CN113219822B - 利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，所述方法首先设定一个补偿强度信号，并对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；然后，计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号，并将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号，所述乘积信号经过带限幅功能的PD控制器后输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；最后，将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。本发明提供的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，能够维持火电机组发电负荷、燃料性质变化工况下主蒸汽压力的稳定性，具有补偿效果好、现场实施简便的优点。

Description

利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，特别是涉及一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统。

背景技术

提高火电机组发电效率的有效方法之一是提高工质循环的平均吸热温度，工程上通过汽轮机回热加热系统实现此功能，回热加热系统设置多个加热器分段抽取汽轮机蒸汽逐级加热给水，使循环工质由冷端温度30～50℃左右被加热到270～300℃左右，然后再从锅炉中吸收热量。为了保证热效率最优，加热器整体换热方式采用“逆流”型布置，即温度较高的抽汽用来加热温度较高的给水，影响这一布置原则的是锅炉再热器的设置。对于超临界机组，锅炉过热蒸汽温度570℃，进入汽轮机高压缸内做功后温度下降至320℃，然后蒸汽被送至锅炉再热再次被加热至570℃后，进入汽轮机中压缸继续做功。这样，引出至中压缸的三段抽汽温度为480℃，高于引出至高压缸的一、二段抽汽温度，然而三段抽汽对应的三号加热器出水温度为220℃，又低于一、二段抽汽对应的一、二号加热器出水温度。所以，从热力学第二定律的角度分析三号加热器导致的热效率损失明显大于其它加热器。但综合考虑提高热效率与增加新设备投入之间的平衡关系，主流机组回热加热系统仍然沿用传统布置方式。

最新660MW、1000MW、1200MW超超临界机组，过热蒸汽温度设计为600℃，再热蒸汽温度设计为620℃，给水温度达到300℃，高压缸侧也增加了一个抽汽段。汽轮机回热加热系统的一、二、三段抽汽从高压缸引出、四段抽汽从中压缸引出，三段抽汽温度为365℃，四段抽汽温度为500℃。再热蒸汽温度显著提高后，继续沿用传统布置方式，四号加热器导致热效率的损失将变得难以接受。工程中采用了增加四号加热器外置加热器的布置方式，即在汽轮机四段抽汽侧加装外置加热器，将一号加热器出口给水的一部分通过旁路管道引入外置加热器，吸收四段抽汽释放的部分热量后温度升高，再与主给水混合。利用汽轮机四段抽汽温度高的特性提升给水温度，可以保证给水温度满足要求的前提下，减少汽轮机一段抽汽量，使得减少部分的一段抽汽继续在汽轮机内做功，从而提高机组热效率。因此系统在一段抽汽侧安装一段抽汽调节阀，通过调整一段抽汽流量在机组大范围变负荷运行时调节给水温度。

电网对火电机组AGC(自动发电控制)和一次调频性能提出了很高的要求，其关键在于提高发电负荷的控制品质。由于火电机组发电负荷与主蒸汽压力之间存在强耦合，发电负荷快速变化将导致主蒸汽压力出现剧烈波动。另外由于煤炭价格上涨火电机组燃煤来源复杂，煤质复杂多变也会产生燃烧扰动进而造成主蒸汽压力波动。主蒸汽压力波动幅度大本身就会对机组安全运行造成不利影响；并且机炉协调控制系统锅炉侧控制器的调节作用会放大主蒸汽压力的波动，使锅炉主控输出产生更大幅度的波动，带动锅炉燃料量、给水流量、一次二次风量波动，影响炉膛压力、氧量、中间点温度、NOX生成量等参数稳定性，降低机组运行安全性、经济性和环保性。如何维持发电负荷、燃料性质变化工况下主蒸汽压力的稳定性，是火电机组控制系统优化所需要解决的核心问题之一。汽轮机一段抽汽调节阀的基本功能是调节给水温度在允许范围内。事实上，给水温度并不是一个直接影响火电机组运行安全的特别重要的参数，可以允许其在短时间内小幅波动。这为一段抽汽调节阀参与主蒸汽压力的调节提供了可能。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，适用于超超临界火电机组利用汽轮机一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力，能够维持火电机组发电负荷、燃料性质变化工况下主蒸汽压力的稳定性，具有对机组稳定运行扰动小、补偿效果好、现场实施简便的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，适用于超超临界火电机组中的汽轮机，包括如下步骤：

步骤1，设定一个补偿强度信号，通过调整补偿强度设定值，设置一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的强度；

步骤2，对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

步骤3，计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

步骤4，将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号，所述乘积信号经过带限幅功能的PD控制器后输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

