CN105888744A - 利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法 - Google Patents

Abstract

一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，所述方法是在主蒸汽压力偏离设定值时，将原有炉跟机协调控制逻辑切换为：主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，乘以供热补偿控制比例系数，再经PID控制器形成锅炉主控信号；汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀和两个汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀的实际开度信号，先乘以供热补偿控制比例系数和主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，得到各自的动态开度指令，再与原开度指令相加，形成相应的开度指令。本发明不仅能提高供热机组在供热期间主蒸汽压力控制品质和发电负荷响应速率，提高机组运行的安全性、经济性和环保性，而且具有组态调试过程简单、操作使用方便等优点。

Description

利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法

技术领域

本发明涉及一种供热机组控制方法，可在机组供热期间提高主蒸汽压力控制品质和发电负荷响应速率，提高机组运行的安全性、经济性和环保性，属于控制技术领域。

背景技术

我国现有的发电方式以火力发电为主，电网迫切需要火电机组提高调峰调频能力以消纳用电负荷侧扰动和风电等不稳定的发电负荷侧扰动。在北方地区，冬季是不稳定的风电的高发季节，而具有良好负荷调节性能的水电及抽水蓄能发电则基本失去调节作用，加之许多供热机组工作在“以热定电”方式下发电负荷基本保持不变，电网调峰调频能力不足的矛盾尤其突出。火力发电完成原煤化学能向电能的转换过程需要经过多个动态环节，存在很大的惯性和迟延。为了提高发电负荷响应速率，需要充分利用发电过程热力系统中各部分储能。当前广泛应用的炉跟机协调控制系统(锅炉燃料量控制主蒸汽压力，汽轮机调阀开度控制发电负荷)，即利用锅炉汽水系统蓄热以牺牲主蒸汽压力稳定性为代价提高发电负荷响应速率。即使如此，火电机组仍然只能以较低的速率响应电网负荷指令，约为1.5％额定发电负荷每分钟。进一步提高负荷响应速率，会造成主蒸汽压力、燃料量、过热再热蒸汽温度、烟气氧量等关键参数波动幅度超限，严重降低机组运行的安全性、经济性和环保性。

当前主流供热机组为300MW级抽汽式供热机组，图1为抽汽式汽轮机供热部分结构示意图。供热与纯凝机组的主要区别在于：供热机组将一部分中压缸排汽引出至热网加热器，加热热网循环水作为供热热源；而纯凝式机组汽轮机中压缸排汽则进入汽轮机低压缸继续作功。供热工况下，通过LV(汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀)控制供热抽汽压力(即汽轮机中压缸排汽压力)，通过EV1、EV2(汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀1、2)分别控制进入热网加热器1、2的供热抽汽流量。

热网加热器所连接的供热热网中包含大量的管道、换热器、散热器等设备，储水容量巨大，因而也具有巨大的蓄热容量。可以利用热网蓄热提高供热机组负荷响应速率。举例言之，当电网要求机组提升发电负荷时，开LV关EV1、EV2，暂时减小供热抽汽流量，则原本进入热网加热器的供热抽汽会进入汽轮机低压缸内作功，从而快速提升机组发电负荷。同时锅炉侧仍按照正常的速率增加燃料量，待锅炉蒸发量增加后，再将供热抽汽流量逐渐恢复至初始水平。在几到十几分钟的时间范围内完成这一过程，不会对热用户造成可察觉的影响。

这样，供热机组可利用锅炉汽水系统蓄热、热网蓄热、锅炉燃料量三种方式调节发电负荷。其中前两种为瞬态调节方式，第三种为稳态调节方式。典型300MW/235MW-450t/h(额定发电负荷/额定供热工况下最大发电负荷-额定供热抽汽流量)亚临界供热机组锅炉蓄热系数约为5GJ/MPa，即主蒸汽压力变化1MPa释放热量可产生5GJ电能；热网蓄热系数约为80GJ/℃，即热网循环水回水温度变化1℃释放热量可产生80GJ电能。

