CN110792482A - 一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统及方法，系统设置有超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀，以及第一补汽阀和第二补汽阀；可实现在补汽调节方式下控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频。当电网实际负荷高于或低于额定负荷时，电网频率会偏离50HZ，控制系统接收电网频率偏差变化，控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度大小，改变各缸的进汽流量，从而改变二次再热汽轮机的机械功率输出，使实际功率输出与电网负荷匹配，实现电网一次调频。

Description

一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统及 方法

技术领域

本发明属于电网调频技术领域，特别涉及一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统及方法。

背景技术

二次再热机组的汽轮机分为超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸模块、锅炉、冷凝器、回热器、除氧器等模块，而300MW以上的机组配以9～10级抽气回热，由于运行参数高及结构复杂的特点，因此对二次再热技术提出了更高的设计要求。

在实际工程运用中，超临界及超超临界机组均采用滑压运行的方式，相比于定压运行的方式有效减少了节流阀造成的节流损失，可显著提高机组的热效率，但也为控制机组参与电网一次调频技术增加了新的难点。二次再热机组通常比一次再热机组回热级数更多，锅炉的给水温度也显著升高，因此平均温度也升高。另外，二次再热机组通常选择更高的主汽压力，与同温水平下的一次再热相比，二次再热的实际运行效率提高了约2～3百分点。二次再热机组自投入使用以来不断提高进汽的初参数，至今，其主蒸汽压力为30～33MPa，主蒸汽温度600℃，一、二次再热温度600～620℃，受到材料水平和制造能力的限制，该参数被认为是二次再热机组参数比较合理的取值。二次再热采用两次中间再热的蒸汽朗肯循环为基本的发电技术，其典型的基本特征是超高压缸和高压缸出口工质分别送入锅炉的高压再热器和低压再热器进行再热，实现整个机组的二次再热循环过程，相比于一次再热机组，锅炉增加了一级再热回路。

二次再热汽轮机的技术难点主要包括轴系设计技术、多变量协同调频技术、高效通流技术、辅助系统节能技术、运行控制、金属材料的性能限制制造水平和市场环境等难点制约发展。对于多变量协同调频技术，国外二次再热机组全部带基本负荷，基本负荷不参与调峰调频技术。但基于中国的国情，二次再热机组不可避免参与调峰调频，经济有效的调频方式有利于发挥机组经济、高效的优势。

国内二次再热机组参与一次调频技术基本上都采用全周进汽节流调节，据参考文献超超临界二次再热机组并网时采取的调频有凝结水调频、补汽调频、给水调频、补气阀调频、单独控制超高压缸调节阀调频等手段。而目前，国内投产的二次再热超超临界节流配汽机组均没有设计补汽调频，也少有研究控制超高压、高压及中压调节阀同时参与电网一次调频研究。

综上所述，亟需一种新的超超临界二次再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的控制系统及方法，在补汽调节方式下，能够控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频，可有效弥补主蒸汽流量大而导致机组发生气流激振，进而影响机组安全稳定安全等问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，包括：

直流锅炉，所述直流锅炉用于产生超超临界循环蒸汽；所述直流锅炉设置有循环水入口、蒸汽出口、一次吸热蒸汽入口、一次吸热蒸汽出口、二次吸热蒸汽入口和二次吸热蒸汽出口；

超高压缸，所述直流锅炉的蒸汽出口通过第一蒸汽管道与超高压缸蒸汽室相连通，所述超高压缸蒸汽室通过第二蒸汽管道与所述超高压缸的首级进汽口相连通，所述超高压缸蒸汽室通过第三蒸汽管道与所述超高压缸的中间补汽口相连通；所述第一蒸汽管道上设置有超高压缸调节阀，所述第三蒸汽管道设置有第一补汽阀；

高压缸，所述直流锅炉的一次吸热蒸汽出口通过第四蒸汽管道与高压缸蒸汽室相连通，所述高压缸蒸汽室通过第五蒸汽管道与所述高压缸的首级进汽口相连通，所述高压缸蒸汽室通过第六蒸汽管道与所述高压缸的中间补汽口相连通；所述第四蒸汽管道上设置有高压缸调节阀，所述第六蒸汽管道设置有第二补汽阀；所述高压缸的乏气出口与所述直流锅炉的二次吸热蒸汽入口相连通；

中压缸，所述直流锅炉的二次吸热蒸汽出口通过第七蒸汽管道与所述中压缸的首级进汽口相连通；所述第七蒸汽管道设置有中压缸调节阀；

低压缸，所述中压缸的乏气出口与低压缸的进汽口相连通；

第一回热器，所述第一回热器的出水口与所述直流锅炉的循环水入口相连通；

汽轮机，所述超高压缸的乏汽出口与第一回热器和所述汽轮机的进汽口以及所述直流锅炉的一次吸热蒸汽入口相连通；

除氧器，所述除氧器的进水口用于通入循环水，所述除氧器的出水口与第一回热器的进水口相连通；所述除氧器的进气口与汽轮机T₁的乏汽出口相连通；

冷凝器，所述冷凝器与所述低压缸的乏汽出口相连通；

其中，超高压缸的中间级补汽量大于等于主汽流量的15％。

本发明的进一步改进在于，还包括：数字电液控制系统和协调控制系统的耦合模块，用于采集发电机组的实际转速n，根据转速的变化，控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度，改变相应应缸的进汽流量，使电网频率恢复至50HZ。

