CN113309582B - 一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制系统，该系统使超临界机组在给定工况稳定运行时，中压调节阀节和高压调节阀均调至预设开度；机组负荷阶跃增加时，高压调节阀和中压调节阀的开度增加；机组负荷阶跃降低时，高压调节阀和中压调节阀的开度减小，高压调节阀和中压调节阀共同参与机组负荷响应；负荷响应完毕后，高压调节阀和中压调节阀均恢复至预设开度；所述中压调节阀的低限开度为23%‑38%，所述中压调节阀参与调节负荷的阀门里程为62%‑77%。本发明利用高压调节阀和中压调节阀共同参与二次调频负荷响应，提高了负荷的响应速率、精度，并缩小负荷响应时间，提升了超临界机组的二次调频性能。

Description

一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制系统

技术领域

本发明涉及调频技术领域，尤其涉及一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制方法及系统模型。

背景技术

气候变化是人类面临的全球性问题，随着各国二氧化碳排放，温室气体猛增，对生命系统构成威胁。在这一背景下，世界各国以协约方式减排温室气体，我国由此提出碳达峰和碳中和目标，而发展低碳经济，重塑能源体系是实现上述目标的重要手段。

新能源的发展态势改变了能源结构，进一步引起了能源消纳问题，就目前状况而言已制约了电力行业的健康可持续发展，为此鼓励燃煤机组参与调频调峰是解决这一问题的关键所在。目前的发电厂的方案主要有厂侧协调控制逻辑进行优化、建设中间储能模块两个方案。

其中，虽然厂侧协调控制逻辑优化在一定程度上优化了协调逻辑算法，利用更为精简或者先进的算法提高了负荷的响应速率，但避免不了锅炉本身所带来的惯性和大迟滞特性，机组特性非线性等一系列问题；其次，现阶段的超临界机组的控制主要采用常规PID加前馈的方法，由于机组本身具有的多变量、强耦合和大延迟的特性，也限制了响应负荷的速度和精度；另外，提高负荷响应的速度也在一定程度上以牺牲设备的安全稳定运行为代价。

建设充放电蓄能单元，除了能够大幅度提高单元机组的负荷响应速率外也解决了设备本身的固有特性和多变量非线性因素，但进行投资建设或者改造需要大量的资金投入，其资本回报率并不高，对于建设新电厂可采用本方法，而已建的电厂除了考虑资本投入外还存在电厂空间布置等一系列问题。

为此本发明针对上述问题，提供了一种二次调频的控制方法及系统模型，使用该方法能提高机组负荷相应速率，同时在确保精度的同时保障设备的安稳运行。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制方法及系统模型，包括以下步骤：

超临界机组在给定工况稳定运行时，中压调节阀节和高压调节阀均调至预设开度；机组负荷出现阶跃增加时，高压调节阀和中压调节阀的开度增加；机组负荷阶跃降低时，高压调节阀和中压调节阀的开度减小，高压调节阀和中压调节阀共同参与机组负荷响应；负荷响应完毕后，高压调节阀和中压调节阀均恢复至预设开度；

所述中压调节阀的低限开度为23%-38%，所述中压调节阀参与调节负荷的阀门里程为62%-77%。

其中，当电网侧负荷指令改变时，所述负荷指令与实际负荷的差值信号经过负荷调节器输出汽轮机负荷指令，再经阀门流量修正函数后输出为阀门指令，所述阀门指令经过油动机和蒸汽流量传递函数后，再分别经过高压缸、中低压缸的中间容积传递函数，最后经由各缸体做功系数函数输出为电功率。

其中，所述负荷指令是指由自动发电控制系统发出并经过一次调频后输出的指令。

其中，所述中压调节阀在机组负荷低于40%时保持全开，在机组负荷高于或者等于40%时参与二次调频。

其中，所述中压调节阀和高压调节阀均采用负荷前馈控制。

一种汽轮机中压调门参与二次调频的系统模型，包括：一次调频模块、AGC负荷指令模块、主控制器、负荷前馈控制器、中调控制模块、求和模块、乘积模块、第一加法块、第二加法块、负荷惯性环节；

所述一次调频模块由转速差模块、调频死区模块依次连接、功率转换器、功率限幅器构成；

所述求和模块包括第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块和第四求和模块，所述第一求和模块输出端连接高调增益模块，所述第二求和模块反向输入端接入汽轮机的实际负荷形成负荷反馈回路，第二求和模块输出负荷偏差指令至所述主控制器的输入端；所述第三求和模块输入端连接负荷前馈控制器输出端及主控制器输出端，第三求和模块输出端连接高调流量指令与阀门开度特性函数模块及中调流量指令与阀门开度特性函数模块；第四求和模块的输入端分别连接高压缸分配系数输出端、中压缸负荷分配系数输出端、低压缸负荷分配系数输出端，所述第四求和模块输出端连接所述乘积模块中第四乘积模块输入端。

