CN112162484A - 一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述方法是在传统机跟炉方式协调控制系统基础上，增加一个燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道，同时利用主蒸汽流量信号构造柔性因子，由该柔性因子以乘积的方式对反向补偿通道的增益进行修正，得到反向的发电负荷指令偏置值，利用反向的发电负荷指令偏置值对机组发电负荷指令进行修正，达到在常规负荷工况下优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质，在深调峰工况下优先保证燃烧稳定性性的目的。本发明通过燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道来降低燃料量指令的变化速率和向下变化的幅度，保证了各种工况下的控制效果，能满足火电机组常规负荷工况和深调峰工况的控制要求。

Description

一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种火电机组的控制方法，适用于需要深调峰运行的火电机组，属于发电技术领域。
背景技术
目前技术条件下电能难以大规模存储，电网需要通过提升火电机组发电负荷调度灵活性，来消纳用电负荷和以风电为代表的可再生能源发电负荷规模化并网造成的双随机扰动，维持电网频率稳定。提升火电机组灵活性的主要技术手段是拓宽发电负荷调节范围，而其关键在于降低机组发电负荷的运行下限，由当前的50％Pe(额定发电负荷)降低至40％Pe、30％Pe甚至更低，实现机组深调峰运行，为风力发电负荷腾出空间。
火电机组深调峰运行会面临许多问题，如热循环效率下降、脱硝效率下降、辅机电耗率增加等等，但最为严重的是锅炉燃烧稳定性降低、易发生锅炉灭火等安全事故。据统计，造成锅炉灭火的两个主要的可控性因素是燃料量过低和燃料量的波动。原因如下：首先，煤粉气流在锅炉内燃烧是一个先吸热后放热的过程，可获得的吸热量主要取决于炉膛内的平均燃烧温度，锅炉热力计算表明，随燃料量减少平均燃烧温度呈现快速下降的趋势，当燃烧温度过低，煤粉气流吸热不足无法着火时就会导致锅炉灭火。其次，为了满足煤粉的输送要求一次风量不能低于某一低限值，这样深调峰时会出现风多煤少煤粉浓度降低的情况，煤粉气流着火更加困难。再者，燃料量波动会导致锅炉制粉系统运行状态不稳定，进而导致进入炉膛的煤粉气流不稳定。例如给煤量突然增加时，大量粗粒煤进入磨煤机产生“压磨”效应，出粉量瞬时降低，会导致煤粉浓度过低从而诱发灭火；又如燃料量波动过程中，风煤比例容易动态失配，瞬时的煤粉浓度过低也会诱发灭火。
火电机组协调控制系统的主要功能是通过控制汽轮机进汽调阀开度-燃料量调节机组发电负荷-汽轮机前蒸汽压力，使其跟随指令变化。在常规负荷工况下，协调控制系统的主要目标是保证发电负荷和主蒸汽压力的控制品质；而在深调峰工况下，主要目标则需要变更为保证燃烧的稳定性，即防止燃料量过低和降低燃料量波动。但传统协调控制系统只针对火电机组常规负荷工况设计，不能满足深调峰运行要求。
对于存在大惯性特性的被控对象，控制器输出动作幅度与被控变量控制品质之间存在矛盾。提高控制品质就需要加大控制器输出的动作幅度，而限制控制器输出的动作幅度就会降低被控变量的控制品质。协调控制系统被控对象也存在大惯性特性，机组深调峰追求的首要目标是低负荷下稳定运行，因此更加强调减少燃料量波动，而对发电负荷和主蒸汽压力控制品质的要求允许适当降低。
理论上可以通过减弱控制器调节作用强度来实现这一目标。但协调控制系统包括锅炉主控、汽轮机主控两大控制回路，每个控制回路又包含设定值静态前馈、设定值动态前馈、比例-积分-微分反馈等众多可调参数，此外为了适应被控对象变化已经包含很多变参数补偿逻辑。为了适应深调峰改变调节作用强度，还需要增加更多变的参数逻辑，现场组态、调试、维护非常困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，可以同时满足火电机组常规负荷工况和深调峰工况的控制要求，保证各种工况下的控制效果。