CN110118347B - 一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：分析超临界机组锅炉能量状态，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减；步骤二：分析机组能量状态，定义电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差为机组负荷跟随情况；步骤三：分析不同锅炉能量变化情况与机组负荷跟随情况下的组合情况，在锅炉燃烧率指令侧附加智能超前控制通道，对燃烧率指令进行超前控制。本发明可以在传统超前控制逻辑的基础上，考虑到主蒸汽压力的变化方向和机组负荷跟随情况，在保持原控制方法下机组负荷跟随能力的情况下同时追求主蒸汽压力的稳定，抑制其波动，进而延长锅炉寿命。

Description

一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法

技术领域

本发明属于电力系统中超临界机组控制技术领域，涉及一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法。

背景技术

在新能源市场占有率逐年提高的背景下，火电机组面临一些机遇和挑战。

一是新能源机组的大量投入影响电网调频、调峰的稳定性。随着电网中大规模风、光电基地的建成，渗透率的逐渐提高，其具有的随机性、间歇性、反调节性及出力波动大等特点，以及预测的不准确性对电网安全运行产生了威胁。在新能源接入电网负荷较低的时候，其发电负荷的波动对电网调峰的影响较低，但当新能源接入电网负荷提升到一定比例时，电网需要针对风、光电的出力波动采取预控措施。

二是小容量火电机组由于发电煤耗高、能源利用率低逐渐退出运行，大容量、高参数的超临界机组和超超临界机组正在逐渐在电网中推广运行。超临界机组效率比亚临界机组提高了约2～3％，具有明显的高效、节能和环保优势，已成为当今世界发达国家竞相采用和发展的新技术。我国的能源装备政策明确要求，要发展大容量高参数的火电机组，国家计委明确新建600MW及以上容量的燃煤机组原则上要采用超临界或超超临界参数的火电机组。

超临界机组传统的控制有三种方式，分别为炉跟机控制、机跟炉控制、机炉协调控制。

在炉跟机方式下，电网负荷指令传递到汽轮机控制指令，主汽阀开到与电网负荷指令相一致的位置。由于汽轮机功率发生变化，主蒸汽压力也随之发生变化，锅炉依据主蒸汽压力变化调节输入燃料与给水，跟随到相应的指令位置。该方式对电网响应速度较快，但由于发电机功率变化会对锅炉主蒸汽压力产生巨大的影响，对单元机组的稳定性产生影响。

所以，在炉跟机控制方式的基础上，考虑在锅炉侧主控加入超前控制回路，使得锅炉在负荷指令到来前期就开始动作，以提高机组的负荷响应性能，同时减少主蒸汽压力和温度的不必要的波动，达到炉机侧的高效运转与协调。但是实验表明，面对实际负荷时，现有的超前控制回路(BIR-FF、PV-MW等)在主蒸汽压力波动抑制方面还存在一些不足，这就需要一种更加智能、更加高效的控制方式来提升超临界机组机炉协调的控制效果。

发明内容

为了解决传统超前控制没有考虑到的主蒸汽压力变化方向以及负荷指令与实际输出功率差值正负的情况，本发明提供了一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法，包括如下步骤：

步骤一：分析超临界机组锅炉能量状态，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减；

步骤二：分析机组能量状态，定义电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差为机组负荷跟随情况；

步骤三：分析不同锅炉能量变化情况与机组负荷跟随情况下的组合情况，在锅炉燃烧率指令侧附加智能超前控制通道，对燃烧率指令进行超前控制。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

按照本发明的方法对超临界机组机炉控制器进行超前控制，可以在传统超前控制逻辑的基础上，考虑到主蒸汽压力的变化方向和机组负荷跟随情况，在保持原控制方法下机组负荷跟随能力的情况下同时追求主蒸汽压力的稳定，抑制其波动，进而延长锅炉寿命。

附图说明

图1为锅炉跟随汽轮机控制方式示意图；

图2为基于锅炉跟随汽轮机控制方式的智能超前控制示意图；

图3为超临界机组主蒸汽变化率；

图4为电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差值(p.u.)；

图5为超临界机组使用智能超前控制时智能超前控制输出的控制量序列；

图6为十分钟内的超临界机组主蒸汽变化率；

图7为十分钟内电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差值(p.u.)；

图8为十分钟内超临界机组使用智能超前控制时智能超前控制输出的控制量序列；

图9为实际负荷下十分钟内超临界机组是否使用智能超前控制的主蒸汽压力对比；

图10为实际负荷下十分钟内超临界机组是否使用智能超前控制的机组输出功率对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法，该方法中的超临界机组协调控制以炉跟机控制方式为基础，如图1所示。

