CN113311772B - 火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统及方法，该系统将火电机组协调控制系统中的偏差与积分模块为主的热值校正回路替换为除法器与热值校正切换器的串联回路；将燃料量作为除数，机组负荷需求经燃料量基准函数发生器换算的燃料量基准信号作为被除数，共同送入除法器，输出的商经热值校正切换器，输出新的燃料热值校正系数BTU；其中，当热值校正切换器处于非校正状态N时，其输入采用热值校正切换器输出的燃料热值校正系数BTU，自动维持该系数保持不变。本发明控制系统及方法在实际燃用煤质偏离设计煤种时，能够自动校正燃料热值校正系数BTU，不断适应新的煤质条件，为燃料指令比例积分控制器与实际微分环节创造良好的条件。

Description

火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统及方法

技术领域

本发明涉及火电厂自动控制技术领域，具体涉及一种火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统及方法。

背景技术

火电厂单元机组协调控制系统的任务就是根据锅炉和汽轮机的不同特性，把锅炉及汽轮机作为一个单元机组的整体进行综合控制，使锅炉和汽轮机协调动作、互相配合，在满足电网负荷需求的同时，保持机组主要运行参数的稳定。它是整个动力装置控制系统的主体，是蒸汽动力装置自动控制系统的重要组成部分。整个控制系统是由机组负荷指令形成回路、主汽压力设定值形成回路、汽机主控回路和锅炉主控回路组成。

由于锅炉、汽轮机在响应电网负荷上存在差异。从动态特性上讲，锅炉具有较大的观念性，从燃烧率的改变到机前压力的变化有较大时间延迟。相对而言，汽轮机的惯性要小的多，从汽轮机的调门开度的改变到机组负荷的变化具有很小的时间延迟。所以，火力发电厂单元机组在适应电网负荷变化需求时，初始阶段，所需要的蒸汽量主要由锅炉释放蓄热产生，这样势必引起机前压力有较大变化。随着单元机组容量的增加锅炉的蓄热越来越小，单元机组的负荷适应能力与保持机前压力稳定的矛盾更加突出。

基于以上特点，单元机组在进行负荷控制的时候，必须很好的协调汽轮机、锅炉两侧的控制动作，合理保持内外两个能量供需平衡关系。即单元机组与电网之间的能量平衡关系和单元机组中的锅炉和汽轮机之间的能量平衡关系，以同时兼顾负荷响应能力和机组主汽压力的稳定这两方面的性能指标要求。

由于火电单元机组机炉协调控制系统是一个复杂的多变量非线性控制系统。针对此控制系统，科技工作者提出了众多先进控制算法，各有千秋，并且已经解决了一些控制难题。其中控制系统的优化调整中的静态参数和动态参数的优化调整，都是基于当时的燃煤品质，同时依据于设计煤质。随着时间的推移，电厂来煤越来越杂乱，煤质变化也越来越多，锅炉稳定经济环保运行的压力也越来越大，作为机组控制顶层控制系统——协调控制协调必须适应于这种锅炉燃烧煤质的变化，如何更好地适应频繁多变的入炉煤质，始终是本领域专业技术人员面临的重要难题。

当锅炉燃烧的煤质发生变化时，系统原有平衡关系被打破，维持负荷并按电网要求进行发电出力调节时所需增减的燃料量也应跟随煤质的波动进行相应的调整，否则将直接导致存在大惯性与大延迟的锅炉受热面出现过热或压力无法维持的情况，基于此，实际机组的协调控制系统都配置有燃料热值校正(BTU)回路，以通过能量平衡关系，不断补偿因煤质变化产生的调节误差。

常规的协调控制系统(省略汽机主控部分)基本控制逻辑方框图一般如图1所示。锅炉主控回路通过从左至右共3个子回路输出在加法器5中求和，形成最终的锅炉燃料需求指令BM。这3个求和叠加的子回路分别是：(1)机组负荷需求信号经实际微分环节4形成负荷指令需求变化的动态过程燃料微分指令；(2)机组负荷需求信号经主蒸汽压力函数发生器2形成主汽压力设定值，与实际主蒸汽压力测量信号经偏差模块后输出主蒸汽压力控制偏差，送入锅炉主控指令比例积分控制器3，形成主蒸汽压力偏差控制指令；(3)机组负荷需求经燃料量基准函数发生器1换算为燃料量基准信号。其中燃料量基准信号是锅炉燃料需求指令BM的主体和基础；在此基础上，锅炉主控指令比例积分控制器3输出的主蒸汽压力偏差控制指令通过比例和积分控制作用来弥补各种内、外部扰动的影响从而消除稳态控制偏差；实际微分环节4输出的燃料微分指令用于补偿锅炉大惯性引起的动态过程偏差。

