CN107965356B - 一种火电机组灵活性提升控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种火电机组灵活性提升控制方法，其特点是，包括：设置火电机组汽轮机抽汽的节流装置、采集汽轮机抽汽流量信号和提升火电机组控制的灵活性步骤，依据小波分解和汽轮机蓄热深度利用的相关技术手段，提出了一套完善的火电机组灵活性控制技术，考虑汽轮机负荷变化能力，主蒸汽压力动态特性以及机组整体安全性，提高了火电机组快速变负荷能力，对于可再生能源发电的大规模并网提供了技术支撑，具有广阔的商业化前景。

Description

一种火电机组灵活性提升控制方法

技术领域

本发明涉及火电机组负荷协调控制，一种火电机组灵活性提升控制方法。

背景技术

火电机组灵活性是指在电网负荷指令频繁、大范围变化时，火电机组能够安全、稳定、快速地实现负荷的变化。非可再生能源枯竭、污染环境等问题日益突出，各国努力寻求稳定充足的能源供应，近年来，风能、太阳能等可再生能源发电技术快速发展，相关技术也得到了大幅提高，大规模可再生能源发电负荷又亟待并网，可再生能源自身具有不稳定性、波动性以及不确定性，这些特性使得电网稳定性变差，火电机组负荷变化能力要有效地适应可再生能源，也就是说火电机组灵活性需要快速提升。

目前，利用锅炉和汽轮机蓄热特性提高火电机组灵活控制技术中，大部分负荷变化幅度较小，在电网负荷指令大幅度变化时，难以满足要求。火电机组负荷协调控制中，先进的优化控制算法虽然在理论上能够有效提高机组负荷跟踪能力，但是算法结构相对复杂，现场实际过程难以实现。针对火电机组灵活性提升控制技术，还没有一套完整、有效、通用的方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，结合多学科知识，依据小波分解和汽轮机蓄热深度利用的相关技术手段，考虑汽轮机负荷变化能力，主蒸汽压力动态特性以及机组整体安全性，提出了一套完善的火电机组灵活性控制技术。提高了火电机组快速变负荷能力，对于可再生能源发电的大规模并网提供了技术支撑。

为实现本发明目的采用的技术方案是：一种火电机组灵活性提升控制方法，其特征是，

1)设置火电机组汽轮机抽汽的节流装置：

在汽轮机第一段抽汽点连接的一号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；在汽轮机第二段抽汽点连接的二号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；在汽轮机第三段抽汽点连接的三号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；

2)采集汽轮机抽汽流量信号：

在汽轮机第一段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计；在汽轮机第二段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计；在汽轮机第三段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计，通过信号采集卡采集蒸汽流量的电信号，将电信号传至机组集散控制系统(DCS)中；

3)负荷指令信号的多尺度小波分解：

在主蒸汽压力定压控制条件下，对负荷指令进行不同频率的分解，负荷指令的小波分解是将负荷指令N(t)与小波函数进行内积，

式中，

为基小波，a为尺度因子参数、b为位移因子参数，ψ_a,b(t)通过尺度函数ψ(t)通过伸缩和平移过程实现；

负荷指令信号N被分解为：H₁，H₂，H₃，L₁，其中，H₁为负荷指令经分解后得到的高频信号1，H₂为负荷指令经分解后得到的高频信号2，H₃为负荷指令经分解后得到的高频信号3，L₁为负荷指令经分解后得到的低频信号1；

4)汽轮机抽汽调节阀门开度控制：

汽轮机抽汽调节阀门开度的控制主要考虑主蒸汽压力目标跟踪误差和汽轮机负荷目标跟踪误差，将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a3的输入，将高频信号H₁作为比例控制器b3的输入，比例积分控制器a3输出和比例控制器b3输出的乘积，作为汽轮机第一段抽汽管道调节阀门开度指令l；将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a4的输入，将高频信号H₂作为比例控制器b4的输入，比例积分控制器a4输出和比例控制器b4输出的乘积，作为汽轮机第二段抽汽管道调节阀门开度指令m；将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a5的输入，将高频信号H₃作为比例控制器b5的输入，比例积分控制器a5输出和比例控制器b5输出的乘积，作为汽轮机第三段抽汽管道调节阀门开度指令n；

