CN107728464B - 基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统及方法，系统包括信号采集模块、分段函数模块、模拟量选择器、减法器、滞后模块、高低限报警模块、滞后置位定时器和锅炉主控制器；所述信号采集模块的输入端与机组相连，第一输出端经过分段函数模块与模拟量选择器的第二输入端相连，第二输出端与减法器的第一输入端相连，第三输出端经过滞后模块与减法器的第二输入端相连；所述减法器的输出端依次经过高低限报警模块和滞后置位定时器后与模拟量选择器的置位端相连；所述模拟量选择器的输出端与锅炉主控制器的积分参数设置端相连。本发明达到了机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善了机组调频调峰的性能，降低了电网系统的频率波动。
Description
技术领域
本发明涉及锅炉优化控制领域，具体地说是基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统及方法。
背景技术
随着材料技术的发展和节能要求的不断提高，大型火电机组，尤其是超临界及超超临界大型机组在国内电源建设中得到了越来越广泛的应用。现今，大容量机组由于宏观因素的影响，皆采用变负荷运行，进行调频、调峰，每天负荷变化范围很大。在特高压电网和大区电网互联的新形势下，各级电网联系日渐紧密，电网和机组之间协调配合的要求也越来越高，网源协调功能中的AGC成为稳定电网的有效手段之一。为了电网的安全稳定运行，各大型火电机组都要求投入AGC(Automatic Generation Control，自动发电控制)功能，要求AGC控制机组的负荷范围大(一般要求50％-100％额定负荷)，并且要求机组具备快速、准确、稳定的响应负荷变化需求。
电网调度AGC考核主要从调节速率、调节精度、响应时间三方面进行考核。图1为典型AGC机组设点控制过程，图中,Pmin,i是该机组可调的下限出力，Pmax,i是其可调的上限出力，PNi是其额定出力，Pdi是其启停磨临界点功率。整个过程可以这样描述：T0时刻以前，T1时刻以前，该机组稳定运行在出力值P1附近，T0时刻，AGC控制程序对该机组下发功率为P2的设点命令，机组开始涨出力，到T1时刻可靠跨出P1的调节死区，然后到T2时刻进入启磨区间，一直到T3时刻，启磨过程结束，机组继续涨出力，至T4时刻第一次进入调节死区范围，然后在P2附近小幅振荡，并稳定运行于P2附近，直至T5时刻，AGC控制程序对该机组发出新的设点命令,功率值为P3，机组随后开始降出力的过程,T6时刻可靠跨出调节死区，至T7时刻进入P3的调节死区，并稳定运行于其附近。同时，各区域电网对各自网内火电机组的调节速率提出了明确规定，以《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》为例，要求一般的直吹式制粉系统的汽包炉的火电机组为机组额定有功功率的1.5％；一般的带中间储仓式制粉系统的火电机组为机组额定有功功率的2％。
在AGC方式下运行时，机组通常为CCS(Coordinated Control System，协调控制系统)协调控制模式，此时汽轮机侧调节功率，锅炉侧调节压力。但是由于锅炉侧燃烧所固有的滞后性，再加上近年来脱硝低氮燃烧改造等造成的燃烧周期加长，机组普遍存在AGC负荷指令发生变化时，从锅炉控制指令变化到煤量发生改变、燃烧做功，其周期远大于汽轮机侧负荷调整所需的时间，也就是说，在某次调整过程中，会存在AGC负荷指令已经改变，如调节方向已经反转，锅炉侧才把上次负荷指令变化所需要的能量释放出来，形成锅炉侧和汽轮机侧两者的反向调节。同时，在实际运行中发现，机组给煤机或给粉机在不同的运行区间内，其给煤或给粉能力是不一致的，也会造成压力和负荷之间的调节不匹配。而由于交直流大规模远程输电的发展，电网对AGC调节速率的要求更高，需要机组汽轮机侧负荷调节速率的加快，造成主汽压力波动增大，进一步加剧锅炉侧和汽机侧的时间匹配不符问题，给机组协调运行的稳定性和负荷控制的精度带来一定的负面影响，进而影响到调度控制部门考核等其它性能指标。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统及方法，其能够改善机组调频调峰的性能，降低电网系统的频率波动。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一方面，本发明实施例提供的一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，它可以包括信号采集模块、分段函数模块、模拟量选择器、减法器、滞后模块、高低限报警模块、滞后置位定时器和锅炉主控制器；