汽轮机调阀专为控制汽轮机进汽流量设计，动作速度快调节特性好，在主蒸汽压力稳定时，可使机组负荷变化速率达到8～10％额定发电负荷每分钟，汽轮机调阀执行机构性能不是制约机组负荷变化速率的主要因素。供热调节蝶阀动作时，也能够快速改变进入汽轮机低压缸的蒸汽流量从而快速改变机组负荷。但由于供热抽汽压力较低，蒸汽在相同质量流量条件下体积流量巨大，另外阀门的节流损失也会显著降低机组热经济性，所以调节蝶阀尺寸巨大，不能快速动作且调节特性很差，抽汽调节蝶阀执行机构性能显著影响机组负荷变化速率。燃料量是改变机组发电负荷的基本手段，但需要经历制粉、蓄热等多个动态环节，惯性和延迟很大。三种方式的调节时间分别在3～15s、15～150s、150～300s的时间尺度范围内。

合理的优化控制应当实现蓄热的分层次阶梯型利用。从频域的角度分析，锅炉汽水系统蓄热量小但转换速率快，适合应对高频率小幅度的负荷扰动；热网蓄热量大但转换速率较慢适合应对中等频率中等幅度的负荷扰动；而锅炉燃料量作为基础调节手段适合应对低频率大幅度的负荷扰动。传统炉跟机协调控制系统的能量利用方式符合这一原则，主要矛盾是锅炉汽水系统蓄热量太小而燃料量补充能量的速度太慢，难以应对中等频率中等幅度的负荷扰动。而利用热网蓄热恰好能够弥补这一矛盾，但对控制系统的设计却提出了更高要求。对于简单双重控制系统，调节速度快的控制作用会自然地抢占更多的调节分量，导致系统不能充分利用热网蓄热。而对于前馈控制，由于对象结构复杂、执行机构存在强烈非线性，特别是快速大幅增减燃料量时制粉系统动态响应时间存在较大随机性等原因，其控制效果难以保证。另外，新控制系统设计还要保证兼容性，即在非供暖季能够平滑切换至常规炉跟机控制方式下。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，彻底解决供热机组在发电负荷快速大幅度变化时主蒸汽压力波动大的问题，提高机组运行的安全性、经济性和环保性。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，所述方法是在主蒸汽压力偏离设定值时，将原有炉跟机协调控制逻辑切换为：主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，乘以供热补偿控制比例系数，再经PID控制器形成锅炉主控信号；汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀和两个汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀的实际开度信号，先乘以供热补偿控制比例系数和主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，得到各自的动态开度指令，再与原开度指令相加，形成相应的开度指令。

上述利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，对于汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀和两个汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀的实际开度信号，在与供热补偿控制比例系数相乘之前，还要依次经一阶惯性模块和多点折线函数模块进行补偿；对于上述三个流量调节蝶阀的动态开度指令，在与原开度指令相加之前，要通过限制变化速率模块进行处理。

上述利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，所述供热补偿控制比例系数在与主蒸汽压力设定值和主蒸汽压力实际值的差相乘之前由多点折线函数模块进行补偿。

上述利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，所述供热补偿控制比例系数由模拟量参数设置模块设定，所述模拟量参数设置模块的输出信号经模拟量切换模块进行选择后，先经多点折线函数模块进行补偿，然后再参与供热机组的控制。

本发明在现有炉跟机协调控制系统的基础上增加了补偿逻辑，不仅能显著提高供热机组在供热期间主蒸汽压力控制品质和发电负荷响应速率，有效减少燃料量波动以及由此引起的汽温、风量、氧量、炉膛压力等关键参数的波动，提高机组运行的安全性、经济性和环保性，而且具有组态调试过程简单、操作使用方便等优点。

附图说明

图1为抽汽式汽轮机供热部分结构示意图；

图2为供热补偿主蒸汽压力偏差控制系统结构图；

图3为LV、EV1、EV2动态开度指令引入原控制逻辑结构示意图。

图中各功能模块的意义为：“DEV”为减法模块；“MUL”为乘法模块；“PID”为PID(比例、积分、微分)控制器模块；“A”为模拟量参数设置模块；“0”为模拟量常数模块，输出为0；“T”为模拟量切换模块，“V<”为限制变化速率模块；“LAG”为一阶惯性模块；“F(x)”为多点折线函数模块；“SUM”为求和模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