步骤5，将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

进一步的，步骤1中，补偿强度信号设定值的取值范围在0～100之间。

进一步的，步骤2中，一阶惯性滤波处理时间设置为100s，保证运行人员调整补偿强度信号设定值时不会对控制系统造成明显的扰动。

进一步的，步骤4中，PD控制器输出的限幅值设置为-15％～+15％，表示一段抽汽调节阀在原开度基础上，再增加-15％～+15％度动作幅度。

本发明还提供了一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的系统，应用于上述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，包括：

模拟量输出信号模块，用于设定补偿强度信号；

一阶惯性滤波模块，用于对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

第一求和计算模块，用于计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

乘法计算模块，用于将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号；

PD控制器，用于对乘积信号进行比例微分处理，输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

第二求和计算模块，用于将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，基于汽轮机中一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的工作原理，通过调整补偿强度设定值，设置一号加热器的一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的强度，能够利用锅炉一号加热器、外置加热器、给水管道和锅炉水冷壁蓄热，以增加给水温度小幅波动幅度为代价，显著降低主蒸汽压力波动以及由主蒸汽压力波动导致的燃料量、给水流量、一次二次风量波动，提高发电负荷变化和燃料发热量变化工况下火电机组运行的稳定性，具有控制效果好的特点；此外，本发明所述方法及系统组态简单，调试风险小，易于投入，现场调试方便。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法的流程示意图；

图2为现有技术中未安装外置加热器的热力系统结构示意图；

图3为现有技术中安装外置加热器的热力系统结构示意图；

附图标记：A—模拟量输出信号模块；LAG—一阶惯性滤波模块；SUM1—第一求和计算模块；MUL—乘法计算模块；PD—PD控制器；SUM2—第二求和计算模块。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，适用于超超临界火电机组利用汽轮机一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力，能够维持发电负荷、燃料性质变化工况下主蒸汽压力的稳定性，具有机组稳定运行扰动小、补偿效果好、现场实施简便的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明实施例提供的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，适用于超超临界火电机组中的汽轮机，超超临界火电机组利用汽轮机一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力，具体包括如下步骤：

步骤1，由运行人员设置一个0％～100％之间变化补偿强度信号，通过调整补偿强度设定值，设置一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的强度；

步骤2，对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

步骤3，计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

步骤4，将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号，所述乘积信号经过带限幅功能的PD控制器后输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

步骤5，将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

其中，步骤2中，一阶惯性滤波处理时间设置为100s，保证运行人员调整补偿强度信号设定值时不会对控制系统造成明显的扰动。

步骤4中，PD控制器输出的限幅值设置为-15％～+15％，表示一段抽汽调节阀在原开度基础上，再增加-15％～+15％度动作幅度。

本发明提供的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法的工作原理如下：

主蒸汽压力是反映火电机组锅炉侧能量供给与汽轮机侧能量需求之间平衡关系的信号，锅炉蒸发量增加时，主蒸汽压力升高；汽轮机进汽量增加时，主蒸汽压力降低。当汽轮机一段抽汽调节阀开度增加时，一段抽汽流量也随之增加，由于更多的蒸汽被从汽轮机内抽出，因此汽轮机输出功率下降。火电机组采用炉跟机方式的协调控制系统，汽轮机输出功率下降时，协调控制系统汽机侧控制器将自动开大汽轮机高压缸进汽调节阀开度，增加汽轮机进汽流量以维持汽轮机输出功率不变，汽轮机进汽流量增加后，主蒸汽压力将下降。这是利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的工作原理，即一段抽汽调节阀开度增加时，主蒸汽压力呈现下降的趋势。

此外，由于一段抽汽流量增加，一号加热器蒸汽侧释放热量也相应增加，会导致锅炉给水温度逐渐升高，给水温度逐渐升高的过程相当于一号加热器、四号外置加热器、给水管道、锅炉水冷壁等设备吸收蓄热的过程。给水温度的升高后最终还会导致锅炉蒸发量增加，依据能量平衡的原则，主蒸汽压力将逐渐恢复至初始值附近。因此，一段抽汽调节阀开度与主蒸汽压力之间传递函数的形式整体呈现为负微分特性；而一段抽汽调节阀开度与给水温度之间传递函数形式整体呈现为正惯性特性。

一段抽汽调节阀开度与主蒸汽压力之间传递函数如式(1)所示。微分特性这一特点，决定了汽轮机一段抽汽调节阀只能对主蒸汽压力发挥动态补偿调节作用。因此控制器只能采用PD控制，不能采用PID控制。如果加入I(积分)控制作用，会使控制器进入输出饱和状态。

