CN112412558A - 一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，所述系统包括锅炉控制模块、高低压旁路控制模块、调速控制模块、汽轮机控制模块和发电机控制模块，且所述调速控制模块的控制端与所述发电机控制模块相连接，所述调速控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述高低压旁路控制模块的输入端相连接，所述高低压旁路控制模块的输出端与汽轮机控制模块的输入端相连接，所述汽轮机控制模块的输出端与所述发电机控制模块相连接。本发明实施例可保证火电机组在重新并网后快速增发功率以恢复送电，大幅度提高火电机组的可用率与经济性。

Description

一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统
技术领域
本发明涉及火电机组控制技术领域，尤其涉及一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统。
背景技术
快速甩负荷(FCB)功能是在系统发生故障瞬间切除对外供电负荷时，维持火电机组带厂用电孤岛运行且快速恢复供电，保障机组安全。我国大部分传统火电机组不具备快速甩负荷(FCB)功能，使得传统火电机组在电力系统发生大面积停电故障时，无法为发电机组提供可快速重启的外部电源，难以解决火电机组的可用率和经济性问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，可保证火电机组在重新并网后快速增发功率以恢复送电，大幅度提高火电机组的可用率与经济性。
为了解决上述问题，本发明提出了一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，所述系统包括锅炉控制模块、高低压旁路控制模块、调速控制模块、汽轮机控制模块和发电机控制模块，且所述调速控制模块的控制端与所述发电机控制模块相连接，所述调速控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述高低压旁路控制模块的输入端相连接，所述高低压旁路控制模块的输出端与汽轮机控制模块的输入端相连接，所述汽轮机控制模块的输出端与所述发电机控制模块相连接；其中，
所述调速控制模块用于基于所述输出控制单元所反馈输出的电磁功率与机组转速对汽轮机组的运行参数进行偏差运算与参数更新；
所述锅炉控制模块用于根据给定供煤量与供水量，生成影响所述汽轮机组运作的出口主蒸汽；
所述高低压旁路控制模块用于根据给定的甩负荷判断信号，开启高低压旁路阀来控制所述出口主蒸汽的参数含量；
所述汽轮机控制模块用于以所述出口主蒸汽为动力，将所述出口主蒸汽的热能适当转化为旋转机械能；
所述发电机控制模块用于利用所述旋转机械能来驱动发电机做功，输出适应电力需求的用电负荷。
可选的实施方式，所述调速控制模块包括调速器；
所述调速器用于根据所述电磁功率与所述机组转速获取所述汽轮机组的运行参数偏差量，并基于所述运行参数偏差量分别生成中压阀位控制指令与高压阀位控制指令。
可选的实施方式，所述调速控制模块还包括第一执行机构和第二执行机构，所述第一执行机构与所述调速器相连接，所述第二执行机构与所述调速器相连接；其中，
所述第一执行机构用于对所述中压阀位控制指令进行动作响应；
所述第二执行机构用于对所述高压阀位控制指令进行动作响应。
可选的实施方式，所述汽轮机控制模块包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；
所述汽轮机高压缸与所述第一执行机构相连接，所述汽轮机高压缸与所述锅炉控制模块相连接，所述汽轮机高压缸通过再热器与所述汽轮机中压缸相连接；所述汽轮机中压缸与所述第二执行机构相连接，所述汽轮机中压缸与所述汽轮机低压缸相连接，所述汽轮机低压缸与所述发电机控制模块相连接。
可选的实施方式，所述高低压旁路控制模块包括高压旁路、低压旁路和高低压旁路控制单元，且所述高压旁路与所述汽轮机高压缸相连接，所述高压旁路与所述再热器相连接，所述低压旁路与所述汽轮机中压缸相连接，所述高低压旁路控制单元与所述高压旁路相连接，所述高低压旁路控制单元与所述低压旁路相连接；其中，
所述高压旁路用于对所述出口主蒸汽进行分流控制；所述低压旁路用于对所述再热器所输出的出口蒸汽进行再分流控制，并输出至凝汽器完成回收工质；所述高低压旁路控制单元用于对流经所述高压旁路与所述低压旁路的相关流量参数进行监控调整。
可选的实施方式，所述系统还包括甩负荷判断模块；