本发明的进一步改进在于，超高压缸的中间级补汽量为主汽流量的20％；

当电网负荷-功率稳定运行时，超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀的开度为设定的最大开度。

本发明的进一步改进在于，还包括：发电机G1和发电机G2；

超高压缸、高压缸、中压缸和低压缸同轴布置，用于带动发电机G1发电；

所述汽轮机用于带动发电机G₂发电。

本发明的进一步改进在于，中压缸为两个缸对称布置的中压缸，低压缸为4个缸对称布置的低压缸；汽轮机为回热式汽轮机。

本发明的进一步改进在于，所述汽轮机设置有多级抽汽；汽轮机的每级抽汽均与一个回热器相连通，用于实现循环水的逐级加热；所述低压缸为多级抽汽，用于实现热能的梯级利用。

本发明的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，基于本发明所述的系统，具体包括以下步骤：

(1)通过协调控制系统接收发电机的实际转速n、反馈环节的机组机械功率输出N_E和机组功率设定值AGC，通过协调控制系统输出对应的超高压缸开度指令CV₁、高压缸开度指令CV₂和中压缸开度指令CV₃；

(2)将超高、高和中压缸的开度指令CV₁、CV₂、CV₃分别输出执行机构，通过执行机构分别得到超高压缸调节阀开度GV₁、高压缸调节阀开度GV₂和中压缸调节阀开度GV₃；

(3)在直流锅炉系统中输入反馈环节的主蒸汽压力P_T及主蒸汽阀后压力P₁，直流锅炉系统的输出与超高压缸调节阀开度GV₁共同控制超高压缸的进汽流量G_S，进汽流量G_S输入汽轮机系统；

(4)将GV₁与主蒸汽压力P_T输入二次再热汽轮机系统；在二次再热汽轮机系统中输入高压缸调节阀开度GV₂和中压缸调节阀开度GV₃，用于共同控制各缸的功率输出，输出的机械功率N_E等于超高、高、中和低压缸的功率输出之和，最终实现在电网负荷波动时，二次再热机组调节机械功率输出以维持负荷-功率的失衡，保证电网频率恢复至50HZ。

本发明的进一步改进在于，步骤(1)具体包括：

步骤1.1，电网实际负荷高于或低于额定发电功率时，实际转速n经惯性环节后与额定转速n₀求和，经调频死区、调速不等率δ、限幅模块、限速模块获得转速不等功率；

步骤1.2，将转速不等功率与功率设定值AGC求和，获得电网负荷的实际需求量；

通过协调控制系统接收机组反馈输出机械功率的反馈值N_E，经前馈系数和PID作用后控制超高、高和中压调节阀的指令输出，使得超高、高、中和低压缸的功率输出等于电网负荷的实际需求量，对应获得CV₁、CV₂、CV₃；

其中，协调控制系统以实际转速n作为扰动量，模拟电网负荷突变时超超临界二次再热机组参与电网一次调频的过程；前馈系数的值在0和1两者之中选取。

本发明的进一步改进在于，步骤(2)具体包括：

当电网负荷大于额定功率输出时，伺服系统将通过油动机开大调节阀开度，用油动机开启时间为T_o的惯性环节描述；

当电网负荷低于额定功率输出时，用油动机关闭时间为T_c的惯性环节描述，伺服系统通过油动机关小调节阀开度，再经限幅环节、限速环节后获得调节阀的开度输出GV₁、GV₂、GV₃；

其中，执行机构设置反馈环节，用于消除输出与输出的偏差。

本发明的进一步改进在于，步骤(3)具体包括：

当电网负荷波动时，超超临界二次再热机组参与电网一次调频时，控制系统通过伺服系统控制超高压、高压和中压调节阀开度变化，通过超高压、高压和中压调节阀开度的变化导致相应阀前主汽压力P_T波动；

其中，当调节阀开度增加时，P_T减小，直流锅炉接收反馈的主汽压力，控制锅炉的燃烧指令，锅炉控制系统根据燃烧指令控制锅炉的阀前主汽压力P_T输出；主蒸汽压力输出指令P_T与调节阀开度信号GV共同调节超高压缸的进汽流量G_s，通过G_s的大小控制二次再热汽轮机机械功率输出，满足负荷-功率之间的平衡，实现电网的一次调频。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的控制系统，设置有超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀，以及第一补汽阀和第二补汽阀；可实现在补汽调节方式下控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频。具体的，当电网实际负荷高于或低于额定负荷时，电网频率会偏离50HZ，控制系统接收电网频率偏差变化，控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度大小，改变各缸的进汽流量，从而改变二次再热汽轮机的机械功率输出，使实际功率输出与电网负荷匹配，实现电网一次调频。本发明的控制系统，能够控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频，相比于以往机组只设置单个调节阀具有更快速响应的优势，且能够实现在滑压运行方式下控制调节阀参与电网一次调频；设置超高压补汽调节和高压补汽调节，可有效解决了主蒸汽流量大而导致机组发生气流激振，而影响机组安全、稳定运行的问题。本发明的补汽阀设定是在调节阀基础上，通过蒸汽管道分别对超高压缸和高压缸的某中间级进行补汽调节，实现机组在超负荷时增减汽轮机的进汽量。由于超超临界二次再热机组投入运行时，机组具有大容量、高参数的特性，采用补汽调节的方式降低了超高压缸和高压缸前几级的进汽参数的压力，实现机组在相同功率输出的情况下能降低前几级叶片的材料要求，解决了机组前几级叶片应力集中的问题，为机组实现稳定安全运行提供了保障。其中，一部分抽汽用于除氧器进行换热，增加除氧器的目的在于消除循环水中的氧气，消除循环系统中的氧腐蚀；锅炉为直流锅炉，具有较高的储热性能，在电网负荷突增时，初始阶段充分利用锅炉的储热能力加热锅炉给水，为汽轮机提供高参数的蒸汽，加快负荷响应。