所述乘积模块包括第一乘积模块、第二乘积模块、第三乘积模块和第四乘积模块，所述第二乘积模块输入端连接压力修正系数模块，输出端连接高压缸惯性环节； 中调流量指令与阀门开度特性函数输出端连接所述第一加法块，第一加法块另一输入端连接中调控制模块输出端；所述第三乘积模块输入端连接中调实际阀门流量输出端，所述第三乘积模块输出端连接中压缸惯性环节，输出中低压缸负荷；第四求和模块输入端分别连接高压缸分配系数输出端、中压缸负荷分配系数输出端、低压缸负荷分配系数输出端，所述第四求和模块输出端连接第四乘积模块输入端。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

通过高、中压调节阀共同参与二次调频负荷响应，利用锅炉炉管蓄热、蒸汽参数蓄热及再热器管道容积的能量贮存能力及强惯性特点，深度挖掘机组参与二次调频能力，整体上提高负荷的响应速率、精度，并缩小负荷响应时间，另外通过控制器参数调试，确定各控制器模块参数，可有效抑制超调量实现负荷精准调节。

附图说明

图1为本发明的一种机组参与二次调频的控制方法中的中建再热式汽轮机控制系统模型示意图;

图2为高中压调节阀联合参与二次调频的动态仿真图；

图3为高中压调节阀联合控制并结合中压调节阀前馈控制参与二次调频的动态仿真图；

图4为高中压调节阀联合控制并结合高压调节阀前馈控制参与二次调频的动态仿真图；

图5为高中压调节阀联合控制并结合前馈控制参与二次调频的动态仿真图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制方法，其步骤具体包括：机组在稳定工况下运行时，频率与电网同步，接收AGC能量管理系统发送的负荷指令，输出功率保持与负荷指令一致，此时，高压调节阀和中压调节阀均根据负荷指令开至预设开度。

当AGC负荷指令发生阶跃加指令时，负荷偏差形成进入主控制器和前馈控制器，叠加输出负荷增加指令，负荷指令经阀位指令转换函数后，输出阀位开度指令，高中压调节阀共同开大，快速响应AGC负荷指令，调整结束后阀门恢复至该负荷对应下的阀位开度。

AGC负荷指令发生阶跃减指令时，高压调节阀和中压调节阀的开度减小，调整结束后阀门恢复至该负荷对应下预设的阀位开度。

为保证机组的经济性，中压调节阀具备两种运行模式，当机组负荷低于40%时，中压调节阀保持全开状态；机组负荷高于等于40%，中压调节阀切换至调整模式，随负荷指令开至预设开度。

另外为了保证机组的安全运行，防止中压调整门全关，调节模式下中压调节阀的低限开度为23%-38%，所述中压调节阀参与调节负荷的阀门里程为62%-77%。

更优的，所述中压调节阀的低限开度和阀门开度数值包括以下几组：低限开度为27%对应阀门里程为73%、低限开度为30%对应阀门里程为70%、低限开度为33%对应阀门里程为67%。

需要说明的是，当所述中压调节阀低限开度低于23%时，会影响汽动给水泵的抽汽量，严重时会导致锅炉断水，其次因为目前的汽轮机均采用缸体对称布置结构来平衡轴向推力，中压调节阀的低限开度过低会造成轴向推力失衡；若中压调节阀低限开度高于38%，则会压缩所述中压调节阀参与负荷调节的阀门里程，减少了再热器参与负荷响应的能力，大幅度降低了中压调节阀的调门能力。

因此，本实施例在此上述的范围内选择了三组中压调节阀的低限开度和调节里程数值，包括：低限开度为23%对应的调节里程为77%、低限开度为30%对应调节里程为70%、低限开度为38%对应的调节里程为62%。

一种汽轮机中压调门参与二次调频的系统模型，如图1所示，包括：一次调频模块1、AGC负荷指令模块、主控制器、负荷前馈控制器、中调控制模块、求和模块、乘积模块、第一加法块、第二加法块、负荷惯性环节；

一次调频模块：

一次调频模块由转速差模块11、调频死区模块12依次连接、功率转换器13、功率限幅器14构成，转速差模块11用于接收转速差信号，功率转换器用于将转速差信号转换为功率信号，调频死区模块12规定一次调频响应范围，功率限幅器限制一次调频调节范围，转速差模块、调频死区模块依次连接、功率转换器、功率限幅器依次连接构成一次调频模块，一次调频模块输出端连接第一求和模块；

求和模块：

所述求和模块包括第一求和模块21、第二求和模块22、第三求和模块23和第四求和模块24。

第一求和模块21的另一输入端连接负荷激励模块S，由它们共同构成负荷指令并输出，第一求和模块输出端连接高调增益模块K1，构成负荷前馈回路，其输出端连接第二求和模块正向输入端。

第二求和模块22反向输入端接汽轮机实际负荷，形成负荷反馈回路，第二求和模块22构成负荷偏差指令作为主控制器输入端。

第三求和模块23输入端连接负荷前馈控制器K1输出端及主控制器输出端，并求和输出阀门流量指令，第三求和模块23输出端连接高调流量指令与阀门开度特性函数模块及中调流量指令与阀门开度特性函数模块。

