CN111503620A - 一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统 - Google Patents

Abstract

一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，属于清洁高效燃煤发电自动控制领域。本发明全程给水自动调节，30%额定功率深度调峰工况时，提供了两种运行模式，模式一为两台汽动给水泵并列运行；模式二为一台汽动给水泵自动调节给水流量，另一台汽动给水泵处于再循环热备运行状态。本发明中，给水泵并列与退出控制（包含热备操作的全程自动）运用了运行规程知识化和专家经验模型化的理念，采取了相关操作分类优化组合，同向操作相间进行的控制策略实现给水全程自动控制。该全程给水控制系统提高机组运行的安全性、可靠性，代替手动操作，避免运行人员误操作的可能性。

Description

一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统

技术领域

本发明涉及一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，提高机组适应电网调度的运行灵活性能力，属于清洁高效燃煤发电自动控制领域。

背景技术

以风电、太阳能发电为代表的可再生能源发展迅速，但其输出功率具有随机性、间歇性和不稳定性，对电网的负荷控制、灵活性运行提出了更高的要求。因此，国内各大电网要求电源侧的火电机组大范围调峰运行，补偿电源侧、电网负荷侧的双随机扰动，是目前缓解和解决这一矛盾的有效措施。当前，大多数火电单元机组通常在50-100%常规负荷范围内运行，受限热力系统结构和原有控制策略，火电单元机组一般并不适合50%以下负荷区间的快速率、变工况运行。

同常规负荷工况（50-100%额定功率）相对比，深度调峰负荷工况（30-50%额定功率）热力系统的设备状态和运行参数都会发生变化，导致被控对象特性出现明显差异，运行人员应急响应的操作量增加，机组的安全经济性也缺乏保证，这要求控制系统必须做出有针对性的改进，以适应燃煤机组大范围变工况运行要求。在不进行设备改造情况下，通过控制系统优化将正常工况发电负荷调节下限由 50%额定功率拓展至40%、30%额定功率甚至更低，从而有效缓解电网的调峰压力，大幅提高电网的新能源消纳能力。

现有燃煤发电机组一般设置两台汽动给水泵、一台备用的电动给水泵将除氧器水箱中的给水送到锅炉省煤器，同时提供高旁减温水、过热器一、二级减温水、再热器减温水等。通常每台汽动给水泵配置一台前置泵，前置泵定速运行，给水泵变速运行。在机组30%-50%额定功率的工况下，两台汽动给水泵并列运行，共同调节给水流量。

现有控制技术在深度调峰工况（30-50%额定功率）下主要有以下几点不足：

（1）大多数燃煤机组的给水系统的自动化水平低；

（2）给水系统的各单项操作需逐一进行，且操作复杂，造成总体操作周期长；

（3）给水泵的运行方式发生变化，给水泵并列、退出操作无法自动控制，需要人工操作，若应对不当，极易造成两台汽动给水泵之间的抢水，甚至给水泵跳闸；

（4）前置泵的再循环阀门、汽动给水泵的再循环阀门的开启/关闭选择时机不当，极易造成给水流量、给水压力的波动，影响机组运行安全。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，是一种火电机组在不进行较大设备改造情况下，仅通过DCS控制系统的给水控制在深度调峰工况下随机组负荷升降的全程自动控制系统。

本发明适合深度调峰工况的燃煤机组给水全程控制系统，涉及到深度调峰工况（30-50%额定功率）给水泵并列与退出控制（包含热备操作的全程自动）、给水再循环阀自动控制、给水泵转速调节自动控制、对侧给水泵跳闸的应急响应。

本发明全程给水自动调节；30%额定功率深度调峰工况时，提供了两种运行模式，模式一为两台汽动给水泵并列运行；模式二为一台汽动给水泵自动调节给水流量，另一台汽动给水泵处于再循环热备运行状态。这两种模式均可实现全程给水自动调节。

本发明中，给水泵并列与退出控制（包含热备操作的全程自动）运用运行规程知识化和专家经验模型化的理念，采取了相关操作分类优化组合，同向操作相间进行的控制策略实现给水全程自动控制。该全程给水控制系统提高机组运行的安全性、可靠性，代替手动操作，避免运行人员误操作的可能性。

