CN110821588A - 基于循环水温度的发电机组背压控制方法及循环水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于循环水温度的发电机组背压控制方法及循环水系统，方法为：利用DCS控制单元对凝汽器、汽轮机低压缸、循环水泵和空冷塔组成的循环水系统进行控制，使汽轮机凝汽器热负荷和循环水入口温度变化情况下，维持最佳经济背压运行。循环水系统包括汽轮机低压汽缸、凝汽器、DCS控制单元、间接空冷塔、变频循环泵和工频循环泵。汽轮机低压汽缸与凝汽器相连，凝汽器通过循环泵连接到间接空冷塔，间接空冷塔连接到凝汽器。DCS控制单元与发电机及功率信号变送器、温度传感器和循环泵连接。本发明通过火力发电机组DCS控制单元控制循环水泵的频率及启停，实现了对凝汽器循环水流量进行连续调节，在机组最佳经济背压下运行。
Description
技术领域
本发明属于工业生产自动化控制技术领域，涉及一种基于循环水温度的发电机组背压控制方法及循环水系统。
背景技术
在火力发电或化工企业，在汽轮机内做过功后的蒸汽，需要排入凝汽器凝结成水，再返回到锅炉循环使用。通过循环水把凝汽器的热量带走，使循环水在间接空冷塔散热器内与冷空气产生热交换，最终把热量释放到大气中的系统，称为间接空冷系统。间接空冷系统在我国应用得非常普遍，主要由空冷散热器、间冷塔、水循环管路、百叶窗及驱动器组成。目前间接空冷汽轮发电机组多通过改变间冷系统扇区百叶开度、改变工频循环水泵运行方式，来手动调整汽轮机组背压。
汽轮机低压缸排汽进入凝汽器进行冷却凝结，凝汽器为热力循环的冷源，其汽侧绝对压力约等于汽轮机的背压。背压的变化对机组循环热效率有着重要的影响。当排汽进入凝汽器的热负荷一定时，循环水量增加背压降低，机组功率增加，相应循环水泵功耗也增加，因背压降低机组功率增量与循环泵功耗增量差值最大时，为汽轮发电机组最佳经济背压。
目前由于汽轮发电机组运行中实时最佳经济背压确定的困难，及系统设置的不完备，使火力发电企业不能在机组运行中，实时自动维持机组最佳背压运行，造成机组运行经济性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于循环水温度的发电机组背压控制方法，通过火力发电机组DCS控制单元控制循环水泵的频率或启停，实现对凝汽器循环水流量进行连续调节，使机组在最佳经济背压下运行。本发明的另一目的是提供一种基于循环水温度的发电机组背压循环水系统。
本发明的技术方案是：基于循环水温度的发电机组背压控制方法，利用DCS控制单元对凝汽器、汽轮机低压缸、循环水泵、间接空冷塔、管道、阀门及附属设备组成的循环水系统进行自动控制，使凝汽器热负荷和循环水入口温度变化情况下实时控制循环水流量，维持发电机组在最佳经济背压运行。控制过程为：
㈠生成最佳主机循环水泵综合频率指令，基于机理模型推导出最佳经济背压对应的流量，形成最佳主机循环水泵综合频率，建立“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”的三维对应关系图。三维对应关系图中凝汽器循环水进水温度、机组凝汽器热负荷覆盖机组运行的全工况。
㈡实现综合频率对单台循泵变频指令的分配，依据不同主机循环水系统的配置，随凝汽器循环水进水温度和机组热负荷的变化，生成不同的综合频率，并对单台循泵变频指令的分配。在冬季工况下，对部分间冷塔扇区退出，以降低主机循环水流量下限。
㈢在DCS控制单元设置：⑴主机循环泵变频器自动投、退功能；⑵主机循环泵频率指令手动偏置功能；⑶频率安全下限；⑷最优频率指令生成之后设定惯性环节，防止温度或负荷变化导致最优频率的阶跃变化；⑸根据最优综合频率的变化，需要启停泵时，系统设置控制裕量。在现有泵安全裕量的范围内，自动启动优先级高的泵。
