CN108153149B - 联合循环发电厂的快速启动控制方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及联合循环发电厂的启动控制方法以及系统。包括：联合循环发电厂，包括气体涡轮机、回收来自气体涡轮机的高温的排气而产生蒸汽的余热锅炉、利用余热锅炉中传递的蒸汽使转子旋转的蒸汽涡轮机、利用在气体涡轮机以及蒸汽涡轮机中生成的转子的旋转力来生成电力的发电机；对联合循环发电厂的结构部件的动作状态进行测定的传感器；以及基于从传感器获得的联合循环发电厂的结构部件的动作状态来控制联合循环发电厂的启动的控制器，控制器基于从传感器获得的结构部件的动作状态来验证限制条件，并基于验证结果设定运行参数的运行值。根据本发明，能够缩短联合循环发电厂的启动时间而更有效地运转联合循环发电厂，还能够减少有害物质的释放。

Description

联合循环发电厂的快速启动控制方法以及系统

技术领域

本发明涉及联合循环发电厂的启动控制方法以及系统，更详细而言，涉及能够使基于模型预测控制的计算最小化并且能够取得更快的启动时间的联合循环发电厂的启动控制方法以及系统。

背景技术

联合循环发电厂(Combined Cycle Power Plant；CCPP)将基于燃料的燃烧的热能在气体涡轮机(Gas Turbine；GT)中转换为旋转力，由该旋转力驱动发电机而生产电力，并且将在气体涡轮机排出的高温排气(exhaust gas)回收而在余热锅炉(Heat RecoverySteam Generator；HRSG)中产生蒸汽，通过利用该蒸汽而从蒸汽涡轮机(Steam Turbine；ST)得到的旋转力来驱动发电机而生产电力。

在联合循环发电厂启动时，一般会发生急剧的过渡现象，这可能对联合循环发电厂结构部件的寿命及氮氧化物、一氧化碳、碳化氢等有害物质的排出造成相当大的影响。

作为一个例子，在联合循环发电厂初始启动时，联合循环发电厂结构部件的温度可能维持得低。但是若流向蒸汽涡轮机的蒸汽的温度高于蒸汽涡轮机的转子(rotor)的温度，则可能对转子带来冲击。

因此，一般的传统的启动方法以低负荷运行气体涡轮机即以使由气体涡轮机生产的电力小的方式运行气体涡轮机。这样一来，能够在更低的温度下生成蒸汽，并由此防止可能对转子造成的冲击。

然而，若以低负荷运行气体涡轮机，则到稳定为止(即，到急剧的过渡现象消失而变成正常状态为止)需要相当长的时间，由此排出的有害物质的量变多，到余热锅炉中生成蒸汽为止需要等待更多时间。即，联合循环发电厂的效率降低。

作为应对这种传统的启动方法的对策，近几年提出了模型预测控制(ModelPredictive Control；MPC)。模型预测控制对联合循环发电厂的各结构部件进行建模，基于该模型计算能够不对转子等结构部件带来冲击并且最有效地启动联合循环发电厂的负荷量，根据该负荷量来运行气体涡轮机，由此解决现有的传统启动方法所存在的问题。

然而，由于模型预测控制需要构成模型，并基于模型在每个取样周期执行用于各模型的最佳化的计算，所以需要大量的计算能力(computing power)。结果，无法由一般的现有DCS(Distributed Control System，集散控制系统)所具有的计算能力来实现该计算，存在需要另行具有用于模型预测控制的计算机系统的问题。另外，存在如下问题：模型预测控制方法所具有的准确度是有限的，在特定情况下有可能在可靠度上存在问题，并且在找不到针对最佳化问题的解决方案的情况下直接使用现有技术中使用的运行参数而不进行控制。

发明内容

本发明的目的在于，提供能够使所需的计算能力的量最小化并且使联合循环发电厂有效且在更快的时间内到达正常状态地启动的启动控制方法以及系统。

为实现上述目的，本发明所公开的用于控制联合循环发电厂的起动的系统的上述联合循环发电厂包括：气体涡轮机，包括通过使空气和燃料而产生的气体所包含的热能而旋转的转子；余热锅炉(HRSG)，利用来自上述气体涡轮机的高温的排气而产生蒸汽；蒸汽涡轮机，包括通过在上述余热锅炉产生的蒸汽而旋转的转子；以及发电机，利用上述气体涡轮机的转子以及上述蒸汽涡轮机的转子的旋转力而生成电力，上述系统包括：传感器，对包括上述气体涡轮机、上述余热锅炉、上述蒸汽涡轮机以及上述发电机在内的上述联合循环发电厂结构部件的动作状态进行测定；以及控制器，基于从上述传感器获得的上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来控制上述联合循环发电厂的启动，上述控制器基于从上述传感器获得的上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来验证对上述联合循环发电厂的运行参数的运行值设定进行限制的一个以上的限制条件，并基于上述验证结果来设定上述运行参数的运行值。