本发明的技术方案如下：

一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，提供了两种运行模式：

1）深度调峰给水自动并列模式

通过自动控制两台汽动给水泵的转速，共同调节给水流量；同时随机组深度调峰负荷变化（机组负荷低于50%额定功率）自动置位两台汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀的开度，保证汽动给水泵转速和给水流量在一个良好的线性调节区间的同时，保证汽动给水泵入口流量不低于最小流量；

2）深度调峰给水自动热备模式

当机组从50%额定功率降负荷到30%额定功率过程中，仅一台汽动给水泵及其前置泵自动逐步打开再循环阀门，在保证汽动给水泵最小流量的基础上，降低汽动给水泵转速，进入热备用状态，泵入口流量全部再循环，另一台汽动给水泵的再循环阀保持关位，承担自动调节给水流量；

当从30%额定功率升负荷到50%额定功率过程中，一台处于热备用的汽动给水泵自动升高转速，在保证泵最小流量的基础上自动逐步关闭再循环阀门及其前置泵再循环阀门，自动进入双给水泵并列运行，共同调节给水流量。

进一步地，深度调峰给水自动并列模式和深度调峰给水自动热备模式中，汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀的开度自动置位方法，具体为：

(1)深调给水泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于46%-47%额定功率，开度30%；低于44%-45%额定功率，开度60%；低于42%-43%额定功率，开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于43%-44%额定功率，开度60%；高于45%-46%额定功率，开度30%；高于46%-47%额定功率，开度0%；

(2)深调前置泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于41%-42%额定功率，开度50%；低于39%-40%额定功率，开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于42%-43%额定功率，开度50%；高于44%-45%额定功率，开度0%。

进一步地，深度调峰给水自动热备模式中，处于热备用的汽动给水泵转速的自动降低、升高，是通过设置两台泵转速指令偏置动态函数，使备用泵转速指令低于运行泵，该偏置值是随机组负荷变化的转速指令偏置函数，具体为：（30%额定功率,-380rpm），（40%额定功率,-500rpm）,（43%额定功率, 0rpm）。

进一步地，深度调峰下对侧给水泵跳闸后应急响应机制为：

1）深度调峰给水自动并列模式下，给水泵跳闸控制响应与机组50%负荷以上的双泵运行状态一致；

2）深度调峰给水自动热备模式下，为保证备用泵迅速出水，当出现运行泵跳闸时：

（1）退出备用泵再循环调门自动，并立刻超驰关至30%，并随备用泵入口流量超过泵最小流量后自动全部关闭；

（2）原设置在备用泵转速指令上的负向偏置立即取消，迅速响应锅炉给水量控制；

（3）备用泵汽轮机控制转速的液压调门开度超驰升至原运行泵调门阀位指令并+5，迅速提升备用泵实际转速，10秒后投入给水量调节自动。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1.没有就地设备改造的工作量，可实现30%工况的深度调峰的给水全程自动调节；

2.深度调峰的负荷升降过程中，给水系统全程自动控制完全通过计算机系统实现，代替人工操作，实现少人值守；与原有人工操作相比，缩短了给水泵并退过程的操作时间，提升了运行操作的规范性；

3.在深度调峰的负荷升降过程中，给水控制系统的水泵并泵/退泵过程平稳，给水流量、出口压力自动调节精度高，有效地避免了两台给水泵之间的抢水现象的发生，提高了机组运行安全；

4.本发明给水全程控制系统提供了并列和热备两种运行模式，并列模式下提供了等同于50%以上机组负荷运行工况的给泵运行安全稳定性；热备模式在通过被控对象超驰动作保障给泵安全的基础上，具有节省汽轮机抽汽量的节能效果。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中深度调峰工况的燃煤机组给水热力系统结构示意图；

