CN106371314A - 基于冷却工质节流调节的负荷控制系统及变工况计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统及变工况计算方法，该系统包括：机组真空预估模块，接收机组功率反馈值Ne、负荷指令Nsp、环境温度Te、风机集群转速Ra，并输出最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst；选择切换模块，接收节流触发信号、机组真空反馈值Ppv，并根据节流触发信号选取Pso和Pst中的一个值，与所述机组真空反馈值Ppv作为输出值输出；凝汽器真空控制器，接收选择切换模块的所述输出值，输出驱动信号直接作用于空冷风机转速控制回路；空冷风机转速控制回路，接收所述驱动信号，并根据所述分配转速指令改变空冷岛风机的冷却空气流量。该系统使得机组在稳态运行期间具有较高的运行效率；并在负荷响应初期实现机组功率的快速调节。

Description

基于冷却工质节流调节的负荷控制系统及变工况计算方法

技术领域

本发明属于火电机组快速变负荷控制领域，特别涉及一种基于冷却工质节流调节的负荷控制系统及变工况计算方法。

背景技术

由于新能源电力具有间隙性、强随机波动等特性，大量风电、太阳能等新能源电力的接入必定会对电网造成冲击，为了更好的保证电网安全稳定运行，我国需不断的提高火电机组的快速变负荷能力。2009年华北区域电网两个细则的出台后，电网公司通过对发电机组的AGC性能考核实施经济奖惩，AGC性能考核要求机组具有较快的调节速率、小的调节偏差和短的响应时间。

国内现有的火电机组快速变负荷控制中往往会造成燃料量过燃、汽轮机节流损失增大、主蒸汽参数波动等问题，且机组功率响应速度和调节速率很难满足电网公司的需求。为了进一步提高机组AGC性能指标，通过快速改变凝汽器冷却工质流量，改变机组背压实现机组功率的快速调节，即：冷却工质节流调节。然而此方法在工程实践中存在以下几个问题：

(1)汽轮机末级亚比直接影响汽轮机末级的级间效率，从而影响蒸汽在汽轮机末级做功过程中的有效焓降，决定汽轮机发电效率。而现有机组多未投入背压自动控制，额定工况下的最优背压无法适用于变工况，导致机组功率在非额定工况下运行效率较低；

(2)若通过凝汽器冷却工质节流控制实现对机组功率的快速、连续调节，需保证凝汽器冷却工质流量能够实现快速、连续变化。对于湿冷机组而言，主要是通过循环水泵来调节机组循环冷却水流量，而现有的火电机组一般采用高/低速泵之间的排列组合，通过泵的启停方式来改变机组循环水流量，因此不适用于凝汽器冷却工质节流控制。而对于直接式空冷机组而言，国内现有的直接式通过调节变频风机的转速来实现对冷却空气流量的连续调节，而现有的空冷风机调节多未实现闭环控制。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于冷却工质节流调节的负荷控制系统及变工况计算方法，具体由以下方案实现：

所述基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统，与空冷岛风机组的DCS相连，其特征在于包括：

机组真空预估模块，接收来自机组DCS测点的机组功率反馈值Ne，负荷指令Nsp，环境温度Te和每列风机转速Ri，包括变工况真空计算方法和节流调节真空设定值回路，并输出最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst；

选择切换模块，接收节流触发信号、来自机组DCS测点的机组真空反馈值Ppv，并根据所述节流触发信号选择最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst中的一个值，并与所述机组真空反馈值Ppv一同作为输出值输出；

