CN113356951B - Igcc发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明及整体煤气化联合循环发电技术领域，提供了一种IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，根据每台余热锅炉输出的饱和水流量的占比关系，确定每台余热锅炉应分配到的蒸汽负荷，然后经PID运算后得到每个流量控制阀的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀的开度，这样就可精确调节每台余热锅炉应分配到的蒸汽负荷，即出力较高的余热锅炉接收较大的蒸汽流量，出力较低的余热锅炉接收较小的蒸汽流量，保证每台余热锅炉分配到的蒸汽负荷与其出力相匹配。

Description

IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法
技术领域
本发明涉及整体煤气化联合循环发电技术领域，尤其是一种IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法。
背景技术
IGCC即整体煤气化联合循环发电系统，是将煤气化技术和高效的联合循环相结合的先进动力系统。IGCC发电系统的工艺流程如下：煤经气化炉高温气化产生合成气，合成气经净化后作为燃气轮机的燃料发电，余热锅炉回收燃气轮机的尾气余热以产生蒸汽，蒸汽再驱动蒸汽轮机发电。煤气化过程中除大部分能量转化为合成气的化学能外，还有一部分能量转化为合成气显热，通过热交换器加热从余热锅炉来的饱和水可以合理回收合成气显热，热量回收产生的饱和蒸汽重新返回余热锅炉可有效提高发电效率和运行经济性。
传统的IGCC发电系统为单机组运行，也称为“一拖一”机组，机组仅配置一台燃气轮机、一台余热锅炉和一台蒸汽轮机。工作过程中，合成气显热回收所需的饱和水将由机组中唯一的余热锅炉提供，生成的饱和蒸汽也将完全分配给机组中唯一的余热锅炉，因此合成气显热回收蒸汽不存在负荷分配的问题。
随着碳达峰碳中和目标的提出和IGCC核心技术的不断攻克，IGCC发电技术的推广以及机组的大型化将成为未来清洁能源，尤其是煤基能源多元化近零排放可行的方向之一。现有一种IGCC发电系统为多机组运行，包括多个“二拖一”机组，每个机组包括两台燃气轮机、两台余热锅炉和一台蒸汽轮机。
图1中示出了现有IGCC发电系统的结构。参见图1，IGCC发电系统包括至少两个“二拖一”机组；每个“二拖一”机组包括两台燃气轮机101、两台余热锅炉102和一台蒸汽轮机103；每台燃气轮机101与一台余热锅炉102连接；蒸汽轮机103分别与两台余热锅炉102连接；还包括给水母管104和蒸汽母管105；每台余热锅炉102的给水出口通过给水支管106与给水母管104连通；每个给水支管106上设置有压力控制阀107；每台余热锅炉102的蒸汽进口通过蒸汽支管108与蒸汽母管105连通；每个蒸汽支管108上设置有流量控制阀109。
由于现有的IGCC发电机组包括至少两个“二拖一”机组，因此，在工作过程中，合成气显热回收所需的饱和水将由机组中所有的余热锅炉提供，生成的饱和蒸汽也将分配给所有的余热锅炉，因此，这种结构的IGCC发电机组中的合成气显热回收蒸汽就存在负荷分配的问题，但是目前均是凭经验进行分配，容易出现蒸汽负荷与余热锅炉的出力不匹配的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，保证每台余热锅炉分配到的蒸汽负荷与其出力相匹配。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，包括如下步骤：控制每个给水支管上的压力控制阀的开度，以调节每台余热锅炉输出的饱和水流量；用每台余热锅炉输出的饱和水流量除以所有余热锅炉输出的饱和水流量之和，以得到每台余热锅炉输出的饱和水流量的占比；用每台余热锅炉输出的饱和水流量的占比乘以蒸汽母管内的蒸汽总流量，以得到每台余热锅炉应分配的蒸汽流量；将每台余热锅炉应分配的蒸汽流量与每台余热锅炉输入的蒸汽流量的偏差经PID运算，以得到控制每个蒸汽支管上的流量控制阀的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀的开度。