本发明中，当电网实际负荷高于或低于额定负荷时，电网频率会偏离50HZ，控制系统接收电网频率偏差变化，数字电液控制系统(Electro-hydraulic control system,DEH)和协调控制系统(Coordinated control system,CCS)将频率信号转化为功率信号；然后伺服系统通过油动机控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度大小，改变各缸的进汽流量，从而改变二次再热汽轮机的机械功率输出，使实际功率输出与电网负荷匹配，实现电网一次调频。

本发明中，当电网负荷-功率稳定运行时，即电网频率维持在50HZ，所有调节阀开度为设定的最大开度，可有效减小节流损失，提高二次再热机组热效率。

本发明中，回热式汽轮机T₁有多级抽汽，考虑到

利用效率，抽汽回热的能量品质实现梯级利用。

本发明中，低压缸为四个对称布置的缸，采用对称布置的方式，有效消除了轴向力的产生。

本发明提出的控制方法，可实现机组采用滑压运行的方式下，充分利用蒸汽室的蓄热能力，同时控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀、中压缸调节阀，且补汽调节的方式协同电网一次调频；本发明有效弥补了主蒸汽流量大而导致机组发生气流激振而影响机组安全稳定安全等问题。相比于以往超超临界二次再热机组采用节流配汽、单独控制超高压或高压调节阀的方式，同时控制超高、高、中压调节阀能实现更快速消除电网负荷和功率的失衡。当电网稳定时，所有调节阀开度为设定的最大开度，有效减小了节流损失，提高了二次再热机组热效率。除此外，本发明为现在运行的火电厂提供了一种二次再热机组的调频策略，在中国这样的国情下，为超超临界二次再热机组大规模的投入运行提供了一次调频的技术参考。本发明的控制方法中，采用补气阀调节主要有两个目的：第一是使机组实际运行时不必通过主调门的节流就具有调频的能力，可避免节流损失，使调频的反应速度加快，可有效减少锅炉的压力波动；第二是滑压机组在额定流量下，进汽压力达到额定值。本发明可实现“双向”调节，即任一被调量都是通过汽轮机和锅炉协调控制实现的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中，协调控制系统调节方式示意图；

图2是本发明实施例中，超超临界二次再热汽轮机示意图；

图3是本发明实施例中，采用的补汽阀连接示意图；

图4是本发明实施例中，协调控制系统模型示意图；

图5是本发明实施例中，执行机构示意图；

图6是本发明实施例中，锅炉模型示意图；

图7是本发明实施例中，二次再热汽轮机模型示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，包括：直流锅炉、超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸、汽轮机、除氧器、冷凝器、发电机G₁和发电机G₂。

直流锅炉用于产生超超临界循环蒸汽；直流锅炉设置有循环水入口、蒸汽出口、一次吸热蒸汽入口、一次吸热蒸汽出口、二次吸热蒸汽入口和二次吸热蒸汽出口；

直流锅炉的循环水入口用于通入循环水并产生超超临界循环蒸汽；

直流锅炉的蒸汽出口通过第一蒸汽管道与超高压缸蒸汽室相连通，超高压缸蒸汽室通过第二蒸汽管道与超高压缸的首级进汽口相连通，超高压缸蒸汽室通过第三蒸汽管道与超高压缸的中间补汽口相连通；第一蒸汽管道上设置有超高压缸调节阀，所述第三蒸汽管道设置有第一补汽阀。

超高压缸的乏汽出口与第一回热器和汽轮机的进汽口，以及直流锅炉的一次吸热蒸汽入口相连通。

直流锅炉的一次吸热蒸汽出口通过第四蒸汽管道与高压缸蒸汽室相连通，高压缸蒸汽室通过第五蒸汽管道与高压缸的首级进汽口相连通，高压缸蒸汽室通过第六蒸汽管道与高压缸的中间补汽口相连通；第四蒸汽管道上设置有高压缸调节阀，所述第六蒸汽管道设置有第二补汽阀。