而且，对于上述控制器而言，上述一个以上的限制条件可以包括上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量(thermal stress margin)、上述余热锅炉中的蒸汽的温度或者压力的上限值、用于在上述余热锅炉内产生蒸汽的加热器的温度的上限值、上述余热锅炉内的水的容量下限值、以及上述蒸汽涡轮机的转子的温度上限值中的至少任意一个。

作为一实施例，对于上述控制器而言，上述一个以上的限制条件可以包括上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量，上述运行参数包括由上述气体涡轮机生产的电力的增加率。

更详细而言，若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第一设定值以上，则上述控制器将上述电力的增加率设定为最大增加率，若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于上述第一设定值，则上述控制器将上述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率(大于0且小于1)而得的值；或者

若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第二设定值以上，则将上述电力的增加率设定为最大增加率，若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于上述第二设定值，则将上述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率；又或者

对上述联合循环发电厂的结构部件进行建模而构成模型预测控制，基于从上述传感器获得的上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及上述模型预测控制，来预测上述热应力余量是否充分，进行上述预测的结果，若验证为充分，则将上述电力的增加率设定为最大增加率，若验证为不充分，则将上述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率(大于0且小于1)而得的值、或者基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

在此，在上述模型预测控制基于模型预测出即使以最大增加率增加生产的电力量也能够使上述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，上述控制器可以判断为上述热应力余量充分，而在预测出下降至小于上述第三设定值的情况下，上述控制器可以判断为上述热应力余量不充分。

为了达到前述的目的，本发明所示的用于控制包括气体涡轮机、余热锅炉、蒸汽涡轮机以及发电机(下称结构部件)的联合循环发电厂的起动的方法可以包括：利用传感器来获得上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态的步骤；基于所获得的上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来验证对上述联合循环发电厂的运行参数的运行值设定进行限制的一个以上的限制条件的步骤；以及基于上述验证结果来设定上述运行参数的运行值的步骤。

在此，上述一个以上的限制条件可以包括：蒸汽涡轮机的转子的热应力余量、上述余热锅炉中的蒸汽的温度或者压力的上限值、用于在上述余热锅炉内产生蒸汽的加热器的温度的上限值、上述余热锅炉内的水的容量下限值、以及上述蒸汽涡轮机的转子的温度上限值中的至少任意一个。

作为一实施例，上述一个以上的限制条件可以包括上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量，上述运行参数可以包括由上述气体涡轮机生产的电力的增加率。

作为另一实施例，验证上述限制条件的步骤可以包括：若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第一设定值以上则判断为正常，若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于第一设定值则判断为失败，设定上述运行参数的运行值的步骤可以包括如下步骤：若在验证上述限制条件的步骤中判断为正常，则将上述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证上述限制条件的步骤中判断为失败，则将上述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率(大于0且小于1)而得的值。

作为又一实施例，验证上述限制条件的步骤可以包括：若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第二设定值以上则判断为正常，若上述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于第二设定值则判断为失败的步骤，设定上述运行参数的运行值的步骤可以包括如下步骤：若在验证上述限制条件的步骤中判断为正常，则将上述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证上述限制条件的步骤中判断为失败，则将上述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

作为又一实施例，用于控制联合循环发电厂的起动的方法还可以包括对上述联合循环发电厂的结构部件进行建模来构成模型预测控制的步骤，验证上述限制条件的步骤可以包括基于从上述传感器获得的上述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及上述模型预测控制来验证上述热应力余量是否充分的步骤，设定上述运行参数的运行值的步骤可以包括如下步骤：若在验证上述限制条件的步骤中验证为上述热应力余量充分，则将上述电力的增加率设定为最大增加率，若验证为上述热应力余量不充分，则将上述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率(大于0且小于1)而得的值、或者将上述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

在此，验证上述热应力余量是否充分的步骤可以包括如下步骤：在上述模型预测控制基于模型预测出即使以最大增加率增加所生产的电力量也能够使上述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，判断为上述热应力余量充分，而在预测出下降至小于上述第三设定值的情况下，判断为上述热应力余量不充分。