当锅炉燃料需求指令BM生成后，还需要通过燃料热值校正，从而生成用于控制的实际燃料指令FM，最终操作给煤机，形成实际进入磨煤机和锅炉的燃料量。首先，实际燃料量与热值校正系数BTU经乘法器输出经过校正的燃料量，校正燃料量与机组负荷需求经燃料量基准函数发生器1换算的燃料量基准信号共同送入偏差模块，输出二者的偏差经热值校正切换器9，送入积分器6，输出新的热值校正系数BTU。当热值校正切换器9处于校正状态Y时，积分器6将不断地累积校正燃料量与燃料量基准信号的偏差，从而调整热值校正系数BTU输出，直至热值校正系数BTU使校正燃料量与燃料量基准信号相等为止。当热值校正切换器9处于非校正状态N时，积分器6的输入被切换为0，积分器6将不再更新输出，从而暂停热值校正系数BTU的计算。

经上述校正回路输出的热值校正系数BTU经乘法器校正实际燃料量后，将输出的校正燃料量与锅炉燃料需求指令BM共同经偏差模块计算偏差后送入燃料指令比例积分控制器7，根据输入偏差控制燃料指令FM，直至实际燃料量满足燃料指令比例积分控制器7输入偏差为0。

在图1中，煤质热值校正系数BTU是通过积分器6的纯积分运算，通过长期的累计获得。为避免对燃料量指令的大幅扰动，一般只能在机组处于静态稳定工况下进行校正，且校正速率控制得很低，这使得实际煤质热值校正系数BTU需要经过很长的时间才能获得合理的结果，从而不能及时、实时反映机组煤质的频繁变化。反之，如果积分器6的积分作用太强、积分时间小，计算时间过短，会加速整个校正过程，但极易导致机组运行不稳定，主汽压力波动，主汽温度变化，燃料量波动，等等。这成为制约机组煤质波动适应性的关键障碍。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种自动采样、自动跟踪，强制切换的火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统及方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统，将火电机组协调控制系统中的偏差与积分模块为主的热值校正回路替换为除法器8与热值校正切换器9的串联回路；将燃料量作为除数，机组负荷需求经燃料量基准函数发生器1换算的燃料量基准信号作为被除数，共同送入除法器8，输出的商经热值校正切换器9，输出新的燃料热值校正系数BTU；其中，当热值校正切换器9处于非校正状态N时，其输入采用热值校正切换器9输出的燃料热值校正系数BTU，自动维持该系数保持不变；

在锅炉主控指令比例积分控制器3和燃料指令比例积分控制器7的输出信号线上，分别增加一个热值校正跟踪切换器10，热值校正跟踪切换器10用于当热值校正切换器9处于非校正状态N时自动切换为非校正状态N输入；当热值校正切换器9处于校正状态Y时自动切换为校正状态Y输入；其中，锅炉主控指令比例积分控制器3输出端连接的热值校正跟踪切换器10的校正状态Y输入为数值0，而燃料指令比例积分控制器7输出的热值校正跟踪切换器10的校正状态Y输入为当前输出的燃料指令FM。

所述的火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统的燃料热值自校正方法，当火电机组协调控制系统处于可校正的稳态过程时，热值校正切换器9处于校正状态Y，此时热值校正回路输出的燃料热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量；此时，热值校正跟踪切换器10同时切换为校正状态Y，锅炉主控指令比例积分控制器3的输出自动跟踪为热值校正跟踪切换器10的输入，从而等于0；这样因为稳态过程中实际微分环节4输出为0，锅炉燃烧需求指令BM将与燃料量基准函数发生器1输出的基准燃料量相等；此时，燃料指令比例积分控制器7的输入偏差将变为锅炉燃料需求指令BM与校正燃料量的偏差；由前述过程可知，当热值校正切换器9处于校正状态Y时，燃料热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量，因此经乘法器校正后的校正燃料量＝燃料热值校正系数BTU×燃料量＝基准燃料量，而锅炉燃料需求指令BM＝基准燃料量；因此，燃料指令比例积分控制器7的输入偏差为0，由于输出的热值校正跟踪切换器10切换为跟踪保持当前的燃料指令FM输出，因此，燃料指令比例积分控制器7的输出保持当前的燃料指令FM输出不变，从而在校正过程中不会输出扰动；

上述校正过程持续时间较短，设置为1-5s；当校正结束后，热值校正切换器9处于非校正状态N，热值校正跟踪切换器10同时切换为非校正状态N，火电机组协调控制系统恢复为与原系统回路，完成常规协调控制作用；