所述甩负荷判断模块的输入端与所述发电机控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述调速控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述锅炉控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述高低压旁路控制模块相连接；且所述甩负荷判断模块用于对整个火电机组控制系统的快速甩负荷动作信号进行识别验证。
本发明实施例所提供的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，通过各个相关模块的配合运作，在改善机组启动和负荷特性的同时，可提高机组运行的灵活性、安全性和负荷适应性；通过设置甩负荷判断模块可实时监控火电机组的FCB功能触发状态，有利于保证火电机组在重新并网后快速增发功率以恢复送电，大幅度提高火电机组的可用率与经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统的结构组成示意图；
图2是本发明实施例中的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统的具体结构组成示意图；
图3是本发明实施例中的锅炉控制模块的内部原理示意图；
图4是本发明实施例中的一次调频仿真结果示意图；
图5是本发明实施例中的转速变化曲线示意图；
图6是本发明实施例中的中压调门开度变化曲线示意图；
图7是本发明实施例中的高压调门开度变化曲线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，图1示出了本发明实施例中的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统的结构组成示意图。
如图1所示，一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，所述系统包括锅炉控制模块、高低压旁路控制模块、调速控制模块、汽轮机控制模块、发电机控制模块和甩负荷判断模块。
基本的，所述调速控制模块的控制端与所述发电机控制模块相连接，所述调速控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述高低压旁路控制模块的输入端相连接，所述高低压旁路控制模块的输出端与汽轮机控制模块的输入端相连接，所述汽轮机控制模块的输出端与所述发电机控制模块相连接；所述甩负荷判断模块的输入端与所述发电机控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述调速控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述锅炉控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述高低压旁路控制模块相连接。
在本发明实施过程中，所述调速控制模块用于基于所述输出控制单元所反馈输出的电磁功率与机组转速对汽轮机组的运行参数进行偏差运算与参数更新；所述锅炉控制模块用于根据给定供煤量与供水量，生成影响所述汽轮机组运作的出口主蒸汽；所述高低压旁路控制模块用于根据给定的甩负荷判断信号，开启高低压旁路阀来控制所述出口主蒸汽的参数含量；所述汽轮机控制模块用于以所述出口主蒸汽为动力，将所述出口主蒸汽的热能适当转化为旋转机械能；所述发电机控制模块用于利用所述旋转机械能来驱动发电机做功，输出适应电力需求的用电负荷；此外，所述甩负荷判断模块用于对整个火电机组控制系统的快速甩负荷动作信号进行识别验证。
请参阅图2，图2示出了本发明实施例中的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统的具体结构组成示意图，可对图1所示出的各个模块进行展开说明如下：
进一步的，所述调速控制模块包括调速器、第一执行机构和第二执行机构；其中，所述第一执行机构与所述调速器相连接，所述第二执行机构与所述调速器相连接。在具体实施过程中，所述调速器用于根据所述电磁功率与所述机组转速获取所述汽轮机组的运行参数偏差量，并基于所述运行参数偏差量分别生成中压阀位控制指令与高压阀位控制指令；所述第一执行机构用于对所述中压阀位控制指令进行动作响应；所述第二执行机构用于对所述高压阀位控制指令进行动作响应。需要说明的是，所述调速器在开始运行之前需要通过手动方式或者自动方式给定其设定值及变化速率，包括主蒸汽压力、功率、转速护额变化率等。
在本发明实施例中，当机组快速甩负荷(FCB)动作以后，所述发电机控制模块的输出功率瞬间减小，而此时火电机组仍处于正常工作状态，从而快速打破所述汽轮机控制模块输入所述发电机控制模块的机械功率以及所述发电机控制模块所输出的电磁功率之前的平衡状态。由于此时输入所述发电机控制模块的机械功率远大于其输出的电磁功率，导致所述汽轮机控制模块运行所涉及到的汽轮机转速会出现飞升现象，因此可通过所述调速控制模块来控制该汽轮机在极短时间内关闭蒸汽调节气门，防止该汽轮机的转速超过允许的安全范围，同时使得其转速逐渐恢复至稳定状态下的额定转速。
