CN112431643B - 一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,它包括获取机组正常运行期间的膨胀发电机组实际转速、末级膨胀机级组入口压力实测值和维持本机组运行所需所有辅助设备的电功率,得到实际负荷,得到当前实际负荷下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值;根据实际转速、额定转速、末级膨胀机级组入口压力应达值与末级膨胀机级组入口压力实测值得到进气调节门的开度指令,控制进气调节门开度将发电机转速调整到额定值;解决了由于加热器及进气管道的的气侧容积带来的转速响应滞后,机组甩负荷后转速飞升大、过渡时间较长等问题;有利于压缩空气储能膨胀发电机组在甩负荷后快速恢复并网。
Description
技术领域
本发明属于压缩空气储能发电设备控制领域,具体涉及一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法。
背景技术
随着能源结构多元化,储能技术得到蓬勃发展,而压缩空气储能则是一项具有光明前景的技术。在保障供电可靠性方面,储能技术有着重要作用,压缩空气储能由于其储能容量大,在快速恢复并较长时间保障重要负荷方面,可以发挥非常好的示范作用。
压缩空气储能系统的工作分为储能和释能两个阶段。储能阶段,利用电网多余的电能带动电动机,进而驱动压缩机将空气压缩至高压状态,储存于储气室,压缩产生的热量收集保存在高温储热罐中;释能阶段,高压空气从储气室释放,先在换热器中被加热,再进入膨胀机膨胀做功,带动发电机发电。
压缩空气储能系统的膨胀机组一般由多个级组构成。由于压缩空气在膨胀后温度下降较大,为了保证各级膨胀机的进气温度,必须在每级膨胀机前都设置一台加热器,用以提升压缩空气温度。加热器体积较大,必须单独布置,加热器与膨胀机级组之间通过管道连接。
在释能过程中,首先需要启动膨胀发电机组,将膨胀发电机组的转速从零提升到额定转速,然后并网发电。膨胀发电机组的功率通过布置在第一级加热器前的进气调节门控制。
由于压缩空气储能的特点,机组在冲转前和并网发电期间,必须有大量辅助设备运行,否则,机组不允许运行。
压缩空气储能膨胀发电机组并网期间,存在从电网解列的风险。为了充分发挥压缩空气储能膨胀发电机组的保障作用,必须尽快恢复并网。特别是在大电网故障、压缩空气储能膨胀发电机组保障重要负荷运行期间,膨胀发电机组的生存能力异常关键,需要膨胀发电机组具备甩负荷后自带厂用电运行的能力,即:机组从电网解列后,应能够继续发电,为本机组运行所需的辅助设备提供电力。同时,由于甩负荷后自带厂用电运行事实上构成了孤网,频率将出现变化。在这种方式下,保持功率-负荷平衡,并将频率(即发电机转速)控制在额定值,是控制的重中之重。
目前,压缩空气储能膨胀发电机组在甩负荷后快速恢复方面主要存在以下问题:1、由于加热器和管道等中间容积的存在,转速响应滞后,机组甩负荷后转速飞升大;2、目前甩负荷后的控制策略,单纯以转速控制为目标,过渡时间较长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:提供一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,以解决现有技术压缩空气储能膨胀发电机组在甩负荷后快速恢复时存在的由于加热器和管道等中间容积的存在,转速响应滞后,机组甩负荷后转速飞升大;2、目前甩负荷后的控制策略,单纯以转速控制为目标,过渡时间较长等技术问题。
本发明的技术方案:
一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,它包括:
步骤1、手动改变膨胀发电机组入口进气调节门(7)开度,令发电机功率增加直至到达额定功率,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系表;
步骤2、对发电机功率N与末级膨胀机级组入口压力P关系表的数据,分段进行拟合得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N);P为末级膨胀机级组入口压力,N为发电机功率;
步骤3、将曲线P=f(N)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3);
步骤4、机组正常运行期间,转速测量模块(1)从发电机处连续测取转速原始信号并进行处理和运算,得到膨胀发电机组实际转速ωi;
步骤5、使用高精度压力变送器(6)连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值Pi;
步骤6、使用功率变送器(5)测取维持本机组运行所需所有辅助设备的电功率,送入厂内负荷测量及计算模块(2);
步骤7、厂内负荷测量及计算模块(2)将测得的各辅助设备功率相加,得到实际负荷Ni,送入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3);
步骤8、发电机出口断路器(15)断开时,膨胀发电机组与电网解列发生甩负荷,进入甩负荷自带厂用电运行方式;
步骤9、末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3)实时接收实际负荷Ni;得到当前实际负荷Ni下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0;
步骤10、根据实际转速ωi、额定转速ω0、末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi得到进气调节门(7)的开度指令y,控制进气调节门(7)开度,将发电机转速调整到额定值。
转速测量模块(1)包括转速探头和转速卡,转速探头采用电涡流传感器及配套的前置放大器;转速卡的采样频率至少是发电机转速原始信号频率的5倍,转速卡的运算周期≤50ms。
高精度压力变送器的精度达到0.075%以上,控制系统(4)对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期≤50ms。
控制系统(4)中末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3)的运算周期≤100ms。