热值校正切换器9处于校正状态Y需同时满足以下切换条件：a)机组负荷稳定；b)压力控制偏差不大，小于热工控制标准要求的压力控制偏差；c)机组处于协调控制方式；d)前述条件下，每持续一定的时间，自动触发校正状态；切换时间间隔时间和校正持续时间根据实际调试情况人工调整。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

(1)在燃料市场化条件下，发电机组无法一直燃用设计煤种，普遍存在煤源多变、煤质波动频繁的现象。本发明控制系统及方法在实际燃用煤质偏离设计煤种时，能够自动校正燃料热值校正系数BTU，从而不断适应新的煤质条件，为燃料指令比例积分控制器与实际微分环节创造良好的条件；

(2)本发明在进行燃料热值自校正时，通过热值校正跟踪切换器，实现校正过程的燃料指令FM输出不变，燃料指令比例积分控制器的自动跟踪输出为0，保证了校正过程的无扰，兼顾了燃料热值校正的快速性和校正过程的稳定性需求。

附图说明

图1为常规包含BTU校正回路的火电厂单元机组协调控制系统SAMA图。

图2为本发明火电机组协调控制系统中燃料热值自校正回路SAMA简图。

图中：1——燃料量基准函数发生器；2——主蒸汽压力设定值函数发生器；3——锅炉主控指令比例积分控制器；4——实际微分环节；5——加法器；6——积分器；7——燃料指令比例积分控制器；8——除法器；9——热值校正切换器；10——热值校正跟踪切换器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统，将火电机组协调控制系统中的偏差与积分模块为主的热值校正回路替换为除法器8与热值校正切换器9的串联回路作为新的热值校正回路，采用新的热值校正回路，将燃料量作为除数，机组负荷需求经燃料量基准函数发生器1换算的燃料量基准信号作为被除数，共同送入除法器8，输出的商经热值校正切换器9，输出新的燃料热值校正系数BTU。其中，当热值校正切换器9处于非校正状态N时，其输入采用热值校正切换器9输出的燃料热值校正系数BTU，自动维持该系数保持不变。

在锅炉主控指令比例积分控制器3和燃料指令比例积分控制器7的输出信号线上，分别增加一个热值校正跟踪切换器10。热值校正跟踪切换器10用于当热值校正切换器9处于非校正状态N时自动切换为非校正状态N输入；当热值校正切换器9处于校正状态Y时自动切换为Y输入的校正状态。其中，锅炉主控指令比例积分控制器3输出端连接的热值校正跟踪切换器10的校正状态Y输入为数值0，而燃料指令比例积分控制器7输出的热值校正跟踪切换器10的校正状态Y输入为当前输出的燃料指令FM。

所述的火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统的燃料热值自校正方法为，当火电机组协调控制系统处于可校正的稳态过程时，热值校正切换器9处于校正状态Y，此时热值校正回路输出的燃料热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量。此时，热值校正跟踪切换器10同时切换为校正状态Y，锅炉主控指令比例积分控制器3的输出自动跟踪为热值校正跟踪切换器10的输入，从而等于0。这样因为稳态过程中实际微分环节4输出为0，锅炉燃烧需求指令BM将与燃料量基准函数发生器输出的基准燃料量相等。此时，燃料指令比例积分控制器7的输入偏差将变为锅炉燃料需求指令BM与校正燃料量的偏差。由前述过程可知，当热值校正切换器9处于校正状态Y时，热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量，因此经乘法器校正后的校正燃料量＝热值校正系数BTU×燃料量＝基准燃料量，而锅炉燃料需求指令BM＝基准燃料量。因此，燃料指令比例积分控制器7的输入偏差为0，因输出的热值校正跟踪切换器10切换为跟踪保持当前的燃料指令FM输出，因此，燃料指令比例积分控制器7的输出保持当前的燃料指令FM输出不变，从而在校正过程中不会输出扰动。

上述校正过程持续时间较短，可设置为1-5s。当校正结束后，热值校正切换器9处于非校正状态N，热值校正跟踪切换器10同时切换为非校正状态N，系统恢复为与原系统回路，完成常规协调控制作用。

热值校正切换器9处于校正状态Y需同时满足以下切换条件：a)机组负荷稳定；b)压力控制偏差不大，小于热工控制标准要求的压力控制偏差；c)机组处于协调控制方式；d)前述条件下，每持续一定的时间，自动触发校正状态。这一切换时间间隔时间和校正持续时间可根据实际调试情况人工调整。

