CN105652832A - 基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的dcs系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明是基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统及其应用方法，具体涉及火力发电领域。本发明为了解决现有技术DCS系统中滑压运行模块未考虑背压变化的滑压曲线设计造成空冷机组未在最佳工况下工作，导致热损耗偏差较大的问题，进而提出了基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统及其应用方法。本发明基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统包括：用于输入负荷值的输入模块；用于滑压运行曲线的运算模块；用于输入背压，修正滑压和限幅主蒸汽压力的叠加模块；用于输出最优主蒸汽压力的输出模块。本发明系统的应用方法是基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统获得最优主蒸汽压力。本发明适用于火力发电。

Description

基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及火力发电领域，具体涉及基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统及其应用方法。

背景技术

我国火力发电占主导地位的电源存在结构性矛盾，缺乏燃机等可平抑新能源电力随机波动不确性的电源；因此，空冷机组进行快速深度变负荷参与调峰运行势在必行。

空冷机组中滑压运行相比于定压运行在经济性、安全性方面都得到了不同程度的改善，是目前公认的提高机组部分负荷运行工况经济性和安全性的最有效方式之一。对于国内大容量高参数的机型来讲，采用滑压运行方式较定压运行方式可平均降低发电煤耗1～4g/kW·h，全年可节约成本所产生的经济效益十分显著。滑压运行已普遍应用于空冷机组实际运行当中。

空冷机组由于运行可靠，并且在节水方面有着突出的作用，近些年得到了快速的发展。空冷机组受其结构设计影响，滑压运行具有一定的特殊性。空冷机组存在夏季热风回流的影响，另外空冷机组对环境风速及风向十分敏感，其背压随环境温度、风速及风向影响大。

空冷机组目前普遍采用的运行方式为滑压运行，滑压曲线的选取一般是将空冷机组的发电功率即负荷作为自变量来确定机组的主蒸汽压力。空冷机组的所有热力参数中，背压是对机组运行经济性影响最大的参数之一。在背压发生变动时，最优滑压曲线也会发生一定程度的变化。空冷机组滑压运行的最关键技术是最优滑压运行曲线的获取，主要方法有实验比较法、耗差分析法、建立优化模型。图1为目前电厂分散控制系统DCS中的滑压运行模块。当火电空冷机组的负荷通过系统输入滑压运行模块中时，在设计背压给定的滑压运行曲线中进行插值，即可得到设计背压下的主蒸汽压力值。

以空冷机组负荷作为自变量来确定机组的最优滑压值只适用于某一背压，当实际背压发生偏离时，该主蒸汽压力值非最优。目前电厂分散控制系统DCS中插值用的函数框利用修正系数对机组滑压运行曲线进行静态修正。但该方法只适用于二维图，对于三维图就只能当做二维来处理。针对空冷机组背压大范围变化的特点，传统的滑压运行曲线设计方法及实现方式存在着一定的局限性。

由于传统的滑压运行曲线设计方法的每一个背压对应于一个机组负荷。当以空冷机组负荷作为自变量来确定滑压曲线时，就会出现一个背压对应一条滑压曲线的情况。因此，滑压曲线必为一组而非一条，曲线图就变成了二维图。给以负荷作为自变量查图来确定最优滑压值带来不便。此时，P₀＝f(M，P_b)式中，P_o为最优主蒸汽压，M为负荷，P_b为机组背压。

如图2所示，以负荷点M为例，不同背压下对应的三个最优滑压运行压力点A、B、C差异性很大，所以目前的滑压曲线为负荷的单值函数设计方法存在着一定的缺陷。对于空冷机组DCS系统中滑压曲线的静态修正已经不能满足空冷机组大范围背压变化的工况。