三维对应关系图进行降维处理过程包括：
⑴通过降低维度，将“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”三维关系图转换为不同凝汽器循环水进水温度下的机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率的二维曲线簇关系；
⑵将凝汽器循环水进水温度按照不同的温度区间，划分为不同的温度点；以某一温度点来代表该温度点所在的温度区间；在该温度区间内，机组凝汽器热负荷和最优主机循环水频率为二维对应关系，实现降维处理；
⑶按照步骤⑵的方法将凝汽器入口温度分为若干个温度区间，覆盖机组运行过程中凝汽器循环水进水温度的全工况变化范围。
综合频率对单台循泵变频指令的分配过程如下：
⑴在循环水系统仅设有变频泵的配置下，当主机循环水泵的最优综合频率随着机组工况变化而变化时，系统平均分配综合频率指令至各台并联变频循环泵；
⑵在循环水系统设有变频泵和工频泵的配置下，主机循环水泵的最优综合频率随凝汽器循环水进水温度升高或机组凝汽器热负荷逐渐增加而增加，DCS控制单元(4)根据耗电率判断是否需要启动工频泵运行，DCS控制单元启动一台工频循环泵后，其它运行变频循环泵频率指令为：
每台变频循环水泵频率指令＝(最优综合频率—50)/n
式中：n＝变频循环泵的运行数量；
工频循环水泵启动后变频循环水泵频率下调，频率不低于允许下限值。
⑶机组凝汽器热负荷不变情况下，改变凝汽器循环水进水温度，单台变频循环泵循的变频控制指令与步骤⑴相同；工况变化最优综合频率需要降低时，控制停止工频泵后进行变频泵频率指令与步骤⑵相同。
本发明基于循环水温度的发电机组背压控制循环水系统，包括汽轮机低压汽缸、凝汽器、DCS控制单元、间接空冷塔和变频循环泵。汽轮机低压汽缸与凝汽器相连，凝汽器经循环水管路通过并联运行的变频循环泵连接到间接空冷塔，间接空冷塔通过循环水管路连接到凝汽器。汽轮机带动的发电机设有发电机及功率信号变送器，凝汽器的循环回水管路入口设有温度传感器，发电机及功率信号变送器和温度传感器通信连接到DCS控制单元，DCS控制单元通信连接到变频循环泵，控制变频循环泵频率。
系统选择工频循环水泵、变频循环水泵并联运行方式，基于循环水温度的发电机组背压控制循环水系统还设有工频循环泵。凝汽器经循环水管路通过并联运行的变频循环泵和/或工频循环泵连接到间接空冷塔，DCS控制单元通信连接到变频循环泵和/或工频循环泵。凝汽器为表面换热器，水侧通过循环水，冷却汽侧的汽轮机低压排汽。间接空冷塔外围垂直布置表面式散热器，或为湿冷冷却塔。
本发明依托机组DCS控制单元、凝汽器、变频循环泵、工频循环泵、间接空冷塔及循环水管道、阀门等附属设备组成的机组冷端背压自动控制循环水系统，在汽轮发电机组运行中确定最佳经济背压后，控制变频循环水泵频率自动调节，工频循环水泵自动启停功能，使循环水流量在机组变负荷下基于凝汽器循环水入口温度变化自动连续调整，实现汽轮机变工况、变循环凝汽器循环水入口温度情况下实时自动维持机组在最佳经济背压运行。
实现最佳经济背压自动调节运行后，机组的循环水流量随不同工况变化而变化，自动维持经济背压运行，经济收益随负荷率不同也有所不同。机组背压的变化对汽机机组循环热效率有着重要的影响，机组维持最佳经济背压对应的最佳循环水流量运行，使机组综合煤耗降低约0.5％，主机循环泵电耗率可下降0.24％左右，明显提高了机组经济效益。
本发明基于循环水温度的发电机组背压控制方法及循环水系统，通过DCS控制单元控制循环水泵的频率，实现了对凝汽器循环水流量进行连续调节，在机组最佳经济背压下运行，有利于节能增效，提高发电企业的经济效益。
附图说明
图1本发明基于循环水温度的发电机组背压循环水系统的流程示意图；
图2为本发明另一实施方案的流程示意图；