凝汽器真空控制器，接收选择切换模块的所述输出值，输出驱动信号直接作用于空冷风机转速控制回路；

空冷风机转速控制回路，接收所述驱动信号，并根据所述分配转速指令改变空冷岛风机的冷却空气流量。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，还包括手自动切换模块，所述手自动切换模块与凝汽器真空控制器以及空冷风机转速控制回路相连。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，所述凝汽器真空控制器采用比例积分调节控制器。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，所述机组真空预估模块包括第一信号保持器、第二信号保持器、第一乘法器、第二乘法器、第一差值计算器、第二差值计算器、变工况计算器、信号比较器以及信号判断器，所述第一信号保持器的输出端分别连接所述第一乘法器与第二乘法器，所述第二信号保持器的输出端连接所述第一差值计算器，第一乘法器、第二乘法器以及第一差值计算器的输出端分别连接所述信号比较器，所述第二差值计算器、信号判断器以及变工况计算器形成回路，信号比较器的输出端与第二差值计算器连接。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，所述第一信号保持器的输入信号为由每列风机转速计算获得的风机集群转速，触发信号为节流触发信号，当第一信号保持器被触发时，使输出信号保持为输入信号；第二信号保持器的输入信号为机组功率反馈值，触发信号为节流触发信号；当第二信号保持器被触发，使输出信号保持为输入信号。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，第一乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量上限；第二乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量下限；第一差值计算器的另一输入为机组功率设定值，输出信号为当前机组功率差值。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，信号比较器根据上述功率增量上限、功率增量下限以及一个当前机组功率差值三个输入信号，选取三个输入信号的中间值作为输出信号，即为冷却工质节流控制功率增量设定值。

所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的进一步设计在于，所述第二差值器的另一输入为变工况计算功率定值，输出为功率定值偏差；第二差值器的输出接入信号差值判断器，信号差值判断器的另一输入为调节差值允许范围，信号差值判断器的功率定值偏差在差值允许范围之外时，输出端接入变工况计算器，否则输出端输出节流真空设定值。

根据所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，提出一种基于冷却工质节流调节负荷控制系统的变工况真空计算方法，所述变工况真空计算模块实时采集当前工况下的乏汽参数和冷却工质参数，使用变工况真空计算方法对最优背压设定值进行求解。所述变工况真空计算方法包括如下步骤：

步骤1：初始化机组功率增量，设定初始的机组功率增量值为0；

步骤2：根据每列风机转速，计算集群风机转速，根据环境温度和气压拟合环境空气密度，用集群转速和环境空气密度计算空气流量；

步骤3：根据所述乏汽参数和冷却工质参数，计算当前工况下的传热系数；

步骤4：迭代风机转速，计算变工况风机功率增量；

步骤5：迭代风机转速，计算变工况下的传热系数，根据传热系数计算凝结水温度压力；

步骤6：将凝结水压力代入背压修正曲线，计算修正机组功率及变工况机组功率增量；

步骤7：将变工况机组功率增量和变工况风机功率增量输入减法器，迭代求解最大功率增量变化量、对应的最优风机转速设定值以及最优背压设定值，再将最优背压设定值输出至凝汽器真空控制器。

所述变工况真空计算方法的进一步设计在于，所述步骤3传热系数的计算步骤包括：

步骤A：根据式(1)计算当前工况乏汽放热量Qa：

Qa＝Dc*(hc-Cpw*tn) (1)

其中，Dc为当前工况下的凝结水流量，hc为当前工况下的乏汽焓值，Cpw为当前工况下的饱和水定压比热容，tn为当前工况下的凝结水温度；

步骤B：根据式(2)计算凝汽器出口空气温度ta2，具体方法为：

ta2＝Qa/(Dq*Cpg)+ta1 (2)

其中，Dq为当前工况下的空气流量，Cpg为环境空气定压比热容，ta1为凝汽器如空空气温度。

步骤C：根据式(3)计算前工况下的对数平均温度dtm，根据式(4)计算当前工况下的传热系数KF，具体方法为：

dtm＝(ta2-ta1)/((ln(tn-ta1))-ln(tn-ta2)) (3)

KF＝Qa/dtm (4)。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的有益效果是采用基于冷却工质节流的负荷控制方法后，使得机组在稳态运行期间具有较高的运行效率；使得机组在负荷响应初期实现机组功率的快速调节；

(2)采用该方法后，实现了空冷机组直接式空气冷凝器背压的闭环控制，保证了机组的安全高效运行。

附图说明

图1为基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统的示意图。

图2为汽轮机末级变工况计算流程示意图。

图3为机组真空预估模块的示意图。

图4为560MW工况下基于冷却工质节流调节的机组功率控制效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1，基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统，与空冷岛风机组的DCS相连，主要由机组真空预估模块、选择切换模块、凝汽器真空控制器以及空冷风机转速控制回路组成。

