤将立刻被吹进锅炉，然后由于粉碎机供煤量的增加就会使发电机的输出功率从E₁增加到E₂。当初始功率增加到至少0.6ΔE时，功率控制器或者它的动态部分将立即重新投入运行，并通过信号Y₁₁+ΔY₁₁开始控制以后的输出功率增长过程，从E₁到预定的值E₂。如图8表示，其中横轴代表功率Y₉，纵轴对应于涡轮机的蒸汽压Y₈。对应于额定功率Y_9N和额定压力Y_8N的各点均在图8中标明。Y₁₀点限定了由位于坐标原点最小控制值Y₉min点为另一端的控制范围。Y₈₁表示的这些变化过程是在发电设备处于滑动运行状况时所发生的变化，这是在蒸汽控制阀开启比值保持不变时的变化过程。

曲线Y₈₂表示因执行阀开启比例的大小对过程变化的影响。为了使这些变化维持在控制范围内，可行的办法是控制汽轮机的执行阀，即蒸汽阀。其计算式为

Y_8r＝Y_8ω-KΔY₉

这里0＜K＜ (Y₈N - Y₈P)/(△ Y₉)

Y_8r表示汽轮机前用功率表示的所需压力值，Y_8N是额定压力，Y_8P是汽轮机前为最小控制功率所对应的压力值，Y₉min是在图中曲线Y₈₁与纵坐标轴相交点。系数K是根据上述关系式所设的，Y₉表示控制区域，也就是ΔY₉＝Y_9N-Y₉min。根据本发明，系统中的加煤机1向粉碎机2供煤，由粉碎机将煤碾成煤粉，上述粉碎机还连接到鼓风机16，它将煤粉和空气吹入锅炉3，锅炉3产生的蒸汽通过控制阀4输向汽轮机5，从而驱动发电机6。信号8′表示在阀门4之前的蒸汽压力，被送到加法器8上。送给加法器的信号还有：压力预置调节器9的信号、发电机6输出功率信号通过非线性装置10和动态装置12。加法器8的输出信号通过压力调节器7传给控制阀4。

动态装置12与功率预置调节器11连接，将设定的发电设备输出功率的预期值信号12′传给装置12。为了功率快速变化，功率预置调节器11同时也与功率控制器13和14相接，而且是并联在功率预置调节器11的输出端上。功率控制器13的输出是连接在功率控制的加法器15上的，加法器15的输出控制加煤机1，从而传送信号15′。控制器14为了使功率迅速变化，也连接在上述加法器15上，并传输信号15′。同时，信号15′也从控制器14传给功率控制装置17，功率控制装置17的输出接在功率控制器13的输出端上并传输信号13′另一输出端接在鼓风机16上并传输信号16′，控制装置17包括预置功率微分计18，和两对接触器18₊、18_-。当控制变量设定值的微分值增加时，用一个通常的打开的触点18₊形成，当此微分值减小时常闭。通常由关闭的触点18_-形成。

此外，功率控制装置17包括两个时间继电器19、20，它们分别将信号16′送给鼓风机16和信号13′传给功率控制器13。

功率预置调节11传输的信号是确定发电机6输出功率设定值的信号。当从外部调节功率预置调节器11时，比如从中心功率分布系统传输一个如图11所示的阶跃状变化信号12′，信号再传给功率控制器13及控制器14，控制器14将信号12′进行比例-微分运算处理，形成信号15′，然后传给加法器15，最后信号传给加煤机1，从而改变供给粉碎机2的供煤量。如果输出功率值需增大时，则信号W₂使供煤量增加，以超过由原信号设定的达到新的功率设定值所需的供煤量。与此同时，信号12′也予先经过适当的微分处理后传给功率控制装置17。上述的微分值在控制器14内为了使功率迅速变化是很有效的。控制装置17产生的信号13′传给控制器13，并在信号13′存在的时间里关闭控制器13使之停止工作。同时，控制装置17产生的信号16′传给鼓风机16并立刻改变它的输出容量，在此之前，改变了加煤机1供给粉碎机2的煤量。

如果由信号12′预置值使得发电机6输出功率增大，则鼓风机16输出容量也立刻加大，将增量的煤粉吹入锅炉3，而这些超量的煤粉是在粉碎机2中积累的。在这段时间内信号13′关闭了控制器13，但是控制器接收到信号12′，一旦在信号13′消失之后，它会立刻与系统接通，并按接收到的信号12′的值使系统运转。