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述方法是在传统机跟炉方式协调控制系统基础上，增加一个燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道，同时利用主蒸汽流量信号构造柔性因子，由该柔性因子以乘积的方式对反向补偿通道的增益进行修正，得到反向的发电负荷指令偏置值，利用反向的发电负荷指令偏置值对机组发电负荷指令进行修正，达到在常规负荷工况下优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质，在深调峰工况下优先保证燃烧稳定性性的目的。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述反向补偿通道设有限制变化速率模块RL、常数模块A、高低限幅模块H//L、乘法计算模块MUL和四个求和计算模块，燃料量指令信号通过第一求和计算模块SUM1减去由限制变化速率模块RL限速后的燃料量指令信号，得到燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号；常数模块A输出的锅炉最低稳燃负荷对应的燃料量信号通过第二求和计算模块SUM2减去燃料量指令信号后的偏差，由高低限幅模块H//L限幅后得到燃料量指令低于最小燃料量的分量信号，燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号和燃料量指令低于最小燃料量的分量信号经过第三求和计算模块SUM3求和后，得到燃料量指令变化补偿信号，燃料量指令变化补偿信号通过乘法计算模块MUL与柔性因子补偿系数相乘，得到发电负荷指令偏置信号，原发电负荷定值信号通过第四求和计算模块SUM4减去发电负荷指令偏置信号，得到最终的新发电负荷定值信号。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述柔性因子补偿系数通过一阶惯性滤波模块LAG、多点折线函数模块F(x)和增益计算模块K构造，锅炉主蒸汽流量信号先由一阶惯性滤波模块LAG滤波，再经过多点折线函数模块F(x)处理得到柔性因子信号，该柔性因子信号通过增益计算模块K调整增益后，得到最终的柔性因子补偿系数。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述高低限幅模块H//L的高限幅值为0.1×qce，低限幅值为0，其中qce为机组额定燃料量。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述多点折线函数模块F(x)的参数如下：
输入为0.0×qmse、0.39×qmse、0.45×qmse、0.5×qmse、1.0×qmse和1.5×qmse时，输出分别为1、1、0.7、0、0和0，其中qmse为机组额定主蒸汽流量。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述柔性因子的取值范围为0～1。
上述适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，所述一阶惯性滤波模块LAG的滤波时间设置为100s。
本发明通过燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道来降低燃料量指令的变化速率和向下变化的幅度，在常规负荷范围内能够优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质，在深调峰负荷范围内则优先保证燃烧稳定性，从而保证了各种工况下的控制效果，能满足火电机组常规负荷工况和深调峰工况的控制要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是传统炉跟机方式协调控制系统的结构框图；
图2是柔性协调控制系统的结构框图；
图3是柔性协调控制系统新增加逻辑示意图。
图中各标号分别表示为：SUM1～SUM4、第一求和计算模块～第四求和计算模块，RL、限制变化速率模块，A、常数模块，H//L、高低限幅模块，MUL、乘法计算模块，LAG、一阶惯性滤波模块，F(x)、多点折线函数模块，K、增益计算模块。
