CN109812796A - 参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统及其控制方法，通过中低温集热器与燃煤机组耦合，提出了高加给水旁路和低级凝结水旁路两种调节方案参与一次调频的系统构型；制定了一次调频控制逻辑，从而高效准确地参与到一次调频控制中，维持电网频率快速稳定；制定了热力系统工质出口温度的控制逻辑，通过调节集热器换热工质的流量保证各段温度在一次调频过程中稳定；本发明方法利用汽轮机系统和太阳能集热器的参数和运行匹配，增强了一次调频过程准确性和有效性；通过不同集热器不同温度区间的合理利用，降低了不可逆性，进一步提高各类热力系统调整方案的经济性；最终可以大幅度地提高互补发电机组瞬态过程运行灵活性。

Description

参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统及其控制方法
技术领域
本发明属于火电厂热工控制技术领域，具体涉及参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统及其控制方法。
背景技术
随着能源短缺、环境污染和气候变迁等问题日益突显，各国可再生能源利用比例逐年攀升，然而可再生能源大都具有间歇性和波动性，易受到环境条件的影响，对电力系统的安全稳定性造成巨大冲击，故需要提升电网灵活性。对于短期的电网调节，主要是指一次调频，即对小范围内频繁变动的负荷进行调整以及在电网出现事故的情况下，快速调整发电机组的出力，抑制电网频率的进一步恶化。燃煤机组其容量大、功率可控、不受地域的限制等优点，已广泛地参与到电网运行灵活性调节中，现有调节方法中高加抽汽调节、低加抽汽调节可以充分利用汽轮机侧的储热对频率进行快速调节，但导致加热器出口温度严重不足，造成除氧器和锅炉效率大幅度降低，经济性较差。受到集热温度的制约，单纯槽式太阳能热发电效率很低，并且存在能量输入不稳定、占地面积大、发电成本高等缺点，而利用太阳能集热技术与化石燃料进行互补发电是解决单一太阳能热发电效率低、成本高的有效方法。在我国太阳能热发电技术发展的近中期阶段，互补发电是一种促进节能减排，发展规模化太阳能热利用技术的有效途型。在太阳能互补发电系统中，不同集热器具有不同工作温度区间，可以用来加热不同位置的水工质或者蒸汽。因此，充分利用燃煤机组和太阳能集热技术的各自优势，可以为燃煤机组一次调频控制提供策略和数据上的指导，进而从根本上提高太阳能互补燃煤机组的瞬态过程灵活性。
发明内容
本发明正是解决单纯燃煤机组瞬态过程利用热力系统调节方法参与一次调频，必然以牺牲机组经济性为前提，造成热力系统偏离经济运行状态的问题。该发明可以充分利用汽轮机系统和太阳能集热器中不同设备的储热特性，通过参数和运行匹配，选择合适的方法参与到一次调频控制中，迅速有效保证电网频率稳定。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统，包括锅炉1，与锅炉1出口连接的汽轮机2，与汽轮机2的高压缸抽汽口、中压缸抽汽口、低压缸抽汽口和低压缸排汽口分别连接的高压加热器3、除氧器4、低压加热器5和凝汽器6，该系统还包括高加给水旁路调节系统和低加凝结水旁路调节系统，能实现两种一次调频方案，分别是高加给水旁路调节方案和低加凝结水旁路调节方案：
1)高加给水旁路调节系统实现的高加给水旁路调节方案中，所述除氧器4出口的给水经过给水泵8升压后分为两路，其中一路给水经过高压加热器3和给水阀7后进入锅炉1，另一路给水经过给水旁路阀11后，进入高加旁路换热器12后汇集进入锅炉1；同时，高加旁路换热器12的换热工质经过高加旁路泵13升压后，进入第一集热器14吸收得到的太阳能，之后进入高加旁路换热器12向给水传递热量；在参与一次调频中，通过给水旁路阀11调节，实现汽轮机2功率快速变化，保证一次调频的要求；