根据本发明，具有能够缩短联合循环发电厂的启动时间从而更有效地运行联合循环发电厂，而且还能够减少有害物质的释放的效果。

附图说明

图1是本发明的一实施例所涉及的用于快速启动联合循环发电厂的系统的框图。

图2是示出本发明的一实施例所涉及的用于快速启动的联合循环发电厂控制方法的图。

图3是作为本发明的一实施例，示出若热应力余量为设定值以上则将电力增加率设定为最大，若热应力余量为设定值以下则将增加率设定为最大增加率的0.5的例子的流程图。

图4是示出通过图3所示的方法来控制的情况下所生产的电力量和热应力余量的图。

图5是作为本发明的一实施例，示出基于模型预测控制来验证热应力余量是否充分，并基于此来设定生产电力增加率的例子的流程图。

图6是作为本发明的一实施例，示出若热应力余量为设定值以上则将电力增加率设定为最大，若热应力余量为设定值以下，则对于增加率，基于热应力余量并利用比例积分控制器来设定电力增加率的例子的流程图。

图7是作为本发明的一实施例，示出基于模型预测控制验证热应力余量是否充分，并基于此来设定生产电力增加率，在热应力余量不充分的情况下，基于热应力余量利用比例积分控制器来计算生产电力增加率的例子的流程图。

图8是示出通过图7所示的方法进行控制的情况下所生产的电力量和热应力余量的图。

具体实施方式

为了明确说明本发明，省略与说明无关的部分，在说明书全文中对相同或者类似的结构元件标注相同的附图标记。

在说明书全文中，在描述某一部分与其他部分“连结”时，不仅包括“直接连结”的情况，还包括有其他元件介入之间而“电连接”的情况。另外，在描述某一部分“包括”某一结构元件时，若无特别相反描述，则指还可以包括其他结构元件而不排除其他结构元件。

在提及某一部分在其他部分的“上方”的情况下，可以是直接位于其他部分的上方，也可以是在它们之间附带其他部分。相对地，在提及某一部分在其他部分的“直接上方”的情况下，在它们之间不附带其他部分。

第一、第二以及第三这些术语是为了对多种部分、成分、区域、层及/或部(section)进行说明而使用的，但并不对这些进行限定。这些术语只是为了将某一部分、成分、区域、层或者部与其他部分、成分、区域、层或者部进行区分而使用。因此，下面描述的第一部分、成分、区域、层或者部在不脱离本发明范围的范围内，也可以被提及为第二部分、成分、区域、层或者部。

此处使用的专业术语是为了提及特定实施例而使用的，并不旨于限定本发明。此处使用的单数形式在语句中无明显相反含义时也包括复数形式。说明书中使用的“包括”的含义是将特定特性、区域、定数、步骤，动作、元件及/或成分具体化，而不是排除其他特性、区域、定数、步骤、动作、元件及/或成分的存在或附加。

为了更容易地说明在附图中示出的部分相对于其他部分的关系，能够使用“下”、“上”等表示相对空间的术语。这些术语意图包括附图中意图示出的含义和使用中的装置的其他含义或者动作。例如，若使图中的装置翻转，则原本描述为在其他部分之“下”的某一部分将被描述为在其他部分之“上”。因此，“下”这一示例性术语将上方和下方全部包括在内。装置能够以90°或者其他角度旋转，而表示相对空间的术语也被相应地解释。

虽然没有单独进行定义，但在此使用的包括技术术语以及科学用语的所有用语具有与持有本发明所属的技术领域中的常规知识的人通常理解的含义相同的含义。一般使用的事先定义的用语被进一步解释为具有与相关技术文献和当前记载的内容相符的含义，而只要没有被定义则不被解释为理想的或者非常公式化的含义。

以下，参照附图对本发明的实施例进行说明，以使持有本发明所属的技术领域中的常规知识的人能够容易实施。但本发明能够以各种不同方式来实现，并不限定于在此说明的实施例。

图1是本发明的一实施例所涉及的用于快速启动联合循环发电厂的系统的框图。

参照图1，本发明的一实施例所涉及的系统可以包括联合循环发电厂100、传感器200、以及控制器300。

联合循环发电厂100可以包括：将空气压缩而向气体涡轮机120传递的压缩机110、包括通过使空气和燃料燃烧而产生的气体所包含的热能而旋转的转子的气体涡轮机120、利用来自气体涡轮机120的高温的排气而产生蒸汽的余热锅炉(HRSG)130、包括通过在余热锅炉130中产生的蒸汽而旋转的转子的蒸汽涡轮机140、以及利用气体涡轮机120的转子以及蒸汽涡轮机140的转子的旋转力而生成电力的发电机150、160。图1的例子中虽然分开示出了两个发电机，但也可以由一个发电机利用在气体涡轮机120以及蒸汽涡轮机140中产生的旋转力来进行发电。