具体实施方式
针对现有协调控制系统不能同时满足常规负荷工况下优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质、深调峰负荷工况下优先保证燃烧稳定性的不足，本发明提出了一种适用于火电机组深调峰运行的柔性协调控制系统。主要特点是：在传统机跟炉方式协调控制系统基础上，增加一个燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道；利用主蒸汽流量信号构造柔性因子，以乘积的方式修正反向补偿通道的增益；补偿通道输出反向的发电负荷指令偏置值对机组发电负荷指令进行修正，利用炉跟机方式协调控制系统的闭环调节特性，以降低发电负荷和汽轮机前蒸汽压力控制指标为代价，降低燃料量指令的变化速率和向下变化的幅度。能够实现以下技术目标：在常规负荷工况下，柔性控制系统优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质；在机组深调峰工况下，当燃料量指令变化速率超过深调峰工况允许的燃料量变化速率以及燃料指令低于最低稳燃负荷对应的燃料量时，控制系统自动减小燃料量变化幅度以保证燃烧稳定性。
技术原理
传统炉跟机方式协调控制系统的结构框图如图1所示，基本特点是：负荷定值信号减发电负荷信号的偏差进入汽机主控，输出汽轮机调门开度指令信号控制发电负荷；压力定值信号减机前压力信号的偏差进入锅炉主控，输出燃料量指令信号控制机前压力。
适应深调峰运行的柔性协调控制系统的结构框图如图2所示，主要特点是：增加一个燃料量指令信号对发电负荷指令定值的反向补偿通道。其工作机理是：当燃料量指令增加时，按照一定比例在机组原发电负荷指令定值上反向叠加一个发电负荷指令偏置值，使得叠加后的发电负荷指令降低，这样在汽机主控的调节作用下，调门开度指令降低，发电负荷降低同时机前压力升高，进而在锅炉主控的作用下，燃料量指令降低；反之，当燃料量指令降低时，按照一定比例在机组原发电负荷指令定值上反向叠加一个发电负荷指令偏置值，使得叠加后的发电负荷指令增加，这样在汽机主控的调节作用下，调门开度指令增加，发电负荷增加同时机前压力降低，进而在锅炉主控的作用下，燃料量指令增加。所以，这个反向补偿通道相当于在协调控制系统中增加了一个约束燃料量变化的负反馈回路，燃料量波动时能自动修正发电负荷和汽轮机前蒸汽压力以减小燃料量波动。
柔性协调控制的本质仍是以降低发电负荷和机前压力的控制品质为代价，换取燃料量波动幅度的减小。但优点是，发电负荷和机前压力控制品质降低的幅度是可控的。一方面，这一补偿回路确定了燃料量变化幅度与发电负荷偏差之间定量的对应关系，获得的收益与造成的损失物理意义明确；另一方面，增加这一补偿回路其负反馈作用使得控制系统的整体稳定性提高。
技术方案
适应火电机组深调峰运行的柔性协调控制系统是在原炉跟机方式协调控制系统基础上增加如图3所示的补偿通道的逻辑构成的，图中虚线框内的逻辑为新增加的逻辑。其中：SUM1～SUM4为四个求和计算模块；RL为限制变化速率模块，功能是将输入信号的变化速率限制在限定值之内然后输出；A为常数模块；H//L为高低限幅模块，功能是将输入信号的变化幅度限制在高、低限值之内然后输出；MUL为乘法计算模块；LAG为一阶惯性滤波模块；F(x)为多点折线函数模块；K为增益计算模块。
补偿通道逻辑包括两个部分，一部分是燃料量指令变化计算逻辑，另外一部分是柔性因子增益修正逻辑。
首先说明燃料量变化计算逻辑。燃料量指令信号经过限制变化速率模块RL得到限速后的燃料量指令信号，由燃料量指令信号经过第一求和计算模块SUM1减去限速后的燃料量指令信号，得到燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号。常数模块A输出锅炉最低稳燃负荷对应的燃料量信号，经过第二求和计算模块SUM2减去燃料量指令信号后的偏差，再经过高低限幅模块H//L限幅后，得到燃料量指令低于最小燃料量的分量信号。燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号和燃料量指令低于最小燃料量的分量信号经过第三求和计算模块SUM3求和后，得到燃料量指令变化补偿信号。