目前的空冷机组DCS系统中并没有将空冷机组由于背压变化对于滑压运行曲线的影响考虑在内，也没有针对其进行滑压曲线的优化设计。

发明内容

本发明为了解决现有技术电厂分散控制系统DCS中滑压运行模块未考虑背压变化的滑压曲线设计造成空冷机组未在最佳工况下工作，导致热损耗偏差较大的问题，而提出了基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统及其应用方法。

基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统包括：

用于输入负荷值的输入模块；

用于滑压运行曲线的运算模块；

用于输入背压，修正滑压和限幅主蒸汽压力的叠加模块；

用于输出最优主蒸汽压力的输出模块。

所述的叠加模块包括：

通过输入模块输入背压值，通过运算模块得到不同背压下的主蒸汽压力值修正值；

所述的滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)；其中，Z为负荷不变时单位背压变化对主蒸汽压力的影响系数，P为通过传感器测量的空冷机组实时背压值，P₀为空冷机组滑压曲线的设计背压值；实时修正模块函数值表示背压变化对主蒸汽的影响值；

在实时修正模块后增加一个主蒸汽压力变化限幅模块，当背压变化对主蒸汽压力的影响超过一个阈值，变化限幅模块对主蒸汽压力进行调整，获得最优主蒸汽压力。

基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法包括以下步骤：

步骤一、采集空冷机组主蒸汽压力数据如表1；

表1

步骤二、在选定的背压下选取负荷点；

选定运行的背压分别为P1、P2、P3…Pn，其中n≥3，必须包括夏季运行中的最高背压、冬季运行中的最低背压与设计工况背压；

固定背压Pn工况下，根据纯凝工况的滑压曲线进行四个负荷点的选取Fn1、Fn2、Fn3、Fn4：Fn1和Fn4分别选择纯凝工况滑压曲线的最低稳定运行负荷至第一拐点间的任一点以及第二拐点至机组最高运行负荷间的任一点，Fn2和Fn3选择纯凝工况滑压曲线第一拐点以及第二拐点区间中的两个点，具体选择方式如图3。

步骤三、获得每一负荷点对应的最优主蒸汽压力；

获得每一负荷点对应的主蒸汽压力，根据纯凝工况的滑压运行曲线选择基准点，以Pn为背压，Fn1、Fn2、Fn3、Fn4为负荷点；其中，负荷点为Fn1时，选取主蒸汽压力值Mn1、Mn2、Mn3、Mn4点位置；主蒸汽压力值Mn1和Mn2的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应减小0.5Mpa和1Mpa，Mn3和Mn4的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应增加0.5Mpa和1Mpa，减少最优主蒸汽压力测量产生的误差；基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn1为负荷点对应的最优主蒸汽压力Mn如图4所示；

负荷点为Fn2时，选取主蒸汽压力值Nn1、Nn2、Nn3、Nn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn2为负荷点对应的最优主蒸汽压力Nn；负荷点为Fn3时，选取主蒸汽压力值Qn1、Qn2、Qn3、Qn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn3为负荷点对应的最优主蒸汽压力Qn；负荷点为Fn4时，选取主蒸汽压力值Rn1、Rn2、Rn3、Rn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn4为负荷点对应的最优主蒸汽压力Rn。

步骤四、获得每一背压下的滑压曲线；

利用步骤三获得的最优主蒸汽压力Mn、Nn、Qn、Rn，并与汽轮机最低运行主蒸汽压力Pmin和汽轮机额定压力Pmax相结合，获得每一背压下的滑压曲线如图5。

步骤五、获得影响系数Z；

利用步骤四获得的滑压曲线，得到影响系数Z(MPa/kPa)如图6。

步骤六、获得修正的最优主蒸汽压力；

利用步骤五获得的影响系数Z，将影响系数Z输入至叠加模块中的修正模块；在机组运行时，滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)，即主蒸汽压力的修正值；将主蒸汽压力的修正值与原系统中的主蒸汽压力进行叠加，得到修正的最优主蒸汽压力。