联合循环发电厂100可以具有能够调节流动的多个阀(未图示)。作为一个例子，可以具有能够调节流入压缩机110的空气的阀、能够调节流入气体涡轮机120的燃料的量的阀、能够在余热锅炉130内控制蒸汽的流动的多种阀，另外，可以具有控制从余热锅炉130朝向蒸汽涡轮机140的蒸汽的流动的阀。这些阀能够被随后说明的控制器300控制。

传感器200是能够测定联合循环发电厂100的各结构部件的动作状态的装置。传感器200可以包括温度计、气压计、流量计等。作为各结构部件的动作状态的一个例子，可以包括从气体涡轮机120向余热锅炉130排出的排气的温度、余热锅炉130中的蒸汽的温度和压力、在余热锅炉130内加热水的加热器的温度、蒸汽涡轮机140的转子的温度及/或应力、以及发电机150、160的输出电力等。传感器200可以将测定出的结构部件的动作状态传递至控制器300。

控制器300可以基于通过传感器200获得的联合循环发电厂100的各结构部件的动作状态信息来控制联合循环发电厂100的运行参数。运行参数可以包括前述的阀的控制。作为一个例子，控制器300可以为了控制所导入的燃料的量而控制燃料导入口的阀，并将阀的打开程度规定为一个运行参数。

控制器300能够以使联合循环发电厂100安全且最佳地运行的方式进行控制。尤其关于联合循环发电厂100的启动方法，需要控制为能够使启动时间最小化。

传统方法优先考虑安全方面，为了不对蒸汽涡轮机140的转子施加冲击而控制为使气体涡轮机120以低负荷运转。更详细而言，控制器300可以调节向气体涡轮机120流入的燃料的量而使从气体涡轮机120排出的排出气体的温度在一定值以下。这样一来，在余热锅炉130中生成的蒸汽的量也会受限制，由此能够无对蒸汽涡轮机140的转子带来冲击的急剧的温度变化地运行联合循环发电厂100的初始启动。然而，这需要长时间的启动时间。

作为另一实施例，可以使用基于模型预测控制的方法。基于模型预测控制的方法可以构成用于气体涡轮机120、余热锅炉130、以及蒸汽涡轮机140的模型，并基于此来控制运行参数。在此，用于气体涡轮机120、余热锅炉130、以及蒸汽涡轮机140的模型，可以是能够由微分方程式来规定的动态模型。基于模型预测控制的方法从传感器200接收联合循环发电厂100的动作状态相关数据，基于该数据和前述的模型来预测气体涡轮机120、余热锅炉130、以及蒸汽涡轮机140的未来状态。作为一实施例，可以基于所接收的动作状态相关数据和模型来预测向蒸汽涡轮机140的转子流入的蒸汽的温度。为此，基于模型预测控制的方法可以在一系列的控制结束后再次接收联合循环发电厂100的动作状态相关数据，实时地使模型最优化，决定下一个控制步骤中的运行参数值。而且，基于模型预测控制的方法为了将对未来状态的预测的准确度最大化，可以基于收集到的联合循环发电厂100的动作状态相关数据来调节模型自身的参数(作为一个例子，微分方程式的系数)。即，基于模型预测控制的方法需要计算能够满足施加于模型的限制条件(作为一个例子，以不对蒸汽涡轮机140的转子带来冲击的程度的温度投入蒸汽)并且使联合循环发电厂100最佳地运行的运行参数值。即，需要由基于模型预测控制的方法来执行用于判断是否满足限制条件的计算、用于找出最佳化的运行参数值的计算。而且，在能够改变模型自身的参数的情况下，还需要执行用于使该参数最佳化的另一计算。

这样的复杂计算绝不可能由现有的DCS来实现。

考虑到这些问题，在本发明中提出了使基于模型预测控制的计算最小化并且使联合循环发电厂100的起动运行最优化的方法。

图2是示出本发明的一实施例所涉及的用于快速启动联合循环发电厂的控制方法的图。

图2所示的方法可以在每个取样周期(sampling period)在控制器300中执行。

参照图2，控制器300可以在每个取样周期利用传感器获得联合循环发电厂100结构部件的动作状态相关数据(S510)。此时所获得的动作状态相关数据可以包括从气体涡轮机120向余热锅炉130排出的排气的温度、余热锅炉130中的蒸汽的温度和压力、在余热锅炉130内加热水的加热器的温度、蒸汽涡轮机140的转子的温度及/或应力、以及发电机150、160的输出电力等。