机组真空预估模块，接收来自机组DCS测点的机组功率反馈值Ne，负荷指令Nsp，环境温度Te和每列风机转速Ri，并输出最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst

选择切换模块，接收节流触发信号、来自机组DCS测点的机组真空反馈值Ppv，并根据节流触发信号选择最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst中的一个值，并与机组真空反馈值Ppv一同作为输出值输出。节流触发信号当机组功率反馈值与功率增量预估值间的差值变化速率小于5MW/min，且凝汽器背压在安全区域内、功率增量设定值大于2MW、冷却风机变频控制回路处于自动控制状态下即可激活冷却工质节流调节作用。节流触发信号在当机组功率反馈值与功率增量预估值间的差值变化速率大于15MW/min时或者凝汽器真空报警时，触发信号作用切除。

凝汽器真空控制器，接收选择切换模块的输出值，输出驱动信号直接作用于空冷风机转速控制回路。

空冷风机转速控制回路，接收驱动信号，并根据分配转速指令改变空冷岛风机的冷却空气流量。

本实施例的负荷控制系统还包括手自动切换模块，手自动切换模块与凝汽器真空控制器以及空冷风机转速控制回路相连。

凝汽器真空控制系统中的凝汽器真空控制器采用传统的比例积分调节PI(proportional integral controller)控制器，例如MM420或MM440等。选择切换模块的节流触发信号来自RS触发器，RS触发器S端连接节流触发条件，R端连接节流切除条件。

由于冷却工质节流只是在机组变负荷初期起到机组功率快速跨出调节死区的作用，在稳态工况下需要对凝汽器背压进行闭环控制保证汽轮机侧具有较高的运行效率。因此选择节流触发信号作为基于冷却工质节流调节的凝汽器真空控制器输入信号的选择，即稳态工况下凝汽器真空控制器的输入信号为最佳真空设定值，而在机组变负荷初期凝汽器真空控制器的输入信号为节流真空设定值。

如图3，节流调节真空设定值回路包括第一信号保持器、第二信号保持器、第一乘法器、第二乘法器、第一差值计算器、第二差值计算器、变工况计算器、信号比较器以及信号判断器，第一信号保持器的输出端分别连接第一乘法器与第二乘法器，第二信号保持器的输出端连接第一差值计算器，第一乘法器、第二乘法器以及第一差值计算器的输出端分别连接信号比较器，第二差值计算器、信号判断器以及变工况计算器形成回路，信号比较器的输出端与第二差值计算器连接。

第一信号保持器的输入信号为由每列风机转速计算获得的风机集群转速，触发信号为节流触发信号，当第一信号保持器被触发时，使输出信号保持为输入信号；第二信号保持器的输入信号为机组功率反馈值，触发信号为节流触发信号；当第二信号保持器被触发，使输出信号保持为输入信号。

第一乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量上限；第二乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量下限；第一差值计算器的另一输入为机组功率设定值，输出信号为当前机组功率差值。

信号比较器根据上述功率增量上限、功率增量下限以及一个当前机组功率差值三个输入信号，选取三个输入信号的中间值作为输出信号，即为冷却工质节流控制功率增量设定值。

第二差值器的另一输入为变工况计算功率定值，输出为功率定值偏差；第二差值器的输出接入信号差值判断器，信号差值判断器的另一输入为调节差值允许范围，信号差值判断器的功率定值偏差在差值允许范围之外时，输出端接入变工况计算器，否则输出端输出节流真空设定值。

如图2，根据的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，提出一种基于冷却工质节流调节负荷控制系统的变工况真空计算方法，变工况计算器实时采集当前工况下的乏汽参数和冷却工质参数，变工况真空计算方法包括如下步骤：

步骤1：初始化机组功率增量，设定初始的机组功率增量值为0；

步骤2：根据每列风机转速，计算集群风机转速，根据环境温度和气压拟合环境空气密度，用集群转速和环境空气密度计算空气流量；

步骤3：根据乏汽参数和冷却工质参数，计算当前工况下的传热系数；

步骤4：迭代风机转速，计算变工况风机功率增量；

步骤5：迭代风机转速，计算变工况下的传热系数，根据传热系数计算凝结水温度压力；

步骤6：将凝结水压力代入背压修正曲线，计算修正机组功率及变工况机组功率增量；

步骤7：将变工况机组功率增量和变工况风机功率增量输入减法器，迭代求解最大功率增量变化量、对应的最优风机转速设定值以及最优背压设定值，再将最优背压设定值输出至凝汽器真空控制器。