下面说明柔性因子增益修正逻辑。锅炉主蒸汽流量信号经过一阶惯性滤波模块LAG滤波后，经过多点折线函数模块F(x)利用多点函数计算得到柔性因子信号，柔性因子信号通过K模块调整增益后，再通过乘法计算模块MUL与燃料量指令变化补偿信号相乘得到发电负荷指令偏置信号。
原控制逻辑中的负荷定值信号，通过第四求和计算模块SUM4减去发电负荷指令偏置信号，得到新的发电负荷定值信号。
补偿通道逻辑的工作原理是：
机组深调峰工况允许的燃料量变化速率不超过0.01qce/min，其中qce为机组额定燃料量。将限制变化速率模块RL的限速值设置为机组深调峰工况允许的燃料量变化速率，然后用燃料量指令信号减去限速后的燃料量指令信号得到燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号(燃料量指令快速变化的分量信号)，当燃料量指令信号变化速率小于允许值时燃料量指令快速变化的分量信号为0，当燃料量指令信号变化速率快于允许值时燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号不为0，物理意义为燃料量指令变化超出允许变化量的幅度。将常数模块A的输出设置为机组最低稳燃负荷对应的燃料量，减去燃料量指令信号的差再经过限幅后，得到燃料量指令小于最小燃料量的分量信号，高低限幅模块H//L的高低限幅值如表1所示。当燃料量指令信号大于等于最小燃料量时，燃料量指令小于最小燃料量的分量信号为0，当燃料量指令信号小于最小燃料量时，燃料量指令小于最小燃料量的分量信号为燃料量指令小于最小燃料量的部分。为了防止燃料量指令异常导致发电负荷指令大幅波动，将燃料量指令小于最小燃料量的分量信号的变化范围限定在0～0.1qce之间。对燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号和燃料量指令低于最小燃料量的分量信号求和，得到燃料量指令变化补偿信号。当燃料量指令变化速率过快、燃料量指令过低时，燃料量指令变化补偿信号的输出会大于0。
表1 H//L模块参数设置
高限值(t/h) 0.1×q<sub>ce</sub>
低限值(t/h) 0
利用能够直接反映机组负荷大小的主蒸汽流量信号构造柔性因子，柔性因子取值范围在0～1之间，0代表机组处于常规负荷区间，1代表机组处于深调峰负荷区间，0～1之间变化代表机组处于常规负荷至深调峰负荷的过渡区间。先对主蒸汽流量信号进行一阶惯性滤波，滤波时间为100s，然后利用多点折线函数计算出柔性因子信号，多点折线函数模块F(x)的设置方式见表2，其中qmse为机组额定主蒸汽流量，最后经过增益调整后乘以燃料量指令变化补偿信号得到负荷指令偏置信号。当机组处于常规负荷区间时，柔性因子信号为0，负荷指令偏置信号为0，补偿逻辑不发挥调节作用；当机组处于深调峰负荷区间时，柔性因子信号为1，补偿逻辑发挥完全的调节作用；机组处于常规负荷至深调峰负荷的过渡区间时，补偿逻辑发挥部分调节作用，负荷越接近深调峰负荷区间，调节作用越强。
表2 F(x)参数设置
Figure BDA0002700187090000061
柔性因子信号增益是控制系统中唯一需要进行调试的参数，通过设置增益模块K中的增益系数实现。增益系数的取值范围为机组静态工况下发电负荷除以燃料量的商的1～2倍，增益系数越大燃料量的波动幅度越小但发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质越差。
实施步骤
(1)实施条件确认
发明适用于深调峰运行的，配套煤粉锅炉或循环流化床锅炉的、采用炉跟机方式协调控制系统的火电机组。
(2)控制逻辑修改及参数设置
在机组DCS(分散控制系统)中，在原协调控制系统组态逻辑基础上，依据图3，增加燃料量指令对发电负荷定值的反向补偿通道的组态逻辑。
设置逻辑中主要模块的参数，包括：变化速率限制模块RL的限速值设置为0.01倍的机组额定燃料量每分钟；常数模块A的输出设置为机组最低稳燃负荷对应的燃料量；高低限幅模块H//L的高低限值设置见表1；一阶惯性滤波模块LAG的滤波时间设置为100s；多点折线函数模块F(x)参数设置见表2。
(4)参数调试