高压缸的乏汽出口与直流锅炉的二次吸热蒸汽入口相连通。

直流锅炉的二次吸热蒸汽出口通过第七蒸汽管道与中压缸的首级进汽口相连通，所述第七蒸汽管道设置有中压缸调节阀。

中压缸的乏汽出口与回热器和低压缸的进汽口相连通；低压缸的乏汽出口与回热器和冷凝器相连通。

除氧器的进水口用于通入循环水，其出水口与回热器的进水口相连通；其进汽口与汽轮机T1的乏汽出口相连通。

超高压缸、高压缸、中压缸和低压缸同轴布置，用于带动发电机G1发电。

汽轮机T1用于带动发电机G2发电。

本发明系统的工作过程：循环水经直流锅炉B后产生超超临界循环蒸汽，该蒸汽经超高压缸调节阀后进入超高压缸，并实现对超高压缸进行中间级补汽，其中间级的补汽量不低于主汽流量的15％；本发明设定的中间补汽量为主汽流量的20％，其余蒸汽中从超高压缸首级进入并完成做功，其乏汽分为三个部分，一部分乏汽在1#回热器中换热，另一部分用于回热式汽轮机T₁完成膨胀做功，最后一部分剩余的乏汽再次进入直流锅炉B吸热；

一次吸热后的蒸汽经高压缸调节阀调节后进入高压缸HP，补汽方式采用汽轮机中间级补汽，其蒸汽在高压缸HP完成膨胀做工后的乏汽再次进入直流锅炉B，实现二次再热；

二次吸热后的蒸汽经中压缸调节阀调节后进入中压缸HP，二次再热蒸汽在中压缸中完成膨胀做功，中压缸排汽一部分用于7#回热器进行换热，剩余的用于低压缸实现膨胀做功；

低压缸进行不同等级的抽汽，抽汽蒸汽的温度和压力从首级到末级逐渐降低，分别对8#,9#,10#回热器进行换热，膨胀做功完成后的乏汽进入冷凝器中冷凝成液态水。

其中，超高压缸、高压缸、中压缸和低压缸采用同轴，发电机G₁在转轴作用下将机械能转化为电能。

乏汽在冷凝器中冷凝成液态水后与来自回热器换热后的循环水混合，并共同进入泵P₁中增压，按照能量的品质分别进入10#～1#回热器进行换热，实现循环水的温度逐渐递增。

回热式汽轮机T₁采用抽汽调节的方式，抽汽从首级到末级温度压力逐渐降低，分别进入2#、3#、4#和6#回热器；其中一部分抽汽用于除氧器进行换热，增加除氧器的目的在于消除循环水中的氧气，消除循环系统中的氧腐蚀。

回热式汽轮机T₁带动发电机G₂实现机械能转化为电能；最终，完成整个热力发电过程。

针对国内投产的二次再热超超临界节流配汽机组均没有设计补汽调频，也少有研究控制超高压、高压及中压调节阀同时参与电网一次调频研究，本发明提供了上述系统，实现超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀共同控制各缸的蒸汽进汽量，分别布置在超高压缸、高压缸和中压缸级前的蒸汽管道上。

本发明的系统还设置有数字电液控制系统(Digital electro-hydrauliccontrol system,DEH)和协调控制系统(Coordinated control system,CCS)的耦合模型；当电网的负荷发生波动时，发电机组的实际转速n将会偏离额定转速n₀，此时DEH和CCS的耦合模型将接收实际转速n，控制系统将根据转速的变化，控制超高压缸、高压缸、中压缸调节阀开度，改变对应缸的进汽流量，进汽流量增加时机械功率输出增加，反之则减小，实现更快速的机械功率对电网负荷的响应，使电网频率恢复至50HZ。

本发明的控制系统，能够控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频，改变了以往机组只设置单个调节阀具有更快速响应的优势，且实现了在滑压运行方式下控制调节阀参与电网一次调频，当机组额定负荷运行时调节阀开到设定最大开度，消除了节流损失造成机组热效率降低的问题。除此外，设置超高压补汽调节和高压补汽调节，可有效解决了主蒸汽流量大而导致机组发生气流激振，而影响机组安全、稳定运行的问题。

请参阅图2，本发明实施例的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，包括：

图2中B为直流锅炉，VHP为超高压缸，HP为高压缸，IP为中压缸，IP为对称布置的中压缸，LP中有4个对称布置的低压缸，T₁为回热式汽轮机，G₁、G₂为发电机，P₁、P₂为循环泵，1#～4#为高压加热器，6#～10#为低压加热器，其模型系统中还包括了除氧器、冷凝器、超高压调节阀、高压调节阀、中压调节阀等部件。

超高压缸VHP接收来自直流锅炉B的高温高压蒸汽，超高压缸的进汽分为两个部分，一部分是首级进汽，另一部分是在中间级进汽并实现补汽调节。其VHP出口高压蒸汽由三部分构成，一部分进去再热锅炉实现一级再热，用于高压透平HP的膨胀做功，一部分用于抽汽回热，剩余的用于回热式汽轮机膨胀做功。