图2为本发明一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统的控制框架图；

图3为本发明具体实施方式中630MW燃煤机组的深度调峰给水泵并列/热备操控画面；

图4为本发明具体实施方式中某630MW燃煤机组深度调峰降负荷给水控制曲线（给泵并列运行模式）；

图5为本发明具体实施方式中某630MW燃煤机组深度调峰升负荷给水控制曲线（给泵并列运行模式）；

图6为本发明具体实施方式中某630MW燃煤机组深度调峰升降负荷给水控制曲线（给泵热备运行模式）；

图1中：除氧器1、入口阀2、给水流量计3、前置泵4、汽动给水泵5、出口阀6、前置泵再循环阀7、给水泵再循环阀门8、入口阀9、给水流量计10、前置泵11、汽动给水泵12、出口阀13、前置泵再循环阀14、给水泵再循环阀15、入口阀16、给水流量计17、前置泵18、电动给水泵19、出口阀20、出口阀21。

具体实施方式

图1为本发明适用的深度调峰工况的燃煤机组给水热力系统，除氧器1的出口依次连接给水流量计3、前置泵4以及汽动给水泵5，汽动给水泵5的出口分为两路，一路经过给水泵再循环阀门8返回至除氧器1，另一路由出口阀6输出；给水流量计3与除氧器1之间设置有入口阀2，前置泵4出口给水可通过前置泵再循环阀7返回除氧器1。前置泵再循环阀7的入口与前置泵4的出口相连通，前置泵再循环阀7的出口与除氧器1相连通。给水泵再循环阀8入口与主给水泵5的出口相连通，出口处与除氧器1相连通。

同样地，与汽动给水泵5的给水支路并列另一汽动给水泵12的给水支路，两台汽动给水泵在深度调峰工况下互为热备用。汽动给水泵12的给水支路的描述如下：除氧器1的出口依次连接给水流量计10、前置泵11以及汽动给水泵12，汽动给水泵12的出口分为两路，一路经过给水泵再循环阀15返回至除氧器1，另一路由出口阀13输出；给水流量计10与除氧器1之间设置入口阀9，前置泵11出口给水可通过前置泵再循环阀14返回除氧器1。前置泵再循环阀14的入口与前置泵11的出口相连通，前置泵再循环阀14的出口与除氧器1相连通。给水泵再循环阀15入口与汽动给水泵12的出口相连通，出口处与除氧器1相连通。

除氧器1的出口依次连接旁路给水流量计17、前置泵18以及电动给水泵19，给水流量计17与除氧器1之间设置有入口阀16，电动给水泵19的出口分为两路，一路经过电动给水泵再循环阀22返回至除氧器1，另一路由出口阀20流出；出口阀20的前后设置一出口阀21并列。

电动给水泵仅用于机组启停和汽动给水泵故障下的紧急备用，其给水支路与汽动给水泵5的给水支路和汽动给水泵12给水支路并联。三个出口阀6、出口阀13、出口阀20的给水支路并联汇合至给水主管路。

本实施例深度调峰工况的给水全程流量闭环控制的具体方案如下：

1）深度调峰给水自动并列模式

通过自动控制汽动给水泵5和汽动给水泵12的转速，共同调节给水流量；同时随机组负荷变化自动置位主泵再循环阀（8、15）和前置泵再循环阀(7、14)的开度，保证汽动给泵转速和给水流量在一个良好的线性调节区间的同时，保证泵入口流量不低于最小流量。

2）深度调峰给水自动热备模式

当机组从50%额定功率降负荷到30%额定功率过程中，一台汽动给水泵自动逐步打开再循环阀门，在保证泵最小流量的基础上，降低给水泵转速，进入热备用状态（泵入口流量全部再循环），另一台汽动给水泵承担自动调节给水流量；

当从30%额定功率升负荷到50%额定功率过程中，一台热备用汽动给水泵自动升高转速，在保证泵最小流量的基础上自动逐步关闭再循环阀门，自动进入双给水泵并列运行，共同调节给水流量。

