CN109268091B - 一种汽轮机阀门流量特性优化系统 - Google Patents

一种汽轮机阀门流量特性优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽轮机阀门流量特性优化系统，所述汽轮机阀门流量特性优化系统包括发电系统、负荷系统以及控制系统，所述控制系统与所述发电系统、负荷系统分别连接；所述发电系统包括太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂；所述负荷系统包括线性负荷、非线性负荷；所述控制系统包括第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部、系统主控制部。本发明的汽轮机阀门流量特性优化系统能够从汽轮机应用环境的整体角度出发，实现阀门流量特性调节的整体最优。

Description

一种汽轮机阀门流量特性优化系统
技术领域
本发明涉及汽轮机领域，具体而言，涉及一种汽轮机阀门流量特性优化系统。
背景技术
汽轮机是采用火电厂实现发电的最基本的元件。火电厂的发电效率通常较低，从而使得资源的使用呈现了巨大的浪费，同时还产生了较大的环境污染。为了解决火电发电的问题，各种新型清洁能源发电装置正在被广泛使用，但是由于新型清洁能源发电装置的并网等问题存在较大争议，使得火电仍然不能退出发电需求。
基于此，不断的提高火电的效率、效能，是亟待解决的问题。而其中，通过科学、合理的设置汽轮机阀门流量来实现流过的热能最大化的转化成电能，是科技人员努力的方向。大多数科技人员将热情致力于研究例如流量特性曲线、流体热力学等仅从汽轮机本身出发的方面上，这些繁琐的控制成果虽然理论上能够实现效能的提高，但忽略了一个及其重要的问题，没有考虑汽轮机实际应用的环境，即应用汽轮机的火电装置已经跟其他各种清洁能源型发电装置一起组成发电系统。在这个大环境下，我们应当从整体的角度考量如何通过提升对汽轮机阀门流量的控制从而实现整个系统的效能的提高，实现全局最优。
发明内容
本发明提出了一种汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述汽轮机阀门流量特性优化系统包括发电系统、负荷系统以及控制系统，所述控制系统与所述发电系统、负荷系统分别连接。
所述发电系统包括太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂。
所述汽轮机阀门流量特性优化系统还包括电力集成装置，所述电力集成装置具有三个输入端和一个输出端；第一输入端连接所述太阳能电池发电装置，用于接收所述太阳能电池发电装置输出的第一电力，第二输入端连接所述风力发电机，用于接收所述风力发电机输出的第二电力，第三输入端连接所述包括汽轮机的火电厂，用于接收所述包括汽轮机的火电厂输出的第三电力，所述输出端连接所述负荷系统，用于将所述第一电力、第二电力以及第三电力传输至所述负荷系统。
所述负荷系统包括线性负荷、非线性负荷。
所述控制系统包括第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部、系统主控制部；第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部分别与所述系统主控制部连接。
所述第一电力计配置在所述第一输入端与所述太阳能电池发电装置的连接线路上，用于测量所述第一电力；所述第二电力计配置在所述第二输入端与所述风力发电机的连接线路上，用于测量所述第二电力，所述第三电力计配置在所述第三输入端与所述包括汽轮机的火电厂的连接线路上，用于测量所述第三电力，所述负荷侧电力计配置在所述输出端与所述负荷系统的连接线路上，用于测量所述负荷系统的实际使用电力。
所述负荷侧电力计将测量的所述负荷系统的实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部基于所述实际使用电力生成电力需求模型。
所述电力需求模型为以时间为横坐标、以功率为纵坐标的体现功率与时间关系的曲线。
所述横坐标的母坐标为小时，子坐标为分钟，最小为0，最大为24小时。
