CN111255530A - 一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统及方法，该系统包括安装在汽轮机高压缸入口的高压缸进汽调节阀及与其相连的PID控制器、安装于汽轮机中压缸和汽轮机低压缸之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀及与其相连的PD控制器以及安装在发电机输出端的电功率传感器；还包括包含调频需求的负荷指令信号和来自电功率传感器的发电负荷信号分别作为PID控制器和PD控制器的设定输入和目标反馈输入；在火电机组面临短时调频需求时，包含调频需求的负荷指令信号快速变化，与来自电功率传感器的发电负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器和PD控制器同时做出输出动作；大幅改善机组最常见的3‑5秒内快速调频性能。

Description

一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统及方法

技术领域

本发明涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统及方法。

背景技术

近年来，我国风电、光伏、水电等新能源电力装机容量持续快速增长，在役及在建装机容量均已位居世界第一。风电和光伏等新能源为我们提供了大量清洁电力，但另一方面，其发电出力的随机性和不稳定性也给电力系统的安全运行和电力供应保障带来了巨大挑战。电力系统调节能力需要适应新能源大规模发展和消纳的要求，部分地区一度出现了较为严重的弃风、弃光和弃水问题。为提高新能源的消纳能力，挖掘火电机组调峰调频潜力，提升火电机组负荷调节灵活性至关重要。

电网频率是由同步发电机为主要电源的现代电网的重要指标，是发电功率与用电负荷平衡的主要标志，电网频率需连续稳定保持工频(我国是50Hz)运行，当电网频率变高，表明发电功率高于用电负荷，反之电网频率变低表明发电功率不足。也因此，并网发电机组须主动响应电网频率的波动，当电网频率超出工频0.033Hz(同步发电机转速偏差2rpm)，即需要自动提高(网频低)或降低(网频高)发电功率，这称为一次调频作用。发电机组一次调频是应对电网突发扰动并维护电网稳定的第一道屏障。然而一次调频本身是有差调节，不能满足电网功率与负荷平衡的要求，因此电网还需要通过自动发电控制(AGC，一般称为二次调频)等调峰和调频手段来完成机组负荷的调节。这样，机组响应调峰调频的能力对维护电网的稳定至关重要。

受机组本体特性的限制，机组的负荷响应速率及其变负荷速率很难进一步提高。现有火电机组的输出功率主要通过汽轮机高压调门改变进入汽轮机的流量，从而增减同步发电机的输出功率。

现有机组变负荷主要依赖短时间的锅炉蓄热支持汽机快速增加流量和功率。然而，当汽轮机高压调门开度增大时，汽轮机高压缸功率调节惯性时间一般在3s以内，但流出高压缸的蒸汽会再次进入锅炉内具有较大容积的再热器进行加热，然后才进入汽轮机中压缸和低压缸进行做功，也因此，高压调门动作后，中低压缸的调节惯性时间一般在10s以上。这样的系统结构决定了机组在响应电网最频繁的小幅一次调频动作(3-5s以内)需求时，往往只有高压缸起作用，当中低压缸的输出功率得到释放以后，一次调频的调节响应需求可能早已经结束，这使一般占机组70％输出功率的中低压缸在参与电网调频时不仅常常起不到有效作用，反而在调频结束后容易产生不利的反调。

目前国内外针对性开发了一系列技术，利用机组自身条件和各种自身蓄能，用于提高机组的负荷响应性能。

(1)强化汽轮机进汽调门节流

理论分析和性能试验均表明汽轮机最经济的运行方式基本都对应低节流的配汽方式，因此提高调门的节流，虽然可以提高锅炉的蓄热能力和机组动态响应性能，但同时意味着长期严重的经济损失。上汽-西门子1000MW超超临界汽轮机配置了补汽阀，有用来做调频控制从而减少汽轮机调门节流损失，但因补汽阀开启后容易影响轴系稳定性，故实际投用极少。