所述信号采集模块的输入端与机组相连，第一输出端经过分段函数模块与模拟量选择器的第二输入端相连，第二输出端与减法器的第一输入端相连，第三输出端经过滞后模块与减法器的第二输入端相连；所述减法器的输出端依次经过高低限报警模块和滞后置位定时器后与模拟量选择器的置位端相连；所述模拟量选择器的输出端与锅炉主控制器的积分参数设置端相连。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述滞后模块的时间输入端连接有第一模拟量发生器。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述滞后置位定时器的时间输入端连接有第二模拟量发生器。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述第二模拟量发生器设置的滞后时间为3-5s。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述模拟量选择器的第一输入端连接有第三模拟量发生器。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述高低限报警模块的高限值输入端和低限值输入端所设数值的绝对值大小相等、正负相反。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述高低限报警模块的高限值输入端所设数值是根据第一模拟量发生器中所设滞后时间大小和所属区域电网规定的AGC快速调节速率计算得出的。
另一方面，本发明实施例提供的一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制方法，它可以包括以下步骤：
当机组负荷指令变化较快且超出设定范围之外时，输出为一固定的积分时间常数至锅炉主控制器；
当机组负荷指令变化较慢且在设定范围之内时，输出为机组负荷指令经过分段函数生成的锅炉主控制器的积分时间常数。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述设定范围是根据电网规定的负荷调节速率计算得出的数值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述分段函数为经机组设备特性及实际运行曲线分析得出的经验函数，分段函数的曲线规律为随机组负荷指令的升高曲线斜率变大。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
一方面，本发明实施例技术方案通过对机组负荷指令和负荷调节速率的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证了机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到了机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善了机组调频调峰的性能，降低了电网系统的频率波动。
另一方面，本发明实施例技术方案当机组负荷指令变化较快超出设定范围之外时，即处于AGC等快速负荷调节模式时，系统输出为一固定的较大的积分时间常数至锅炉主控制器；当机组负荷指令变化较慢在设定范围之内时，即跟踪电网计划出力曲线进行负荷常规调节模式时，系统输出为负荷指令经过分段函数F(x)后，生成的锅炉主控制器的积分时间常数，通过动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证了机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到了机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善了机组调频调峰的性能，降低了电网系统的频率波动。
与现有技术相比较，本发明实施例技术方案具有以下特点：
(1)并网机组负荷调整性能的好坏直接影响电网频率的稳定，通过本发明能够通过对机组负荷指令的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，确保机组给煤机或给粉机在不同的运行区间内其给煤或给粉能力的线性化，确保压力和负荷之间的调节控制匹配。
(2)通过对机组负荷指令和负荷调节速率的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善机组调频调峰的性能，降低电网系统的频率波动。
附图说明
图1是现有技术中典型AGC机组设点控制过程的示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统的示意图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种滞后复位型定时器的工作的示意图；
图4是根据一示例性实施例示出的一种600MW机组负荷指令与积分时间数值的对应曲线示意图；
图2中，AI为机组负荷指令模拟量信号，F(x)为分段函数模块，AXSEL为模拟量选择器，DEV为减法器，LAG为滞后模块，HLALM为高低限报警模块，Timer为滞后置位定时器，PID为锅炉主控制器、A1为第一模拟量发生器，A2为第二模拟量发生器，A3为第三模拟量发生器。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统的示意图。如图2所示，本发明实施例提供了一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，它可以包括信号采集模块、分段函数模块、模拟量选择器、减法器、滞后模块、高低限报警模块、滞后置位定时器和锅炉主控制器；所述信号采集模块的输入端与机组相连，第一输出端经过分段函数模块与模拟量选择器的第二输入端相连，第二输出端与减法器的第一输入端相连，第三输出端经过滞后模块与减法器的第二输入端相连；所述减法器的输出端依次经过高低限报警模块和滞后置位定时器后与模拟量选择器的置位端相连；所述模拟量选择器的输出端与锅炉主控制器的积分参数设置端相连。