在当前时刻t，所述负荷侧电力计将所述时刻t的所述实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制器基于所述时刻t的实际使用电力对所述电力需求模型进行修正，进而预测下一未到来时刻t+1所述负荷侧电力计可能测量得到的数值Ppre；同时，在当前时刻t，所述第一电力计、第二电力计、第三电力计将测量的所述时刻t的所述第一电力的数值P1、第二电力的数值P2、第三电力的数值P3传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部根据所述Ppre、P1、P2、P3实施对所述太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂的控制进程。
所述控制进程包括：
(1)判断Ppre是否大于P1+P2+P3，如果是，转至步骤(2)，如果否，结束；
(2)判断P1是否小于P1max，所述P1max是基于MPPT技术时所述太阳能电池发电装置的功率的最大输出数值，如果是，所述系统主控制部输出第一控制指令至所述MPPT子控制部，转至步骤(3)，如果否，转至步骤(4)；
(3)判断Ppre是否大于P1max+P2+P3，如果是，转至步骤(4)，如果否，结束；
(4)判断P2是否小于P2max，所述P2max是所述风力发电机的功率的最大输出数值，如果是所述系统主控制部输出第二控制指令至所述叶角子控制部，转至步骤(5)，如果否，转至步骤(6)；
(5)判断Ppre是否大于P1max+P2max+P3，如果是，转至步骤(6)，如果否，结束；
(6)所述系统主控制部输出第三控制指令至所述汽轮机子控制部。
所述MPPT子控制部在接收到所述第一控制指令时控制所述太阳能电池发电装置工作在MPPT模式下进而实现功率的最大输出。
所述叶角子控制部在接收到所述第二控制指令时控制所述风力发电机的叶片旋转进而使得所述风力发电机实现功率的最大输出。
所述汽轮机子控制部在接收到所述第三控制指令时控制所述包括汽轮机的火电厂基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值实现输出。
所述包括汽轮机的火电厂包括蒸汽生成装置、电力生成装置；所述蒸汽生成装置包括燃料箱、燃料供给管道、水箱、水供给管道、风箱、风供给管道以及沸腾炉；所述燃料箱的出口连接所述燃料供给管道的一端，所述燃料供给管道的另一端连接沸腾炉的第一入口；所述水箱的出口连接所述水供给管道的一端，所述水供给管道的另一端连接沸腾炉的第二入口；所述风箱的出口连接所述风供给管道的一端，所述风供给管道的另一端连接沸腾炉的第三入口。
所述沸腾炉的第一出口通过第一阀门连接所述电力生成装置，所述沸腾炉的第二出口通过第二阀门连接所述风箱的入口。
所述电力生成装置包括第一汽轮机、发电机，所述第一阀门、第一汽轮机、发电机顺序连接，将蒸汽的热能先转换成机械能，再转换成电能。
所述风箱包括第二汽轮机、风机，所述第二阀门、第二汽轮机、风机顺序连接，将蒸汽的热能转换成机械能，使得风机运转，将风通过所述风供给管道送入所述沸腾炉。
所述汽轮机子控制部基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值控制所述第一阀门、第二阀门的工作状态，具体包括：
a.判断Ppre-P1max-P2max-P3是否大于Pset，Pset是预定的需要调整风箱的功率阈值，如果是，转至步骤b，如果否，转至步骤d；
只有当功率差额较大时才需要调整风箱的出风量，使得沸腾炉的燃烧急剧加剧，从而迅速的提升流动的蒸汽的速度和量；
b.所述汽轮机子控制部根据功率-风速曲线，查找Ppre-P1max-P2max对应的需求风速，并以预定第一速度提高所述第二阀门的开度，使得所述风机送出的风速达到需求风速，此时所述第三电力计测量得到的第三电力数值为P3’；
所述功率-风速曲线能够表征风机风速与发电机输出功率之间的关系，可通过对历史数据进行曲线模拟得到，横轴为风机风速，纵轴为所述第一阀门开度为80％时所述发电机的输出功率；
c.判断Ppre-P1max-P2max-P3’是否大于Pval，Pval是预定的需要调整所述第一阀门的开度的功率阈值，如果是，转至步骤d，如果否，结束；
d.所述汽轮机子控制部以预定第二速度逐渐提高所述第一阀门的开度，直至所述第三电力计测量得到的第三电力数值不小于Ppre-P1max-P2max-Pval，所述第二速度小于所述第一速度。
通过两个阶段的逐步调节，不仅能够实现快速出力，而且能够保障出力精确度。
本发明所取得的有益技术效果是：
1、考虑汽轮机实际应用环境，处于整体最优的角度实现了阀门流量的调节；
2、基于功率需求的调节，不需要考量其他复杂的参数以及过程；
3、优先实现清洁能源的调节，通过有层次的利用实现了能源的效能的提升；