图3为凝汽器循环水进水温度-凝汽器热负荷-主机循环水泵频率三维曲线图；
其中：1—汽轮机低压汽缸、2—发电机及功率信号变送器、3—凝汽器、4—DCS控制单元、5—间接空冷塔、6—1号变频循环泵、7—n号变频循环泵、8—1号工频循环泵、9—n号工频循环泵、10—循环回水管路、11—循环水管路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明基于循环水温度的发电机组背压循环水系统，如图1所示，包括汽轮机低压汽缸1、凝汽器3、DCS控制单元4、间接空冷塔5和变频循环泵。变频循环泵包括1号变频循环泵6至n号变频循环泵7(1≤n≤5)。汽轮机低压汽缸1与凝汽器3相连，凝汽器3经循环水管路11通过并联变频循环泵连接到间接空冷塔5，间接空冷塔通过循环回水管路10连接到凝汽器3。汽轮机带动的发电机发电，发电机设有发电机及功率信号变送器2，凝汽器3的循环水入口设有温度传感器，发电机及功率信号变送器2和温度传感器通信连接到DCS控制单元4，DCS控制单元通信连接到变频循环泵，控制变频循环泵频率。
凝汽器3为表面换热器，水侧通过循环水冷却汽侧的汽轮机低压排汽，循环水由间接空冷塔外围垂直布置的表面式散热器冷却，冷却降温后的循环水再回到凝汽器中进行下一个闭式循环。系统由变频循环泵提供循环动力。DCS控制单元根据机组在不同凝汽器热负荷及凝汽器的循环水入口温度，自动改变变频循环泵运行频率及循环水运行组合方式，使循环水实时变流量调整。在冬季工况下，对间接空冷系统退出部分间冷塔扇区，维持机组凝汽器背压为最佳经济背压，机组经济性达到实时最优值
本发明基于循环水温度的发电机组背压控制过程为：利用DCS控制单元4对凝汽器3、汽轮机低压缸1、循环水泵、间接空冷塔5、管道、阀门及附属设备组成的循环水系统进行控制，使凝汽器热负荷和循环水入口温度在变化情况下实时控制循环水流量，维持发电机组在最佳经济背压运行。控制过程为：
㈠生成最佳主机循环水泵综合频率指令，基于机理模型推导出最佳经济背压对应的流量，形成最佳主机循环水泵综合频率，建立“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”的三维对应关系图。如图3所示，三维对应关系图中凝汽器循环水进水温度、机组凝汽器热负荷覆盖机组运行的全工况。对三维对应关系图进行降维处理，降维处理过程包括：
⑴通过降低维度，将“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”三维关系图转换为不同凝汽器循环水进水温度下的机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率的二维曲线簇关系。
⑵将凝汽器循环水进水温度按照不同的温度区间，划分为不同的温度点；以某一温度点来代表该温度点所在的温度区间；在该温度区间内，机组凝汽器热负荷和最优主机循环水频率为二维对应关系，实现降维处理。
⑶按照步骤⑵的方法将凝汽器入口温度分为若干个温度区间，覆盖机组运行过程中凝汽器循环水进水温度的全工况变化范围。
通过固定汽器循环水进水温度，将三维曲线转换为易于实现的机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率二维曲线，实现了降维处理形成最佳主机循环水泵综合频率。
㈡实现综合频率对单台循泵变频指令的分配，依据不同主机循环水系统的配置，随凝汽器循环水进水温度和机组凝汽器热负荷的变化，生成不同的综合频率。在冬季工况下，对部分间冷塔扇区退出，以降低主机循环水流量下限。
综合频率对单台循泵变频指令的分配过程为：在循环水系统仅设有变频泵的配置下，当主机循环水泵的最优综合频率随着机组工况变化而变化时，系统平均分配综合频率指令至各台并联变频循环泵。