发明效果：

1、本发明采用了引入背压作为自变量对滑压曲线进行实时修正的方法来获得更接近全工况下最优经济性运行的滑压曲线，解决了现有技术分散控制系统DCS中滑压运行模块的未考虑背压变化的滑压曲线设计造成空冷机组未在最佳工况下工作的的问题；

2、本发明通过引入背压作为自变量来对滑压曲线进行修正，实现多个背压工况下的运行，具有良好的扩展性和可实施性；

3、本发明设置限幅模块避免了背压信号干扰带来的主蒸汽压力调整过于频繁的问题。

附图说明

图1是现有技术空冷机组滑压运行DCS系统示意图；

图2是多背压下的空冷机组滑压曲线图，其中，M点为空冷机组的某一负荷点，A、B、C点分别为背压1、2、3工况下的最优主蒸汽压力点；

图3是背压为Pn时，负荷点的选取示意图，图中Fn1、Fn2、Fn3、Fn4为选取的负荷点；

图4是背压为Pn，负荷点为Fn1时，最优主蒸汽压力曲线图；其中Mn点为Pn背压下Fn1负荷点的最优主蒸汽压力值，其中，Mn1、Mn2、Mn3、Mn4点为选取的主蒸汽压力点；

图5是Pn背压下，二维设计的DCS系统中空冷机组滑压曲线图，其中Mn、Nn、Qn、Rn为每个负荷点通过最小二乘法拟合得到的最优主蒸汽压力点；

图6是影响系数Z的示意图，图中曲线1为背压为P1时的滑压曲线，曲线2为背压为P2时的滑压曲线，曲线3为背压为P3时的滑压曲线，Pz1为某一确定负荷点下背压为P1时的的最优主蒸汽压力，Pz3为某一确定负荷点下背压为P3时的的最优主蒸汽压力，Z的表达式为 $Z=\frac{Pz1-Pz3}{P1-P3};$

图7是本发明空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统，其特征在于，所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统如图7包括：

用于输入负荷值的输入模块；

用于滑压运行曲线的运算模块；

用于输入背压，修正滑压和限幅主蒸汽压力的叠加模块；

用于输出最优主蒸汽压力的输出模块。

本实施方式有益效果：

1、本实施方式采用了引入背压作为自变量对滑压曲线进行实时修正获得更接近全工况下最优经济性运行的滑压曲线，解决了现有技术分散控制系统DCS中滑压运行模块的未考虑背压变化的滑压曲线设计造成空冷机组未在最佳工况下工作的的问题；

2、本实施方式通过引入背压作为自变量来对滑压曲线进行修正，实现多个背压工况下的运行，具有良好的扩展性和可实施性；

3、本实施方式设置限幅模块避免了背压信号干扰带来的锅炉主蒸汽压力调整过于频繁的问题。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同，其特征在于，所述的叠加模块包括：

通过输入模块输入背压值，通过运算模块得到不同背压下的主蒸汽压力值修正值；

所述的滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)；其中，Z为负荷不变时单位背压变化对主蒸汽压力的影响系数，P为通过传感器测量的空冷机组实时背压值，P₀为空冷机组滑压曲线的设计背压值；实时修正模块函数值表示背压变化对主蒸汽的影响值；

在实时修正模块后增加一个主蒸汽压力变化限幅模块，当背压变化对主蒸汽压力的影响超过一个阈值，变化限幅模块对主蒸汽压力进行调整，获得最优主蒸汽压力。

具体实施方式三：本实施方式的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法包括以下步骤：

步骤一、采集空冷机组主蒸汽压力数据如表1；

表1

步骤二、在选定的背压下选取负荷点；

步骤三、获得每一负荷点对应的最优主蒸汽压力；

步骤四、利用步骤三获得的最优主蒸汽压力Mn、Nn、Qn、Rn，获得每一背压下的滑压曲线；

步骤五、利用步骤四获得的滑压曲线，获得影响系数Z；

步骤六、获得修正的最优主蒸汽压力。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同，其特征在于所述的步骤二在选定的背压下选取负荷点；