在机组正常运行工况下，先将多点折线函数F(x)模块的输出值全部设置为1，调试增益模块K中的增益系数，增益系数的取值范围在机组静态工况下发电负荷除以燃料量的商的1～2倍之间，增益系数越大燃料量的波动幅度越小但发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质越差，调试完成后再将多点折线函数F(x)模块的输出值改为表2设置方式。系统可以投入使用。
有益效果
(1)控制效果好。本发明提出柔性协调控制系统，在常规负荷范围内能够优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质，在深调峰负荷范围内能够减少燃料量波动优先保证燃烧稳定性，适应当前火电机组深调峰运行的要求，控制效果好。
(2)控制系统可调参数少，结构简单物理意义明确，现场调试简单快捷。
(3)控制系统稳定性好，调试过程风险低。

Claims (7)

1.一种适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述方法是在传统机跟炉方式协调控制系统基础上，增加一个燃料量指令对发电负荷指令的反向补偿通道，同时利用主蒸汽流量信号构造柔性因子，由该柔性因子以乘积的方式对反向补偿通道的增益进行修正，得到反向的发电负荷指令偏置值，利用反向的发电负荷指令偏置值对机组发电负荷指令进行修正，达到在常规负荷工况下优先保证发电负荷和汽轮机前蒸汽压力的控制品质，在深调峰工况下优先保证燃烧稳定性性的目的。
2.根据权利要求1所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述反向补偿通道设有限制变化速率模块(RL)、常数模块(A)、高低限幅模块(H//L)、乘法计算模块(MUL)和四个求和计算模块，燃料量指令信号通过第一求和计算模块(SUM1)减去由限制变化速率模块(RL)限速后的燃料量指令信号，得到燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号；常数模块(A)输出的锅炉最低稳燃负荷对应的燃料量信号通过第二求和计算模块(SUM2)减去燃料量指令信号后的偏差，由高低限幅模块(H//L)限幅后得到燃料量指令低于最小燃料量的分量信号，燃料量指令信号超出允许速率变化的分量信号和燃料量指令低于最小燃料量的分量信号经过第三求和计算模块(SUM3)求和后，得到燃料量指令变化补偿信号，燃料量指令变化补偿信号通过乘法计算模块(MUL)与柔性因子补偿系数相乘，得到发电负荷指令偏置信号，原发电负荷定值信号通过第四求和计算模块(SUM4)减去发电负荷指令偏置信号，得到最终的新发电负荷定值信号。
3.根据权利要求1或2所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述柔性因子补偿系数通过一阶惯性滤波模块(LAG)、多点折线函数模块(F(x))和增益计算模块(K)构造，锅炉主蒸汽流量信号先由一阶惯性滤波模块(LAG)滤波，再经过多点折线函数模块(F(x))处理得到柔性因子信号，该柔性因子信号通过增益计算模块(K)调整增益后，得到最终的柔性因子补偿系数。
4.根据权利要求3所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述高低限幅模块(H//L)的高限幅值为0.1×qce，低限幅值为0，其中qce为机组额定燃料量。
5.根据权利要求4所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述多点折线函数模块(F(x))的参数如下：
输入为0.0×qmse、0.39×qmse、0.45×qmse、0.5×qmse、1.0×qmse和1.5×qmse时，输出分别为1、1、0.7、0、0和0，其中qmse为机组额定主蒸汽流量。
6.根据权利要求5所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述柔性因子的取值范围为0～1。
7.根据权利要求3所述的适用于深调峰运行的火电机组柔性协调控制方法，其特征是，所述一阶惯性滤波模块(LAG)的滤波时间设置为100s。
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