实施例2
本发明另一实施方式，如图2所示，包括汽轮机低压汽缸1、凝汽器3、DCS控制单元4、间接空冷塔5、n台变频循环泵和n台工频循环泵。变频循环泵包括1号变频循环泵6至n号变频循环泵7(1≤n≤5)；工频循环泵包括1号工频循环泵8至n号工频循环泵9(1≤n≤5)。汽轮机低压汽缸1与凝汽器3相连，凝汽器3经循环水管路11并联通过变频循环泵和工频循环泵连接到间接空冷塔5，间接空冷塔通过循环回水管路10连接到凝汽器3。汽轮机带动的发电机设有发电机及功率信号变送器2，凝汽器3的循环水管路入口设有温度传感器，发电机及功率信号变送器2和温度传感器通信连接到DCS控制单元4，DCS控制单元通信连接到变频循环泵和/或工频循环泵，控制变频循环泵的频率和工频循环泵的启停。
汽轮机在变凝汽器热负荷、变循环凝汽器循环水入口温度情况下，实时自动维持机组在最佳经济背压运行。最佳主机循环水泵综合频率指令的生成。基于机理模型推导出最佳经济背压对应的流量，形成最佳主机循环水泵综合频率，为“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”的三维对应关系。对应关系中的凝汽器循环水进水温度、机组凝汽器热负荷覆盖机组运行的全工况。将凝汽器循环水进水温度按照不同的温度区间，划分为不同的温度点。在温度区间内，机组凝汽器热负荷和最优主机循环水频率为二维对应关系，实现降维处理。综合频率对单台循泵变频指令的分配，依据主机循环水系统的不同配置，生成不同的最优综合频率，随着凝汽器循环水进水温度和机组凝汽器热负荷的变化，最优的综合频率与之对应。冬季工况下，对部分间冷塔扇区退出，以降低主机循环水流量下限。
综合频率对单台循泵变频指令的分配过程如下：
⑴在循环水系统仅设有变频泵的配置下，当主机循环水泵的最优综合频率随着机组工况变化而变化时，系统平均分配综合频率指令至各台并联变频循环泵；
⑵在循环水系统配有变频泵和工频泵的配置下，主机循环水泵的最优综合频率随凝汽器循环水进水温度升高或机组凝汽器热负荷逐渐增加而增加，DCS控制单元4根据耗电率判断是否需要启动工频泵运行，DCS控制单元启动一台工频循环泵后，其它运行变频循环泵频率指令为：
每台变频循环水泵频率指令＝(最优综合频率—50)/n
式中：n＝变频循环泵的运行数量；
工频循环水泵启动后变频循环水泵频率下调，频率不低于允许下限值。
⑶机组凝汽器热负荷不变情况下，改变凝汽器循环水进水温度，单台变频循环泵循的变频控制指令与步骤⑴相同；工况变化最优综合频率需要降低时，控制停止工频泵后进行变频泵频率指令与步骤⑵相同。
DCS控制单元4根据不同机组凝汽器热负荷和凝汽器循环回水温度，自动改变变频循环泵运行频率及工频循环泵和变频循环泵运行组合方式，使循环水量实时变流量调整，维持机组凝汽器背压为最佳经济背压运行。在机组DCS控制单元实现最佳经济背压计算，并设置自动控制相关逻辑，在DCS画面中设置主机循环泵启动功能、频率自动投退功能和频率偏置功能。变频循环泵频率、工频循环泵启停为调整对象，由DCS控制单元下发指令，控制变频循环泵频率调整和工频循环泵启停。
Claims (7)
1.一种基于循环水温度的发电机组背压控制方法，其特征是：利用DCS控制单元(4)对凝汽器(3)、汽轮机低压缸(1)、循环水泵、间接空冷塔(5)、管道、阀门及附属设备组成的循环水系统进行自动控制，使凝汽器热负荷和循环水入口温度变化情况下实时控制循环水流量，维持发电机组在最佳经济背压运行；控制过程为：
㈠生成最佳主机循环水泵综合频率指令，基于机理模型推导出最佳经济背压对应的流量，形成最佳主机循环水泵综合频率，建立“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”的三维对应关系图；所述三维对应关系图中凝汽器循环水进水温度、机组凝汽器热负荷覆盖机组运行的全工况；