回热式汽轮机有4级抽汽，考虑到

利用效率，抽汽回热的能量品质实现梯级利用。

直流锅炉的一级再热蒸汽进入高压缸，一部分进汽用于补汽调节，蒸汽从高压缸的中间级进入，剩余的高压蒸汽进入高压缸首级，在汽轮机中完成膨胀做功，排汽在锅炉中完成二次再热，该过程认为压力不变，在再热锅炉中完成吸热过程，二次再热后蒸汽温度600℃～620℃。二次再热蒸汽进入中压缸IP，进一步完成膨胀做功，中压缸蒸汽一部分用于抽汽回热，剩余的用于低压缸LP继续膨胀做功，低压缸为四个对称布置的缸，采用对称布置的方式，有效消除了轴向力的产生，低压缸为3级抽汽回热，其抽气点有7个，余热在低压回热器8、低压回热器9和低压回热器10中完成热能的梯级利用。

优选的，整机除回热式汽轮机外均采用同轴布置且转速相同，带动发电机完成发电。低压缸的排汽在冷凝器中冷凝成液态水，在循环泵的作用下经各级回热器逐级换热，最终进入直流锅炉完成整个热力发电过程。

优选的，锅炉为直流锅炉，具有较高的储热性能，在电网负荷突增时，初始阶段充分利用锅炉的储热能力加热锅炉给水，为汽轮机提供高参数的蒸汽，加快负荷响应。

优选的，机组系统为10级抽汽，其中，超高压缸和高压缸接受补汽调节的方式，其补汽调节如图3所示。

请参阅图3，图3为本发明采用补汽调节的示意简图，其分别布置在超高压调节阀和高压调节阀之后，对超高压缸和高压缸进行中间级补汽调节。

本发明实施例的控制系统中，补汽阀设定是在现有调节阀基础上，在主汽阀后设置一个补汽阀，通过蒸汽管道分别对超高压缸和高压缸的某中间级进行补汽调节，实现机组在超负荷时增减汽轮机的进汽量。由于超超临界二次再热机组投入运行时，机组具有大容量、高参数的特性，采用补汽调节的方式降低了超高压缸和高压缸前几级的进汽参数的压力，实现机组在相同功率输出的情况下能降低前几级叶片的材料要求，解决了机组前几级叶片应力集中的问题，为机组实现稳定安全运行提供了保障。

请参阅图4至图7，本发明实施例的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，具体包括：

(1)当电网负荷高于或低于额定发电功率时，电网的频率将会偏离50HZ，对应的发电机实际转速n将偏离3000r/min，如图4所示，协调控制系统将接收发电机的实际转速n、反馈环节的机组机械功率输出N_E和机组功率设定值AGC，通过协调控制系统输出对应的超高、高及中压缸开度指令，分别为CV₁、CV₂、CV₃。

(2)各缸调节阀开度指令CV输出执行机构，如图5所示，CV₁、CV₂、CV₃分别输入执行机构，在执行机构的作用下，分别得到超高压缸、高压缸和中压缸的调节阀开度GV₁、GV₂、GV₃。

(3)在图6锅炉模型中，输入反馈环节的主蒸汽压力P_T及主蒸汽阀后压力P₁，其模型的输出与超高压缸调节阀开度指令GV₁共同控制超高压缸的进汽流量G_S，进汽流量G_S输入汽轮机模型。

(4)GV₁与主蒸汽压力P_T输入二次再热汽轮机模型，其模型如图7所示，二次再热汽轮机中输入了高压缸调节阀指令GV₂和中压缸调节阀指令GV₃共同控制各缸的功率输出，输出的机械功率N_E等于超高、高、中和低压缸的功率输出之和。最终实现在电网负荷波动时，二次再热机组调节机械功率输出以维持负荷-功率的失衡，保证电网频率恢复至50HZ。

本发明实施例的控制方法原理为，当主蒸汽阀前压力P_T偏离设定主蒸汽阀前压力P_T0时，汽轮机及锅炉主控制器对锅炉侧和汽轮机侧同时进行操作，一方面可适当限制汽轮机调门开度；另一方面可加强锅炉的燃烧率的控制作用。控制过程结束后，汽轮机及锅炉主控制器保证输出机械功率与负荷指令保持一致，P_T与P_T0保持一致，此协调控制系统反映了锅炉及汽轮机协调控制的思想。

本发明的模拟控制方法中，控制超高压调节阀、高压调节阀、中压调节阀的开度指令CV的具体步骤包括：

步骤1，根据电网实际负荷高于或低于额定发电功率时，发电机的实际转速n将偏离额定转速n₀，即实际转速n偏离3000r/min，实际转速n经惯性环节后与额定转速n₀求和，经调频死区、调速不等率δ、限幅模块、限速模块获得转速不等功率。

步骤2，转速不等功率与功率设定值AGC求和，获得电网负荷的实际需求量。与此同时，图4的协调控制系统接收机组反馈输出机械功率的反馈值N_E，接收反馈调节目的是消除输入与输出的偏差，经前馈系数K₁～K₆和PID作用后控制超高、高和中压调节阀的指令输出，分别获得CV₁、CV₂、CV₃，其中K₁～K₆的值在0和1两者之中选取。

具体实施例请参阅图4，本发明实施例在MATLAB/SIMULINK仿真平台中搭建了二次再热机组参与电网一次调频的模型。图4为协调控制系统模型，以实际转速n作为扰动量，模拟电网负荷突变时超超临界二次再热机组参与电网一次调频的过程。图4中：n-实际转速；T₁-转速测量时间常数；n₀-额定转速；δ-调速不等率；AGC-自动发电控制；K₁～K₃-超高压调节阀、高压调节阀、中压调节阀前馈系数；CV₁～CV₃-超高压调节阀开度、高压调节阀开度及中压调节阀开度指令。