进一步的，图3示出了本发明实施例中的锅炉控制模块的内部原理示意图。在针对所述火电机组控制系统内部所使用到的直流锅炉的动态建模仿真分析中，为了使得进入直流锅炉的给水热量符合实际应用逻辑，此处基于质量平衡原理以及能量平衡原理，对直流锅炉的煤量与水量的配比进行适当调整控制，所搭建的直流锅炉控制模型如图3所示：Uw为给水量，Ub为给煤量，Ta为燃料热释放延迟时间，Tt为蒸汽流经过热器的延迟时间，Teva为蒸汽在锅炉中的延迟时间，Ka、Kb、Kc均为比例系数，Hwb为给水流量的增益，Keva为热释放的增益，Heva为蒸发器出口蒸汽流量的增益。
进一步的，所述汽轮机控制模块包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；其中，所述汽轮机高压缸与所述第一执行机构相连接，所述汽轮机高压缸与所述锅炉控制模块相连接，所述汽轮机高压缸通过再热器与所述汽轮机中压缸相连接；所述汽轮机中压缸与所述第二执行机构相连接，所述汽轮机中压缸与所述汽轮机低压缸相连接，所述汽轮机低压缸与所述发电机控制模块相连接。
在本发明实施过程中，所述直流锅炉所输出的出口主蒸汽通过所述汽轮机高压缸控制蒸汽量，可达到最终控制所述汽轮机的冲动转数的目的；此外，由于传统的火电机组只能实现高压调节阀的单独调节，相应执行机构输出的调门开度仅控制从锅炉流入原动机的主蒸汽流量，本发明实施例为反映出精确的动态响应以及提高原动机控制的灵活性，在原有机组模型的基础上加入所述汽轮机中压缸作为中压调节阀，以保证对所述汽轮机启动的可靠性。
进一步的，所述高低压旁路控制模块包括高压旁路、低压旁路和高低压旁路控制单元；其中，所述高压旁路与所述汽轮机高压缸相连接，所述高压旁路与所述再热器相连接，所述低压旁路与所述汽轮机中压缸相连接，所述高低压旁路控制单元与所述高压旁路相连接，所述高低压旁路控制单元与所述低压旁路相连接。在具体实施过程中，所述高压旁路用于对所述出口主蒸汽进行分流控制；所述低压旁路用于对所述再热器所输出的出口蒸汽进行再分流控制，并输出至凝汽器完成回收工质；所述高低压旁路控制单元用于对流经所述高压旁路与所述低压旁路的相关流量参数进行监控调整，且所述相关流量参数包括高低压旁路的旁路开度、旁路减温水流量、旁路入口蒸汽流量和旁路出口蒸汽流量。
进一步的，所述发电机控制模块包括发电机组和励磁系统，且所述发电机组与所述汽轮机组相连接，所述励磁系统与所述发电机组相连接。在具体实施过程中，所述汽轮机组用于结合所述汽轮机高压缸、所述汽轮机中压缸和所述汽轮机低压缸所输入的总蒸汽量，将所述总蒸汽量的热能转换为旋转机械能，以供所述发电机组转换为电能；所述励磁系统用于根据所述发电机组的负荷变化产生相应的励磁电流，并基于所述励磁电流对所述发电机组的机端电压进行调节。
进一步的，所述甩负荷判断模块可触发FCB动作信号产生的工作原理包括：当所述发电机发生解列时，可直接将解列信号作为FCB动作信号；当所述发电机的电磁功率与所述汽轮机的机械功率之间的差值大于设定值n0时，则火电机组会产生FCB动作信号；当所述发电机的转速高于设定值ω0时，则火电机组会产生FCB动作信号。
此外，本发明实施例利用ADPSS仿真软件对整个火电机组控制系统进行建模与试验分析：
(1)在转速测量环节加入转速扰动环节，通过所述汽轮机的当前转速与额定转速的偏差进行一次调频试验，此时设定转速扰动值为+10/3000，且在转速偏差信号发生之后设置一个±2r/min的死区，即在所述汽轮机的额定转速为n＝3000r/min的情况下，仅转速为n<2998或者n>3002时允许执行一次调频试验，避免火电机组在转速变化很小时出现频繁调节功率的现象；
结合图4所示出的本发明实施例中的一次调频仿真结果示意图，可看出：仿真结果与实测数据相吻合，验证所述火电机组控制系统的有效性，且当所述发电机的转速达到10r/min时，火电机组发挥一次调频的功能(对应的调频规律为：转速变化为a％，则功率反向变化为20a％)，可迅速减少系统发出的有功功率，从而保证电网频率的稳定性。
(2)设置第20秒所述发电机的出口断路器跳闸，此时发生100％甩负荷故障且机组带厂用电负荷孤岛运行，以此执行对所述火电机组控制系统的甩负荷试验。
结合图5所示出的本发明实施例中的转速变化曲线示意图，可知：火电机组的转速在短时间内急速上升，且当其超过额定转速的103％(即3090r/min)时，将触发超速保护控制(OPC)动作，使得高压调门和中压调门同时快速关闭，如图6与图7所示。然而，火电机组的转速在高压调门和中压调门均关闭的情况下反而继续上升，达到额定转速的105.7％，为FCB工况下的最大转速，且在特定时间段后降低至额定转速以下，此时超速保护控制(OPC)动作退出，高压调门和中压调门逐渐启动以共同控制转速，使得火电机组能够带厂用电运行。