(2)凝结水节流

凝结水节流最早由西门子提出，通过凝结水管道行的除氧器上水调门节流来快速减少凝结水流量，进而减少从低加和除氧器带走的热量，使原有除氧器和低加抽汽的一部分回到低压缸做功，从而辅助提高机组的发电负荷。目前一般泛指是通过快速改变凝结水流量的方法，包括变频凝结水泵主动改变转速、凝结水泵再循环调门开关等。其技术本质是利用除氧器蓄能实现机组负荷短时变化。

当前，因我国大功率机组主流采用变频凝泵设计，通过凝泵主动变频实现凝结水节流辅助负荷调节无需硬件改造，已获得相对广泛的应用。但其负荷响应过程受低加和除氧器换热惯性与除氧器容量限制，响应速度和响应持续时间都远逊于汽轮机进汽调门。

(c)旁路给水

旁路给水与凝结水节流在基本原理上类似，通过动态旁路掉一部分原本流经高加的给水，减少从高加带走的热量，实现高加抽汽量的降低，从而使在汽轮机高、中压缸做功的蒸汽量得以增多，短时提高机组输出功率。其技术本质是利用锅炉省煤器的蓄能，负荷响应速度与凝结水节流类似，但调节能力和持续时间都优于凝结水节流调节。机组常规给水旁路配置一般不具备调节能力，故一般需增设给水调节旁路，需要高昂的硬件改造费用，同时也存在对给水系统和省煤器等高温高压厚壁设备产生热冲击等问题，目前应用较少。

(d)调节抽汽

调节抽汽是通过调整抽汽管道上安装的调门的开度来直接减少抽汽流量，从而提高做功蒸汽量，增加机组输出功率。该技术直接改变进出汽轮机的蒸汽流量，因此调节响应速度与汽轮机进汽调门相当，响应能力受可调节抽汽流量与抽汽能量品质制约。由于常规高压和低压抽汽加热器都具有严格的温变速率保护限制，在直接调整抽汽时，流入的冷水流量并不发生变化，因此，加热器会造成温度的快速降低，危及设备安全；此外，如果调整的是中间一级的加热器，那么出口水温的降低会造成下一级抽汽加热器负载的增加，尽管降低了这一级抽汽流量，但却需要下一级更高品质的抽汽流量增加以弥补降低的入口水温，从而达不到增加机组做功能力的目标。因此具备直接调节抽汽辅助负荷调节的一般只有0#高加(也称附加高加)和热网加热器的抽汽。抽汽直接调节具有负荷响应快的优势，但其响应能力受加热器安全稳定运行的制约，对于工业供热一般具有小流量且参数控制品质要求高的特点，这往往也极大限制了潜在的调节能力，因此一般仅供热抽汽节流的应用较为可行。

(e)其他

喷减温水、变背压、以及储能技术也可作为提高机组负荷响应能力的技术手段。

喷减温水调节一般无需改造，且响应速度与汽轮机进汽调门相当，但调节能力有限，且容易影响机组高温受热面安全，实际应用极少。

变背压调节的基本原理是改变进入凝汽器的冷却介质的流量，使得机组背压变化，进而达到辅助负荷响应的目的，对于直接空冷机组(一般配置变频风机，冷却空气流量可连续调节)和变频循泵湿冷机组理论上具有一定的调节能力，但背压会影响末级湿度，从而带来汽轮机末级水蚀风险，且冷端调节速度慢，未见广泛应用。

蓄电池、电锅炉等储能技术应用于调频是在所有电力系统储能应用中价值最高的。相关研究表明，同等规模比较下，储能系统进行调频的效率是水电机组和燃气机组的2～3倍，是火电机组和联合循环机组的近20倍，不过，受限于大规模储能极高的成本因素，现阶段在国内电力行业还难以实现大范围推广。

综上所述，除大规模外置储能技术外，现有机组自身辅助调节技术在调节速度上与汽轮机进汽调门相当或更慢，难以辅助应对机组最常见的3-5秒内快速调频需求。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提出一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统及方法，发掘利用大功率火电机组工艺系统中的快速调频响应能力，大幅改善机组最常见的3-5秒内快速调频性能。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统，包括安装在汽轮机高压缸2入口的高压缸进汽调节阀1及与其相连的PID控制器10、安装于汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀5及与其相连的PD控制器9以及安装在发电机8输出端的电功率传感器11；还包括包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号分别作为PID控制器10和PD控制器9的设定输入和目标反馈输入。