在深度调峰给水自动并列模式下，保证给泵转速和给水流量在一个良好的线性调节区间的同时，保证泵入口流量不低于最小流量，具体方法为：

以某630MW燃煤机组为例，汽动给水泵的有效调节区间就在1800-5600rpm之间，调节流量区间337-1312t/h，两台泵即为674-2624 t/h；而深度调峰30%负荷（189MW）给水流量实测仅为552t/h，低于两台泵的最小出力，这个时候就需要打开主泵和前置泵循环阀，一部份给水流量再循环，一部分给水锅炉。

如图3所示，以某630MW燃煤机组为例，深度调峰投入后，点击图3中所示深度调峰汽动给水泵并列/热备选择按钮，弹出并列/热备选择面板。一台泵选择并列或热备后，任意一台泵不能再进行选择。

1.深调汽动给水泵并列、热备投入条件：

（1）深度调峰投入（机组负荷低于50%，CCS模式）；

（2）没有泵已选择并列或热备。

2.深度调峰汽动给水泵并列全自动工作过程

深度调峰投入后，运行人员选择需并列的给水泵；并列投入后汽动给水泵和前置泵再循环阀切手动，方便运行人员应急处置。降负荷、升负荷达到相应机组负荷指令后，两台汽动给水泵的再循环阀和前置泵再循环阀同时阶跃超驰置于相应位置。

(1)深调给水泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于290MW开度30%；低于280MW开度60%；低于270MW开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于275MW开度60%；高于285MW开度30%；高于295MW开度0%。

(2)深调前置泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于260MW，开度50%；低于250MW，开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于270MW，开度50%；高于280MW，开度0%。

3.深度调峰汽动给水泵热备全自动工作过程：

深度调峰投入后，运行人员选择需热备的给水泵。

（1）备用汽动给水泵和备用前置泵再循环阀切手动，方便运行人员应急处置。降负荷、升负荷达到相应机组负荷指令后，备用给水泵再循环阀和前置泵再循环阀阶跃超驰置于相应位置，具体置值因实际给泵出力而异，示例与并列模式是相同的（并列模式是两台汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀均自动置位，热备模式是仅处于备用的汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀自动置位，具体置值因实际给泵出力而异，以某630MW燃煤机组为例，热备与并列模式是调节值一样）。

（2）当机组低于260MW时，通过设置两台泵转速指令偏置，使备用泵转速指令低于运行泵某一定值，备用泵逐步处于再循环运行但不提供锅炉给水量的状态，该偏置定值通过随机组负荷变化的转速指令偏置函数设置，示例中实际机组负荷指令与转速偏置函数为：（0MW,-380rpm），（180MW,-380rpm），（240MW,-500rpm）,（260MW,0rpm）。

当机组高于260MW时，转速偏置函数出口自动归零，两台汽动给水泵转速一致，当负荷295MW时，热备用汽动给水泵及其前置泵的再循环阀门自动关至0%。两台汽动给水泵并列完成，共同自动调节给水流量。

4.深度调峰模式下全程给水系统自动控制的定量效果：

1）汽动给水泵并列运行的控制过程与参数

如图4、图5两图显示了随机组负荷指令的汽动给水泵及其前置泵再循环阀开度及相关参数变化。汽包水位设定-20mm，降负荷过程中汽包水位最高至9.166mm，最低至-44.26mm；升负荷过程中汽包水位最低至-49.717mm，最高至-1.257mm。

2）汽动给水泵热备运行的控制过程与参数

如图6，深度调峰投入后，运行人员选择B汽动给水泵热备，显示了随机组负荷指令的汽动给水泵及其前置泵再循环阀开度、汽动给水泵转速等相关参数变化。汽包水位设定-20mm，降负荷过程中汽包水位最高至18.524mm，最低至-44.126mm；升负荷过程中汽包水位最低至-57.125mm，最高至26.38mm。