请参阅图5，根据调节阀的开度指令CV，伺服系统通过执行机构控制控制调节阀的开大或者关小，图5为执行机构模型图，由于调节阀开度都是根据开度指令CV进行调节，因此设定的超高压调节阀、高压调节阀、中压调节阀的执行机构模型都相同，其中T_o为油动机开启时间常数，T_c为油动机关闭时间常数，T₂为调节阀开度测量时间常数，GV为调节阀开度。该执行机构设定了反馈调节，具有消除调节阀开度输出与指令输入的偏差作用。

执行机构操作的具体步骤包括：超高、高和中压缸的开度指令CV₁、CV₂、CV₃分别输出执行机构，当电网负荷大于额定功率输出时，伺服系统将通过油动机开大调节阀开度，用油动机开启时间为T_o的惯性环节描述；反之，当电网负荷低于额定功率输出时，用油动机开启时间为T_c的惯性环节描述，再经限幅环节、限速环节后获得调节阀的开度输出GV₁、GV₂、GV₃，执行机构设置了反馈环节，目的是为了消除输出与输出的偏差。限幅环节和限速环节用于保护油动机系统，作用一在于防止超过游动机上行程和下行程，作用二在于限定油动机的运行速度，防止超速而破损油动机系统。

请参阅图6，本发明实施例构建的二次再热机组参与电网一次调频模型中包含锅炉模型，图6为超临界直流锅炉模型，其中P_T为主蒸汽阀前压力，BD为锅炉燃烧指令，G_s为主蒸汽流量，P_T0为主蒸汽阀前压力设定值，P₁为主蒸汽阀后压力，由于主蒸汽阀的节流作用，因此会造成一定的节流损失。锅炉模型中充分考虑了燃料滞后环节、燃烧时间、以及锅炉中的阻力损失等因素。

当电网负荷波动时，超超临界二次再热机组参与电网谈一次调频时，控制系统通过伺服系统控制调节阀开度变化，调节阀开度的变化会导致相应阀前主汽压力P_T波动。

当调节阀开度增加时，P_T减小，直流锅炉接收反馈的主汽压力，控制锅炉的燃烧指令BD，锅炉控制系统会根据燃烧指令调节燃料量及进风量等控制锅炉的阀前主汽压力P_T输出。主蒸汽压力输出指令P_T与调节阀开度信号GV共同调节超高压缸的进汽流量G_s，通过G_s的大小控制二次再热汽轮机机械功率输出，满足负荷-功率之间的平衡，实现电网的一次调频。

请参阅图7，图7为超超临界二次再热汽轮机模型，图7中：CV₁、CV₂、CV₃-超高压调节、高压调节阀、中压调节阀开度；N_E-机械功率输出；K_SH、K_H、K_I、K_L-汽轮机超高压缸、高压缸、中压缸功率系数；T_H、T_R1、T_R2、T_L-汽轮机高压容积、一级再热容积、二级再热容积和低压联通容积时间常数；P_H、P_R1、P_R2、P_L-汽轮机超高压缸、高压缸、中压缸、低压缸压力。

模型中超高压调节阀开度指令GV₁与主蒸汽压力P_T指令信经乘积模块得到超高压缸的进汽流量G_s，进汽流量经超高压缸容积惯性环节后得到超高压缸级前压力P_H，超高压缸的排汽参数经一级再热后压力不变，一级再热过程假设压力不变而温度升高到600～620℃，该参数作为高压缸进汽参数，控制系统根据负荷指令通过伺服系统的高压油动机控制高压调节阀开度GV₂，GV₂与P_R1调节高压缸的进汽流量控制高压缸的输出功率。同理，GV₃和二级再热压力P_R2控制高压缸的进汽流量，从而实现调节高压缸的输出功率，各缸进汽流量增大时，相对应的做功能力增大。该模型中K_SH、K_H、K_I、K_L表示各缸汽轮机占整机的功率比例，四者总和为1，各缸的功率经求和模块后得到整机的机械功率N_E输出。

本发明实施例的超超临界二次再热机组并网采用综合协调控制控制方法，可实现“双向”调节，即任一被调量都是通过汽轮机和锅炉协调控制实现的。当电网负荷指令改变时，主控制系统同时对汽轮机侧和锅炉侧发出负荷控制指令，汽轮机侧接收负荷波动引起的转速差变化和机组机械功率N_E的反馈调节，同时在锅炉侧接收阀前主汽压力实际值P_T，改变燃烧效率和汽轮机调门的开度。一方面利用蓄热能力暂时应付负荷变化的需要，加快负荷响应；另一方面改变输入锅炉的能量，以维持输出能量的平衡。在控制结束后，汽轮机和锅炉的主控制系统同时保证输出的机械功率和电网负荷指令一致，阀前主汽压力P_T恢复到给定值P_T0。