所述的一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统的调节方法，在火电机组面临短时调频需求时，包含调频需求的负荷指令信号12快速变化，与来自电功率传感器11的发电负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器10和PD控制器9同时做出输出动作；

高压缸进汽调节阀1的调节采用PID控制器10，PID控制器10包括比例P、积分I控制作用，如需进一步加快高压缸进汽调节阀1的瞬时响应速度，可再增加微分D作用；PID控制器10操作高压缸进汽调节阀1动作，响应控制偏差，由于PID控制器10内部包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号相同后停止，并维持当前的高压缸进汽调节阀1开度，直至控制偏差再次出现；

低压缸进汽调节蝶阀5的调节采用PD控制器9，PD控制器9包括比例P和微分D控制作用，但不能包含积分I作用，否则容易与高压缸进汽调节阀1的控制产生耦合与振荡；PD控制器9操作低压缸进汽调节蝶阀5动作，响应控制偏差，由于PD控制器9内部不包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号相同后停止，并输出0，保证低压缸进汽调节蝶阀5维持原始开度设定偏置，直至控制偏差再次出现。

所述的调节方法，在响应指令时增加了低压缸进汽调节蝶阀5的调节作用，当机组需要降低负荷时，PID控制器10和PD控制器9将分别同时输出关小高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5的指令，快速关小高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5；关小的高压缸进汽调节阀1会快速减少进入汽轮机高压缸2的蒸汽流量，从而快速降低汽轮机高压缸输出功率；但由于再热器3中具有大的蒸汽容积，短时间内并不会明显降低进入汽轮机中压缸4的做功蒸汽流量，从而使汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6并不能立刻跟随做出快速负荷响应；关小的低压缸进汽调节蝶阀5将同时提高汽轮机中压缸4的排汽背压和汽轮机低压缸6的进汽压力，这样根据汽轮机的工作原理，同时快速降低汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6的蒸汽流量及其输出功率，使火电机组的汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6都能够在调频需要时同时快速响应，从而提高火电机组的快速负荷响应能力；此时，汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6功率同时减小，至来自电功率传感器11的发电负荷信号与负荷指令信号12相同时，完成调节作用，PD控制器9输出为0，对应低压缸进汽调节蝶阀5恢复原始开度；PID控制器10输出保持新的输出不变。

所述的调节方法，需要在低压缸进汽调节蝶阀5的调节控制过程中兼顾汽轮机中压缸4的排汽背压与汽轮机低压缸6的进汽流量处于安全的水平。

所述的调节方法，需要对低压缸进汽调节蝶阀5的关闭速度限制在每秒10％以内，并在汽轮机中压缸4的排汽背压接近保护限制或汽轮机低压缸6进汽流量低于保护限制时单向闭锁低压缸进汽调节蝶阀5的进一步关闭动作。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图。

图中：1——高压缸进汽调节阀；2——汽轮机高压缸；3——再热器；4——汽轮机中压缸；5——低压缸进汽调节蝶阀；6汽轮机低压缸；7——发电机组转子；8——发电机；9——PD控制器；10——PID控制器；11——电功率传感器；12——负荷指令信号。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统，包括安装在汽轮机高压缸2入口的高压缸进汽调节阀1及与其相连的PID控制器10、安装于汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀5及与其相连的PD控制器9以及安装在发电机8输出端的电功率传感器11；还包括包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号分别作为PID控制器10和PD控制器9的设定输入和目标反馈输入。

本发明所述一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统的调节方法，在火电机组面临短时调频需求时，包含调频需求的负荷指令信号12快速变化，与来自电功率传感器11的发电负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器10和PD控制器9输出动作；

