CN112923986B - 一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，该方法首先根据能量平衡原理建立机组从省煤器入口至高温过热器出口的实时平衡模型，并建立燃煤机组燃料量蓄热前馈实时动态计算模型；其次，根据机组运行的控制参数偏差建立锅炉燃料量蓄热前馈计算触发条件；最后根据蓄热计算量和蓄热计算触发条件，构建快进缓退计算策略，避免燃料量的大扰动对控制参数造成震荡，获得最终的燃煤机组燃料量蓄热计算前馈；使机组更加安全、经济、稳定运行。

Description

一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法

技术领域

本发明涉及一种燃煤机组煤量前馈补偿方法，具体涉及一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法。

背景技术

我国以燃煤电站为主的电力供应格局在未来相当长的时间内不会发生根本性改变，而随着我国火力发电机组的能源结构变化，火力发电机组从基荷型电源向调节型电源转变，机组面临着快速调峰和调频压力，在动态升降负荷过程中，往往锅炉和汽轮机能量不能达到实时平衡，造成机组主要控制参数波动大。为维持机组主汽压力和主汽温度等主要运行指标的稳定控制，一个重要的解决思路就是实时核算锅炉蓄热量的大小，通过调整锅炉的蓄热能力实时匹配汽轮机的能力需求，实现锅炉和汽轮机的动态平衡。

目前来说，火力发电机组锅炉蓄热的计算方法多采用集总参数法，即利用热力学和传热学基本原理构建机组的能量平衡微分方程，在通过离线试验的方法预设过程参数，通过求偏微分方程的方式实现机组蓄热量的实时动态解算，该方法的优点理论比较完善，所得到的蓄热计算值误差相对较小；但是由于其建模复杂且存在大量的微分方程解算，使得其不易于理解且用于实时控制比较困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有燃煤机组燃料量蓄热前馈计算存在的不足，提供了一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：

一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，该方法从机组省煤器入口至高温过热器出口建立蓄热计算模型，通过离线历史数据寻优的方式建立各段的负荷与介质焓值的理论模型，实时快速解算燃煤机组锅炉蓄热燃料量前馈，并根据机组实际运行参数偏差和运行范围建立锅炉燃料量蓄热计算触发条件，同时建立锅炉蓄热燃料量快进缓退的计算策略，避免燃料的快速波动造成机组系统主要控制参数的波动。

本发明进一步的改进在于，该方法具体包括以下步骤：

1)根据燃煤机组主汽压力，主汽压力设定值，机组负荷指令、锅炉给水流量、机组负荷对应理想燃料量建立燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法；

2)对步骤1)中的所建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈计算的基础上进一步利用机组负荷指令、锅炉给水流量、燃煤机组主汽压力和主汽压力设定值建立燃煤机组燃料量蓄热前馈输出控制触发条件；

3)对步骤1)中的所建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈计算的基础和步骤2)中所建立的燃煤机组燃料量前馈输出控制触发条件，建立燃煤机组燃料量蓄热前馈快进缓退计算策略，并最终得到燃煤机组燃料量前馈补偿值。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，利用燃煤机组主汽压力，主汽压力设定值，机组负荷指令，锅炉给水流量和机组负荷对应理想燃料量建立燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，具体如下：

从燃煤机组省煤器入口至燃煤机组高温过热器出口的锅炉汽水通道所含的能量计算如下：

m₀(h₁-h₀)＝F.K

式中，m₀为锅炉给水流量，单位为t/h；h₁表示燃煤机组高温过热器出口蒸汽在额定温度下，不同主汽压力设定值下的理想蒸汽比焓，单位为kJ/kg；h₀表示燃煤机组省煤器入口给水在不同机组负荷指令下的理想给水比焓，单位为kJ/kg；F为机组负荷指令对应理想燃料量，单位为t/h；K为机组蒸汽所含能量占机组燃料量所含能量的比例，为无量纲数，且在机组负荷升降过程中不发生变化；

当机组运行状态发生变化后，该等式则变为：

m₁(h′₁-h₀)＝F'·K

式中，m₁为机组运行状态发生变化后的锅炉给水流量；h₁'表示机组运行状态发生变化后，不同机组主蒸汽压力下的高温过热器出口蒸汽比焓，其值可根据机组运行状态变化后的主汽压力设定值计算得到；F'为新运行状态下机组燃料需求量；