4、分阶段的实现阀门流量调节，不仅能够实现快速出力，而且能够保障出力精确度。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明的汽轮机阀门流量特性优化系统的结构图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
实施例一。
请结合附图一。
一种汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述汽轮机阀门流量特性优化系统包括发电系统、负荷系统以及控制系统，所述控制系统与所述发电系统、负荷系统分别连接。
所述发电系统包括太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂。
所述汽轮机阀门流量特性优化系统还包括电力集成装置，所述电力集成装置具有三个输入端和一个输出端；第一输入端连接所述太阳能电池发电装置，用于接收所述太阳能电池发电装置输出的第一电力，第二输入端连接所述风力发电机，用于接收所述风力发电机输出的第二电力，第三输入端连接所述包括汽轮机的火电厂，用于接收所述包括汽轮机的火电厂输出的第三电力，所述输出端连接所述负荷系统，用于将所述第一电力、第二电力以及第三电力传输至所述负荷系统。
所述负荷系统包括线性负荷、非线性负荷。
所述控制系统包括第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部、系统主控制部；第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部分别与所述系统主控制部连接。
所述第一电力计配置在所述第一输入端与所述太阳能电池发电装置的连接线路上，用于测量所述第一电力；所述第二电力计配置在所述第二输入端与所述风力发电机的连接线路上，用于测量所述第二电力，所述第三电力计配置在所述第三输入端与所述包括汽轮机的火电厂的连接线路上，用于测量所述第三电力，所述负荷侧电力计配置在所述输出端与所述负荷系统的连接线路上，用于测量所述负荷系统的实际使用电力。
所述负荷侧电力计将测量的所述负荷系统的实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部基于所述实际使用电力生成电力需求模型。
所述电力需求模型为以时间为横坐标、以功率为纵坐标的体现功率与时间关系的曲线。
所述横坐标的母坐标为小时，子坐标为分钟，最小为0，最大为24小时。
在当前时刻t，所述负荷侧电力计将所述时刻t的所述实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制器基于所述时刻t的实际使用电力对所述电力需求模型进行修正，进而预测下一未到来时刻t+1所述负荷侧电力计可能测量得到的数值Ppre；同时，在当前时刻t，所述第一电力计、第二电力计、第三电力计将测量的所述时刻t的所述第一电力的数值P1、第二电力的数值P2、第三电力的数值P3传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部根据所述Ppre、P1、P2、P3实施对所述太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂的控制进程。
所述控制进程包括：
(1)判断Ppre是否大于P1+P2+P3，如果是，转至步骤(2)，如果否，结束；
(2)判断P1是否小于P1max，所述P1max是基于MPPT技术时所述太阳能电池发电装置的功率的最大输出数值，如果是，所述系统主控制部输出第一控制指令至所述MPPT子控制部，转至步骤(3)，如果否，转至步骤(4)；
(3)判断Ppre是否大于P1max+P2+P3，如果是，转至步骤(4)，如果否，结束；
(4)判断P2是否小于P2max，所述P2max是所述风力发电机的功率的最大输出数值，如果是所述系统主控制部输出第二控制指令至所述叶角子控制部，转至步骤(5)，如果否，转至步骤(6)；
(5)判断Ppre是否大于P1max+P2max+P3，如果是，转至步骤(6)，如果否，结束；
(6)所述系统主控制部输出第三控制指令至所述汽轮机子控制部。
所述MPPT子控制部在接收到所述第一控制指令时控制所述太阳能电池发电装置工作在MPPT模式下进而实现功率的最大输出。
所述叶角子控制部在接收到所述第二控制指令时控制所述风力发电机的叶片旋转进而使得所述风力发电机实现功率的最大输出。