高压缸进汽调节阀1的调节采用PID控制器10，PID控制器10包括比例(P)、积分(I)控制作用，如需进一步加快高压缸进汽调节阀(1)的瞬时响应速度，可再增加微分(D)作用；PID控制器10操作高压缸进汽调节阀1动作，响应控制偏差，由于PID控制器10内部包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号相同后停止，并维持当前的高压缸进汽调节阀1开度，直至控制偏差再次出现；

低压缸进汽调节蝶阀5的调节采用PD控制器9，PD控制器9包括比例(P)和微分(D)控制作用，但不能包含积分(I)作用，否则容易与高压缸进汽调节阀1的控制产生耦合与振荡；PD控制器9操作低压缸进汽调节蝶阀5动作，响应控制偏差，由于PD控制器9内部不包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号12和来自电功率传感器11的发电负荷信号相同后停止，并输出0，保证低压缸进汽调节蝶阀5维持原始开度设定偏置(例如100％全开)，直至控制偏差再次出现。

上述控制系统可有效提高火电机组的瞬时快速调频性能，其作用原理为：当电网指令要求机组升降负荷时，负荷指令信号12发生变化，与来自电功率传感器11的发电负荷信号之间出现偏差，PID控制器10与PD控制器9同时响应。相对常规系统，在响应指令时增加了低压缸进汽调节蝶阀5的调节作用，当机组需要降低负荷时，PID控制器10和PD控制器9将分别同时输出关小高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5的指令，快速关小高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5；关小的高压缸进汽调节阀1会快速减少进入汽轮机高压缸2的蒸汽流量，从而快速降低汽轮机高压缸输出功率；但由于再热器3中具有较大的蒸汽容积，短时间(10-13s)内并不会明显降低进入汽轮机中压缸4的做功蒸汽流量，从而使汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6并不能立刻跟随做出快速负荷响应。本发明中，关小的低压缸进汽调节蝶阀5将同时提高汽轮机中压缸4的排汽背压和汽轮机低压缸6的进汽压力，这样根据汽轮机的工作原理，可同时快速降低汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6的蒸汽流量及其输出功率，使火电机组的汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6都可以在调频需要时同时快速响应，从而提高机组的快速负荷响应能力。此时，汽轮机高压缸2、汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6功率同时减小，至来自电功率传感器11的发电负荷信号与负荷指令信号12相同时，完成调节作用，PD控制器9输出为0，对应低压缸进汽调节蝶阀5恢复原始开度(例如100％开度)；PID控制器10输出保持新的输出不变。在此过程中，中、低压缸的快速响应加快了机组的快速调节响应能力，同时避免了再热器3带来的调节惯性，整个调节过程也会减小振荡而快速稳定。

此外，由于正常运行条件下，低压缸进汽调节蝶阀5的关小会造成不必要的节流损失，因此，本发明采用PD控制器9，可在负荷调节响应结束后保持低压缸进汽调节蝶阀5维持原始开度设定偏置(例如100％全开)，直至控制偏差再次出现。

对于二次再热机组，存在两级再热器，具有更大的容积惯性，其较弱的负荷响应能力也可以通过本发明的系统予以提高。

本发明所述控制方法除上述系统基本工作原理外，还需在低压缸进汽调节蝶阀5的调节控制过程中兼顾汽轮机中压缸4的排汽背压与汽轮机低压缸6的进汽流量处于安全的水平，在实现上述控制过程中，需对低压缸进汽调节蝶阀5的关闭速度限制在每秒10％以内，并在汽轮机中压缸4的排汽背压接近保护限制或汽轮机低压缸6进汽流量低于保护限制时单向闭锁低压缸进汽调节蝶阀5的进一步关闭动作，以在系统的应用过程中保障机组核心设备的安全。

Claims (5)

1.一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统，其特征在于：包括安装在汽轮机高压缸(2)入口的高压缸进汽调节阀(1)及与其相连的PID控制器(10)、安装于汽轮机中压缸(4)和汽轮机低压缸(6)之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀(5)及与其相连的PD控制器(9)以及安装在发电机(8)输出端的电功率传感器(11)；还包括包含调频需求的负荷指令信号(12)和来自电功率传感器(11)的发电负荷信号分别作为PID控制器(10)和PD控制器(9)的设定输入和目标反馈输入。