2)低加凝结水旁路调节系统实现的低加凝结水旁路调节方案中，所述凝汽器6出口的凝结水进入凝结水泵10升压后，分两路，一路凝结水经过低压加热器5和除氧器进水阀9进入除氧器4，另一路凝结水经过凝结水旁路阀15后，进入低加旁路换热器16后汇集到除氧器4；同时，低加旁路换热器16换热工质经过低加旁路泵17升压后，进入第二集热器18吸收得到的太阳能，之后进入低加旁路换热器16向凝结水传递热量；参与一次调频中，通过凝结水旁路阀15调节，实现汽轮机2功率快速变化，保证一次调频的要求。
优选的，给水旁路阀11和凝结水旁路阀15均采用汽动调节阀；高加给水旁路调节系统中，第一集热器14采用中温槽式集热器，导热工质选取导热油；低加凝结水旁路调节系统中，第二集热器18选取中低温平板集热器，导热工质选导热油或者水。
所述的参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统的控制方法，根据太阳能辅助燃煤发电系统运行特点，制定一次调频控制和加热器出口温度控制逻辑；具体如下：
1)制定一次调频控制逻辑
根据电网运行状态，获得需要进行一次调频时的最大频率调节量Δfmax，之后通过机组设定的调速不等率δ转化成所需最大功率调节量ΔPmax，即：
ΔPmax＝f1(Δfmax)＝Δfmax/d
根据太阳能辅助燃煤发电系统实际运行状态，确定采用低加凝结水旁路调节方案的最大功率调节量ΔPLPH,max，并与当前所需最大功率调节量ΔPmax对比，如果ΔPmax>ΔPLPH,max，则采用高加给水旁路调节方案参与一次调频；如果ΔPmax≤ΔPLPH,max，则采用低加凝结水旁路调节方案参与一次调频；
确定好参与一次调频的调节方案后，根据电网运行状态，获得实时频率值fpv，与电网所需稳定频率值fsp进行对比，获得频率偏差Δf，频率偏差在调速器中进行参数设定后，获得功率调节量ΔP，所述参数设定包括调频死区和调速不等率：
ΔP＝f2(Δf)
将该功率调节量ΔP在PID控制器中获得的调节输出量Δμ，叠加到高加给水旁路调节方案和低加凝结水旁路调节方案对应的控制阀门上，产生阀门的最新开度μnew：
μnew＝μold+Δμ
式中：μold为初始时刻对应的阀门开度；
最终形成将最优方案投入一次调频的闭环优化控制逻辑；
2)制定高加加热器和低加加热器出口水温控制逻辑
对于采用高加给水旁路调节方案参与一次调频，其出口水温控制逻辑为：首先利用温度传感器获得给水进锅炉1时温度Tf,pv，与给水进锅炉1的温度设定值Tf,sp进行对比，获得温度偏差ΔT1；利用温度传感器获得第一集热器14工质进高加旁路换热器12时温度Ts,pv，与第一集热器14工质进高加旁路换热器12的温度设定值Ts,sp进行对比，获得温度偏差ΔT2，将两个温度偏差累加获得总的温度偏差ΔTh：
ΔTh＝ΔT1+ΔT2；
该总的温度偏差ΔTh在PID控制器中运算，获得高加旁路泵13的直接控制指令Δψh：
Δψh＝f(ΔTh)；
由于集热器管道较差，热惯性较大，因此需要将一次调频快速指令对各段温度控制进行前馈修正，将高加给水旁路调节方案一次调频控制逻辑中得到的给水旁路阀11控制指令Δμh，通过函数发生器产生高加旁路泵13前馈信号指令即
最终，将直接控制指令Δψh和前馈信号指令叠加到高加旁路泵13上，产生该泵的最新转速指令σh,new：
式中：σh,old为初始时刻对应的高加旁路泵13转速；
对于采用低加凝结水旁路调节方案参与一次调频，其出口水温控制逻辑为：首先利用温度传感器获得凝结水进除氧器4时温度Tc,pv，与凝结水进除氧器4的温度设定值Tc,sp进行对比，获得温度偏差ΔT3；利用温度传感器获得第二集热器18工质进低加旁路换热器16时温度To,pv，与第二集热器18工质进低加旁路换热器16的温度设定值To,sp进行对比，获得温度偏差ΔT4，将两个温度偏差累加获得总的温度偏差ΔTd：
ΔTd＝ΔT3+ΔT4；
该总的温度偏差ΔTd在PID控制器中运算，获得低加旁路泵17的直接控制指令Δψd：
Δψd＝f(ΔTd)；
由于集热器管道较差，热惯性较大，因此需要将一次调频快速指令对各段温度控制进行前馈修正，将低加凝结水旁路调节方案一次调频控制逻辑中得到的凝结水旁路阀15控制指令Δμd，通过函数发生器产生低加旁路泵17前馈信号指令即
最终，将直接控制指令Δψd和前馈信号指令叠加到低加旁路泵17上，产生该泵的最新转速指令σd,new：