本发明实施例的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的方法，二次再热机组采用补汽调节的方式，分别对超高压缸和高压缸进行补汽调节，超高压缸补汽阀设定在主蒸汽阀后面，从超高压缸汽室中用蒸汽管道对超高压缸中间级进行补汽调节，同理，从高压缸蒸汽室用蒸汽管道对中间级进行补汽调节。首先本发明中超超临界二次再热机组简化图，基于一次调频原理，构建超超临界二次再热机组参与电网一次调频的模型图，一次调频模型由图4～7构成。

在MATLAB/SIMULINK仿真平台中构建超超临界二次再热汽轮机模型，模型中以实际转速n扰动模拟二次再热机组参与电网一次调频。由电网调频原理可知：当外界负荷变化引起电网频率改变时，锅炉-汽轮机发电机组应根据电网频率的合理利用机组的储能，自动调节调节阀开度的大小，改变主蒸汽流量，从而使机组实现机械功率输出与外界电网负荷的平衡。因此，当电网负荷波动时，电网的频率不能维持在50HZ，频率所对应的转速也发生变化，协调控制系统中接收发电机的实际转速n和来自主汽压力P_T反馈，实际转速指令n与额定转速比较后确定转速偏差。转速偏差经过调频死区、转速不等率、限幅环节、限速环节等得到调速不等功率，在与设定功率AGC比较后得到频差不等功率，与反馈的主汽压力共同控制超高压、高压和中压调节阀开度指令，输出的调节阀开度指令通过油动机控制调节阀的开度，其执行机构中设置了限幅和限速环节，主要是为了维持机组的稳定和安全运行，防止调节负荷指令过大而超过油动机最大行程；另一方面，若负荷调节需求量过大会导致机组喘振且无法弥补负荷的失衡。执行机构完成协调控制系统指令后，调节阀开度的变化改变汽轮机各缸的进汽流量。调节阀开度增大时，阀前的压力将会降低；反之，则阀前的压力会升高。主汽压力会反馈到锅炉控制系统重新调节锅炉燃烧率，持续性的实现做功工质流量的输出。由于各缸的功率输出与流量成正相关，当各缸的进汽流量改变时，各缸的功率输出将产生对应的变化，汽轮机组机械功率输出等于各缸做功的总和，从而控制超超临界二次再热汽轮机机械功率输出，弥补汽轮机组机械功率输出与电网负荷的失衡。实现超超临界二次再热机组参与电网一次调频的整个过程。

综上所述，本发明提出了一种超超临界二次再热式机组滑压运行时参与电网一次调频的控制策略。实现在补汽调节方式下控制二次再热机组的超高压调节阀、高压调节阀及中压调节阀同时参与电网一次调频。当电网实际负荷高于或低于额定负荷时，电网频率也会偏离50HZ，控制系统接收电网频率偏差变化，CCS和DEH协调控制系统将频率信号转化为功率信号，通过伺服系统通过油动机控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度大小，改变各缸的进汽流量，从而改变二次再热汽轮机的机械功率输出，使实际功率输出与电网负荷匹配，实现电网一次调频。本发明提出的控制策略是实现该机组采用滑压运行的方式下，充分利用了蒸汽室的蓄热能力，同时控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀、中压缸调节阀，且补汽调节的方式协同电网一次调频。有效弥补了主蒸汽流量大而导致机组发生气流激振而影响机组安全稳定安全等问题。相比于以往超超临界二次再热机组采用节流配汽、单独控制超高压或高压调节阀的方式，同时控制超高、高、中压调节阀能实现更快速消除电网负荷和功率的失衡。当电网稳定时，所有调节阀开度为设定的最大开度，有效减小了节流损失，提高了二次再热机组热效率。除此外，本发明为现在运行的火电厂提供了一种二次再热机组的调频策略，在中国这样的国情下，为超超临界二次再热机组大规模的投入运行提供了一次调频的技术参考。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，包括：

直流锅炉，所述直流锅炉用于产生超超临界循环蒸汽；所述直流锅炉设置有循环水入口、蒸汽出口、一次吸热蒸汽入口、一次吸热蒸汽出口、二次吸热蒸汽入口和二次吸热蒸汽出口；

超高压缸，所述直流锅炉的蒸汽出口通过第一蒸汽管道与超高压缸蒸汽室相连通，所述超高压缸蒸汽室通过第二蒸汽管道与所述超高压缸的首级进汽口相连通，所述超高压缸蒸汽室通过第三蒸汽管道与所述超高压缸的中间补汽口相连通；所述第一蒸汽管道上设置有超高压缸调节阀，所述第三蒸汽管道设置有第一补汽阀；

高压缸，所述直流锅炉的一次吸热蒸汽出口通过第四蒸汽管道与高压缸蒸汽室相连通，所述高压缸蒸汽室通过第五蒸汽管道与所述高压缸的首级进汽口相连通，所述高压缸蒸汽室通过第六蒸汽管道与所述高压缸的中间补汽口相连通；所述第四蒸汽管道上设置有高压缸调节阀，所述第六蒸汽管道设置有第二补汽阀；所述高压缸的乏气出口与所述直流锅炉的二次吸热蒸汽入口相连通；