然后，可以基于所获得的动作状态相关数据来验证用于参数控制的限制条件(S520)。

作为限制条件的一个例子，可以使用转子的热应力余量。物体若受热则其体积增加，相反若被冷却则其体积减小。然而，若像蒸汽涡轮机140的转子那样约束物体使其不伸长或缩短，则物体内部产生抵抗该约束的内力，而该力被称为热应力(thermal stress)。热应力的大小与受热物体的固有物性即热膨胀系数(thermal expansion coefficient)和温度增加成比例。在联合循环发电厂100启动时，若急剧增加气体涡轮机120的负荷，则排出气体的温度急剧上升，其结果若蒸汽涡轮机140的转子脱离能够承受的热应力的范围，则蒸汽涡轮机140的转子会遭破坏。因此，可以将由蒸汽涡轮机140的转子的温度和向转子导入的蒸汽的温度决定的热应力余量设定为限制条件。即作为限制条件设定转子的热应力余量，并在每个取样周期验证转子的热应力余量是否充分。

验证结果可以以“通过”(pass)或者“失败”(fail)来表示，“通过”是指满足所设定的限制条件，“失败”是指不满足限制条件。就前述的热应力余量而言，若热应力余量充分则验证结果显示为通过，若热应力余量不充分则验证结果显示为失败。

在此，可以为了判断热应力余量是否充分而设定特定值。并且在热应力余量为特定值以上的情况下判断为充分，在热应力余量为特定值以下的情况下判断为不充分。此时的特定值能够基于相当长时间的试验数据来设定并进行调整。

作为另一方法可以基于前述的模型预测控制来进行判断。即，可以对联合循环发电厂的各结构部件进行建模，并基于模型在预测出即使以最大增加率增加负荷也能够使热应力余量维持在一定水平以上的情况下，判断为热应力余量充分，在预测出会下降至一定水平以下的情况下，判断为热应力余量不充分。

在前述的一个例子中将热应力余量作为限制条件而进行了说明，但作为限制条件也可以使用其他条件。作为几个例子，余热锅炉130中的蒸汽的温度或者压力的上限值、在余热锅炉130内加热水的加热器温度的上限值、余热锅炉130内的水的容量下限值、以及蒸汽涡轮机140的转子的温度上限值等可以被用作限制条件。

若用前述的方式完成针对限制条件的验证，则可以根据验证结果来设定运行参数(S530)。此时设定的运行参数可以是由气体涡轮机120生产的电力的增加率。即，可以是气体涡轮机120的负荷量。这样的负荷量由于与注入气体涡轮机120中的燃料量成比例，所以控制器300能够通过调节控制燃料量的阀，来调节负荷量、即所生产的电力的增加率。

作为一个例子，在验证结果为通过的情况下，能够以生产电力的增加率为最大的方式设定运行参数。即，按照下述数学式1来设定运行参数。

[数学式1]

u(t)＝min{u(t-1)+rmax×Ts，umax}，

在此，u(t)是在当前的取样周期中决定的运行参数的运行值，u(t-1)是在前一取样周期中决定的运行参数的运行值，rmax是最大增加率，Ts是取样周期，umax是运行参数能够具有的最高值。

在验证结果为失败的情况下，可以将生产电力的增加率设定为低于最大生产电力的增加率的特定值。此时的特定值是能够使热应力余量维持在几乎接近0的一定值的值。这样的特定值可以通过多次试验来获得。即，若将最大生产电力的增加率设为1，则低于最大生产电力的增加率的特定值可以根据试验被设定为0.2、0.4、0.7等。即，可以按照下述数学式2来设定运行参数。

[数学式2]

u(t)＝min{u(t-1)+α×rmax×Ts，umax}，

在此，u(t)是在当前的取样周期中决定的运行参数的运行值，u(t-1)是在前一取样周期中决定的运行参数的运行值，α作为减小率是使生产电力的增加率减小的比率，可以具有0到1之间的值，rmax是最大增加率，Ts是取样周期，umax是运行参数能够具有的最高值。

参照数学式2，在验证结果为失败的情况下，即在热应力余量不充分的情况下，通过减小生产电力的增加率，能够防止转子可能受到的冲击。

在验证结果为失败的情况下，作为决定生产电力的增加率的另一方法，可以利用比例积分控制器(Proportional-Integral Controller)。即，可以按照下述数学式3来决定运行参数的运行值。

[数学式3]

u(t)＝u(t-1)+max{0，min{K(y(t-1)-β)，rmax}×Ts}

在此，u(t)是在当前的取样周期中决定的运行参数的运行值，u(t-1)是在前一取样周期中决定的运行参数的运行值，y(t-1)是前一取样周期中获得的热应力余量，常数K和β是比例积分控制器的增益以及设定点，rmax是运行参数能够增加的最大增加率，Ts是取样周期，umax是运行参数能够具有的最高值。