所述汽轮机子控制部在接收到所述第三控制指令时控制所述包括汽轮机的火电厂基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值实现输出。
所述包括汽轮机的火电厂包括蒸汽生成装置、电力生成装置；所述蒸汽生成装置包括燃料箱、燃料供给管道、水箱、水供给管道、风箱、风供给管道以及沸腾炉；所述燃料箱的出口连接所述燃料供给管道的一端，所述燃料供给管道的另一端连接沸腾炉的第一入口；所述水箱的出口连接所述水供给管道的一端，所述水供给管道的另一端连接沸腾炉的第二入口；所述风箱的出口连接所述风供给管道的一端，所述风供给管道的另一端连接沸腾炉的第三入口。
所述沸腾炉的第一出口通过第一阀门连接所述电力生成装置，所述沸腾炉的第二出口通过第二阀门连接所述风箱的入口。
所述电力生成装置包括第一汽轮机、发电机，所述第一阀门、第一汽轮机、发电机顺序连接，将蒸汽的热能先转换成机械能，再转换成电能。
所述风箱包括第二汽轮机、风机，所述第二阀门、第二汽轮机、风机顺序连接，将蒸汽的热能转换成机械能，使得风机运转，将风通过所述风供给管道送入所述沸腾炉。
所述汽轮机子控制部基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值控制所述第一阀门、第二阀门的工作状态，具体包括：
a.判断Ppre-P1max-P2max-P3是否大于Pset，Pset是预定的需要调整风箱的功率阈值，如果是，转至步骤b，如果否，转至步骤d；
只有当功率差额较大时才需要调整风箱的出风量，使得沸腾炉的燃烧急剧加剧，从而迅速的提升流动的蒸汽的速度和量；
b.所述汽轮机子控制部根据功率-风速曲线，查找Ppre-P1max-P2max对应的需求风速，并以预定第一速度提高所述第二阀门的开度，使得所述风机送出的风速达到需求风速，此时所述第三电力计测量得到的第三电力数值为P3’；
所述功率-风速曲线能够表征风机风速与发电机输出功率之间的关系，可通过对历史数据进行曲线模拟得到，横轴为风机风速，纵轴为所述第一阀门开度为80％时所述发电机的输出功率；
c.判断Ppre-P1max-P2max-P3’是否大于Pval，Pval是预定的需要调整所述第一阀门的开度的功率阈值，如果是，转至步骤d，如果否，结束；
d.所述汽轮机子控制部以预定第二速度逐渐提高所述第一阀门的开度，直至所述第三电力计测量得到的第三电力数值不小于Ppre-P1max-P2max-Pval，所述第二速度小于所述第一速度。
通过两个阶段的逐步调节，不仅能够实现快速出力，而且能够保障出力精确度。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述汽轮机阀门流量特性优化系统包括发电系统、负荷系统以及控制系统，所述控制系统与所述发电系统、负荷系统分别连接；
所述发电系统包括太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂；所述汽轮机阀门流量特性优化系统还包括电力集成装置，所述电力集成装置具有三个输入端和一个输出端；第一输入端连接所述太阳能电池发电装置，用于接收所述太阳能电池发电装置输出的第一电力，第二输入端连接所述风力发电机，用于接收所述风力发电机输出的第二电力，第三输入端连接所述包括汽轮机的火电厂，用于接收所述包括汽轮机的火电厂输出的第三电力，所述输出端连接所述负荷系统，用于将所述第一电力、第二电力以及第三电力传输至所述负荷系统；所述控制系统包括第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部、系统主控制部；第一电力计、第二电力计、第三电力计、负荷侧电力计、MPPT子控制部、叶角子控制部、汽轮机子控制部分别与所述系统主控制部连接；
所述第一电力计配置在所述第一输入端与所述太阳能电池发电装置的连接线路上，用于测量所述第一电力；所述第二电力计配置在所述第二输入端与所述风力发电机的连接线路上，用于测量所述第二电力，所述第三电力计配置在所述第三输入端与所述包括汽轮机的火电厂的连接线路上，用于测量所述第三电力，所述负荷侧电力计配置在所述输出端与所述负荷系统的连接线路上，用于测量所述负荷系统的实际使用电力；
所述负荷侧电力计将测量的所述负荷系统的实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部基于所述实际使用电力生成电力需求模型；
所述电力需求模型为以时间为横坐标、以功率为纵坐标的体现功率与时间关系的曲线；