选定运行的背压分别为P1、P2、P3…Pn，其中n≥3，必须包括夏季运行中的最高背压、冬季运行中的最低背压与设计工况背压；

固定背压Pn工况下，根据纯凝工况的滑压曲线进行四个负荷点的选取Fn1、Fn2、Fn3、Fn4：Fn1和Fn4分别选择纯凝工况滑压曲线的最低稳定运行负荷至第一拐点间的任一点以及第二拐点至机组最高运行负荷间的任一点，Fn2和Fn3选择纯凝工况滑压曲线第一拐点以及第二拐点区间中的两个点，具体选择方式如图3。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同，其特征在于，所述的步骤三获得每一负荷点对应的最优的主蒸汽压力；

获得每一负荷点对应的主蒸汽压力，根据纯凝工况的滑压运行曲线选择基准点，以Pn为背压，Fn1、Fn2、Fn3、Fn4为负荷点；其中，负荷点为Fn1时，选取主蒸汽压力值Mn1、Mn2、Mn3、Mn4点位置；主蒸汽压力值Mn1和Mn2的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应减小0.5Mpa和1Mpa，Mn3和Mn4的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应增加0.5Mpa和1Mpa，减少最优主蒸汽压力测量产生的误差；基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn1为负荷点对应的最优主蒸汽压力Mn如图4所示；

负荷点为Fn2时，选取主蒸汽压力值Nn1、Nn2、Nn3、Nn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn2为负荷点对应的最优主蒸汽压力Nn；负荷点为Fn3时，选取主蒸汽压力值Qn1、Qn2、Qn3、Qn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn3为负荷点对应的最优主蒸汽压力Qn；负荷点为Fn4时，选取主蒸汽压力值Rn1、Rn2、Rn3、Rn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn4为负荷点对应的最优主蒸汽压力Rn。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同，其特征在于，所述的步骤四获得每一背压下的滑压曲线；

利用步骤三获得的最优主蒸汽压力Mn、Nn、Qn、Rn，并与汽轮机最低运行主蒸汽压力Pmin和汽轮机额定压力Pmax相结合，获得每一背压下的滑压曲线如图5。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同，其特征在于，所述的步骤五得到影响系数Z；

利用步骤四获得的滑压曲线，得到影响系数Z(MPa/kPa)如图6。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同，其特征在于，所述的步骤六获得修正的最优主蒸汽压力；

利用步骤五获得的影响系数Z，将其输入至叠加模块中的修正模块中。在机组运行时，滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)，即主蒸汽压力的修正值；将修正值与原系统中的主蒸汽压力进行叠加，得到修正的最优主蒸汽压力。

实施例

对一台未进行滑压曲线优化的350MW超临界空冷机组DCS系统进行变化背压工况下的滑压优化。

通过空冷机组实际运行数据测试，相对出厂时配置的设计背压工况下的滑压运行曲线，空冷机组在主蒸汽流量为600t/h～1000t/h对应175MW～300MW负荷区间，热耗平均下降接近100KJ/KWh，空冷机组运行经济性得到明显改善，如表2所示空冷机组负荷对应的优化前后的压力及耗差值；按照25KJ/KWh折合1g/KWh煤耗、机组年平均利用5000小时以及500元/t的煤价进行计算，空冷机组年经济效益显著。

表2

Claims (8)

1.基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统，其特征在于，所述的基于空冷机组三维滑压曲线改进DCS系统包括：

用于输入负荷值的输入模块；

用于滑压运行曲线的运算模块；

用于输入背压，修正滑压和限幅主蒸汽压力的叠加模块；

用于输出最优主蒸汽压力的输出模块。

2.根据权利要求1基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统，其特征在于，所述的叠加模块包括：