对于能够决定此时的比例积分控制器的特性的常数K和β，可以通过试验来调整。此时，可以追加能够防止积分器的饱和(windup)的方法。即，在由比例积分控制器计算的控制值大于能够对实际运行参数设定的值导致运行参数产生饱和的情况下，误差的积分值被累积为较大值，从而在输出值真正接近于设定值时，虽然控制值应当变小，但实际上继续输出较大值而存在系统到达设定值需要更长的时间的情况。这被称为积分器的饱和，为了防止这一情况，可以使用适当的饱和防止方法来完善比例积分控制器。参照数学式3可知，在本发明中使比例积分控制器能够具有的控制值的最大值被限定为rmax而防止饱和。

基于前述的说明对关于控制器300中联合循环发电厂100启动时的控制方法，提出几种实施例。

以下实施例将热应力余量作为限制条件，并将控制气体涡轮机120中的生产电力增加率用作运行参数。然而，本实施例中提出的方法在多种限制条件下能够同样适用于包括排气的温度增加率、在余热锅炉130中生成的蒸汽的量等的多种运行参数是众所周知的事实。

[实施例1]

图3是作为本发明的一实施例，示出若热应力余量为设定值以上则将电力增加率设定为最大，若热应力余量为设定值以下则将电力增加率设定为最大增加率的0.5的例子的流程图。

参照图3，控制器300可以利用传感器来获得蒸汽涡轮机转子的温度以及向蒸汽涡轮机流入的蒸汽的温度(S610)，基于所获得的数据来计算热应力余量(S620)。然后，控制器300可以对热应力余量与设定值进行比较(S630)，若热应力余量大则以最大增加率rmax增加生产电力u(t)(S640)，若热应力余量小则以最大增加率rmax的1/2增加生产电力u(t)(S650)。在本实施例中，设定为在热应力余量小的情况下以最大增加率rmax的1/2增加生产电力，但对于增加生产电力的增加率，也可以通过多次试验来找出最佳值而进行设定。

图4是示出通过图3所示的方法来控制的情况下所生产的电力量和热应力余量的图。

在图4中，x轴表示时间，y轴表示将最大生产电力量作为1时的相对的电力量和将最大热应力余量作为1时的相对的热应力余量。

参照图4，若热应力余量大于设定值(在图4中为最大热应力余量的0.08)，则可以以最大增加率增加生产电力量，在启动联合循环发电厂100起经过24分钟左右后(660)若热应力余量小于设定值，则可以以低于最大增加率的增加率增加生产电力量，并且若达到能够生产的最大电力量则可以视为达到正常状态。可知在图4的例子中，在经过了52分钟时达到正常状态。

[实施例2]

图5是作为本发明的一实施例，示出基于模型预测控制来验证热应力余量是否充分，并基于此来设定生产电力增加率的例子的流程图。

参照图5，控制器300可以进行对结构部件的建模，并基于此来构成模型预测控制(S710)。然后，可以利用传感器来获得蒸汽涡轮机转子的温度以及向蒸汽涡轮机流入的蒸汽的温度(S720)，基于所获得的数据和模型预测控制来验证热应力余量是否充分(S730)。在此，控制器300可以在模型预测控制基于模型预测出即使以最大增加率增加负荷，热应力余量也能够维持在一定水平以上的情况下，判断为热应力余量充分，在预测出可能下降至一定水平以下的情况下，判断为热应力余量不充分。然后，若验证为热应力余量充分，则控制器300可以以最大增加率rmax增加生产电力u(t)(S740)，若显示为热应力余量不充分，则控制器300以最大增加率rmax的1/2增加生产电力u(t)(S750)。在本实施例中，设定为在热应力余量小的情况下，以最大增加率rmax的1/2增加生产电力，但对于增加生产电力的增加率，也可以通过多次试验来找出最佳值而进行设定。

[实施例3]

图6是作为本发明的一实施例，示出若热应力余量为设定值以上则将电力增加率设定为最大，若热应力余量为设定值以下，则对于增加率，基于热应力余量并利用比例积分控制器来设定电力增加率的例子的流程图。

参照图6，控制器300可以利用传感器来获得蒸汽涡轮机转子的温度以及向蒸汽涡轮机流入的蒸汽的温度(S810)，并基于所获得的数据来计算热应力余量(S820)。然后，控制器300可以对热应力余量和设定值进行比较(S830)，若热应力余量大则以最大增加率rmax来增加生产电力u(t)(S840)，若热应力余量小，则基于热应力余量并利用比例积分控制器基于热应力余量增加生产电力u(t)(S650)。此时，对于能够决定比例积分控制器的特性的常数K和β，可以通过试验来调整。