进一步，燃煤机组蒸汽通道状态变化过程为准稳态过程，则：

上式中，ρ₀、ρ₁分别为机组蒸汽状态发生变化前和蒸汽状态发生变化后的当量密度，单位为kg/m³；V为蒸汽通道总体积，单位为m³；

由于超临界机组蒸汽一次生成，分离器仅起到蒸汽通道的作用，机组蒸汽流量与锅炉给水流量实时平衡，则机组状态变化后，锅炉给水流量变化值Δm为：Δm＝m₁-m₀

将上式进一步变化处理，得：

由克拉贝龙方程式可知，在容器体积不发生变化的情况下，蒸汽流量和蒸汽密度的变化率可近似等于蒸汽压力变化率，上式进一步化简为：

式中，p_s，p_t分别为状态变化前的燃煤机组主汽压力和状态变化后的主蒸汽压力期望值，即主汽压力设定值，单位为MPa；定义D_b为机组当量蓄汽系数，将上式进一步改写为：

式中，D_b可取超临界机组汽机热力校核说明书中75％BMCR工况时的机组主蒸汽流量进行计算；

根据上述计算公式：

进一步化简为：

上式中F'-F即为本模型中需要求解的燃料量前馈控制量，由于机组补充蓄热仅在稳态过程，因此上述煤量前馈也只在机组不变负荷或者变负荷结束后起作用；但因在同一负荷指令下，锅炉给水流量m₀不唯一，因此将该变量进一步处理为机组负荷指令对应的理想给水流量m，即上式修改为：

其中C_FF为燃煤机组燃料量蓄热前馈。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，对已建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF建立计算触发条件TS，即满足下述所有条件时，燃煤机组蓄热前馈计算条件TS被触发；

1)人工热工开关置1；

2)机组主汽压力变化绝对值小于0.1MPa/Min；即根据机组主汽压力进行微分判断，具体如下：

机组主汽压力微分信号p'_s为：

其中T₁为机组主汽压力微分计算时间，K_d1为机组主汽压力微分计算增益，s为拉普拉斯算子，当|p'_s|＜0.1时，则该条件置1；

3)机组主汽压力偏差绝对值小于0.2MPa；机组主汽压力偏差p_dev计算为：

p_dev＝ABS(p_t-p_s)

其中ABS为绝对值计算；当|p_dev|＜0.2时，则该条件置1；

4)滤波后锅炉给水流量的流率变化绝对值小于45t/h/Min；

即根据滤波后的锅炉给水流量进行微分判断，具体如下：为防止因给锅炉水流量信号噪音产生条件频繁触发，对锅炉给水流量信号进行滤波；

其中，m₁为锅炉给水流量滤波信号，T₂为锅炉给水流量滤波时间；则滤波后的锅炉给水流量微分信号m′₁为：

其中T₃为锅炉给水流量微分计算时间，K_d3为锅炉给水流量微分计算增益，当|m₁'|＜45时，则该条件置1；

5)机组负荷指令变化绝对值小于1.5MW/Min；即根据机组负荷指令进行微分判断，具体如下：

机组负荷指令微分信号S'为：

其中S为机组负荷指令，T₄为机组负荷指令微分计算时间，K_d4为机组负荷指令微分计算增益，当|S'|＜1.5时，则该条件置1；

当上述任意一条件不满足时，触发信号为0；将该触发信号取反，得到信号1，并延迟5秒触通；该触通信号发出180s脉冲，在脉冲触发期间，燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF计算值触发；在该脉冲触发后，需等待180秒后，该计算值才有可能被再次触发，以防止该信号频繁触发造成机组主要运行参数来回震荡。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，结合步骤1)和步骤2)中所建立的计算值C_FF和计算触发条件TS，构建燃煤机组锅炉燃料量蓄热前馈快进缓退计算策略，并最终得到燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法如下：

其快进缓退的逻辑原理如下，当触发条件置1时，计算值C_FF被导通进入下一步计算环节，在这里分为两种情况：

当C_FF≥0.0时，该值直接经过大选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为10，下限为0，表示该通道只能经过正值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₅，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了正向触发的快进缓退；

当C_FF<0.0时，该值直接经过小选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为0，下限为-10，表示该通道只能经过负值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₆，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了负向触发的快进缓退；

由于正向和负向两通道在一种状态下只能触发一路，因此将正向通道和负向通道相加，得到最终的燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，首先根据能量平衡原理建立机组从省煤器入口至高温过热器出口的实时平衡模型，并建立燃煤机组燃料量蓄热前馈实时动态计算模型；其次，根据机组运行的控制参数偏差建立锅炉燃料量蓄热前馈计算触发条件；最后根据蓄热计算量和蓄热计算触发条件，构建快进缓退计算策略，避免燃料量的大扰动对控制参数造成震荡，获得最终的燃煤机组燃料量蓄热计算前馈。

附图说明

图1燃煤机组燃料量蓄热前馈计算逻辑图。

图2燃煤机组燃料量蓄热前馈计算触发逻辑图。

图3燃煤机组燃料量蓄热前馈快进缓退计算逻辑图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

本发明提供的一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，以1000MW超超临界机组为例，进行具体说明，包括以下步骤：

