CN112412557B - 一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统 - Google Patents

一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及火电站自动控制技术领域，尤其涉及一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统。该系统包括：锅炉过热器的主干路管道连接汽轮机高压缸、再热器、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；汽轮机高压缸进口管路处连通高压缸进汽调节阀；再热器连接再热器减温喷水调门；锅炉过热器的高压旁路管道连接高压旁路减温减压阀；再热器的出口管道上连通旁路供热减温减压阀；比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度；微分控制器控制偏差信号来控制减温喷水调门的开度。本发明提供的活供热系统，有效改善高压旁路抽汽供热带来的再热器超温问题，使原本仅用于供热的系统实现响应电网调频性能的大幅提高。

Description

一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统
技术领域
本发明涉及火电站自动控制技术领域，尤其涉及一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统。
背景技术
我国广大的北方地区的冬季取暖供热普遍采用发电汽轮机的中间抽汽用于集中供热主力，这样可以具有较好的经济性和环保水平。但受发电汽轮机工艺特点，冬季供暖抽汽能力需要整机负荷提供支撑，即要保持较高的供热能力，需要发电机组维持较高的负荷，这样才能保证供热抽汽能大量从机组中抽出。这意味着火电机组的发电与供热之间存在一定的耦合关系。
另一方面，风电作为可大规模利用的清洁能源之一，近年来在我国三北地区得到飞速发展。供暖季同时一般也是我国三北地区的高风季，这导致冬季风电发电量骤增，但高比例的火电机组因居民供热需求，需要维持较高的发电量。二者之间的巨大矛盾加剧了供暖季风电难以并网的问题，造成大量风电的过剩。供暖季严重的弃风问题使火电机组热电解耦成为一个热点问题，目的是采用各种技术，在保障居民供热量的条件下，尽可能降低汽轮机发电量，给风电并网创造条件。
热电解耦的工艺改造方法有多种，由于多数情况下，只有在极寒季或部分供暖季一天中的用电负荷低谷有较强的热电解耦需求，因此，采用旁路供热方式短时间牺牲运行效率却可以直接将原本用于发电的蒸汽旁路掉用于供热，可以调节，具有较高的运行灵活性。其中单纯的低压旁路供热能力十分有限，热电解耦能力不足，因此高压旁路被越来越多的使用，但受再热式蒸汽动力循环工艺限制，高压旁路的蒸汽并不适合直接减温减压抽出用于供热，否则容易造成再热器蒸汽流量大幅下降而引起超温。
综上所述，为更多的消纳风电，除供暖季的供热机组热电解耦以让出发电负荷份额外，风电的自然间歇性问题对供暖季火电机组的调峰深度和调频能力（主要是调峰速度）都有较大的需求。因此，如果能在保障供热能力和大幅降低发电功率的同时，具备更高的调频能力，对清洁能源消纳将具有更加重大的意义。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明提供了一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，以克服现有技术中的供热系统存在的供热发电功率较高，调频负荷性能较差导致能源浪费等缺陷。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，包括：
锅炉过热器的主干路管道连接汽轮机高压缸、再热器、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；
所述汽轮机高压缸的进口管路处连通高压缸进汽调节阀；
所述再热器连接用于向再热器喷入冷水的再热器减温喷水调门；
所述锅炉过热器的高压旁路管道连接高压旁路减温减压阀，所述高压旁路减温减压阀连接再热器的进口管路处；
所述再热器的出口管道上连通旁路供热减温减压阀；
所述旁路供热减温减压阀和高压旁路减温减压阀连接比例微分控制器；所述减温喷水调门连接微分控制器；
所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度；
所述微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制减温喷水调门的开度。
优选地，所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频升负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出负的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例关小阀门；
所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例关小阀门。
优选地，所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频降负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出正的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例开大阀门；
所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例开大阀门。
优选地，所述微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制减温喷水调门的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频升负荷指令时，机组控制系统向微分控制器发送正的负荷控制偏差信号时，微分控制器输出微分控制指令，控制再热器减温水调门快速开大再热器减温水调门。
优选地，所述比例微分控制器采用输出指令的正、负双向限幅，来完成机组控制系统的升、降负荷的响应。