针对供热机组在发电负荷快速大幅度变化时主蒸汽压力波动大的问题，本发明提出了一种利用热网蓄热直接补偿主蒸汽压力偏差进而提高供热机组发电负荷响应速率的控制方法。该方法在现有炉跟机协调控制系统基础上，增加供热补偿投/切、主蒸汽压力偏差比例控制、供热抽汽调节蝶阀非线性补偿、锅炉侧控制器输入增益补偿逻辑。实现当主蒸汽压力实际值偏离设定值时，控制系统通过调整汽轮机供热抽汽流量改变机组发电负荷，进而在汽轮机侧控制系统作用下使汽轮机调阀动作，在维持发电负荷稳定的同时改变主蒸汽压力，使主蒸汽压力实际值恢复至设定值附近。应用此发明除可以提高主蒸汽压力控制品质及发电负荷响应速率之外，还能够有效减少锅炉燃料量波动以及由此引起的汽温、风量、氧量、炉膛压力等关键参数的波动，提高机组运行安全、经济、环保性。

在本发明中，供热机组被控对象是一四入四出多变量对象，输入信号分别为锅炉燃料量、汽轮机调阀开度、LV开度、EV(包括EV1、EV2)开度，输出信号分别为主蒸汽压力、发电负荷、供热抽汽压力、供热抽汽流量。目前广泛采用锅炉燃料量自动控制主蒸汽压力，汽轮机调阀开度自动控制发电负荷，运行人员手动调整LV、EV开度控制供热抽汽压力、供热抽汽流量的控制方式。受汽轮机能量平衡特性制约，供热抽汽流量同发电负荷存在强耦合特性。当进入汽轮机蒸汽流量保持不变减小供热抽汽流量时，减小部分的抽汽流量将回到汽轮机内作功，快速增加发电负荷。这样会导致汽轮机侧控制回路动作，减小汽轮机调阀开度从而减小汽轮机进汽量以维持发电负荷不变，并导致主蒸汽压力增加。由于汽轮机侧控制回路调节过程很快，所以通过供热抽汽流量调节主蒸汽压力的过程也很快。这是供热机组利用热网蓄热直接补偿主蒸汽压力偏差的工作原理。

另外，从控制机理上分析，由于供热侧对主蒸汽压力的偏差进行了补偿，遇到相同扰动量的情况下，主蒸汽压力的偏差会明显变小，导致锅炉侧控制输出减弱，相当于弱化了锅炉燃料量的调节作用。由于利用热网蓄热调节蒸汽压力属于瞬态调节方式，最终还需要锅炉燃料量对热网蓄热进行补偿，所以应加强锅炉燃料量的调节作用。或者从控制理论上分析，供热补偿侧仅采用比例控制时，其效果相当于在锅炉侧等效被控对象中增加一个微分环节，在系统闭环稳定前提下锅炉侧控制器可采用更强的调节作用，可以增加锅炉侧控制器的增益。技术方案

本控制方法的控制系统结构如图2所示，虚线框内为本方法在炉跟机协调控制系统基础上新增加的逻辑。图2中，“DEV”为减法模块；“MUL”为乘法模块；“PID”为PID(比例、积分、微分)控制器模块；“A”为模拟量参数设置模块；“0”为模拟量常数模块，输出为0；“T”为模拟量切换模块，当虚线端开关量切换输入信号为1时，输出切换至Y输入端，当切换输入信号为0时，输出切换至N输入端；“V<”为限制变化速率模块，功能是将输入信号的变化速率限制在设定速率范围内；“LAG”为一阶惯性模块；“F(x)”为多点折线函数模块。