步骤1所述令发电机功率增加直至到达额定功率,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系表的方法为:发电机功率每提升5%额定功率,应稳定至少10min,待发电机功率和末级膨胀机级组入口压力均不再变化后,记录发电机功率和末级膨胀机级组入口压力,直至到达额定功率,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系表,如下表:
功率(%ECR) | 0 | 5 | 10 | ... | i×5%ECR | ... | 额定功率 |
末级膨胀机级组入口压力(kPa) | 0 | P1 | P2 | ... | Pi | ... | Pn |
ECR指机组额定功率。
步骤2所述分段进行拟合得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)的方法为:将负荷分为0~10%额定负荷、10~20%额定负荷、20~100%额定负荷三段,在三个负荷段分别按照二次多项式进行拟合,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)。
步骤9所述得到当前实际负荷Ni下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0的方法为:将实际负荷Ni代入功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)获得。
步骤10所述根据实际转速ωi、额定转速ω0、末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi得到进气调节门(7)的开度指令y的方法为:甩负荷转速调节PID(16)接收实际转速ωi和额定转速ω0,进行运算,输出xa。末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi做差,得到dP。dP除以Pi0,得到dP0。xa和dP0进入加法器(19),做加权求和计算,加法器(19)的输出进入切换模块,作为进气调节门(7)的开度指令y。
本发明有益效果:
本发明利用末级膨胀机入口压力与机械功率的对应关系,将甩负荷后自带厂用电运行的转速控制问题,转化为压力应达值调节和转速调节。甩负荷后,通过实时采集当前实际负荷,利用本发明得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N),引入末级膨胀机入口压力,实现机组出力与厂用负荷的粗平衡,在压力达到应达值后,由转速PID完成后续的转速精细调节,从而实现甩负荷自带厂用电的转速快速稳定。
只要按照本发明的要求配置转速探头、转速卡及高精度压力变送器等测量元件,控制系统的扫描周期和运算周期均达到本发明提出的要求,并按本发明的附图2对控制逻辑进行修改,就可以实现膨胀发电机组甩负荷后自带厂用电时转速的快速稳定,解决转速控制响应慢、恢复并网所需时间长的问题。
附图说明
图1为本发明所涉及装置和设备的示意图(以三级膨胀机为例);
图2为本发明的控制逻辑示意图。
在图1和图2中,1.转速测量模块;2.厂内负荷测量及计算模块;3.末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块;4.控制系统;5.高精度功率变送器;6.专用高精度压力变送器;7.进气调节门;8.加热器;9.储气罐;10.减速箱;11.发电机;12.第一级膨胀机级组;13.第二级膨胀机级组;14.末级膨胀机级组;15.发电机出口断路器;16.甩负荷转速调节PID;17.减法器;18.除法器;19.加法器。
具体实施方式
实施例1:如图1所示,一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,包括转速测量模块、厂内负荷测量及计算模块和末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。
发明实施前的设备准备:
在本实施例中,发电机转速为3000r/min,发电机测速齿轮的齿数为60个,发电机转速原始信号的频率为60Hz。转速测量模块包括转速探头和转速卡三部分,转速探头采用本特利3500电涡流传感器及配套的前置放大器;转速卡的采样频率为1000Hz,转速卡的运算周期应为50ms。
使用罗斯蒙特3051绝对压力变送器,作为高精度压力变送器,测取末级膨胀机级组入口压力实测值Pi。该压力变送器的量程为400kPa,精度0.075%,控制系统对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期为50ms。
控制系统中末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块的运算周期为100ms。
发明实施前的准备:
本发明实施前,膨胀机和发电机已具备启动发电条件,在手动方式下完成膨胀发电机组带负荷试验。
准备步骤1:手动改变膨胀发电机组入口进气调节门开度,令发电机功率增加。发电机功率每提升5%额定负荷,稳定10min,待发电机功率和末级膨胀机级组入口压力均不再变化后,记录发电机功率和末级膨胀机级组入口压力,直至到达额定功率,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系表。如下表:
准备步骤2:对发电机功率N与末级膨胀机级组入口压力P关系表的数据,分段进行拟合。分为0~10%额定负荷、10~20%额定负荷、20~100%额定负荷三段,在三个负荷段分别按照二次多项式进行拟合,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N):P=a1 N2+a2N+a3,其中,在0~10%负荷段:a1=6,a2=19,a3=93;在10~20%负荷段(不含10%额定负荷):a1=-6,a2=41,a3=83;在20~100%负荷段(不含20%额定负荷):a1=0.6127,a2=17.821,a3=100.47。
准备步骤3:将曲线P=f(N)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。
发明实施步骤:
步骤1:机组正常运行期间,转速测量模块从发电机处连续测取转速原始信号并进行处理和运算,得到膨胀发电机组实际转速ωi。
步骤2:使用高精度压力变送器6,连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值Pi。