信号采集模块将采集到的机组负荷指令模拟量信号AI输出为3路，一路经过分段函数F(x)后送至模拟量选择器AXSEL的输入端X2，一路送至减法器DEV的输入端X1，一路经过滞后模块LAG后送至减法器DEV的输入端X2；减法器DEV的输出送至高低限报警模块HLALM的输入端X，经过高低限判断后生成开关量指令送至滞后置位定时器Timer的输入端Set，滞后置位定时器Timer的输出端接入模拟量选择器AXSEL的置位端S；模拟量选择器AXSEL的输出端接入锅炉主控制器PID的积分参数设置端Ti。
在一种可能的实现方式中，用于设置滞后时间的第一模拟量发生器A1接入滞后模块LAG的时间输入端D。
在一种可能的实现方式中，用于设置滞后时间的第二模拟量发生器A2接入滞后置位定时器Timer的时间输入端DT，所设数值为3-5s，主要用于消除信号干扰和一次调频快速暂态指令对锅炉燃烧的影响。
在一种可能的实现方式中，用于设置积分时间的第三模拟量发生器A3接入模拟量选择器AXSEL的输入端X1。
在一种可能的实现方式中，高低限报警模块HLALM的高限值输入端H和低限值输入端L所设数值的绝对值大小相等、正负相反，具体数值根据第一模拟量发生器A1中所设滞后时间大小和所属区域电网规定的AGC快速调节速率K计算的得出，
本发明实施例技术方案通过对机组负荷指令和负荷调节速率的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证了机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到了机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善了机组调频调峰的性能，降低了电网系统的频率波动。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制方法，它可以包括以下步骤：
当机组负荷指令变化较快且超出设定范围之外时，输出为一固定的积分时间常数至锅炉主控制器；
当机组负荷指令变化较慢且在设定范围之内时，输出为机组负荷指令经过分段函数生成的锅炉主控制器的积分时间常数。
当机组负荷指令AI变化较快超出设定范围之外时，即处于AGC等快速负荷调节模式时，系统输出为一固定的较大的积分时间常数至锅炉主控制器；当机组负荷指令变化较慢在设定范围之内时，即跟踪电网计划出力曲线进行负荷常规调节模式时，系统输出为负荷指令经过分段函数F(x)后，生成的锅炉主控制器的积分时间常数。
在一种可能的实现方式中，所述设定范围是根据电网规定的负荷调节速率计算得出的数值，即通过减法器DEV的计算结果分析判断。
在一种可能的实现方式中，所述分段函数为经机组设备特性及实际运行曲线分析得出的经验函数，分段函数的曲线规律为随机组负荷指令的升高曲线斜率变大。
滞后置位定时器工作原理如图3所示：当Set信号从0变到1时，经过延时时间DT后，输出信号D上升为高电平，并跟随Set信号的复位变为0。Set信号的宽度小于DT时，输出D保持为0。当Rst复位信号的上升沿到达时，输出D立即复位。
本发明实施例技术方案当机组负荷指令变化较快超出设定范围之外时，即处于AGC等快速负荷调节模式时，系统输出为一固定的较大的积分时间常数至锅炉主控制器；当机组负荷指令变化较慢在设定范围之内时，即跟踪电网计划出力曲线进行负荷常规调节模式时，系统输出为负荷指令经过分段函数F(x)后，生成的锅炉主控制器的积分时间常数，通过动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证了机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到了机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善了机组调频调峰的性能，降低了电网系统的频率波动。
下面结合一具体算例来阐述本发明的具体实施过程：
以某华北区域600MW超临界、中间再热、正压直吹式超临界直流炉机组为例，介绍具体实施过程。《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》要求一般的直吹式制粉系统的汽包炉的火电机组为机组额定有功功率的1.5％。故该机组投入AGC(自动发电控制)模式进行快速负荷调节时，不考虑信号的传输延迟及机组设备本身所固有的迟延和惯性，其负荷调节速率值最小为K＝1.5％Pe＝1.5％×600＝9MW/min。
该机组正压直吹式制粉系统从锅炉主控指令变化至给煤机煤量变化至燃烧做功，其工艺流程时间约为4-6min，考虑AGC模式下负荷指令是锯齿型上下波动调节，故第三模拟量发生器A3中所设数值应为正常时间的1.5-3倍，该机组中将A3值设为15min，即900s。
该机组用于设置滞后时间的第二模拟量发生器A2接入滞后置位定时器Timer的时间输入端DT，所设数值为3，主要用于消除信号干扰和一次调频快速暂态指令对锅炉燃烧的影响，即负荷指令的变化量在3s内快速变化但未保持住的，Timer的输出不发生变化，只有高低限报警模块HLALM输出的高电平信号保持时间超出3s，Timer的输出才会为高电平信号。