通过输入模块输入背压值，通过运算模块得到不同背压下的主蒸汽压力值修正值；

所述的滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)；其中，Z为负荷不变时单位背压变化对主蒸汽压力的影响系数，P为通过传感器测量的空冷机组实时背压值，P₀为空冷机组滑压曲线的设计背压值；实时修正模块函数值表示背压变化对主蒸汽的影响值；

在实时修正模块后增加一个主蒸汽压力变化限幅模块，当背压变化对主蒸汽压力的影响超过一个阈值，变化限幅模块对主蒸汽压力进行调整，获得最优主蒸汽压力。

3.基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于：所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法包括以下步骤：

步骤二、在选定的背压下选取负荷点；

步骤三、获得每一负荷点对应的最优主蒸汽压力；

步骤四、利用步骤三获得的最优主蒸汽压力Mn、Nn、Qn、Rn，获得每一背压下的滑压曲线；

步骤五、利用步骤四获得的滑压曲线，获得影响系数Z；

步骤六、获得修正的最优主蒸汽压力。

4.根据权利要求3所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤二在选定的背压下选取负荷点；

选定运行的背压分别为P1、P2、P3…Pn，其中n≥3，必须包括夏季运行中的最高背压、冬季运行中的最低背压与设计工况背压；

固定背压Pn工况下，根据纯凝工况的滑压曲线进行四个负荷点的选取Fn1、Fn2、Fn3、Fn4：Fn1和Fn4分别选择纯凝工况滑压曲线的最低稳定运行负荷至第一拐点间的任一点以及第二拐点至机组最高运行负荷间的任一点，Fn2和Fn3选择纯凝工况滑压曲线第一拐点以及第二拐点区间中的两个点。

5.根据权利要求4所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤三获得每一负荷点对应的最优主蒸汽压力；

获得每一负荷点对应的主蒸汽压力，根据纯凝工况的滑压运行曲线选择基准点，以Pn为背压，Fn1、Fn2、Fn3、Fn4为负荷点；其中，负荷点为Fn1时，选取主蒸汽压力值Mn1、Mn2、Mn3、Mn4点位置；主蒸汽压力值Mn1和Mn2的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应减小0.5Mpa和1Mpa，Mn3和Mn4的取值在热耗率最低点对应的主蒸汽压力值的基础上相应增加0.5Mpa和1Mpa，减少最优主蒸汽压力测量产生的误差；基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn1为负荷点对应的最优主蒸汽压力Mn；

负荷点为Fn2时，选取主蒸汽压力值Nn1、Nn2、Nn3、Nn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn2为负荷点对应的最优主蒸汽压力Nn；负荷点为Fn3时，选取主蒸汽压力值Qn1、Qn2、Qn3、Qn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn3为负荷点对应的最优主蒸汽压力Qn；负荷点为Fn4时，选取主蒸汽压力值Rn1、Rn2、Rn3、Rn4，基于最小二乘法对主蒸汽压力和对应的空冷机组热耗值进行曲线拟合，得到Fn4为负荷点对应的最优主蒸汽压力Rn。

6.根据权利要求5所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤四获得每一背压下的滑压曲线；

利用步骤三获得的最优主蒸汽压力Mn、Nn、Qn、Rn，并与汽轮机最低运行主蒸汽压力Pmin和汽轮机额定压力Pmax相结合，获得每一背压下的滑压曲线。

7.根据权利要求6所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤五得到影响系数Z；

利用步骤四获得的滑压曲线，得到影响系数Z(MPa/kPa)。

8.根据权利要求7所述的基于空冷机组三维滑压曲线二维设计的DCS系统的应用方法，其特征在于，所述的步骤六获得修正的最优主蒸汽压力；

利用步骤五获得的影响系数Z，将其输入至叠加模块中的修正模块中。在机组运行时，滑压实时修正的模块函数输出值设为Z×(P-P₀)，即主蒸汽压力的修正值；将修正值与原系统中的主蒸汽压力进行叠加，得到修正的最优主蒸汽压力。