第四求和模块24输入端分别连接高压缸分配系数输出端、中压缸负荷分配系数输出端、低压缸负荷分配系数输出端，作为汽轮机总负荷比例进行输出，第四求和模块24输出端连接第四乘积模块输入端，经与相乘输出汽轮机实际负荷，经负荷惯性环节后作为负荷反馈值进入主控制器前反向输入端。

乘积模块：

所述乘积模块包括第一乘积模块31、第二乘积模块32、第三乘积模块33和第四乘积模块34。

所述第二乘积模块32输入端连接压力修正系数模块，输出端连接高压缸惯性环节；中调流量指令与阀门开度特性函数输出端连接所述第一加法块，第一加法块另一输入端连接所述中调控制模块输出端。

所述第三乘积33模块输入端连接中调实际阀门流量输出端，所述第三乘积模块33输出端连接中压缸惯性环节，输出中低压缸负荷。

所述第四乘积模块34输入端连接所述第四求和模块，同时引入汽轮机实际负荷系数输出至所述负荷惯性环节。

如图2至图5所示，本实施例以一款典型600MW中间再热式超临界汽轮机为研究对象，基于某电厂机组本身参数及运行状态参数，采用上述模型分别进行了负荷调频动态仿真实验，探究超临界机组采用高中压调频参与二次调频的动态性能。试验时均以300MW为初始负荷，200s后输入100MW的加负荷阶跃信号，400s后输入50MW的减负荷阶跃信号，试验结果如下：

如图2所示，采用中压调节阀和高压调节阀联合调节，输入AGC负荷试验激励源，发现引入中调联合调节后，可以有效抑制负荷超调量，减小负荷响应时间，使得系统更快地趋近稳态工作点，该结果表明中压调节阀参与调节能够有效改善机组参与二次调频动态特性，获得更加良好的调频性能曲线。

如图3所示，基于高中压联合调频增加中调前馈控制，输入AGC负荷试验激励源，发现引入中压调节阀前馈调节后,对比高中压联合调频策略,进一步缩短了负荷响应时间和达到稳态工作点的时间,其超调量与高中压联合调节效果基本一致。

如图4所示，基于高中压联合调频增加高调前馈控制，输入AGC负荷试验激励源，发现引入高压调节阀前馈调节后，对比高中压联合调频策略，负荷超调量增加，响应时间缩短，达到稳态工作点时间缩短。

如图5所示，结合中压调节阀和高压调节阀联合调节并引入增加中调前馈控制的方式，采用高中压联合调节均增加前馈控制回路。输入AGC负荷试验激励源，根据动态仿真机结果可知，获得所有方案里最优的负荷响应特性，负荷响应时间最短，负荷超调量最少及达到稳态工作点时间最短。

根据上述试验结果表明，引入中压调节后具有抑制负荷超调量作用，负荷的前馈控制策略能够缩短负荷响应时间和达到稳态工作点的时间，采用高中压联合调节+负荷前馈控制策略是最优选方案，全方位优化了负荷相应的动态特性，整体提高了机组参与二次调频的性能特性。

更优的，所述中压调节阀在机组负荷低于40%时保持全开，在机组负荷高于或者等于40%时参与二次调频。

更优的，所述中压调节阀和高压调节阀均采用负荷前馈控制。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种汽轮机中压调门参与二次调频的控制系统，其特征在于，包括：一次调频模块、主控制器、负荷前馈控制器、中调控制模块、求和模块、乘积模块、第一加法块；

所述一次调频模块由转速差模块、调频死区模块、功率转换器、功率限幅器构成；

所述求和模块包括第一求和模块、第二求和模块、第三求和模块和第四求和模块，所述第一求和模块输出端连接高调增益模块，所述第二求和模块反向输入端接入汽轮机的实际负荷形成负荷反馈回路，第二求和模块输出负荷偏差指令至所述主控制器的输入端；所述第三求和模块输入端连接负荷前馈控制器输出端及主控制器输出端，第三求和模块输出端连接高调流量指令与阀门开度特性函数模块及中调流量指令与阀门开度特性函数模块；第四求和模块输入端分别连接高压缸分配系数输出端、中压缸负荷分配系数输出端、低压缸负荷分配系数输出端，所述第四求和模块输出端连接所述乘积模块中第四乘积模块输入端；

所述乘积模块包括第一乘积模块、第二乘积模块、第三乘积模块和第四乘积模块，所述第二乘积模块输入端连接压力修正系数模块，输出端连接高压缸惯性环节； 中调流量指令与阀门开度特性函数输出端连接所述第一加法块，第一加法块另一输入端连接所述中调控制模块输出端；所述第三乘积模块输入端连接中调实际阀门流量输出端，所述第三乘积模块输出端连接中压缸惯性环节，输出中低压缸负荷；第四求和模块输入端分别连接高压缸分配系数输出端、中压缸负荷分配系数输出端、低压缸负荷分配系数输出端，所述第四求和模块输出端连接第四乘积模块输入端。

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