5)提升火电机组控制的灵活性：

①主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a1后得到信号A1，低频信号L₁经过比例控制器b1后得到信号A2，A1和A2相加后，经过速率限制环节h1和阈值限制环节i1后，作为燃料量指令信号j；

②主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例控制器b2后得到信号B1，低频信号L₁和汽轮机负荷实际值f之差经过比例积分控制器a2得到信号B2，B1和B2相加后得到的信号经过速率限制环节h2和阈值限制环节i2后，作为主蒸汽调节阀门开度指令信号k；

③主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a3后得到信号C1，高频信号H₁经过比例控制器b3后得到信号C2，C1和C2的乘积经过速率限制环节h3和阈值限制环节i3后，作为汽轮机第一段抽汽调节阀门开度指令信号‘l’；

④主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a4后得到信号D1，高频信号H₂经过比例控制器b4后得到信号D2，D1和D2的乘积经过速率限制环节h4和阈值限制环节i4后，作为汽轮机第二段抽汽调节阀门开度指令信号‘m’；

⑤主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a5后得到信号E1，高频信号H₃经过比例控制器b5后得到信号E2，E1和E2的乘积经过速率限制环节h5和阈值限制环节i5后，作为汽轮机第三段抽汽调节阀门开度指令信号‘n’；

6)火电机组灵活性提升控制系统参数优化：

控制系统中的共计10个控制器，共计15个控制器参数，为了完成机组的精准控制，利用粒子群优化算法对控制器参数进行优化，结合现场试验数据进行参数的优化，采集主蒸汽压力目标值c、主蒸汽压力实际值e，汽轮机功率设定值，汽轮机功率实际运行值；

①优化算法初始化，设定粒子群算法的每个参数，其中主要包括搜索空间的阈值，学习因子c₁和c₂，最大迭代次数T，算法中粒子速度阈值；随机初始化15个粒子的位置和速度；

②计算15个粒子每个粒子的适应度，适应度函数为：

f(t)为适应度函数、t为时间、p为主蒸汽压力、p0为主蒸汽压力指令、N为汽轮机负荷、N0为汽轮机负荷指令；

③比较每个粒子的适应度值与个体最优值，择优替代；

④比较每个粒子的适应度值与种群最优值，择优替代；

⑤更新粒子位置和速度，

粒子位置更新规则：

粒子速度更新规则：

其中，p_i,j为每个粒子所经过的最佳的位置，p_g,j为种群的最佳位置，i表示第i个粒子，j表示维度为j空间；

⑥若适应度达到要求或达到迭代次数后退出优化过程，否则重新进行速度和位置的更新，保证主蒸汽压力实际值e波动较小，汽轮机负荷实际值f平稳。

本发明一种火电机组灵活性提升控制方法的有益效果体现在：

1.依据小波分解和汽轮机蓄热深度利用的相关技术手段，提出了一套完善的火电机组灵活性提升控制方法，考虑了汽轮机负荷变化能力，主蒸汽压力动态特性以及机组整体安全性，提高了火电机组快速变负荷能力，对于可再生能源发电的大规模并网提供了技术支撑，使火电机组负荷变化能力有效地适应可再生能源，解决了大规模可再生能源发电负荷并网问题，同时生态环境将得到有效保护。

2.由于一种火电机组灵活性提升控制方法的产生，突破了现存可再生能源发电并网的技术瓶颈，该方法科学合理、控制方便、准确、安全性能好，是有实际应用价值的火电机组灵活性提升控制方法，随着可再生能源发电技术快速发展，其具有广阔的商业化前景。