具体实施步骤如下：

步骤一：分析超临界机组锅炉能量状态，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减。

本步骤中，依据主蒸汽压力的变化方向，对锅炉能量状态进行分组。

直流锅炉的能量状态由主蒸汽压力直观反映，其影响因素主要为燃煤热值波动和负荷变化。由于不同电厂使用的煤的种类可能存在不同，而不同的煤种由于化学成分的不同，热值会有一定波动，并且进入锅炉燃烧室的煤粉混合不匀，则导致燃煤热值波动出现。而负荷波动则更加易于理解。在锅炉跟随汽轮机的控制方式下，负荷波动直接导致汽轮机功率波动，而汽轮机功率变化的直接原因是进入汽轮机的蒸汽流量产生了变化，即：

G_t＝k_vP_tS_z；

其中，G_t为主蒸汽流量，P_t为主蒸汽压力，S_z为阀门开度，k_v为常系数。

由上式可知，蒸汽流量由主蒸汽压力和主汽阀开度共同决定，如果机组负荷持续增加，蒸汽流量在一段时间内持续会持续高于既定工作点，而直流锅炉的蓄热较少，在一段时间内主蒸汽压力会产生明显的降低。反之，若负荷减少，蒸汽流量则会高于工作点，此时锅炉蓄热会产生盈余，主蒸汽压力就会明显增大。这就是直流锅炉能量波动的原因。

在正常工况下，主蒸汽压力与锅炉能量可以视为线性关系，主蒸汽压力可以反映锅炉能量的高低。所以，本发明采用直流锅炉的主蒸汽压力来定义锅炉能量的高低，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减，其中ΔP_t为主蒸汽压力变化量，Δt为相对应的时间变化量。

1)主蒸汽压力的变化率

大于600Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“上升”。

2)主蒸汽压力的变化率

在[-600,600]Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“平稳”。

3)主蒸汽压力的变化率

小于-600Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“下降”。如表1所示。

表1主蒸汽压力变化状态

步骤二：分析机组能量状态，定义电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差为机组负荷跟随情况。

本步骤中，将机组输出功率P_out与负荷指令P_AGC的差值ΔP_out定义为机组负荷跟随情况。

机组能量由超临界机组的输出功率和负荷指令决定。负荷指令对机组需要输出的信号提出要求，而机组的输出功率则是对负荷指令所做出的响应。当机组的输出功率小于负荷指令信号时，则说明机组能量缺乏，需要增加机组的输出来跟随负荷；反之，当机组的输出功率大于负荷指令信号时，则说明机组能量超出标准，需要适当减少机组的输出来匹配负荷的需求。

1)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out大于8.5×10^-6p.u.时，定义机组能量为“过剩”。

2)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out在[-8.5×10^-6,8.5×10^-6]p.u.时，定义机组能量为“平衡”。

3)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out小于-8.5×10^-6p.u.时，定义机组能量为“短缺”。如表2所示。

表2机组能量状态

步骤三：分析不同锅炉能量变化情况与机组负荷跟随情况下的组合情况，在锅炉燃烧率指令侧附加智能超前控制通道，如图2所示，对燃烧率指令进行超前控制。

综合前两步的主蒸汽压力变化方向和机组能量状态分析，从锅炉侧看，针对主蒸汽压力变化提出的三种主蒸汽压力变化的状态，智能超前控制应当采用相应的控制策略保持主蒸汽压力的稳定，抑制其波动，进而延长锅炉寿命。从机组侧看，针对机组输出功率与负荷指令的差值提出的3种机组能量状态，应充分考虑主蒸汽压力变化趋势，顺势而为地进行超前控制。以下为智能超前控制策略的设计逻辑：

1)主蒸汽压力平稳，机组能量平衡。此时无需调节，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ为0，控制策略定义为“保持”。

2)主蒸汽压力平稳，机组能量过剩。此时则需要适当控制机组能量，减小机组的输出，则智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.002，控制策略定义为“适当下降”。

3)主蒸汽压力平稳，机组能量短缺。此时需要适当增加机组能量，增加机组输出以提高负荷跟随性能，则智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.002，控制策略定义为“适当上升”。

4)主蒸汽压力上升，机组能量平衡。此时则需要控制主蒸汽压力的变化，在保证负荷跟随的情况下，抑制主蒸汽压力的波动以延长机组寿命。所以智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.002，控制策略定义为“适当下降”。

5)主蒸汽压力上升，机组能量过剩。出现此情况，则表示燃烧率指令出现了比较严重的超调现象，导致主蒸汽压力变化频繁，机组输出大于负荷指令需求。在这种情况下，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.01，控制策略定义为“加速下降”。

6)主蒸汽压力上升，机组能量短缺。这种情况下，充分利用主蒸汽压力的上升趋势，使其增加汽轮机组的输出来填补机组能量的短缺，可以做到“顺势而为”，不仅可以抑制超临界机组的主蒸汽压力波动，延长机组寿命，还可以提高机组的负荷跟随性能。在这种情况下，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0，控制策略定义为“自然释放”。