进一步的，所述压力控制阀开度的控制方法，包括如下步骤：将给水母管的设定压力与实测压力的偏差经PID运算，以得到PID输出数据；用每台余热锅炉输出的高压蒸汽流量除以所有余热锅炉输出的高压蒸汽流量的平均值，以得到每台余热锅炉的流量修正系数；用每台余热锅炉的流量修正系数乘以PID输出数据，以得到每个压力控制阀的开度命令，根据开度命令控制相应压力控制阀的开度。
进一步的，所述给水母管上设置有至少两个压力变送器；所述给水母管的实测压力为所有压力变送器测量数据的平均值。
进一步的，所述给水支管上、且位于压力控制阀与给水母管之间设置有第一流量变送器；所述余热锅炉输出的饱和水流量为第一流量变送器测量的数据。
进一步的，所述蒸汽支管上、且位于流量控制阀与蒸汽母管之间设置有第二流量变送器；所述余热锅炉输入的蒸汽流量为第二流量变送器测量的数据。
进一步的，所述蒸汽母管上设置有第四流量变送器；所述蒸汽母管内的蒸汽总流量为第四流量变送器测量的数据。
进一步的，所述余热锅炉与蒸汽轮机之间的高压蒸汽管路上设置有第三流量变送器；所述余热锅炉输出的高压蒸汽流量为第三流量变送器测量的数据。
本发明的有益效果是：
1、本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，根据每台余热锅炉输出的饱和水流量的占比关系，确定每台余热锅炉应分配到的蒸汽负荷，然后经PID运算后得到每个流量控制阀的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀的开度，这样就可精确调节每台余热锅炉应分配到的蒸汽负荷，即出力较高的余热锅炉接收较大的蒸汽流量，出力较低的余热锅炉接收较小的蒸汽流量，保证每台余热锅炉分配到的蒸汽负荷与其出力相匹配。
2、本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，将给水母管的设定压力与实测压力的偏差经PID运算得到PID输出数据；根据每台余热锅炉输出的高压蒸汽流量得到每台余热锅炉出力的流量修正系数，然后将每台余热锅炉的流量修正系数乘以PID输出数据得到每个压力控制阀的开度命令，根据开度命令控制相应压力控制阀的开度，这样就可精确调节每台余热锅炉输出的饱和水流量，即出力较高的余热锅炉输出较大的饱和水流量，出力较低的余热锅炉输出较小的饱和水流量，保证每台余热锅炉输出的饱和水流量与其出力相匹配。
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，下面将对实施例或现有技术描述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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是IGCC发电系统的结构示意图。
图中附图标记为：101-燃气轮机，102-余热锅炉，103-蒸汽轮机，104-给水母管，105-蒸汽母管，106-给水支管，107-压力控制阀，108-蒸汽支管，109-流量控制阀，110-压力变送器，111-第一流量变送器，112-第二流量变送器，113-高压蒸汽管路，114-第三流量变送器，115-第四流量变送器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
图1是IGCC发电系统的结构示意图。