式中：σd,old为初始时刻对应的低加旁路泵17转速。
优选的，高加给水旁路调节系统中的高加旁路泵13和低加凝结水旁路调节系统中的低加旁路泵17均采用变速泵，可实时对给水进锅炉1和凝结水进除氧器的温度进行调控，保证给水进锅炉的温度和凝结水进除氧器的温度与设定值偏差最小。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、本发明充分利用了汽轮机内部和集热器管道的储热，通过热力系统构型调整参与一次调频，满足功率快速响应的要求，利用集热器大惯性和温度控制，保证了加热器出口温度，减少不可逆损失，从而实现经济性较高的基础上大幅度地提高燃煤发电机组瞬态过程的调频运行灵活性。
2、本发明可实现自动控制，简单易操作，投资低。
附图说明
图1为参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统构型。
图2为太阳能辅助燃煤发电系统的一次调频控制逻辑。
图3为太阳能辅助燃煤发电系统参与一次调频时温度控制逻辑，其中：图3(a)高加给水旁路调节方案中温度控制逻辑；(b)低加凝结水旁路调节方案中温度控制逻辑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示为参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统，包括锅炉1，与锅炉1出口连接的汽轮机2，与汽轮机2的高压缸抽汽口、中压缸抽汽口、低压缸抽汽口和低压缸排汽口分别连接的高压加热器3、除氧器4、低压加热器5和凝汽器6，该系统还包括高加给水旁路调节系统和低加凝结水旁路调节系统，能实现两种一次调频方案，分别是高加给水旁路调节方案和低加凝结水旁路调节方案：
1)高加给水旁路调节系统实现的高加给水旁路调节方案中，所述除氧器4出口的给水经过给水泵8升压后分为两路，其中一路给水经过高压加热器3和给水阀7后进入锅炉1，另一路给水经过给水旁路阀11后，进入高加旁路换热器12后汇集进入锅炉1；同时，高加旁路换热器12的换热工质经过高加旁路泵13升压后，进入第一集热器14吸收得到的太阳能，之后进入高加旁路换热器12向给水传递热量；在参与一次调频中，通过给水旁路阀11调节，实现汽轮机2功率快速变化，保证一次调频的要求；
2)低加凝结水旁路调节系统实现的低加凝结水旁路调节方案中，所述凝汽器6出口的凝结水进入凝结水泵10升压后，分两路，一路凝结水经过低压加热器5和除氧器进水阀9进入除氧器4，另一路凝结水经过凝结水旁路阀15后，进入低加旁路换热器16后汇集到除氧器4；同时，低加旁路换热器16换热工质经过低加旁路泵17升压后，进入第二集热器18吸收得到的太阳能，之后进入低加旁路换热器16向凝结水传递热量；参与一次调频中，通过凝结水旁路阀15调节，实现汽轮机2功率快速变化，保证一次调频的要求。
如图2所示为太阳能辅助燃煤发电系统的一次调频控制逻辑。其中，过程1：根据电网一次调频指令，确定当前最大频率偏差，将其传送到处理单元f1(x)；过程2：处理单元f1(x)将得到的所需最大功率调节量传输到比较器中；过程3：在比较器中根据条件进行判断，条件成立选择高加给水旁路调节方案参与一次调频控制中；过程4：在比较器中根据条件进行判断，条件不成立选择低加凝结水旁路调节方案参与一次调频控制中；过程5：将电网频率设定值送到偏差计算器中；过程6：测量得到当前频率，并将处理后的信号传输到达偏差计算器中；过程7：将电网频率偏差信号传输到调速器中；过程8：调速器中将频率信号转化为功率调节信号，包括调频死区和调速不等率等参数设置，并将信号送到PID控制器中；过程9：PID控制器中将输入偏差信号转化为阀门调节信号，送到给水旁路阀门执行单元；过程10：PID控制器中将输入偏差信号转化为阀门调节信号，送到凝结水旁路阀门执行单元。