[实施例4]

图7是作为本发明的一实施例，示出基于模型预测控制来验证热应力余量是否充分，并基于此来设定生产电力增加率，在热应力余量不充分的情况下基于热应力余量并利用比例积分控制器来计算生产电力增加率的例子的流程图。

参照图7，控制器300可以进行对结构部件的建模，并基于此来构成模型预测控制(S910)。然后，可以利用传感器来获得蒸汽涡轮机转子的温度以及向蒸汽涡轮机流入的蒸汽的温度(S920)，基于所获得的数据和模型预测控制来验证热应力余量是否充分(S930)。然后，若验证为热应力余量充分，则控制器300可以以最大增加率rmax增加生产电力u(t)(S940)，若显示为热应力余量不充分，则控制器300可以基于热应力余量并利用比例积分控制器来增加生产电力u(t)(S950)。此时，对于能够决定比例积分控制器的特性的常数K和β，可以通过来调整。

图8是示出通过图7所示的方法进行控制的情况下所生产的电力量和热应力余量的图。

在图8中，x轴表示时间，y轴表示将最大生产电力量作为1时的相对的电力量和将最大热应力余量作为1时的相对的热应力余量。

参照图8，若判断为通过模型预测控制预测到的热应力余量充分(在图8中预测到的热应力余量若大于最大热应力余量的0.08则判断为充分)，则可以以最大增加率增加生产电力量，若判断为在启动联合循环发电厂100起经过26分钟左右后(960)通过模型预测控制预测到的热应力余量不充分，则以由比例积分控制器计算的增加率增加生产电力量，并且若达到能够生产的最大电力量则视为达到正常状态。可知在图8的例子中，在经过了55分钟(970)时达到正常状态。

参照图8，示出在判断为热应力余量不充分之后，由比例积分控制器计算的增加率有一段时间停留在0。这是由比例积分控制器中存在的常数β引起的。即，由比例积分控制器计算的增加率由于β而在一定时间内会小于0。即，增加率为0的时间的长度能够根据β值来决定。

根据基于本发明的联合循环发电厂启动时的控制方法，与传统的方法相比能够增大效率，而且与最近提出的模型预测控制方式相比能够显著减少计算量并具有更良好的效率。

附图标记的说明

100：联合循环发电厂；110：压缩机；120：气体涡轮机；130：余热锅炉；140：蒸汽涡轮机；150、160：发电机；200：传感器；300：控制器。

Claims (14)

1.一种用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

所述联合循环发电厂包括：

气体涡轮机，包括通过使空气和燃料燃烧而产生的气体所包含的热能而旋转的转子；

余热锅炉，利用来自所述气体涡轮机的高温的排气而产生蒸汽；

蒸汽涡轮机，包括通过在所述余热锅炉产生的蒸汽而旋转的转子；以及

发电机，利用所述气体涡轮机的转子以及所述蒸汽涡轮机的转子的旋转力而生成电力，

所述系统包括：

传感器，对包括所述气体涡轮机、所述余热锅炉、所述蒸汽涡轮机以及所述发电机在内的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态进行测定；以及

控制器，基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来控制所述联合循环发电厂的启动，

所述控制器基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来验证对所述联合循环发电厂的运行参数的运行值设定进行限制的一个以上的限制条件，并基于所述验证结果来设定所述运行参数的运行值，

对于所述控制器而言，所述一个以上的限制条件包括所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量、所述余热锅炉中的蒸汽的温度或者压力的上限值、用于在所述余热锅炉内产生蒸汽的加热器的温度的上限值、所述余热锅炉内的水的容量下限值、以及所述蒸汽涡轮机的转子的温度上限值中的至少任意一个，所述运行参数包括由所述气体涡轮机生产的电力的增加率。

2.根据权利要求1所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第一设定值以上，则所述控制器将所述电力的增加率设定为最大增加率，若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于所述第一设定值，则所述控制器将所述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率而得的值，其中，该一定比率大于0且小于1。

3.根据权利要求1所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第二设定值以上，则所述控制器将所述电力的增加率设定为最大增加率，若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于所述第二设定值，则所述控制器将所述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

4.根据权利要求1所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

所述控制器对所述联合循环发电厂的结构部件进行建模来构成模型预测控制，

基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及所述模型预测控制，来预测所述热应力余量是否充分，

进行所述预测的结果，若验证为充分，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若验证为不充分，则将所述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率而得的值，其中，该一定比率大于0且小于1。