参见图1，IGCC发电系统包括至少两个“二拖一”机组；每个“二拖一”机组包括两台燃气轮机101、两台余热锅炉102和一台蒸汽轮机103；每台燃气轮机101与一台余热锅炉102连接；蒸汽轮机103分别与两台余热锅炉102连接；还包括给水母管104和蒸汽母管105；每台余热锅炉102的给水出口通过给水支管106与给水母管104连通；每个给水支管106上设置有压力控制阀107；每台余热锅炉102的蒸汽进口通过蒸汽支管108与蒸汽母管105连通；每个蒸汽支管108上设置有流量控制阀109。所述压力压力控制阀107用于控制余热锅炉102输出的饱和水的流量；所述流量控制阀109用于控制返回余热锅炉102内的蒸汽的流量。
IGCC发电系统的工艺流程如下：煤经气化炉高温气化产生合成气，合成气经净化后作为燃气轮机101的燃料发电，余热锅炉102回收燃气轮机101的尾气余热以产生高压蒸汽，高压蒸汽再驱动蒸汽轮机103发电。煤气化过程中除大部分能量转化为合成气的化学能外，还有一部分能量转化为合成气显热，余热锅炉102内的饱和水经给水支管106输送至给水母管104，然后再经给水母管104输送至热交换器加热，饱和水吸收合成气显热后变成蒸汽，蒸汽再输送至蒸汽母管105中，然后再经过蒸汽支管108输送至各个余热锅炉102内。
图1示出的IGCC发电系统，所述余热锅炉102输出的高压蒸汽的流量越大，蒸汽轮机103的发电量就越大，则表明该余热锅炉102的出力越大。那么为了保证IGCC发电系统能够稳定、可靠且高效的运行，当某一余热锅炉102的出力增大时，就应调节相应压力控制阀107的开度，以增大该余热锅炉102输出的饱和水的流量，同时应调节流量控制阀109的开度，以增大返回该余热锅炉102的蒸汽的流量；当某一余热锅炉102的出力减小时，就应调节相应压力控制阀107的开度，以减小该余热锅炉102输出的饱和水的流量，同时应调节流量控制阀109的开度，以减小返回该余热锅炉102的蒸汽的流量。
本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，包括如下步骤：控制每个给水支管106上的压力控制阀107的开度，以调节每台余热锅炉102输出的饱和水流量；用每台余热锅炉102输出的饱和水流量除以所有余热锅炉102输出的饱和水流量之和，以得到每台余热锅炉102输出的饱和水流量的占比；用每台余热锅炉102输出的饱和水流量的占比乘以蒸汽母管105内的蒸汽总流量，以得到每台余热锅炉102应分配的蒸汽流量；将每台余热锅炉102应分配的蒸汽流量与每台余热锅炉102输入的蒸汽流量的偏差经PID运算，以得到控制每个蒸汽支管108上的流量控制阀109的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀109的开度。
所述余热锅炉102输出的饱和水流量的占比按公式(1)计算：
Figure BDA0003151802310000041
其中，γi为第i台余热锅炉102输出的饱和水流量的占比；Qi为第i台余热锅炉102输出的饱和水流量；n为余热锅炉102的数量。
所述余热锅炉102应分配的蒸汽流量按公式(2)计算：
K′i＝γi×K0 (2)
其中，K′i为第i台余热锅炉102应分配的蒸汽流量；K0为蒸汽母管105内的蒸汽总流量。
所述余热锅炉102应分配的蒸汽流量与该余热锅炉102输入的蒸汽流量的偏差按公式(3)计算：
ΔKi＝K′i-Ki (3)
其中，ΔKi为第i台余热锅炉102应分配的蒸汽流量与第i台余热锅炉102输入的蒸汽流量的偏差；Ki为第i台余热锅炉102输入的蒸汽流量。
将ΔKi经PID运算后，就可得到控制每个蒸汽支管108上的流量控制阀109的开度命令，根据该控制命令控制相应流量控制阀109的开度。本实施例中，该处PID运算为正向作用，也就是说，当流量控制阀109前的流量变大时，该流量控制阀109的开度应变大；当流量控制阀109前的流量变小时，该流量控制阀109的开度应变小。
参见图1，所述给水支管106上、且位于压力控制阀107与给水母管104之间设置有第一流量变送器111；所述余热锅炉102输出的饱和水流量为第一流量变送器111测量的数据。所述蒸汽支管108上、且位于流量控制阀109与蒸汽母管105之间设置有第二流量变送器112；所述余热锅炉102输入的蒸汽流量为第二流量变送器112测量的数据。所述蒸汽母管105上设置有第四流量变送器115；所述蒸汽母管105内的蒸汽总流量为第四流量变送器115测量的数据。