1、由前面所示，燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF的计算如下：

上述计算式转变为计算机离散控制系统的计算逻辑图，如附图1所示：

图中，关键是要得到F₁(x)～F₄(x)的分段线性插值函数，其值分别如下：

F₁(x)为：

X₁＝{350,423,500,600,700,800,900,1050,1100}；

Y₁＝{1045.5,1089.5,1134.4,1185.5,1227.8,1267.1,1302.8,1338.2,1353.6,1370}；

F₂(x)为：

X₂＝{10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}；

F₃(x)为：

X₃＝{10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28}；

F₄(x)为：

D_b为机组当量蓄汽系数，按照1000MW的满负荷持续运行工况计算，D_b＝2100；

2、对已建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF建立计算触发条件TS，如附图2所示：

建立燃煤机组蓄热前馈计算触发条件，即满足下述所有条件时，燃煤机组蓄热前馈计算被触发；

(1)人工热工开关置1；

(2)机组主汽压力变化绝对值小于0.1MPa/Min；其中，T₁＝60s，K_d1＝1.0；

(3)机组主汽压力偏差绝对值小于0.2MPa；

(4)滤波后锅炉给水流量的流率变化绝对值小于45t/h/Min；T₂＝3s，T₃＝30s，K_d3＝2.0；

(5)机组负荷指令变化绝对值小于1.5MW/Min；T₄＝30s，K_d4＝2.0；

当上述任意一条件不满足时，触发信号为0；将该触发信号取反，得到信号1，并延迟5秒触通；该触通信号发出180s脉冲，在脉冲触发期间，燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF计算值触发；在该脉冲触发后，需等待180秒后，该计算值才有可能被再次触发，以防止该信号频繁触发造成机组主要运行参数来回震荡；

3、结合步骤1)和步骤2)中所建立的计算值C_FF和计算触发条件TS，构建燃煤机组锅炉燃料量蓄热前馈快进缓退计算策略，并最终得到燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H，如附图3所示：

当触发条件TS置1时，计算值C_FF被导通进入下一步计算环节，在这里分为两种情况：

(1)当C_FF≥0.0时，该值直接经过上图大选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为10，下限为0，表示该通道只能经过正值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₅＝120s，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了正向触发的快进缓退；

(2)当C_FF<0.0时，该值直接经过上图小选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为0，下限为-10，表示该通道只能经过负值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₆＝120s，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了负向触发的快进缓退；

由于上图中正向和负向两通道在一种状态下只能触发一路，因此将正向通道和负向通道相加，得到最终的燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H。

Claims (1)

1.一种燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，其特征在于，该方法从机组省煤器入口至高温过热器出口建立蓄热计算模型，通过离线历史数据寻优的方式建立各段的负荷与介质焓值的理论模型，实时快速解算燃煤机组锅炉蓄热燃料量前馈，并根据机组实际运行参数偏差和运行范围建立锅炉燃料量蓄热计算触发条件，同时建立锅炉蓄热燃料量快进缓退的计算策略，避免燃料的快速波动造成机组系统主要控制参数的波动；该方法包括以下步骤：

1)根据燃煤机组主汽压力，主汽压力设定值，机组负荷指令、锅炉给水流量、机组负荷对应理想燃料量建立燃煤机组燃料量蓄热前馈计算方法，如下：

从燃煤机组省煤器入口至燃煤机组高温过热器出口的锅炉汽水通道所含的能量计算如下：

m₀(h₁-h₀)＝F·K

式中，m₀为锅炉给水流量，单位为t/h；h₁表示燃煤机组高温过热器出口蒸汽在额定温度下，不同主汽压力设定值下的理想蒸汽比焓，单位为kJ/kg；h₀表示燃煤机组省煤器入口给水在不同机组负荷指令下的理想给水比焓，单位为kJ/kg；F为机组负荷指令对应理想燃料量，单位为t/h；K为机组蒸汽所含能量占机组燃料量所含能量的比例，为无量纲数，且在机组负荷升降过程中不发生变化；

当机组运行状态发生变化后，该等式则变为：

m₁(h₁'-h₀)＝F'·K

式中，m₁为机组运行状态发生变化后的锅炉给水流量；h₁'表示机组运行状态发生变化后，不同机组主蒸汽压力下的高温过热器出口蒸汽比焓，其值可根据机组运行状态变化后的主汽压力设定值计算得到；F'为新运行状态下机组燃料需求量；