进一步的，步骤3中传热系数的计算步骤包括：

步骤A：根据式(1)计算当前工况乏汽放热量Qa：

Qa＝Dc*(hc-Cpw*tn) (1)

其中，Dc为当前工况下的凝结水流量，hc为当前工况下的乏汽焓值，Cpw为当前工况下的饱和水定压比热容，tn为当前工况下的凝结水温度；

步骤B：根据式(2)计算凝汽器出口空气温度ta2，具体方法为：

ta2＝Qa/(Dq*Cpg)+ta1 (2)

其中，Dq为当前工况下的空气流量，Cpg为环境空气定压比热容，ta1为凝汽器如空空气温度。

步骤C：根据式(3)计算前工况下的对数平均温度dtm，根据式(4)计算当前工况下的传热系数KF，具体方法为：

dtm＝(ta2-ta1)/((ln(tn-ta1))-ln(tn-ta2)) (3)

KF＝Qa/dtm (4)。

进一步的，步骤5中，计算变传热系数及凝结水温度、压力包括如下步骤：

步骤a：迭代计算变工况下的传热系数，具体参见如下程序代码：

for(i＝0；i<Stp；i++)

KF1[i]＝(rF[i]/rF0)^0.6*KF

End

其中，i为迭代计数器，Stp为空冷风机最大变频区间，KF[i]为变工况下的传热系数，rF[i]为变工况下的风机转速，rF0为当前工况下的风机转速。

步骤b：根据变工况下的传热系数，计算变工况下的凝结水温度，根据饱和水物性参数查表获得该温度下对应凝结水压力。具体方法参见下式：

NTU[i]＝KF1[i]/(AF*vF[i]*Den*Cpg)

tn1[i]＝(Dc*hc+ta1*AF*vF[i]*Den*Cpg*(1-Exp(-NTU[i])))/(Dc*Cpw+AF*vF[i]*Den*Cpg*(1-Exp(-NTU[i])))

其中，NTU[i]为变工况下的传热计算系数，tn1[i]为变工况下的凝结水温度，AF为空冷凝汽器迎风面积，vF[i]为冷却空气风速。

图4为在560MW工况下基于冷却工质节流调节的机组功率控制效果。其中曲线1(实线)为采用本发明的负荷控制效果，曲线2(虚线)为没有采用本发明的负荷控制效果；从曲线中可以看出，由于冷却工质节流作用机组功率可以瞬间跨出死区(这里的死区其实就是指当指令和反馈值之间的差值小于2MW时，调节器不进行任何操作)，快速增加机组功率。而传统的协调控制系统在变负荷初期存在明显的延迟，利用华北电网《两个细则》AGC响应性能指标对控制效果进行分析，可见，采用本负荷控制方法后机组变负荷控制动态性能大幅提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统，与空冷岛风机组的DCS相连，其特征在于包括：

机组真空预估模块，接收来自机组DCS测点的机组功率反馈值Ne，负荷指令Nsp，环境温度Te，和每列风机转速Ri，并输出最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst；

选择切换模块，接收节流触发信号、来自机组DCS测点的机组真空反馈值Ppv，并根据所述节流触发信号选择最佳真空设定值Pso和节流真空设定值Pst中的一个值，并与所述机组真空反馈值Ppv一同作为输出值输出；

凝汽器真空控制器，接收选择切换模块的所述输出值，输出驱动信号直接作用于空冷风机转速控制回路；

空冷风机转速控制回路，接收所述驱动信号，并根据所述分配转速指令改变空冷岛风机的冷却空气流量。

2.根据权利要求1所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统，其特征在于，还包括手自动切换模块，所述手自动切换模块与凝汽器真空控制器以及空冷风机转速控制回路相连。