本发明实施例所提供的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，通过各个相关模块的配合运作，在改善机组启动和负荷特性的同时，可提高机组运行的灵活性、安全性和负荷适应性；通过设置甩负荷判断模块可实时监控火电机组的FCB功能触发状态，有利于保证火电机组在重新并网后快速增发功率以恢复送电，大幅度提高火电机组的可用率与经济性。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明实施例所提供的一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述系统包括锅炉控制模块、高低压旁路控制模块、调速控制模块、汽轮机控制模块和发电机控制模块，且所述调速控制模块的控制端与所述发电机控制模块相连接，所述调速控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述汽轮机控制模块的输入端相连接，所述锅炉控制模块的输出端与所述高低压旁路控制模块的输入端相连接，所述高低压旁路控制模块的输出端与汽轮机控制模块的输入端相连接，所述汽轮机控制模块的输出端与所述发电机控制模块相连接；其中，
所述调速控制模块用于基于所述输出控制单元所反馈输出的电磁功率与机组转速对汽轮机组的运行参数进行偏差运算与参数更新；
所述锅炉控制模块用于根据给定供煤量与供水量，生成影响所述汽轮机组运作的出口主蒸汽；
所述高低压旁路控制模块用于根据给定的甩负荷判断信号，开启高低压旁路阀来控制所述出口主蒸汽的参数含量；
所述汽轮机控制模块用于以所述出口主蒸汽为动力，将所述出口主蒸汽的热能适当转化为旋转机械能；
所述发电机控制模块用于利用所述旋转机械能来驱动发电机做功，输出适应电力需求的用电负荷。
2.根据权利要求1所述的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述调速控制模块包括调速器；
所述调速器用于根据所述电磁功率与所述机组转速获取所述汽轮机组的运行参数偏差量，并基于所述运行参数偏差量分别生成中压阀位控制指令与高压阀位控制指令。
3.根据权利要求2所述的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述调速控制模块还包括第一执行机构和第二执行机构，所述第一执行机构与所述调速器相连接，所述第二执行机构与所述调速器相连接；其中，
所述第一执行机构用于对所述中压阀位控制指令进行动作响应；
所述第二执行机构用于对所述高压阀位控制指令进行动作响应。
4.根据权利要求3所述的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述汽轮机控制模块包括汽轮机高压缸、汽轮机中压缸和汽轮机低压缸；
所述汽轮机高压缸与所述第一执行机构相连接，所述汽轮机高压缸与所述锅炉控制模块相连接，所述汽轮机高压缸通过再热器与所述汽轮机中压缸相连接；所述汽轮机中压缸与所述第二执行机构相连接，所述汽轮机中压缸与所述汽轮机低压缸相连接，所述汽轮机低压缸与所述发电机控制模块相连接。
5.根据权利要求4所述的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述高低压旁路控制模块包括高压旁路、低压旁路和高低压旁路控制单元，且所述高压旁路与所述汽轮机高压缸相连接，所述高压旁路与所述再热器相连接，所述低压旁路与所述汽轮机中压缸相连接，所述高低压旁路控制单元与所述高压旁路相连接，所述高低压旁路控制单元与所述低压旁路相连接；其中，
所述高压旁路用于对所述出口主蒸汽进行分流控制；所述低压旁路用于对所述再热器所输出的出口蒸汽进行再分流控制，并输出至凝汽器完成回收工质；所述高低压旁路控制单元用于对流经所述高压旁路与所述低压旁路的相关流量参数进行监控调整。
6.根据权利要求5所述的具备快速甩负荷功能的火电机组控制系统，其特征在于，所述系统还包括甩负荷判断模块；
所述甩负荷判断模块的输入端与所述发电机控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述调速控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述锅炉控制模块相连接，所述甩负荷判断模块的输出端与所述高低压旁路控制模块相连接；且所述甩负荷判断模块用于对整个火电机组控制系统的快速甩负荷动作信号进行识别验证。
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