Claims (2)

1.火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统，火电机组协调控制中锅炉主控回路通过三个子回路输出在加法器(5)中求和，形成最终的锅炉燃料需求指令BM；这三个求和叠加的子回路分别是：第一，机组负荷需求信号经实际微分环节(4)形成负荷指令需求变化的动态过程燃料微分指令；第二，机组负荷需求信号经主蒸汽压力函数发生器(2)形成主汽压力设定值，与实际主蒸汽压力测量信号经偏差模块后输出主蒸汽压力控制偏差，送入锅炉主控指令比例积分控制器(3)，形成主蒸汽压力偏差控制指令；第三，机组负荷需求经燃料量基准函数发生器(1)换算为燃料量基准信号；当锅炉燃料需求指令BM生成后，还需要通过燃料热值校正，首先，实际燃料量与热值校正系数BTU经乘法器输出经过校正的燃料量，校正燃料量与机组负荷需求经燃料量基准函数发生器(1)换算的燃料量基准信号共同送入偏差模块，输出二者的偏差经热值校正切换器(9)，送入积分器(6)，输出新的热值校正系数BTU；经校正回路输出的热值校正系数BTU经乘法器校正实际燃料量后，将输出的校正燃料量与锅炉燃料需求指令BM共同经偏差模块计算偏差后送入燃料指令比例积分控制器(7)；其特征在于：将火电机组协调控制系统中的偏差与积分模块为主的热值校正回路替换为除法器(8)与热值校正切换器(9)的串联回路；将燃料量作为除数，机组负荷需求经燃料量基准函数发生器(1)换算的燃料量基准信号作为被除数，共同送入除法器(8)，输出的商经热值校正切换器(9)，输出新的燃料热值校正系数BTU；其中，当热值校正切换器(9)处于非校正状态N时，其输入采用热值校正切换器(9)输出的燃料热值校正系数BTU，自动维持该系数保持不变；

在锅炉主控指令比例积分控制器(3)和燃料指令比例积分控制器(7)的输出信号线上，分别增加一个热值校正跟踪切换器(10)，热值校正跟踪切换器(10)用于当热值校正切换器(9)处于非校正状态N时自动切换为非校正状态N输入；当热值校正切换器(9)处于校正状态Y时自动切换为校正状态Y输入；其中，锅炉主控指令比例积分控制器(3)输出端连接的热值校正跟踪切换器(10)的校正状态Y输入为数值0，而燃料指令比例积分控制器(7)输出的热值校正跟踪切换器(10)的校正状态Y输入为当前输出的燃料指令FM。

2.权利要求1所述的火电机组协调控制系统中燃料热值自校正系统的燃料热值自校正方法，其特征在于：当火电机组协调控制系统处于可校正的稳态过程时，热值校正切换器(9)处于校正状态Y，此时热值校正回路输出的燃料热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量；此时，热值校正跟踪切换器(10)同时切换为校正状态Y，锅炉主控指令比例积分控制器(3)的输出自动跟踪为热值校正跟踪切换器(10)的输入，从而等于0；这样因为稳态过程中实际微分环节(4)输出为0，锅炉燃烧需求指令BM将与燃料量基准函数发生器(1)输出的基准燃料量相等；此时，燃料指令比例积分控制器(7)的输入偏差将变为锅炉燃料需求指令BM与校正燃料量的偏差；由前述过程可知，当热值校正切换器(9)处于校正状态Y时，燃料热值校正系数BTU＝基准燃料量/燃料量，因此经乘法器校正后的校正燃料量＝燃料热值校正系数BTU×燃料量＝基准燃料量，而锅炉燃料需求指令BM＝基准燃料量；因此，燃料指令比例积分控制器(7)的输入偏差为0，由于输出的热值校正跟踪切换器(10)切换为跟踪保持当前的燃料指令FM输出，因此，燃料指令比例积分控制器(7)的输出保持当前的燃料指令FM输出不变，从而在校正过程中不会输出扰动；

上述校正过程持续时间较短，设置为1-5s；当校正结束后，热值校正切换器(9)处于非校正状态N，热值校正跟踪切换器(10)同时切换为非校正状态N，火电机组协调控制系统恢复为与原系统回路，完成常规协调控制作用；

热值校正切换器(9)处于校正状态Y需同时满足以下切换条件：a)机组负荷稳定；b)压力控制偏差不大，小于热工控制标准要求的压力控制偏差；c)机组处于协调控制方式；d)前述条件下，每持续一定的时间，自动触发校正状态；切换时间间隔时间和校正持续时间根据实际调试情况人工调整。

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