步骤3:使用高精度功率变送器,测取维持本机组运行所需所有辅助设备的电功率,送入厂内负荷测量及计算模块,经处理后得到实际负荷Ni,送入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块。
步骤4:发电机出口断路器断开,膨胀发电机组与电网解列,发生甩负荷,进入甩负荷自带厂用电运行方式。
步骤5:末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块实时接收末级膨胀机级组入口压力实测值Pi和实际负荷Ni。将实际负荷Ni代入功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N),得到当前实际负荷Ni下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0。
步骤8:甩负荷转速调节PID16接收实际转速ωi和额定转速ω0,进行运算,输出xa。末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi做差,得到dP。dP除以Pi0,得到dP0。xa和dP0进入加法器19,做加权求和计算,加法器19的输出进入切换模块,作为进气调节门7的开度指令y,控制进气调节门7开度,将发电机转速调整到额定值。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式实例,本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易找到变化或替换方式,这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,它包括:
步骤1、手动改变膨胀发电机组入口进气调节门(7)开度,令发电机功率增加直至到达额定功率,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系表;
步骤2、对发电机功率N与末级膨胀机级组入口压力P关系表的数据,分段进行拟合得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N);P为末级膨胀机级组入口压力,N为发电机功率;
步骤3、将曲线P=f(N)录入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3);
步骤4、机组正常运行期间,转速测量模块(1)从发电机处连续测取转速原始信号并进行处理和运算,得到膨胀发电机组实际转速ωi;
步骤5、使用高精度压力变送器(6)连续测取末级膨胀机级组入口压力实测值Pi;
步骤6、使用功率变送器(5)测取维持本机组运行所需所有辅助设备的电功率,送入厂内负荷测量及计算模块(2);
步骤7、厂内负荷测量及计算模块(2)将测得的各辅助设备功率相加,得到实际负荷Ni,送入末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3);
步骤8、发电机出口断路器(15)断开时,膨胀发电机组与电网解列发生甩负荷,进入甩负荷自带厂用电运行方式;
步骤9、末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3)实时接收实际负荷Ni;得到当前实际负荷Ni下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0;
步骤10、根据实际转速ωi、额定转速ω0、末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi得到进气调节门(7)的开度指令y,控制进气调节门(7)开度,将发电机转速调整到额定值。
2.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:转速测量模块(1)包括转速探头和转速卡,转速探头采用电涡流传感器及配套的前置放大器;转速卡的采样频率至少是发电机转速原始信号频率的5倍,转速卡的运算周期≤50ms。
3.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:高精度压力变送器的精度达到0.075%以上,控制系统(4)对末级膨胀机级组入口压力信号的扫描周期≤50ms。
4.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:控制系统(4)中末级膨胀机级组入口压力应达值计算模块(3)的运算周期≤100ms。
6.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:步骤2所述分段进行拟合得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)的方法为:将负荷分为0~10%额定负荷、10~20%额定负荷、20~100%额定负荷三段,在三个负荷段分别按照二次多项式进行拟合,得到发电机功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)。
7.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:步骤9所述得到当前实际负荷Ni下对应的末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0的方法为:将实际负荷Ni代入功率与末级膨胀机级组入口压力的关系曲线P=f(N)获得。
8.根据权利要求1所述的一种膨胀发电机组甩负荷自带厂用电转速快速稳定方法,其特征在于:步骤10所述根据实际转速ωi、额定转速ω0、末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi得到进气调节门(7)的开度指令y的方法为:
甩负荷转速调节PID(16)接收实际转速ωi和额定转速ω0,进行运算,输出xa;末级膨胀机级组入口压力应达值Pi0与末级膨胀机级组入口压力实测值Pi做差,得到dP;dP除以Pi0,得到dP0;xa和dP0进入加法器(19),做加权求和计算,加法器(19)的输出进入切换模块,作为进气调节门(7)的开度指令y。
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