控制系统工作过程为：由供热补偿投/退开关量信号选择是否投入供热补偿功能，当供热补偿投/退信号为0时，模拟量切换模块输出为0，退出供热补偿功能；当供热补偿投/退开信号为1时，模拟量切换模块输出为由模拟量参数设置模块①设置的供热补偿控制比例系数，投入供热补偿功能。变化速率限制模块②用于限制切换时信号的变化速率，防止切换时造成扰动。投入供热补偿后，主蒸汽压力设定值减去主蒸汽压力实际值的偏差，乘以供热补偿控制比例系数，形成供热补偿基本控制输出。供热补偿控制比例系数越大，控制作用越强。由于LV、EV1、EV2均为蝶阀，具有显著的快开非线性，即在阀门开度变化量相同的情况下，阀门初始开度较小时蒸汽流量变化量大而阀门初始开度较大时蒸汽流量变化量小，为了保证全工况范围内供热补偿控制的线性度，需要对蝶阀非线性特性进行补偿。方法是，蝶阀开度信号经过一阶惯性滤波模块④后，通过多点折线函数模块⑤、⑥计算出不同初始开度情况下阀门开度变化对流量变化增益的倒数，与供热补偿基本控制输出相乘后形成LV、EV1、EV2的供热补偿开度指令(即动态开度指令)。由于LV与EV1、EV2动作对供热抽汽流量影响特性相反，例如减小供热抽汽流量时需要开LV关EV1、EV2，因此多点折线函数模块⑤输出值为负而⑥输出值为正。变化速率限制模块⑦的作用是限制蝶阀供热补偿开度指令的变化速率，避免执行机构快速频繁动作产生磨损。LV、EV1、EV2的供热补偿开度输出与原控制系统中LV、EV1、EV2的开度指令相加后形成LV、EV1、EV2的实际开度指令，如图3所示，图3中虚线框内为新增加逻辑。另外，供热补偿控制比例系数经过多点折线函数模块③计算锅炉侧控制器增益修正系数，通过与锅炉侧控制器输入偏差相乘的方式修正锅炉侧控制器增益。

发明实施步骤

(1)原控制逻辑确认。

实施本方案前需要对机组协调控制系统和供热抽汽压力、供热抽汽流量控制逻辑进行分析。确认协调控制系统采用炉跟机控制方式，即燃料量控制主蒸汽压力、汽轮机调阀控制机组发电负荷，确认机组供热抽汽压力和供热抽汽流量都处于手动控制方式下。

工程上存在许多与炉跟机协调控制方案等效的或类似的控制方案，如DEB(直接能量平衡)控制方案等。只要采用锅炉燃料量控制主蒸汽压力，汽轮机调阀控制机组发电负荷的控制方案，都可以应用本发明。

(2)控制逻辑组态。

在机组DCS(分散控制系统)协调控制逻辑所在的控制单元中以组态方式实现图2、3所示的控制逻辑。需要对原控制逻辑进行修改，并增加图2、3中虚线框内所示逻辑。

(3)设置模块参数。

供热补偿控制比例系数模块①的初始值设置为0，表示实际未投入供热补偿功能。实际值需要在投入供热补偿功能状态下进行调试。

变化速率限制模块②变化速率限制值设置为0.5/min，即信号切换时变化速率不超过0.5每分钟。

锅炉侧控制器增益修正系数通过多点折线函数模块③设置，设置2个点。初始参数设置为：x1＝0.0、y1＝1.0；x2＝100.0、y2＝1.0。其中，x2、y2实际值需要在投入供热补偿功能状态下进行调试。

一阶惯性环节模块④惯性时间设置为100s。

EV1、EV2非线性补偿多点折线函数模块⑤设置11个点，参数为：

设置点	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												x	0	1	4	9	16	25	36	49	64	81	100
y	0.0	-0.2	-0.4	-0.6	-0.8	-1.0	-1.2	-1.4	-1.6	-1.8	-2.0

LV非线性补偿多点折线函数模块⑥设置11个点，参数为：

数据点	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												x	0	1	4	9	16	25	36	49	64	81	100
y	0.0	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0

变化速率限制模块⑦变化速率限制值设置为5/min，即蝶阀动态开度指令变化速率不超过5％每分钟。

(4)操作画面设计

在机组DCS操作员站中，在协调控制系统所对应的操作画面上，增加供热补偿投/退功能操作按钮，对应控制逻辑中的供热补偿投/退开关量输出信号。按钮按下时，供热补偿投/退开关量输出为1；按钮弹起时，供热补偿投/退开关量输出为0。