㈡实现综合频率对单台循泵变频指令的分配，依据不同主机循环水系统的配置，随凝汽器循环水进水温度和机组凝汽器热负荷的变化，生成不同的综合频率，并对单台循泵变频指令的分配；
㈢在DCS控制单元(4)设置：⑴主机循环泵变频器自动投、退功能；⑵主机循环泵频率指令手动偏置功能；⑶频率安全下限；⑷最优综合频率指令生成之后设定惯性环节，防止温度或凝汽器热负荷变化导致最优频率的阶跃变化；⑸根据最优综合频率的变化，需要启停泵时系统设置控制裕量。
2.根据权利要求1所述的基于循环水温度的发电机组背压控制方法，其特征是：所述三维对应关系图进行降维处理过程包括：
⑴通过降低维度，将“凝汽器循环水进水温度-机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率”三维关系图转换为不同凝汽器循环水进水温度下的机组凝汽器热负荷-主机循环水泵频率的二维曲线簇关系；
⑵将凝汽器循环水进水温度按照不同的温度区间，划分为不同的温度点；以某一温度点来代表该温度点所在的温度区间；在该温度区间内，机组凝汽器热负荷和最优主机循环水频率为二维对应关系，实现降维处理；
⑶按照步骤⑵的方法将凝汽器入口温度分为若干个温度区间，覆盖机组运行过程中凝汽器循环水进水温度的全工况变化范围。
3.根据权利要求1所述的基于循环水温度的发电机组背压控制方法，其特征是：所述综合频率对单台循泵变频指令的分配过程如下：
⑴在循环水系统仅设有变频泵的配置下，当主机循环水泵的最优综合频率随着机组工况变化而变化时，系统平均分配综合频率指令至各台并联变频循环泵；
⑵在循环水系统设有变频泵和工频泵的配置下，主机循环水泵的最优综合频率随凝汽器循环水进水温度升高或机组凝汽器热负荷逐渐增加而增加，DCS控制单元(4)根据耗电率判断是否需要启动工频泵运行，DCS控制单元启动一台工频循环泵后，其它运行变频循环泵频率指令为：
每台变频循环水泵频率指令＝(最优综合频率—50)/n
式中：n＝变频循环泵的运行数量；工频循环水泵启动后变频循环水泵频率下调，频率不低于允许下限值；
⑶机组凝汽器热负荷不变情况下改变凝汽器循环水进水温度，单台变频循环泵循的变频控制指令与步骤⑴相同；工况变化最优综合频率需要降低时，控制停止工频泵后进行变频泵频率指令与步骤⑵相同。
4.一种基于循环水温度的发电机组背压控制方法的循环水系统，其特征是：所述系统包括汽轮机低压汽缸(1)、凝汽器(3)、DCS控制单元(4)、间接空冷塔(5)和变频循环泵，所述汽轮机低压汽缸(1)与凝汽器(3)相连，所述凝汽器(3)经循环水管路(11)通过并联运行的变频循环泵连接到间接空冷塔(5)，所述间接空冷塔通过循环回水管路(10)连接到凝汽器(3)；汽轮机带动的发电机设有发电机及功率信号变送器(2)，所述凝汽器(3)的循环水入口设有温度传感器，所述发电机及功率信号变送器(2)和温度传感器通信连接到DCS控制单元(4)，所述DCS控制单元通信连接到变频循环泵。
5.根据权利要求4所述的基于循环水温度的发电机组背压控制循环水系统，其特征是：所述系统还设有工频循环泵，所述凝汽器(3)经循环水管路(11)通过并联运行的变频循环泵和/或工频循环泵连接到间接空冷塔(5)；所述DCS控制单元通信连接到变频循环泵和/或工频循环泵。
6.根据权利要求4所述的基于循环水温度的发电机组背压控制循环水系统，其特征是：所述凝汽器(3)为表面换热器，水侧通过循环水，冷却汽侧的汽轮机低压排汽。
7.根据权利要求4所述的基于循环水温度的发电机组背压控制循环水系统，其特征是：所述间接空冷塔(5)外围垂直布置表面式散热器。
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