进一步，燃煤机组蒸汽通道状态变化过程为准稳态过程，则：

上式中，ρ₀、ρ₁分别为机组蒸汽状态发生变化前和蒸汽状态发生变化后的当量密度，单位为kg/m³；V为蒸汽通道总体积，单位为m³；

由于超临界机组蒸汽一次生成，分离器仅起到蒸汽通道的作用，机组蒸汽流量与锅炉给水流量实时平衡，则机组状态变化后，锅炉给水流量变化值Δm为：Δm＝m₁-m₀

将上式进一步变化处理，得：

由克拉贝龙方程式可知，在容器体积不发生变化的情况下，蒸汽流量和蒸汽密度的变化率可近似等于蒸汽压力变化率，上式进一步化简为：

式中，p_s，p_t分别为状态变化前的燃煤机组主汽压力和状态变化后的主蒸汽压力期望值，即主汽压力设定值，单位为MPa；定义D_b为机组当量蓄汽系数，将上式进一步改写为：

根据上述计算公式：

进一步化简为：

上式中F'-F即为本模型中需要求解的燃料量前馈控制量，由于机组补充蓄热仅在稳态过程，因此上述煤量前馈也只在机组不变负荷或者变负荷结束后起作用；但因在同一负荷指令下，锅炉给水流量m₀不唯一，因此将该变量进一步处理为机组负荷指令对应的理想给水流量m，即上式修改为：

其中C_FF为燃煤机组燃料量蓄热前馈；

2)对步骤1)中的所建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈计算的基础上进一步利用机组负荷指令、锅炉给水流量、燃煤机组主汽压力和主汽压力设定值建立燃煤机组燃料量蓄热前馈输出控制触发条件；对已建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF建立计算触发条件TS，即满足下述所有条件时，燃煤机组蓄热前馈计算条件TS被触发；

201)人工热工开关置1；

202)机组主汽压力变化绝对值小于0.1MPa/Min；即根据机组主汽压力进行微分判断，如下：

机组主汽压力微分信号p′_s为：

其中T₁为机组主汽压力微分计算时间，K_d1为机组主汽压力微分计算增益，s为拉普拉斯算子，当|p'_s|＜0.1时，则该条件置1；

203)机组主汽压力偏差绝对值小于0.2MPa；机组主汽压力偏差p_dev计算为：

p_dev＝ABS(p_t-p_s)

其中ABS为绝对值计算；当|p_dev|＜0.2时，则该条件置1；

204)滤波后锅炉给水流量的流率变化绝对值小于45t/h/Min；

即根据滤波后的锅炉给水流量进行微分判断，如下：为防止因给锅炉水流量信号噪音产生条件频繁触发，对锅炉给水流量信号进行滤波；

其中，T₂为锅炉给水流量滤波时间；则滤波后的锅炉给水流量微分信号m′₁为：

其中T₃为锅炉给水流量微分计算时间，K_d3为锅炉给水流量微分计算增益，当|m′₁|＜45时，则该条件置1；

205)机组负荷指令变化绝对值小于1.5MW/Min；即根据机组负荷指令进行微分判断，如下：

机组负荷指令微分信号S'为：

其中S为机组负荷指令，T₄为机组负荷指令微分计算时间，K_d4为机组负荷指令微分计算增益，当|S'|＜1.5时，则该条件置1；

当上述任意一条件不满足时，触发信号为0；将该触发信号取反，得到信号1，并延迟5秒触通；该触通信号发出180s脉冲，在脉冲触发期间，燃煤机组燃料量蓄热前馈C_FF计算值触发；在该脉冲触发后，需等待180秒后，该计算值才有可能被再次触发，以防止该信号频繁触发造成机组主要运行参数来回震荡；

3)对步骤1)中的所建立的燃煤机组燃料量蓄热前馈计算的计算值C_FF和步骤2)中所建立的燃煤机组燃料量前馈输出控制触发条件TS，建立燃煤机组燃料量蓄热前馈快进缓退计算策略，并最终得到燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H；实现方法如下：

其快进缓退的逻辑原理如下，当触发条件置1时，计算值C_FF被导通进入下一步计算环节，在这里分为两种情况：

当C_FF≥0.0时，该值直接经过大选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为10，下限为0，表示该通道只能经过正值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₅，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了正向触发的快进缓退；

当C_FF<0.0时，该值直接经过小选通道，进入到高低限值通道，其高低限值模块的上限为0，下限为-10，表示该通道只能经过负值；当触发条件消失后，该通道的值由C_FF被切换至0，此时通道被切换值滤波回路，该回路的滤波时间为T₆，意味着从C_FF被切换至0是缓慢退回的过程，实现了负向触发的快进缓退；

由于正向和负向两通道在一种状态下只能触发一路，因此将正向通道和负向通道相加，得到最终的燃煤机组燃料量前馈补偿值C_H。