(5)现场调试参数。

在机组供热状态下，投入供热补偿功能后，对供热补偿控制比例系数①和锅炉侧控制器增益修正系数③进行调试。

在机组DCS工程师站上，观察运行曲线，记录机组发电负荷自然变化期间主蒸汽压力设定值同实际值偏差的变化幅度以及锅炉燃料量动态过调量的变化幅度。逐渐增大供热补偿比例系数，这时主蒸汽压力设定值同实际值出现偏差时，LV和EV1、EV2将开始动作补偿压力偏差。供热补偿比例系数越大，LV和EV1、EV2动作幅度越大，补偿调节能力越强。由于这种补偿作用等效于微分调节作用，不会引起锅炉侧控制回路大幅度的比例振荡或积分振荡，调试风险很小。观察运行曲线，在发电负荷变化量相同的条件下，主蒸汽压力偏差的幅度和锅炉燃料量动态过调量变化的幅度减小到未投入供热补偿的1/3左右时，即完成供热补偿控制比例系数的调试。

燃料量的动态过调量指机组变负荷过程中用于补偿锅炉蓄热和蒸汽压力变化所需要额外增加的燃料量。例如机组在200MW发电负荷下对应燃料量为100t/h，发电负荷增加至220MW时，理论上燃料量只需要增加10t/h。但是调节过程中为了补偿锅炉蓄热和蒸汽压力变化，燃料量会瞬时增加25t/h，发电负荷稳定后逐渐降至10t/h。瞬时多增加的15t/h燃料量，称为燃料量的动态过调量。

调试锅炉侧控制器增益修正系数，需要对多点折线函数模块③的x2、y2进行调试。首先将x2设置为供热补偿比例系数。然后在机组DCS工程师站上观察运行曲线，记录机组发电负荷自然变化期间主蒸汽压力设定值同实际值偏差的变化幅度和锅炉侧控制器输出。逐渐增加y2的值，这时主蒸汽压力设定值同实际值出现偏差时，锅炉侧控制器的调节作用会增加，其输出变化幅度会增加，而蒸汽压力偏差的波动幅度会略微减小。观察运行曲线，在发电负荷变化量相同的条件下，锅炉侧控制器输出变化的幅度达到调试完供热补偿控制比例系数后的1.5倍左右时，即完成锅炉侧控制器增益修正系数的调试。

发明优点

(1)控制效果好。本发明能够显著提高供热机组供热期间主蒸汽压力控制品质和发电负荷响应速率。同时能够有效减少燃料量波动以及由此引起的汽温、风量、氧量、炉膛压力等关键参数的波动，提高机组运行安全、经济、环保性。

(2)组态调试过程简单。本发明组态逻辑简单，可在任何DCS中实现。控制方案只包含供热补偿控制比例系数和锅炉侧控制器增益修正系数两个调试参数，参数物理意义明确，调试风险小，调试过程简单快捷。

(3)操作使用方便。可一键实现供热补偿功能的投/退。控制系统兼容性好，在非供暖季能够平滑切换至常规炉跟机控制方式下。

Claims (4)

1.一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，其特征是，所述方法是在主蒸汽压力偏离设定值时，将原有炉跟机协调控制逻辑切换为：主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，乘以供热补偿控制比例系数，再经PID控制器形成锅炉主控信号；汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀和两个汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀的实际开度信号，先乘以供热补偿控制比例系数和主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力实际值的差，得到各自的动态开度指令，再与原开度指令相加，形成相应的开度指令。

2.根据权利要求1所述的一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，其特征是，对于汽轮机低压缸前供热抽汽流量调节蝶阀和两个汽轮机抽汽侧供热抽汽流量调节蝶阀的实际开度信号，在与供热补偿控制比例系数相乘之前，还要依次经一阶惯性模块和多点折线函数模块进行补偿；对于上述三个流量调节蝶阀的动态开度指令，在与原开度指令相加之前，要通过限制变化速率模块进行处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，其特征是，所述供热补偿控制比例系数在与主蒸汽压力设定值和主蒸汽压力实际值的差相乘之前由多点折线函数模块进行补偿。

4.根据权利要求3所述的一种利用热网蓄能补偿主蒸汽压力偏差的供热机组控制方法，其特征是，所述供热补偿控制比例系数由模拟量参数设置模块设定，所述模拟量参数设置模块的输出信号经模拟量切换模块进行选择后，先经多点折线函数模块进行补偿，然后再参与供热机组的控制。