其中：T_k为微分时间，s；T_h为各种设备蓄热产生的惯性时间，s。

本发明还提供了一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的系统，应用于上述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，包括：

模拟量输出信号模块，用于设定补偿强度信号；

一阶惯性滤波模块，用于对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

第一求和计算模块，用于计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

乘法计算模块，用于将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号；

PD控制器，用于对乘积信号进行比例微分处理，输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

第二求和计算模块，用于将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

本发明适用于配置有四号外置加热器且安装一段抽汽调节阀的超超临界火电机组。未安装外置加热器与安装外置加热器的热力系统结构分别如图2和图3所示。本发明的关键在于增加了外置加热器和一段抽汽调节阀。并且，机组协调控制系统采用炉跟机方式的协调控制方案，即通过汽轮机高压缸进汽调节阀开度控制汽轮机发电功率。机组控制设备采用DCS(分散控制系统)，通过组态方式实现控制方案。

按照图1所示逻辑，在机组DCS中进行控制逻辑组态。断开原一段抽汽调节阀自动输出信号，通过SUM2模块，接入一段抽汽调节阀开度偏置值信号，输出为补偿后一段抽汽调节阀自动输出信号。将补偿强度设定值模块A的输出设置为0，将一阶惯性模块的惯性时间设置为100s，PD控制器的比例增益、微分时间均设置为0，实际补偿控制处于未投入状态。

机组正常运行时，由运行人员将补偿强度设定值模块A的输出设置为100，调试人员将PD控制器输出的限幅值设置为-15％～+15％。然后调试人员根据主蒸汽压力变化、一段抽汽调节阀开度变化情况，逐渐调强PD控制器的比例增益和微分时间，直到取得满意的补偿控制效果，将调试好的比例增益和微分时间写入PD控制器中，完成控制逻辑调试。

补偿控制系统调试完成后，可投入正常使用。运行人员可以根据机组运行工况和设备状态，通过调整补偿强度设定值调整补偿控制作用的强弱。补偿强度在0～100之间，数值越大，补偿控制作用越强，当补偿强度设定值为100时补偿控制作用最强；补偿强度设定值为0时相当于退出补偿控制功能。

本发明提供的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法及系统，基于汽轮机中一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的工作原理，通过调整补偿强度设定值，设置一号加热器的一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的强度，能够利用锅炉一号加热器、外置加热器、给水管道和锅炉水冷壁蓄热，以增加给水温度小幅波动幅度为代价，显著降低主蒸汽压力波动以及由主蒸汽压力波动导致的燃料量、给水流量、一次二次风量波动，提高发电负荷变化和燃料发热量变化工况下火电机组运行的稳定性，具有控制效果好的特点；此外，本发明所述方法及系统组态简单，调试风险小，易于投入，现场调试方便。

本文中应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 (5)

1.一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，适用于超超临界火电机组中的汽轮机，其特征在于，包括以如下步骤：

步骤1，设定一个补偿强度信号，通过调整补偿强度设定值，设置一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的强度；

步骤2，对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

步骤3，计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

步骤4，将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号，所述乘积信号经过带限幅功能的PD控制器后输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

步骤5，将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

2.根据权利要求1所述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，其特征在于，步骤1中，补偿强度信号设定值的取值范围在0～100之间。

3.根据权利要求1所述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，其特征在于，步骤2中，一阶惯性滤波处理时间设置为100s。

4.根据权利要求1所述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，其特征在于，步骤4中，PD控制器输出的限幅值设置为-15％～+15％，表示一段抽汽调节阀在原开度基础上，再增加-15％～+15％度动作幅度。

5.一种利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的系统，应用于权利要求1-4任一所述的利用一段抽汽调节阀补偿控制主蒸汽压力的方法，其特征在于，包括：

模拟量输出信号模块，用于设定补偿强度信号；

一阶惯性滤波模块，用于对所述补偿强度信号进行一阶惯性滤波处理；

第一求和计算模块，用于计算主蒸汽压力设定值与主蒸汽压力反馈值的偏差，得到偏差信号；

乘法计算模块，用于将偏差信号与滤波后的补偿强度信号相乘，得到乘积信号；

PD控制器，用于对乘积信号进行比例微分处理，输出一段抽汽调节阀开度偏置信号；

第二求和计算模块，用于将一段抽汽调节阀开度偏置信号与原一段抽汽调节阀自动信号相加后，输出补偿后的一段抽汽调节阀自动指令信号。

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