在当前时刻t，所述负荷侧电力计将所述时刻t的所述实际使用电力传输至所述系统主控制部，所述系统主控制器基于所述时刻t的实际使用电力对所述电力需求模型进行修正，进而预测下一未到来时刻t+1所述负荷侧电力计可能测量得到的数值Ppre；同时，在当前时刻t，所述第一电力计、第二电力计、第三电力计将测量的所述时刻t的所述第一电力的数值P1、第二电力的数值P2、第三电力的数值P3传输至所述系统主控制部，所述系统主控制部根据所述Ppre、P1、P2、P3实施对所述太阳能电池发电装置、风力发电机以及包括汽轮机的火电厂的控制进程；
所述控制进程包括：
(1)判断Ppre是否大于P1+P2+P3，如果是，转至步骤(2)，如果否，结束；
(2)判断P1是否小于P1max，所述P1max是基于MPPT技术时所述太阳能电池发电装置的功率的最大输出数值，如果是，所述系统主控制部输出第一控制指令至所述MPPT子控制部，转至步骤(3)，如果否，转至步骤(4)；
(3)判断Ppre是否大于P1max+P2+P3，如果是，转至步骤(4)，如果否，结束；
(4)判断P2是否小于P2max，所述P2max是所述风力发电机的功率的最大输出数值，如果是所述系统主控制部输出第二控制指令至所述叶角子控制部，转至步骤
(5)，如果否，转至步骤(6)；
(5)判断Ppre是否大于P1max+P2max+P3，如果是，转至步骤(6)，如果否，结束；
(6)所述系统主控制部输出第三控制指令至所述汽轮机子控制部；
所述汽轮机子控制部在接收到所述第三控制指令时控制所述包括汽轮机的火电厂基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值实现输出；
所述包括汽轮机的火电厂包括蒸汽生成装置、电力生成装置；所述蒸汽生成装置包括燃料箱、燃料供给管道、水箱、水供给管道、风箱、风供给管道以及沸腾炉；所述燃料箱的出口连接所述燃料供给管道的一端，所述燃料供给管道的另一端连接沸腾炉的第一入口；所述水箱的出口连接所述水供给管道的一端，所述水供给管道的另一端连接沸腾炉的第二入口；所述风箱的出口连接所述风供给管道的一端，所述风供给管道的另一端连接沸腾炉的第三入口；
所述沸腾炉的第一出口通过第一阀门连接所述电力生成装置，所述沸腾炉的第二出口通过第二阀门连接所述风箱的入口；
所述电力生成装置包括第一汽轮机、发电机，所述第一阀门、第一汽轮机、发电机顺序连接，将蒸汽的热能先转换成机械能，再转换成电能；
所述风箱包括第二汽轮机、风机，所述第二阀门、第二汽轮机、风机顺序连接，将蒸汽的热能转换成机械能，使得风机运转，将风通过所述风供给管道送入所述沸腾炉；
所述汽轮机子控制部基于Ppre、P1max、P2max、P3的数值控制所述第一阀门、第二阀门的工作状态，具体包括：
a.判断Ppre-P1max-P2max-P3是否大于Pset，Pset是预定的需要调整风箱的功率阈值，如果是，转至步骤b，如果否，转至步骤d；
b.所述汽轮机子控制部根据功率-风速曲线，查找Ppre-P1max-P2max对应的需求风速，并以预定第一速度提高所述第二阀门的开度，使得所述风机送出的风速达到需求风速，此时所述第三电力计测量得到的第三电力数值为P3’；
c.判断Ppre-P1max-P2max-P3’是否大于Pval，Pval是预定的需要调整所述第一阀门的开度的功率阈值，如果是，转至步骤d，如果否，结束。
d.所述汽轮机子控制部以预定第二速度逐渐提高所述第一阀门的开度，直至所述第三电力计测量得到的第三电力数值不小于Ppre-P1max-P2max-Pval，所述第二速度小于所述第一速度。
2.根据权利要求1所述的汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述负荷系统包括线性负荷、非线性负荷。
3.根据权利要求2所述的汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述横坐标的母坐标为小时，子坐标为分钟，最小为0，最大为24小时。
4.根据权利要求3所述的汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述MPPT子控制部在接收到所述第一控制指令时控制所述太阳能电池发电装置工作在MPPT模式下进而实现功率的最大输出。
5.根据权利要求4所述的汽轮机阀门流量特性优化系统，其特征在于，所述叶角子控制部在接收到所述第二控制指令时控制所述风力发电机的叶片旋转进而使得所述风力发电机实现功率的最大输出。
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