系统的运行过程情况也可借助图11至图16中的信号12′，15′，18′，13′的变化曲线进行分析。上述图中曲线关系表明，在t至t₁时间内，信号12增加时，这意味着发电机6的预置值增大，使得信号15′，13′，16′，18′发生变化。当t＜t₂，信号15′，13′，16′，18′和8′的变化也可以从图中看出。由于对发电机6预置了较小的输出功率，因而，此时的信号8′变小。在t₁＜t＜t₂时，也可以看出蒸汽机内部扰动引起信号变化。在系统瞬态中出现的由加法器8引起的两个扰动有助于加法器8电路的稳定性。

图10表示用于功率控制的预置调节器17的电路图。极化继电器18接收信号12′的微分信号，也就是接收控制器14的信号15′，结果，如果继电器18输出正值或负值微分信号，则时间继电器19和20进行工作，合上它们的触点19′和20′，导致产生使控制器13停止工作的信号13′。信号13′持续的时间由时间继电器19和20来决定。如果输出给继电器18的信号是正值微分信号，这表明发电设备的设定功率应增大，即，鼓风机16应立刻以阶跃状变化方式增大输出容量。然后，继电器18将合上触点18₊并产生一个正信号16′。

当输给极化继电器18的信号是负值微分信号时，上述极化继电器将合上触点18_-产生负信号16′，从而使鼓风机16的输出容量减小。

根据本发明的系统，发电设备的输出功率可迅速响应其预置值。从本说明书中可以看到这是很有效的。它是通过克服发电设备固有的对阶跃变化信号12′值的任一变化都有延迟作用的惯性来实现的。这个目标已经通过事先在加煤机输出容量增大之前，增大鼓风机输出容量和运用控制器13延迟响应作用的方法实现了。发电设备的惯性可以用临时切断控制器13对系统影响的办法来克服。否则，该惯性会引起对整个系统的干扰并且使克服系统的惯性成为不可能。发电设备对预置功率值的阶跃变化的快速响应是具有特殊意义的，如果发电设备与大电网连网时，可使大电网具有较大的灵活性。因此使用户可接收到高质量的电能。此外，有助于单独的发电设备包括上述大型电力系统节省燃料。

Claims (7)

1、一种以功率步进式变化的发电设备的控制方法，特别适用于具有自动频率和功率控制系统的发电设备，包括加煤机、粉碎机-配有相应的鼓风机的粉碎机、燃烧室、蒸汽发生器、汽轮机和一台发电机，该发电机带有自动负载控制系统；其特点在于：在运行中的电场功率控制系统中，当预置功率有一个步进式变化时，切断其中的动态部分，同时改变粉碎机的鼓风机容量，其改变量在控制范围内相应于预置功率的变化量，同时改变粉碎机的供煤量，其超量的供煤量是为产生重新设置的功率所必需，然后，超量的煤将减少至零，当达到热变换的百分之六十所需时间之后，上述功率控制系统将重新启动运行。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于：送给粉碎机供煤量的增加是按产生重新设置的输出功率所需供煤量的1.5倍，其衰减时间常数为Td＝6-t₀。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于：通过控制汽轮机控制阀门使功率变化，并在整个发电设备控制范围内满足下列计算式：

Y_8r＝Y_8N-K_ΔY₉

其中 0＜K＜ (Y 8 N - Y8 P)/(△ Y 9)

4、一种发电设备的控制系统，其输出功率以步进方式变化，特别适用于具有自动控制频率和功率信号的发电设备，该发电设备包括：加煤机、粉碎机，并带有相应鼓风机的粉碎机、燃烧室、蒸汽发生器、汽轮机和发电机并配有自动的负载控制系统;其特征在于：功率预置调节器11的输出信号供给功率控制器13的输入端，也供给迅速改变功率的比例-微分控制器14的输入端，将上述输出端连接一个功率控制加法器15，加法器15的输出控制加煤机1，功率控制器的控制装置17由一个微分信号驱动，该信号由功率预置点调节器11提供，通过其输出端控制粉碎机负载额，并由另一控制端在规定时间内切断功率控制器13的动态。

5、如权利要求4所述的一种发电设备控制系统，其特征在于：用于控制功率的控制装置17装有极化继电器，并由信号15′的微分变化信号来驱动，信号15′由快速功率变化的控制器14输出，并通过时间继电器19′，20′的接触产生信号13′和16′，用来控制功率控制器13和鼓风机16的控制装置。

6、如权利要求4所述的一种发电设备控制系统，其特征在于：为了快速改变功率，将功率控制装置接在控制器14的输出端。

7、如权利要求4所述的一种发电设备控制系统，其特征在于：功率控制器1通过微分装置与功率控制器11的输出端相连接。

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