2.权利要求1所述的一种带有低压缸蝶阀辅助的火电机组负荷调节系统的调节方法，其特征在于：在火电机组面临短时调频需求时，包含调频需求的负荷指令信号(12)快速变化，与来自电功率传感器(11)的发电负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器(10)和PD控制器(9)同时做出输出动作；

高压缸进汽调节阀(1)的调节采用PID控制器(10)，PID控制器(10)包括比例P、积分I控制作用，如需进一步加快高压缸进汽调节阀(1)的瞬时响应速度，则再增加微分D作用；PID控制器(10)操作高压缸进汽调节阀(1)动作，响应控制偏差，由于PID控制器(10)内部包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号(12)和来自电功率传感器(11)的发电负荷信号相同后停止，并维持当前的高压缸进汽调节阀(1)开度，直至控制偏差再次出现；

低压缸进汽调节蝶阀(5)的调节采用PD控制器(9)，PD控制器(9)包括比例P和微分D控制作用，但不能包含积分I作用，否则容易与高压缸进汽调节阀(1)的控制产生耦合与振荡；PD控制器(9)操作低压缸进汽调节蝶阀(5)动作，响应控制偏差，由于PD控制器(9)内部不包含积分作用，因此，调节过程一直持续至包含调频需求的负荷指令信号(12)和来自电功率传感器(11)的发电负荷信号相同后停止，并输出0，保证低压缸进汽调节蝶阀(5)维持原始开度设定偏置，直至控制偏差再次出现。

3.根据权利要求2所述的调节方法，其特征在于：在响应指令时增加了低压缸进汽调节蝶阀(5)的调节作用，当机组需要降低负荷时，PID控制器(10)和PD控制器(9)将分别同时输出关小高压缸进汽调节阀(1)和低压缸进汽调节蝶阀(5)的指令，快速关小高压缸进汽调节阀(1)和低压缸进汽调节蝶阀(5)；关小的高压缸进汽调节阀(1)会快速减少进入汽轮机高压缸(2)的蒸汽流量，从而快速降低汽轮机高压缸输出功率；但由于再热器(3)中具有大的蒸汽容积，短时间内并不会明显降低进入汽轮机中压缸(4)的做功蒸汽流量，从而使汽轮机中压缸(4)和汽轮机低压缸(6)并不能立刻跟随做出快速负荷响应；关小的低压缸进汽调节蝶阀(5)将同时提高汽轮机中压缸(4)的排汽背压和汽轮机低压缸(6)的进汽压力，这样根据汽轮机的工作原理，同时快速降低汽轮机中压缸(4)和汽轮机低压缸(6)的蒸汽流量及其输出功率，使火电机组的汽轮机高压缸(2)、汽轮机中压缸(4)和汽轮机低压缸(6)都能够在调频需要时同时快速响应，从而提高火电机组的快速负荷响应能力；此时，汽轮机高压缸(2)、汽轮机中压缸(4)和汽轮机低压缸(6)功率同时减小，至来自电功率传感器(11)的发电负荷信号与负荷指令信号(12)相同时，完成调节作用，PD控制器(9)输出为0，对应低压缸进汽调节蝶阀(5)恢复原始开度；PID控制器(10)输出保持新的输出不变。

4.根据权利要求2所述的调节方法，其特征在于：需要在低压缸进汽调节蝶阀(5)的调节控制过程中兼顾汽轮机中压缸(4)的排汽背压与汽轮机低压缸(6)的进汽流量处于安全的水平。

5.根据权利要求2所述的调节方法，其特征在于：需要对低压缸进汽调节蝶阀(5)的关闭速度限制在每秒10％以内，并在汽轮机中压缸(4)的排汽背压接近保护限制或汽轮机低压缸(6)进汽流量低于保护限制时单向闭锁低压缸进汽调节蝶阀(5)的进一步关闭动作。

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