7)主蒸汽压力下降，机组能量平衡。此时则需要控制主蒸汽压力的变化，在保证负荷跟随的情况下，抑制主蒸汽压力的波动以延长机组寿命。所以智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.002，控制策略定义为“适当上升”。

8)主蒸汽压力下降，机组能量过剩。这种情况下，充分利用机组能量的过剩状态，使得汽轮机阀门开度减小，进而会使得主蒸汽压力增大，可以做到“顺势而为”，可以抑制超临界机组的主蒸汽压力波动，延长机组寿命，还也可以提高机组的负荷跟随性能。在这种情况下，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0，控制策略定义为“自然释放”。

9)主蒸汽压力下降，机组能量短缺。出现这种工况，则表示机组缺乏能量，需要增加一些燃烧量的输出来跟随负荷，并且维持主蒸汽压力的稳定。在这种情况下，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.01，控制策略定义为“加速上升”。如表3所示。

表3智能控制策略

实施例：

本实施例考虑在200MW超临界机组机炉控制器中分别加入PV-MW超前控制，以及PV-MW+智能超前控制进行仿真，负荷为线黑龙江省某电网半日的实际负荷曲线，具体实施步骤如下：

步骤一：分析超临界机组锅炉能量状态，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减。

在实际负荷下，超临界机组主蒸汽压力变化率如图3所示。

步骤二：分析机组能量状态，定义电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差为机组负荷跟随情况。

在实际负荷下，超临界机组输出与负荷功率差如图4所示。

步骤三：分析不同锅炉能量变化情况与机组负荷跟随情况下的组合情况，在锅炉燃烧率指令侧附加控制序列，对燃烧率指令进行超前控制。

在实际负荷下，智能超前控制输出的控制序列如图5所示。

取15:30～15:40时间段为例分析：

15:33～34分之间，主蒸汽压力由“下降”逐渐过渡为“上升”状态，而机组能量由“过剩”逐渐过渡为“短缺”状态，此时智能超前控制输出“保持”和“适当下降”，其数值为0和-0.02，观察此时间段的主蒸汽压力，加入智能超前控制后的主蒸汽压力波动得到了抑制，波动减小了0.04Mpa，而机组输出功率有略微的减小，从图6～图10中都可观察得到。

15:34～15:35分之间，主蒸汽压力由“上升”变为“减小”，功率差由“短缺”变为“过剩”，智能超前控制输出了一段“加速下降”指令，主蒸汽压力在这段时间里处于高位，相比较没有智能超前控制的回路，主蒸汽压力波动也得到了抑制，减小了0.038MPa。

Claims (1)

1.一种面向炉机网协调的锅炉智能超前控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：分析超临界机组锅炉能量状态，采用主蒸汽压力的变化情况来描述和定义锅炉能量的增减，其中，定义锅炉能量的增减的方法如下：

1)主蒸汽压力的变化率

大于600Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“上升”；

2)主蒸汽压力的变化率

在[-600,600]Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“平稳”；

3)主蒸汽压力的变化率

小于-600Pa/s时，定义主蒸汽压力变化情况为“下降”；

其中：ΔP_t为主蒸汽压力变化量，Δt为相对应的时间变化量；

步骤二：分析机组能量状态，定义电网AGC指令与发电机组的实际功率之间的偏差为机组负荷跟随情况，其中，定义机组负荷跟随情况的方法如下：

1)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out大于8.5×10^-6p.u.时，定义机组能量为“过剩”；

2)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out在[-8.5×10^-6,8.5×10^-6]p.u.时，定义机组能量为“平衡”；

3)当机组输出功率与负荷指令的差值ΔP_out小于-8.5×10^-6p.u.时，定义机组能量为“短缺”；

步骤三：分析不同锅炉能量变化情况与机组负荷跟随情况下的组合情况，在锅炉燃烧率指令侧附加智能超前控制通道，对燃烧率指令进行超前控制，其中，超前控制的设计逻辑如下：

1)主蒸汽压力平稳，机组能量平衡，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ为0，控制策略定义为“保持”；

2)主蒸汽压力平稳，机组能量过剩，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.002，控制策略定义为“适当下降”；

3)主蒸汽压力平稳，机组能量短缺，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.002，控制策略定义为“适当上升”；

4)主蒸汽压力上升，机组能量平衡，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.002，控制策略定义为“适当下降”；

5)主蒸汽压力上升，机组能量过剩，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为-0.01，控制策略定义为“加速下降”；

6)主蒸汽压力上升，机组能量短缺，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0，控制策略定义为“自然释放”；

7)主蒸汽压力下降，机组能量平衡，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.002，控制策略定义为“适当上升”；

8)主蒸汽压力下降，机组能量过剩，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0，控制策略定义为“自然释放”；

9)主蒸汽压力下降，机组能量短缺，智能超前控制通道输出的锅炉燃烧率指令修正量Δμ设置为0.01，控制策略定义为“加速上升”。

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