附图说明

图1为一种火电机组灵活性提升控制方法汽轮机抽汽调节阀门安装图；

图2为一种火电机组灵活性提升控制方法火电机组负荷指令不同尺度分解图；

图3为一种火电机组灵活性提升控制方法火电机组集散控制系统协调控制部分输入-输出信号图；

图4为一种火电机组灵活性提升控制方法火电机组灵活性提升控制系统结构图；

图5为粒子群优化算法流程图；

图6负荷指令正弦波动扰动下汽轮机负荷响应特性图；

图7负荷指令正弦波动扰动下主蒸汽压力响应特性图。

图中：1锅炉，2主蒸汽调节阀门，3汽轮机高压缸，4汽轮机中压缸，5a汽轮机低压缸a，5b汽轮机低压缸b，6再热器，7a第一段抽汽管道电动调节阀门，7b第二段抽汽管道电动调节阀门，7c第三段抽汽管道电动调节阀门，8a第一段抽汽管道截止阀门，8b第二段抽汽管道截止阀门，8c第三段抽汽管道截止阀门，8d第四段抽汽管道截止阀门，8e第五段抽汽管道截止阀门，8f第六段抽汽管道截止阀门，8g第七段抽汽管道截止阀门，9凝汽器，10a第一段抽汽管道差压流量计，10b第二段抽汽管道差压流量计，10c第三段抽汽管道差压流量计，11a一号高压给水加热器，11b二号高压给水加热器，11c三号高压给水加热器，11d一号低压给水加热器，11e二号高压给水加热器，11f三号高压给水加热器，12锅炉给水泵，13除氧器，14集散控制系统(DCS)，15a汽轮机第一段抽汽流量信号，15b汽轮机第二段抽汽流量信号，15c汽轮机第三段抽汽流量信号，a1比例积分控制器1，a2比例积分控制器2，a3比例积分控制器3，a4比例积分控制器4，a5比例积分控制器5，b1比例控制器1，b2比例控制器2，b3比例控制器3，b4比例控制器4，b5比例控制器5，c主蒸汽压力设定值，d汽轮机负荷设定值，e主蒸汽压力实际值，f汽轮机负荷实际值，g负荷指令多尺度分解环节，h1饱和限制环节1，h2饱和限制环节2，h3饱和限制环节3，h4饱和限制环节4，h5饱和限制环节5，i1速率限制环节1，i2速率限制环节2，i3速率限制环节3，i4速率限制环节4，i5速率限制环节5，j燃料量指令信号，k主蒸汽调节阀门开度指令信号，l汽轮机第一段抽汽调节阀门开度指令信号，m汽轮机第二段抽汽调节阀门开度指令信号，n汽轮机第三段抽汽调节阀门开度指令信号，o火电机组协调被控对象，L1负荷指令经分解后得到的低频信号1，H1负荷指令经分解后得到的高频信号1，H2负荷指令经分解后得到的高频信号2，H3负荷指令经分解后得到的高频信号3。

具体实施方式

以下结合图1至图7和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，汽轮机高压加热器和低压加热器都需要从汽轮机抽取蒸汽对锅炉给水进行加热，由于高压给水加热器抽取蒸汽的焓值较高，对于改变汽轮机负荷的能力相对较大。在汽轮机第一段抽汽点连接一号高压给水加热器的管道上安装1台电动调节阀门7a，电动调节阀后安装1台差压式流量计10a；在汽轮机第二段抽汽点连接二号高压给水加热器的管道上安装1台电动调节阀门7b电动调节阀后安装1台差压式流量计10b，；在汽轮机第三段抽汽点连接三号高压给水加热器的管道上安装1台电动调节阀门7c，电动调节阀后安装1台差压式流量计10c。差压式流量计由节流元件和差压变送器组成，通过信号采集卡采集蒸汽流量的电信号，完成抽汽流量信号的采集,将电信号传至机组集散控制系统(DCS)14中。

参照图2，利用小波分解算法将负荷指令分为不同频率信号，采用三层尺度小波分解，将负荷指令信号分为3路高频信号和1路低频信号。H₁为负荷指令经分解后得到的高频信号1，H₂为负荷指令经分解后得到的高频信号2，H₃为负荷指令经分解后得到的高频信号3，L₁为负荷指令经分解后得到的低频信号1；

参照图3，14集散控制系统(DCS)接收15a汽轮机第一段抽汽流量信号，15b汽轮机第二段抽汽流量信号，15c汽轮机第三段抽汽流量信号，e主蒸汽压力实际值，f汽轮机负荷实际值，输出j燃料量指令信号，k主蒸汽调节阀门开度指令信号，l汽轮机第一段抽汽调节阀门开度指令信号，m汽轮机第二段抽汽调节阀门开度指令信号，n汽轮机第三段抽汽调节阀门开度指令信号，构成协调控制系统。