如图3(a)所示为太阳能辅助燃煤发电系统高加给水旁路调节方案参与一次调频时温度控制逻辑。包括，过程1：将给水进锅炉1温度设定值送到偏差器Δ1中；过程2：将测量得到的给水进锅炉1温度当前值送到偏差器Δ1中；过程3：产生给水偏差信号，并将其传输到累加器∑1中；过程4：将工质进高加旁路换热器12温度设定值送到偏差器Δ2中；过程5：将测量得到的工质进高加旁路换热器12温度当前值送到偏差器Δ2中；过程6：产生导热油偏差信号，并将其传输到累加器∑1中；过程7：将累计偏差送到PID控制器1中；过程8：PID控制器中将输入偏差信号转化为高加旁路泵13调节信号，送到累加器∑2中；过程9：将一次调频的给水旁路阀11控制指令传输到处理单元f1(x)；过程10：在f1(x)中将阀门控制指令转化为高加旁路泵13前馈控制指令，送至累加器∑2中；过程11：将累加器∑2产生的最终高加旁路泵13控制指令送到高加旁路泵13中，对高加旁路泵13转速进行控制。如图3(b)所示为太阳能辅助燃煤发电系统低加凝结水旁路调节方案参与一次调频时温度控制逻辑。过程12：将凝结水进除氧器4温度设定值送到偏差器Δ3中；过程13：将测量得到的凝结水进除氧器4的温度当前值送到偏差器Δ3中；过程14：产生凝结水偏差信号，并将其传输到累加器∑3中；过程15：将工质进低加旁路换热器16温度设定值送到偏差器Δ4中；过程16：将测量得到的工质进低加旁路换热器16温度当前值送到偏差器Δ4中；过程17：产生导热工质偏差信号，并将其传输到累加器∑3中；过程18：将累计偏差送到PID控制器2中；过程19：PID控制器中将输入偏差信号转化为低加旁路泵17调节信号，送到累加器∑4中；过程20：将一次调频的凝结水旁路阀15控制指令传输到处理单元f2(x)；过程21：在f2(x)中将阀门控制指令转化为低加旁路泵17前馈控制指令，送至累加器∑2中；过程22：将累加器∑4产生的最终低加旁路泵控制17指令送到低加旁路泵17中，对低加旁路泵17转速进行控制。

Claims (4)

1.参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统，包括锅炉(1)，与锅炉(1)出口连接的汽轮机(2)，与汽轮机(2)的高压缸抽汽口、中压缸抽汽口、低压缸抽汽口和低压缸排汽口分别连接的高压加热器(3)、除氧器(4)、低压加热器(5)和凝汽器(6)，其特征在于：该系统还包括高加给水旁路调节系统和低加凝结水旁路调节系统，能实现两种一次调频方案，分别是高加给水旁路调节方案和低加凝结水旁路调节方案：
1)高加给水旁路调节系统实现的高加给水旁路调节方案中，所述除氧器(4)出口的给水经过给水泵(8)升压后分为两路，其中一路给水经过高压加热器(3)和给水阀(7)后进入锅炉(1)，另一路给水经过给水旁路阀(11)后，进入高加旁路换热器(12)后汇集进入锅炉(1)；同时，高加旁路换热器(12)的换热工质经过高加旁路泵(13)升压后，进入第一集热器(14)吸收得到的太阳能，之后进入高加旁路换热器(12)向给水传递热量；在参与一次调频中，通过给水旁路阀(11)调节，实现汽轮机(2)功率快速变化，保证一次调频的要求；
2)低加凝结水旁路调节系统实现的低加凝结水旁路调节方案中，所述凝汽器(6)出口的凝结水进入凝结水泵(10)升压后，分两路，一路凝结水经过低压加热器(5)和除氧器进水阀(9)进入除氧器(4)，另一路凝结水经过凝结水旁路阀(15)后，进入低加旁路换热器(16)后汇集到除氧器(4)；同时，低加旁路换热器(16)换热工质经过低加旁路泵(17)升压后，进入第二集热器(18)吸收得到的太阳能，之后进入低加旁路换热器(16)向凝结水传递热量；参与一次调频中，通过凝结水旁路阀(15)调节，实现汽轮机(2)功率快速变化，保证一次调频的要求。
2.根据权利要求1所述的参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统，其特征在于：给水旁路阀(11)和凝结水旁路阀(15)均采用汽动调节阀；高加给水旁路调节系统中，第一集热器(14)采用中温槽式集热器，导热工质选取导热油；低加凝结水旁路调节系统中，第二集热器(18)选取中低温平板集热器，导热工质选导热油或者水。