该机组用于设置滞后时间的第一模拟量发生器A1中数值设为10，即滞后模块LAG的时间常数D为10，而由于减法器DEV的输出值经送至高低限报警模块HLALM的输入端X，经过高低限判断后生成开关量指令：
(1)如果此时机组处于AGC等快速负荷调节模式时，由于滞后模块LAG的时间常数D为10，负荷调节速率值不小于为9MW/min,则减法器DEV的输出值为大于
的数值，由于高低限报警模块HLALM的高限值输入端H和低限值输入端L所设数值的绝对值大小相等、正负相反，其中
L为-1.5，即此时低限报警模块HLALM的输出为高电平信号“1”，经过滞后置位定时器Timer滞后置位处理后送至模拟量选择器AXSEL的置位端S，将第三模拟量发生器A3的数值输出至锅炉主控制器PID的积分参数设置端Ti，即此时Ti＝900，锅炉以较慢速率进行煤量调节，防止反向调节。
(2)如果此时机组未处于AGC等快速负荷调节模式，机组处于跟踪计划出力曲线等较缓慢的负荷调节模式时，减法器DEV的输出值大于-1.5，小于1.5，即无法触发高低限报警模块HLALM的高低限值，高低限报警模块HLALM的输出为低电平“0”，滞后置位定时器Timer的输出为低电平“0”，模拟量选择器AXSEL的置位端S的输入为低电平“0”，则模拟量选择器AXSEL将输入端X2的数值输出至锅炉主控制器PID的积分参数设置端Ti，即此时Ti为负荷指令信号经分段函数F(x)处理后得到的数值，如表1所示。
根据实际试验及历史运行曲线，该机组给煤机运行为非线性，在不同的运行区间内，其给煤能力不一致的，同时机组只在50％-100％额定功率范围内投入AGC等快速负荷调节模式，故利用分段函数对其进行处理。
表1：600MW机组负荷指令与积分时间数值对应表
表1对应的曲线如图4所示，从图4中可以明确看出，随着机组负荷指令的升高，即机组功率越大，锅炉主控制器所对应的积分时间Ti越小，而且在高负荷段时，由于给煤机或给粉机工作能力的降低，积分时间Ti明显变小，即通过更快的锅炉主控指令变化以弥补煤机或给粉机能力的下降，确保机组给煤机或给粉机在不同的运行区间内其给煤或给粉能力的线性化，确保压力和负荷之间的调节控制匹配。
与现有技术相比较，本发明具有以下特点：
(1)并网机组负荷调整性能的好坏直接影响电网频率的稳定，通过本发明能够通过对机组负荷指令的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，确保机组给煤机或给粉机在不同的运行区间内其给煤或给粉能力的线性化，确保压力和负荷之间的调节控制匹配。
(2)通过对机组负荷指令和负荷调节速率的判断，动态调整锅炉控制的积分时间，有效控制机组锅炉的煤量变化，保证机组负荷与煤量调整之间的合理配置，进而达到机组锅炉和汽轮机的协调动作，改善机组调频调峰的性能，降低电网系统的频率波动。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，包括信号采集模块、分段函数模块、模拟量选择器、减法器、滞后模块、高低限报警模块、滞后置位定时器和锅炉主控制器；
所述信号采集模块的输入端与机组相连，第一输出端经过分段函数模块与模拟量选择器的第二输入端相连，第二输出端与减法器的第一输入端相连，第三输出端经过滞后模块与减法器的第二输入端相连；所述减法器的输出端依次经过高低限报警模块和滞后置位定时器后与模拟量选择器的置位端相连；所述模拟量选择器的输出端与锅炉主控制器的积分参数设置端相连；
当机组负荷指令变化较快且超出设定范围之外时，输出为一固定的积分时间常数至锅炉主控制器；
当机组负荷指令变化较慢且在设定范围之内时，输出为机组负荷指令经过分段函数生成的锅炉主控制器的积分时间常数；
所述设定范围是根据电网规定的负荷调节速率计算得出的数值；所述分段函数为经机组设备特性及实际运行曲线分析得出的经验函数，分段函数的曲线规律为随机组负荷指令的升高曲线斜率变大。
2.如权利要求1所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述滞后模块的时间输入端连接有第一模拟量发生器。
3.如权利要求1所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述滞后置位定时器的时间输入端连接有第二模拟量发生器。
4.如权利要求3所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述第二模拟量发生器设置的滞后时间为3-5s。
5.如权利要求1所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述模拟量选择器的第一输入端连接有第三模拟量发生器。
6.如权利要求1所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述高低限报警模块的高限值输入端和低限值输入端所设数值的绝对值大小相等、正负相反。
7.如权利要求1所述的基于积分参数动态调整的锅炉优化控制系统，其特征是，所述高低限报警模块的高限值输入端所设数值是根据第一模拟量发生器中所设滞后时间大小和所属区域电网规定的AGC快速调节速率计算得出的。
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