参照图4，

①主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a1后得到信号A1，低频信号L₁经过比例控制器b1后得到信号A2，A1和A2相加后，经过速率限制环节h1和阈值限制环节i1后，作为燃料量指令信号j。

②主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例控制器b2后得到信号B1，低频信号L₁和汽轮机负荷实际值f之差经过比例积分控制器a2得到信号B2，B1和B2相加后得到的信号经过速率限制环节h2和阈值限制环节i2后，作为主蒸汽调节阀门开度指令信号k。

③主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a3后得到信号C1，高频信号H₁经过比例控制器b3后得到信号C2，C1和C2的乘积经过速率限制环节h3和阈值限制环节i3后，作为汽轮机第一段抽汽调节阀门开度指令信号‘l’。

④主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a4后得到信号D1，高频信号H₂经过比例控制器b4后得到信号D2，D1和D2的乘积经过速率限制环节h4和阈值限制环节i4后，作为汽轮机第二段抽汽调节阀门开度指令信号‘m’。

⑤主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a5后得到信号E1，高频信号H₃经过比例控制器b5后得到信号E2，E1和E2的乘积经过速率限制环节h5和阈值限制环节i5后，作为汽轮机第三段抽汽调节阀门开度指令信号‘n’。

⑥火电机组灵活性提升控制系统参数优化，控制系统中的共计10个控制器，共计15个控制器参数，为了完成机组的精准控制，利用粒子群优化算法对控制器参数进行优化。结合现场试验数据进行参数的优化，采集主蒸汽压力设定值、主蒸汽压力实际运行值，汽轮机功率设定值，汽轮机功率实际运行值。

本实施例的一种火电机组灵活性提升控制方法，以某300MW机组为例，其中，汽轮发电机额定功率300MW，锅炉主蒸汽额定温度538℃，主蒸汽压力额定值为16.67MPa，汽轮机具有七段抽汽，前三段抽汽用于加热锅炉给水，连接锅炉给水加热器。

第一步，根据本发明内容，在汽轮机前三段抽汽段安装抽汽节流阀门，用于实现汽轮机抽汽流量的控制；

第二步，在汽轮机抽汽调节阀后安装流量计，用于抽汽流量信号的采集，将采集的抽汽流量信号输入至DCS；

第三步，在主蒸汽压力定压控制条件，主蒸汽压力设定目标值为16MPa，假设外界负荷指令扰动为正弦扰动，其中负荷指令基准值为250MW，负荷指令正弦变化幅值为50MW，频率为0.01，利用小波分解算法对负荷指令信号进行分解，其中a＝1.2，b＝2，将负荷指令信号分解为三路高频信号和一路低频信号；

第四步，按照本发明设计，将得到的三路高频信号和主蒸汽压力偏差信号，连接汽轮机抽汽调节阀门开度控制器，将得到的低频信号和主蒸汽压力偏差信号，连接燃料量控制器；

第五步，利用粒子群优化算法对相关控制器进行优化，其中粒子群优化算法中选择学习因子c₁＝0.2，c₂＝0.8，最大迭代次数T＝500；

最后，通过计算，负荷指令正弦变化后汽轮机负荷控制结果如图6所示，通过图6可知，本发明方法对于火电机组快速变负荷控制，能够保证汽轮机负荷快速跟随负荷指令；负荷指令正弦变化后主蒸汽压力控制结果如图7所示，通过图7可知，本发明方法能够减小主蒸汽压力波动，防止主蒸汽压力超出安全值。

通过对汽轮机负荷和主蒸汽压力控制的结果可知，本发明方法能提高火电机组快速变负荷能力，提升火电机组灵活性，为不稳定的可再生能源大规模并网提供条件。

以上所述仅是本发明的优选实施例，应当指出的是，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，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种火电机组灵活性提升控制方法，其特征是，

1)设置火电机组汽轮机抽汽的节流装置：

在汽轮机第一段抽汽点连接的一号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；在汽轮机第二段抽汽点连接的二号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；在汽轮机第三段抽汽点连接的三号高压给水加热器的管道上，安装1台电动调节阀门；

2)采集汽轮机抽汽流量信号：

在汽轮机第一段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计；在汽轮机第二段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计；在汽轮机第三段抽汽管道的电动调节阀门后安装1台差压式流量计，通过信号采集卡采集蒸汽流量的电信号，将电信号传至机组集散控制系统(DCS)中；