5.深度调峰模式下汽动给水泵并列运行和热备运行的适用性比较

从某630MW燃煤发电机组试验情况看，深度调峰模式下汽动给水泵并列运行和热备运行都是可行的，实际升降负荷过程被调量波动基本相当。

相比而言，如发生运行泵跳闸，并列模式下第二台泵实际出水响应会更快一些，汽包水位波动也会相比偏小，机组安全性相对更高；热备运行方式下如发生运行泵跳闸，通过再循环阀门和液压调门的超驰作用让备用泵迅速出水，给水量、汽包水位的变化幅度相对较大，机组安全余量较并列模式相对偏小；但热备运行方式下带来一定的节能效果，依据试验数据，热备模式比并列模式汽轮机抽汽量降低5.5t/h，折合节约机组煤耗0.57g/kWh（机组煤耗按330 g/kWh计算），计算来源：

抽汽压力0.028MPa，四抽温度320℃，焓值：3116kJ/kg；

排汽压力0.00027MPa，排汽温度27℃，焓值：2552kJ/kg；

有效功约等于3116-2552=564 kJ/kg，即135kcal/kg；

试验工况184MW的煤耗按330g/kWh计算，标煤热值是7000kcal/kg，则单泵方式下机组煤耗下降：5.5*135*330/（184*0.33*7000）=0.576g/kWh。

Claims (4)

1.一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，其特征是，包括两种运行模式：

1）深度调峰给水自动并列模式

通过自动控制两台汽动给水泵的转速，共同调节给水流量；同时随机组深度调峰负荷变化自动置位两台汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀的开度，保证汽动给水泵转速和给水流量在一个良好的线性调节区间的同时，保证汽动给水泵入口流量不低于最小流量；

2）深度调峰给水自动热备模式

当机组从50%额定功率降负荷到30%额定功率过程中，仅一台汽动给水泵及其前置泵自动逐步打开再循环阀门，在保证汽动给水泵最小流量的基础上，降低汽动给水泵转速，进入热备用状态，泵入口流量全部再循环，另一台汽动给水泵的再循环阀保持关位，承担自动调节给水流量；

当从30%额定功率升负荷到50%额定功率过程中，一台处于热备用的汽动给水泵自动升高转速，在保证泵最小流量的基础上自动逐步关闭再循环阀门及其前置泵再循环阀门，自动进入双给水泵并列运行，共同调节给水流量。

2.根据权利要求1所述的一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，其特征是，深度调峰给水自动并列模式和深度调峰给水自动热备模式中，汽动给水泵再循环阀和前置泵再循环阀的开度自动置位方法，具体为：

(1)深调给水泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于46%-47%额定功率，开度30%；低于44%-45%额定功率，开度60%；低于42%-43%额定功率，开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于43%-44%额定功率，开度60%；高于45%-46%额定功率，开度30%；高于46%-47%额定功率，开度0%；

(2)深调前置泵再循环阀置值：

深调降负荷进行中：负荷指令低于41%-42%额定功率，开度50%；低于39%-40%额定功率，开度100%；

深调升负荷进行中：负荷指令高于42%-43%额定功率，开度50%；高于44%-45%额定功率，开度0%。

3. 据权利要求1所述的一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，其特征是，深度调峰给水自动热备模式中，处于热备用的汽动给水泵转速的自动降低、升高，是通过设置两台泵转速指令偏置动态函数，使备用泵转速指令低于运行泵，该偏置值是随机组负荷变化的转速指令偏置函数，具体为：（30%额定功率,-380rpm），（40%额定功率,-500rpm）,（43%额定功率, 0rpm）。

4.根据权利要求1所述的一种适应燃煤机组深度调峰的给水全程控制系统，其特征是，深度调峰下对侧给水泵跳闸后应急响应机制为：

1）深度调峰给水自动并列模式下，给水泵跳闸控制响应与机组50%负荷以上的双泵运行状态一致；

2）深度调峰给水自动热备模式下，为保证备用泵迅速出水，当出现运行泵跳闸时：

（1）退出备用泵再循环调门自动，并立刻超驰关至30%，并随备用泵入口流量超过泵最小流量后自动全部关闭；

（2）原设置在备用泵转速指令上的负向偏置立即取消，迅速响应锅炉给水量控制；

（3）备用泵汽轮机控制转速的液压调门开度超驰升至原运行泵调门阀位指令并+5，迅速提升备用泵实际转速，10秒后投入给水量调节自动。

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