5.根据权利要求1所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

所述控制器对所述联合循环发电厂的结构部件进行建模来构成模型预测控制，

基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及所述模型预测控制，来判断所述热应力余量是否充分，

进行所述判断的结果，若验证为充分，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若验证为不充分，则将所述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

6.根据权利要求4所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

在所述模型预测控制基于模型预测出即使以最大增加率增加所生产的电力量也能够使所述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，所述控制器判断为所述热应力余量充分，而在预测出下降至小于所述第三设定值的情况下，所述控制器判断为所述热应力余量不充分。

7.根据权利要求5所述的用于控制联合循环发电厂的起动的系统，其特征在于，

在所述模型预测控制预测出即使基于模型以最大增加率增加所生产的电力量也能够使所述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，所述控制器判断为所述热应力余量充分，在预测出下降至小于所述第三设定值的情况下，所述控制器判断为所述热应力余量不充分。

8.一种用于控制联合循环发电厂的起动的方法，该联合循环发电厂包括结构部件亦即气体涡轮机、余热锅炉、蒸汽涡轮机以及发电机，

其特征在于，包括：

利用传感器来获得所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态的步骤；

基于所获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态，来验证对所述联合循环发电厂的运行参数的运行值设定进行限制的一个以上的限制条件的步骤；以及

基于所述验证结果来设定所述运行参数的运行值的步骤，

所述一个以上的限制条件包括：所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量、所述余热锅炉中的蒸汽的温度或者压力的上限值、用于在所述余热锅炉内产生蒸汽的加热器的温度的上限值、所述余热锅炉内的水的容量下限值、以及所述蒸汽涡轮机的转子的温度上限值中的至少任意一个，

所述运行参数包括由所述气体涡轮机生产的电力的增加率。

9.根据权利要求8所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

验证所述限制条件的步骤包括：若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第一设定值以上则判断为正常，若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于第一设定值则判断为失败的步骤，

设定所述运行参数的运行值的步骤包括如下步骤：若在验证所述限制条件的步骤中判断为正常，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证所述限制条件的步骤中判断为失败，则将所述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率而得的值，其中，该一定比率大于0且小于1。

10.根据权利要求8所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

验证所述限制条件的步骤包括：若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量在第二设定值以上则判断为正常，若所述蒸汽涡轮机的转子的热应力余量小于第二设定值则判断为失败的步骤，

设定所述运行参数的运行值的步骤包括如下步骤：若在验证所述限制条件的步骤中判断为正常，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证所述限制条件的步骤中判断为失败，则将所述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

11.根据权利要求8所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

还包括对所述联合循环发电厂的结构部件进行建模来构成模型预测控制的步骤，

验证所述限制条件的步骤包括：基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及所述模型预测控制，来验证所述热应力余量是否充分的步骤，

设定所述运行参数的运行值的步骤包括如下步骤：若在验证所述限制条件的步骤中验证为所述热应力余量充分，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证所述限制条件的步骤中验证为所述热应力余量不充分，则将所述电力的增加率设定为对最大增加率乘以一定比率而得的值，其中，该一定比率大于0且小于1。

12.根据权利要求8所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

还包括对所述联合循环发电厂的结构部件进行建模来构成模型预测控制的步骤，

验证所述限制条件的步骤包括：基于从所述传感器获得的所述联合循环发电厂的结构部件的动作状态以及所述模型预测控制，来验证所述热应力余量是否充分的步骤，

设定所述运行参数的运行值的步骤包括如下步骤：若在验证所述限制条件的步骤中验证为所述热应力余量充分，则将所述电力的增加率设定为最大增加率，若在验证所述限制条件的步骤中验证为所述热应力余量不充分，则将所述电力的增加率设定为基于热应力余量由比例积分控制器计算出的增加率。

13.根据权利要求11所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

验证所述热应力余量是否充分的步骤包括如下步骤：在所述模型预测控制预测出即使基于模型以最大增加率增加所生产的电力量也能够使所述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，判断为所述热应力余量充分，而在预测出下降至小于所述第三设定值的情况下，判断为所述热应力余量不充分。

14.根据权利要求12所述的用于控制联合循环发电厂的起动的方法，其特征在于，

验证所述热应力余量是否充分的步骤包括如下步骤：在所述模型预测控制预测出即使基于模型以最大增加率增加所生产的电力量也能够使所述热应力余量维持在第三设定值以上的情况下，判断为所述热应力余量充分，而在预测出下降至小于所述第三设定值的情况下，判断为所述热应力余量不充分。

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