3)负荷指令信号的多尺度小波分解：

在主蒸汽压力定压控制条件下，对负荷指令进行不同频率的分解，负荷指令的小波分解是将负荷指令N(t)与小波函数进行内积，

式中，

为基小波，a为尺度因子参数、b为位移因子参数，ψ_a,b(t)通过尺度函数ψ(t)通过伸缩和平移过程实现；

负荷指令信号N被分解为：H₁，H₂，H₃，L₁，其中，H₁为负荷指令经分解后得到的高频信号1，H₂为负荷指令经分解后得到的高频信号2，H₃为负荷指令经分解后得到的高频信号3，L₁为负荷指令经分解后得到的低频信号1；

4)汽轮机抽汽调节阀门开度控制：

汽轮机抽汽调节阀门开度的控制主要考虑主蒸汽压力目标跟踪误差和汽轮机负荷目标跟踪误差，将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a3的输入，将高频信号H₁作为比例控制器b3的输入，比例积分控制器a3输出和比例控制器b3输出的乘积，作为汽轮机第一段抽汽管道调节阀门开度指令l；将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a4的输入，将高频信号H₂作为比例控制器b4的输入，比例积分控制器a4输出和比例控制器b4输出的乘积，作为汽轮机第二段抽汽管道调节阀门开度指令m；将主蒸汽压力实际值e与目标值c之间的差值作为比例积分控制器a5的输入，将高频信号H₃作为比例控制器b5的输入，比例积分控制器a5输出和比例控制器b5输出的乘积，作为汽轮机第三段抽汽管道调节阀门开度指令n；

5)提升火电机组控制的灵活性：

①主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a1后得到信号A1，低频信号L₁经过比例控制器b1后得到信号A2，A1和A2相加后，经过速率限制环节h1和阈值限制环节i1后，作为燃料量指令信号j；

②主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例控制器b2后得到信号B1，低频信号L₁和汽轮机负荷实际值f之差经过比例积分控制器a2得到信号B2，B1和B2相加后得到的信号经过速率限制环节h2和阈值限制环节i2后，作为主蒸汽调节阀门开度指令信号k；

③主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a3后得到信号C1，高频信号H₁经过比例控制器b3后得到信号C2，C1和C2的乘积经过速率限制环节h3和阈值限制环节i3后，作为汽轮机第一段抽汽调节阀门开度指令信号‘l’；

④主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a4后得到信号D1，高频信号H₂经过比例控制器b4后得到信号D2，D1和D2的乘积经过速率限制环节h4和阈值限制环节i4后，作为汽轮机第二段抽汽调节阀门开度指令信号‘m’；

⑤主蒸汽压力目标值c与实际值e的差值经过比例积分控制器a5后得到信号E1，高频信号H₃经过比例控制器b5后得到信号E2，E1和E2的乘积经过速率限制环节h5和阈值限制环节i5后，作为汽轮机第三段抽汽调节阀门开度指令信号‘n’；

6)火电机组灵活性提升控制系统参数优化：

控制系统中的共计10个控制器，共计15个控制器参数，为了完成机组的精准控制，利用粒子群优化算法对控制器参数进行优化，结合现场试验数据进行参数的优化，采集主蒸汽压力目标值c、主蒸汽压力实际值e，汽轮机功率设定值，汽轮机功率实际运行值；

①优化算法初始化，设定粒子群算法的每个参数，其中主要包括搜索空间的阈值，学习因子c₁和c₂，最大迭代次数T，算法中粒子速度阈值；随机初始化15个粒子的位置和速度；

②计算15个粒子每个粒子的适应度，适应度函数为：

③比较每个粒子的适应度值与个体最优值，择优替代；

④比较每个粒子的适应度值与种群最优值，择优替代；

⑤更新粒子位置和速度，

粒子位置更新规则：

粒子速度更新规则：

其中，p_i,j为每个粒子所经过的最佳的位置，p_g,j为种群的最佳位置，i表示第i个粒子，j表示维度为j空间；

⑥若适应度达到要求或达到迭代次数后退出优化过程，否则重新进行速度和位置的更新，保证主蒸汽压力实际值e波动较小，汽轮机负荷实际值f平稳。

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