3.根据权利要求1所述的基于凝汽器冷却工质节流的负荷控制系统，其特征在于，所述凝汽器真空控制器采用比例积分调节控制器。

4.根据权利要求1所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，其特征在于，所述机组真空预估模块包括第一信号保持器、第二信号保持器、第一乘法器、第二乘法器、第一差值计算器、第二差值计算器、变工况计算器、信号比较器以及信号判断器，所述第一信号保持器的输出端分别连接所述第一乘法器与第二乘法器，所述第二信号保持器的输出端连接所述第一差值计算器，第一乘法器、第二乘法器以及第一差值计算器的输出端分别连接所述信号比较器，所述第二差值计算器、信号判断器以及变工况计算器形成回路，信号比较器的输出端与第二差值计算器连接。

5.根据权利要求4所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，其特征在于，所述第一信号保持器的输入信号为由每列风机转速计算获得的风机集群转速，触发信号为节流触发信号，当第一信号保持器被触发时，使输出信号保持为输入信号；第二信号保持器的输入信号为机组功率反馈值，触发信号为节流触发信号；当第二信号保持器被触发，使输出信号保持为输入信号。

6.根据权利要求4所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，其特征在于，第一乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量上限；第二乘法器的另一输入为功率增益系数，输出信号为功率增量控制系统能承担的功率增量下限；第一差值计算器的另一输入为机组功率设定值，输出信号为当前机组功率差值。

7.根据权利要求6所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，其特征在于，信号比较器根据上述功率增量上限、功率增量下限以及一个当前机组功率差值三个输入信号，选取三个输入信号的中间值作为输出信号，即为冷却工质节流控制功率增量设定值。

8.根据权利要求4所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统，其特征在于，所述第二差值器的另一输入为变工况计算功率定值，输出为功率定值偏差；第二差值器的输出接入信号差值判断器，信号差值判断器的另一输入为调节差值允许范围，信号差值判断器的功率定值偏差在差值允许范围之外时，输出端接入变工况计算器，否则输出端输出节流真空设定值。

9.如权利要求1-8任一项所述的基于冷却工质节流调节负荷控制系统的变工况真空计算方法，其特征在于，所述变工况真空计算模块实时采集当前工况下的乏汽参数和冷却工质参数，使用变工况真空计算方法对最优背压设定值进行求解。所述变工况真空计算方法包括如下步骤：

步骤1：初始化机组功率增量，设定初始的机组功率增量值为0；

步骤2：根据每列风机转速，计算集群风机转速，根据环境温度和气压拟合环境空气密度，用集群转速和环境空气密度计算空气流量；

步骤3：根据所述乏汽参数和冷却工质参数，计算当前工况下的传热系数；

步骤4：迭代风机转速，计算变工况风机功率增量；

步骤5：迭代风机转速，计算变工况下的传热系数，根据传热系数计算凝结水温度压力；

步骤6：将凝结水压力代入背压修正曲线，计算修正机组功率及变工况机组功率增量；

步骤7：将变工况机组功率增量和变工况风机功率增量输入减法器，迭代求解最大功率增量变化量、对应的最优风机转速设定值以及最优背压设定值，再将最优背压设定值输出至凝汽器真空控制器。

10.根据权利要求9所述变工况真空计算方法，其特征在于，所述步骤3传热系数的计算步骤包括：

步骤A：根据式(1)计算当前工况乏汽放热量Qa：

Qa＝Dc*(hc-Cpw*tn) (1)

其中，Dc为当前工况下的凝结水流量，hc为当前工况下的乏汽焓值，Cpw为当前工况下的饱和水定压比热容，tn为当前工况下的凝结水温度；

步骤B：根据式(2)计算凝汽器出口空气温度ta2，具体方法为：

ta2＝Qa/(Dq*Cpg)+ta1 (2)

其中，Dq为当前工况下的空气流量，Cpg为环境空气定压比热容，ta1为凝汽器如空空气温度。

步骤C：根据式(3)计算前工况下的对数平均温度dtm，根据式(4)计算当前工况下的传热系数KF，具体方法为：

dtm＝(ta2-ta1)/((ln(tn-ta1))-ln(tn-ta2)) (3)

KF＝Qa/dtm (4)。