中压缸，所述直流锅炉的二次吸热蒸汽出口通过第七蒸汽管道与所述中压缸的首级进汽口相连通；所述第七蒸汽管道设置有中压缸调节阀；

低压缸，所述中压缸的乏气出口与低压缸的进汽口相连通；

第一回热器，所述第一回热器的出水口与所述直流锅炉的循环水入口相连通；

汽轮机，所述超高压缸的乏汽出口与第一回热器和所述汽轮机的进汽口以及所述直流锅炉的一次吸热蒸汽入口相连通；

除氧器，所述除氧器的进水口用于通入循环水，所述除氧器的出水口与第一回热器的进水口相连通；所述除氧器的进气口与汽轮机T₁的乏汽出口相连通；

冷凝器，所述冷凝器与所述低压缸的乏汽出口相连通；

其中，超高压缸的中间级补汽量大于等于主汽流量的15％。

2.根据权利要求1所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，还包括：

数字电液控制系统和协调控制系统的耦合模块，用于采集发电机组的实际转速n，根据转速的变化，控制超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀开度，改变相应应缸的进汽流量，使电网频率恢复至50HZ。

3.根据权利要求1所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，超高压缸的中间级补汽量为主汽流量的20％；

当电网负荷-功率稳定运行时，超高压缸调节阀、高压缸调节阀和中压缸调节阀的开度为设定的最大开度。

4.根据权利要求1所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，还包括：发电机G1和发电机G2；

超高压缸、高压缸、中压缸和低压缸同轴布置，用于带动发电机G1发电；

所述汽轮机用于带动发电机G₂发电。

5.根据权利要求1所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，中压缸为两个缸对称布置的中压缸，低压缸为4个缸对称布置的低压缸；

汽轮机为回热式汽轮机。

6.根据权利要求1所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制系统，其特征在于，所述汽轮机设置有多级抽汽；汽轮机的每级抽汽均与一个回热器相连通，用于实现循环水的逐级加热；

所述低压缸为多级抽汽，用于实现热能的梯级利用。

7.一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的系统，具体包括以下步骤：

(1)通过协调控制系统接收发电机的实际转速n、反馈环节的机组机械功率输出N_E和机组功率设定值AGC，通过协调控制系统输出对应的超高压缸开度指令CV₁、高压缸开度指令CV₂和中压缸开度指令CV₃；

(2)将超高、高和中压缸的开度指令CV₁、CV₂、CV₃分别输出执行机构，通过执行机构分别得到超高压缸调节阀开度GV₁、高压缸调节阀开度GV₂和中压缸调节阀开度GV₃；

(3)在直流锅炉系统中输入反馈环节的主蒸汽压力P_T及主蒸汽阀后压力P₁，直流锅炉系统的输出与超高压缸调节阀开度GV₁共同控制超高压缸的进汽流量G_S，进汽流量G_S输入汽轮机系统；

(4)将GV₁与主蒸汽压力P_T输入二次再热汽轮机系统；在二次再热汽轮机系统中输入高压缸调节阀开度GV₂和中压缸调节阀开度GV₃，用于共同控制各缸的功率输出，输出的机械功率N_E等于超高、高、中和低压缸的功率输出之和，最终实现在电网负荷波动时，二次再热机组调节机械功率输出以维持负荷-功率的失衡，保证电网频率恢复至50HZ。

8.根据权利要求7所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：

步骤1.1，电网实际负荷高于或低于额定发电功率时，实际转速n经惯性环节后与额定转速n₀求和，经调频死区、调速不等率δ、限幅模块、限速模块获得转速不等功率；

步骤1.2，将转速不等功率与功率设定值AGC求和，获得电网负荷的实际需求量；

通过协调控制系统接收机组反馈输出机械功率的反馈值N_E，经前馈系数和PID作用后控制超高、高和中压调节阀的指令输出，使得超高、高、中和低压缸的功率输出等于电网负荷的实际需求量，对应获得CV₁、CV₂、CV₃；

其中，协调控制系统以实际转速n作为扰动量，模拟电网负荷突变时超超临界二次再热机组参与电网一次调频的过程；前馈系数的值在0和1两者之中选取。

9.根据权利要求7所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括：

当电网负荷大于额定功率输出时，伺服系统将通过油动机开大调节阀开度，用油动机开启时间为T_o的惯性环节描述；

当电网负荷低于额定功率输出时，用油动机关闭时间为T_c的惯性环节描述，伺服系统通过油动机关小调节阀开度，再经限幅环节、限速环节后获得调节阀的开度输出GV₁、GV₂、GV₃；

其中，执行机构设置反馈环节，用于消除输出与输出的偏差。

10.根据权利要求7所述的一种超超临界二次再热机组参与电网一次调频的控制方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：

当电网负荷波动时，超超临界二次再热机组参与电网一次调频时，控制系统通过伺服系统控制超高压、高压和中压调节阀开度变化，通过超高压、高压和中压调节阀开度的变化导致相应阀前主汽压力P_T波动；

其中，当调节阀开度增加时，P_T减小，直流锅炉接收反馈的主汽压力，控制锅炉的燃烧指令，锅炉控制系统根据燃烧指令控制锅炉的阀前主汽压力P_T输出；主蒸汽压力输出指令P_T与调节阀开度信号GV共同调节超高压缸的进汽流量G_s，通过G_s的大小控制二次再热汽轮机机械功率输出，满足负荷-功率之间的平衡，实现电网的一次调频。

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