优选地，所述微分控制器采用最低输出为0的限幅，来输出正向开大减温喷水调门的开启角度。
优选地，所述比例微分控制器和微分控制器在负荷控制偏差信号趋近于0并稳定后输出指令为0。
优选地，当机组控制系统收到升负荷指令时，所述机组控制系统控制比例微分控制器输出至旁路供热减温减压阀采用大于1的增益系数。
（三）有益效果
本发明提供的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，有效改善高压旁路抽汽供热带来的再热器超温问题，使原本仅用于供热的系统实现响应电网调频性能的大幅提高。
附图说明
图1为本发明实施例辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统结构示意图。
其中： 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：汽轮机低压缸；6：再热器减温喷水调门；7：高压旁路减温减压阀；8：旁路供热减温减压阀；9：比例微分控制器；10：微分控制器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明如下。
如图1所示，本发明提供一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，包括：
锅炉过热器的主干路管道连接汽轮机高压缸2、再热器3、汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸5；
所述汽轮机高压缸2的进口管路处连通高压缸进汽调节阀1；
所述再热器3连接用于向再热器3喷入冷水的再热器减温喷水调门6；
所述锅炉过热器的高压旁路管道连接高压旁路减温减压阀7，所述高压旁路减温减压阀7连接再热器3的进口管路处；
所述再热器3的出口管道上连通旁路供热减温减压阀8；
所述旁路供热减温减压阀8和高压旁路减温减压阀7连接比例微分控制器9；所述再热器减温喷水调门6连接微分控制器10；
所述比例微分控制器9接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀7、旁路供热减温减压阀8的开度；
所述微分控制器10接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制再热器减温喷水调门6的开度。
需要说明的是，本发明实施例中汽轮机高压缸2及与其相连的高压缸进汽调节阀1，控制来自锅炉过热器的高温高压蒸汽进入汽轮机高压缸2做功并同时降温降压，离开汽轮机高压缸2的蒸汽会进入再热器3再次加热后依次进入汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸5继续完成后续的做功，形成驱动发电机发电的动力。其中，为防止再热器超温引起安全风险，均配置有再热器减温喷水调门6，用于在必要时将冷水喷入再热器3进行紧急降温。此外，大功率火电机组还配置有高压旁路管道，将未进入高压缸进汽调节阀1的高温高压蒸汽通过高压旁路减温减压阀7进行降温降压后直接进入再热器3，一般配合高压缸进汽调节阀1的关闭，用于高压缸不工作或锅炉故障时开启。
再热器3出口管道上连通旁路供热减温减压阀8，比例微分控制器连接旁路供热减温减压阀8和高压旁路减温减压阀7；微分控制器连接再热器减温水调门。
本实施例中的高旁供热通过开启高压旁路减温减压阀7，将来自锅炉过热器的高温高压做功蒸汽的一部分通过高压旁路管道降温降压后，与经过高压缸进汽调节阀1和汽轮机高压缸2做功后的蒸汽汇合送入再热器3，经过再热器加热后通过旁路供热减温减压阀8将通过高压旁路减温减压阀7的流量直接送去供热，从而达到直接减少做功发电蒸汽量的目的，从而在高压旁路通流能力限制下，几乎可以任意调节用于供热和发电的蒸汽比例，实现保障供热流量的同时，大幅降低发电功率。其中，由于通过高压旁路减温减压阀7的流量与经过高压缸进汽调节阀1和汽轮机高压缸2做功后的蒸汽汇合送入再热器3，因此不会因为减少进入再热器3的流量而造成再热器的过热风险。
其中，所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度大小具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频升负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出负的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例关小阀门；所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例关小阀门；
或者，当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频降负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出正的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例开大阀门；
所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例开大阀门。
在实际应用中，当外部电网需要快速调频升（或降）负荷时，机组控制系统会输出负（或正）的比例和微分控制指令，此时，在比例微分控制器9的控制作用下，负（或正）的比例与微分控制指令叠加后送入高压旁路减温减压阀7，将按比例关小（或开大）高压旁路减温减压阀7，并在负荷控制偏差刚出现时，通过微分作用短时更多地关小（或开大）高压旁路减温减压阀7，以快速将来自锅炉过热器的蒸汽排挤至（或抽离自）高压缸进汽调节阀1和汽轮机高压缸2做功，提高（降低）汽轮机高压缸2的输出功率。与此同时，比例微分控制器9的比例和微分控制指令还同时快速关小（或开大）旁路供热减温减压阀8，将汇合流经再热器3的蒸汽更多的排挤至（或抽离自）汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸5做功。