3.一种如权利要求1所述的参与一次调频的太阳能辅助燃煤发电系统的控制方法，其特征在于：根据太阳能辅助燃煤发电系统运行特点，制定一次调频控制和加热器出口温度控制逻辑；具体如下：
1)制定一次调频控制逻辑
根据电网运行状态，获得需要进行一次调频时的最大频率调节量Δfmax，之后通过机组设定的调速不等率δ转化成所需最大功率调节量ΔPmax，即：
ΔPmax＝f1(Δfmax)＝Δfmax/δ
根据太阳能辅助燃煤发电系统实际运行状态，确定采用低加凝结水旁路调节方案的最大功率调节量ΔPLPH,max，并与当前所需最大功率调节量ΔPmax对比，如果ΔPmax>ΔPLPH,max，则采用高加给水旁路调节方案参与一次调频；如果ΔPmax≤ΔPLPH,max，则采用低加凝结水旁路调节方案参与一次调频；
确定好参与一次调频的调节方案后，根据电网运行状态，获得实时频率值fpv，与电网所需稳定频率值fsp进行对比，获得频率偏差Δf，频率偏差在调速器中进行参数设定后，获得功率调节量ΔP，所述参数设定包括调频死区和调速不等率：
ΔP＝f2(Δf)
将该功率调节量ΔP在PID控制器中获得的调节输出量Δμ，叠加到高加给水旁路调节方案和低加凝结水旁路调节方案对应的控制阀门上，产生阀门的最新开度μnew：
μnew＝μold+Δμ
式中：μold为初始时刻对应的阀门开度；
最终形成将最优方案投入一次调频的闭环优化控制逻辑；
2)制定高加加热器和低加加热器出口水温控制逻辑
对于采用高加给水旁路调节方案参与一次调频，其出口水温控制逻辑为：首先利用温度传感器获得给水进锅炉(1)时温度Tf,pv，与给水进锅炉(1)的温度设定值Tf,sp进行对比，获得温度偏差ΔT1；利用温度传感器获得第一集热器(14)工质进高加旁路换热器(12)时温度Ts,pv，与第一集热器(14)工质进高加旁路换热器(12)的温度设定值Ts,sp进行对比，获得温度偏差ΔT2，将两个温度偏差累加获得总的温度偏差ΔTh：
ΔTh＝ΔT1+ΔT2；
该总的温度偏差ΔTh在PID控制器中运算，获得高加旁路泵(13)的直接控制指令Δψh：
Δψh＝f(ΔTh)；
同时，由于集热器管道较差，热惯性较大，因此需要将一次调频快速指令对各段温度控制进行前馈修正，将高加给水旁路调节方案一次调频控制逻辑中得到的给水旁路阀(11)控制指令Δμh，通过函数发生器产生高加旁路泵(13)前馈信号指令即
最终，将直接控制指令Δψh和前馈信号指令叠加到高加旁路泵(13)上，产生该泵的最新转速指令σh,new：
式中：σh,old为初始时刻对应的高加旁路泵(13)转速；
对于采用低加凝结水旁路调节方案参与一次调频，其出口水温控制逻辑为：首先利用温度传感器获得凝结水进除氧器(4)时温度Tc,pv，与凝结水进除氧器(4)的温度设定值Tc,sp进行对比，获得温度偏差ΔT3；利用温度传感器获得第二集热器(18)工质进低加旁路换热器(16)时温度To,pv，与第二集热器(18)工质进低加旁路换热器(16)的温度设定值To,sp进行对比，获得温度偏差ΔT4，将两个温度偏差累加获得总的温度偏差ΔTd：
ΔTd＝ΔT3+ΔT4；
该总的温度偏差ΔTd在PID控制器中运算，获得低加旁路泵(17)的直接控制指令Δψd：
Δψd＝f(ΔTd)；
同时，由于集热器管道较差，热惯性较大，因此需要将一次调频快速指令对各段温度控制进行前馈修正，将低加凝结水旁路调节方案一次调频控制逻辑中得到的凝结水旁路阀(15)控制指令Δμd，通过函数发生器产生低加旁路泵(17)前馈信号指令即
最终，将直接控制指令Δψd和前馈信号指令叠加到低加旁路泵(17)上，产生该泵的最新转速指令σd,new：
式中：σd,old为初始时刻对应的低加旁路泵(17)转速。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：高加给水旁路调节系统中的高加旁路泵(13)和低加凝结水旁路调节系统中的低加旁路泵(17)均采用变速泵，可实时对给水进锅炉(1)和凝结水进除氧器的温度进行调控，保证给水进锅炉的温度和凝结水进除氧器的温度与设定值偏差最小。
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