尽管这样可以帮助机组快速提高机组的发电功率，但在高压旁路减温减压阀7快速关小的时候，经过高压旁路减温减压阀7进入再热器的流量会迅速减小，但另一路高压缸进汽调节阀1虽然会在有升负荷需求时开大，但高压蒸汽有容积缓冲，并不会形成汽轮机高压缸2排汽进入再热器流量的立即增大，因此，在升负荷需求的短时间内容易造成再热器3的蒸汽流量短时降低，使再热器有超温风险。采用微分控制器10，在接受到正的负荷控制偏差信号（电网需要升负荷）时，输出微分控制指令，短时并快速开大再热器减温水调门6，应对高旁辅助机组负荷调节初始阶段的再热器流量突降带来的超温风险。由于微分控制器本身的固有特性，输出指令会很快在流量平衡后消失，恢复系统的稳态平衡工艺过程。
需要说明的是，本发明实施例中的比例微分控制器9和微分控制器10因其固有特性，会在负荷控制偏差趋近于0并稳定后输出指令为0，因此当机组的负荷调节满足电网要求的响应速度和幅度并达到稳定后即自动退出对高旁供热的干预，而这种短时动态的调节在巨大的供热系统换热站惯性面前可以忽略不计，并不影响供热的性能，从而实现供热与调频兼顾的效果，使机组在实现热电解耦的同时，大幅提高调频响应能力，可有效缓解我国三北地区供热季面临的电网的风光等新能源消纳问题。
其中，微分控制器9采用输出指令的正、负双向限幅，可保证机组的升、降负荷需求均能响应；微分控制器10则采用最低输出为0的限幅，也即仅输出正向开大减温喷水调门6的指令。这样，当机组升负荷瞬间有超温风险时，不影响增加减温喷水量从而缓解超温风险的功能；当机组降负荷时，并不会输出关小再热器减温喷水的作用，以避免因关小减温喷水造成额外的再热器管道超温风险；同时，当机组升负荷结束后，负荷控制偏差翻转为负时，同样可输出开大减温喷水调门6的指令，避免调节过调的回调过程造成再热器3的超温风险。
另外，当机组控制系统收到升负荷指令时，所述机组控制系统控制比例微分控制器输出至旁路供热减温减压阀采用大于1的增益系数，以在调节过程中保持经过高压旁路减温减压阀7的旁路流量都能全部抽出供热外，在动态调节过程将来自再热器3的总蒸汽流量更多地排挤至汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸5，或更多地抽走进入汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸5做功的蒸汽，从而进一步增大辅助机组负荷调节的能力而不影响再热器3的工作状态和安全性。
通过开启高压旁路减温减压阀将来自锅炉过热器的高温高压做功蒸汽的一部分通过高压旁路管道降温降压后，与汽轮机高压缸做功后的蒸汽汇合送入再热器，经过再热器加热后通过旁路供热减温减压阀的流量直接送去供热，能在保障供热能力和大幅降低发电功率的同时，具备更高的调频能力，对清洁能源消纳将具有更加重大的意义。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，包括：
锅炉过热器的主干路管道连接汽轮机高压缸、再热器、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；
所述汽轮机高压缸的进口管路处连通高压缸进汽调节阀；
所述再热器连接用于向再热器喷入冷水的再热器减温喷水调门；
所述锅炉过热器的高压旁路管道连接高压旁路减温减压阀，所述高压旁路减温减压阀连接再热器的进口管路处；
所述再热器的出口管道上连通旁路供热减温减压阀；
所述旁路供热减温减压阀和高压旁路减温减压阀连接比例微分控制器；所述减温喷水调门连接微分控制器；
所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度；
所述微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制减温喷水调门的开度。
2.如权利要求1所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频升负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出负的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例关小阀门；
所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例关小阀门。
3.如权利要求1所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述比例微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制高压旁路减温减压阀、旁路供热减温减压阀的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频降负荷指令时，机组控制系统向比例微分控制器发送输出正的比例和微分控制指令；所述比例微分控制器控制高压旁路减温减压阀按比例开大阀门；
所述比例微分控制器还控制旁路供热减温减压阀按比例开大阀门。
4.如权利要求1所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述微分控制器接收来自机组控制系统发送过来的负荷控制偏差信号来控制减温喷水调门的开度具体包括：
当机组控制系统接收来自外部电网发送过来的快速调频升负荷指令时，机组控制系统向微分控制器发送正的负荷控制偏差信号时，微分控制器输出微分控制指令，控制再热器减温水调门快速开大再热器减温水调门。
5.如权利要求2或3所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述比例微分控制器采用输出指令的正、负双向限幅，来完成机组控制系统的升、降负荷的响应。
6.如权利要求4所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述微分控制器采用最低输出为0的限幅，来输出正向开大减温喷水调门的开启角度。
7.如权利要求2-4任一项所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，所述比例微分控制器和微分控制器在负荷控制偏差信号趋近于0并稳定后输出指令为0。
8.如权利要求2所述的辅助调频的汽轮机高旁灵活供热系统，其特征在于，当机组控制系统收到升负荷指令时，所述机组控制系统控制比例微分控制器输出至旁路供热减温减压阀采用大于1的增益系数。
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