下面以IGCC发电系统包括两个“二拖一”机组为例进行说明。参见图1，该IGCC发电系统供包括四台余热锅炉102。
IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，包括：
通过四个第一流量变送器111分别测得四台余热锅炉102输出的饱和水流量为：Q1、Q2、Q3、Q4；四台余热锅炉102输出的饱和水流量的占比分别为：γ1＝Q1/(Q1+Q2+Q3+Q4)；γ2＝Q2/(Q1+Q2+Q3+Q4)；γ3＝Q3/(Q1+Q2+Q3+Q4)；γ4＝Q4/(Q1+Q2+Q3+Q4)。
通过第四流量变送器115测得蒸汽母管105内的蒸汽总流量为K0；四台余热锅炉102应分配的蒸汽流量分别为：K′1＝γ1×K0；K′2＝γ2×K0；K′3＝γ3×K0；K′4＝γ4×K0。
通过四个第二流量变送器112分别测得四台余热锅炉102输入的蒸汽流量为：K1、K2、K3、K4；四台余热锅炉102应分配的蒸汽流量与输入的蒸汽流量的偏差分别为：ΔK1＝K′1-K1；ΔK2＝K′2-K2；ΔK3＝K′3-K3；ΔK4＝K′4-K4。
将四台余热锅炉102应分配的蒸汽流量与输入的蒸汽流量的偏差经PID运算后，就可得到控制与每台余热锅炉102相对应的流量控制阀109的开度命令，然后根据开度命令控制相应流量控制阀109的开度即可，这样就根据四台余热锅炉102的出力精确分配四台余热锅炉102的蒸汽负荷。
本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，通过控制每个给水支管106上的压力控制阀107的开度，这样就可调节每台余热锅炉102输出的饱和水流量，使得每台余热锅炉102输出的饱和水流量与该余热锅炉102的出力相匹配；根据每台余热锅炉102输出的饱和水流量的占比关系，确定每台余热锅炉102应分配到的蒸汽负荷，然后经PID运算后得到每个流量控制阀109的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀109的开度，这样就可精确调节每台余热锅炉102应分配到的蒸汽负荷，即出力较高的余热锅炉102接收较大的蒸汽流量，出力较低的余热锅炉102接收较小的蒸汽流量，保证每台余热锅炉102分配到的蒸汽负荷与其出力相匹配，进而保证IGCC发电系统能够稳定、可靠且高效的运行。
本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，所述压力控制阀107开度的控制方法，包括如下步骤：将给水母管104的设定压力与实测压力的偏差经PID运算，以得到PID输出数据；用每台余热锅炉102输出的高压蒸汽流量除以所有余热锅炉102输出的高压蒸汽流量的平均值，以得到每台余热锅炉102的流量修正系数；用每台余热锅炉102的流量修正系数乘以PID输出数据，以得到每个压力控制阀107的开度命令，根据开度命令控制相应压力控制阀107的开度。
所述给水母管104的设定压力与实测压力的偏差按公式(4)计算：
ΔP＝P′-P (4)
其中，ΔP为给水母管104的设定压力与实测压力的偏差；P′为给水母管104的设定压力；P为给水母管104的实测压力。
将ΔP经PID运算后得到PID输出数据。本实施例中，该处PID运算为反向作用，也就是说，当给水母管104的压力变大时，压力控制阀107的开度应变小；当给水母管104的压力变小时，压力控制阀107的开度应变大。
所述余热锅炉102的流量修正系数按公式(5)计算：
Figure BDA0003151802310000061
其中，λi为第i台余热锅炉102的流量修正系数；qi为第i台余热锅炉102输出的高压蒸汽流量。
参见图1，所述给水母管104上设置有压力变送器110；所述给水母管104的实测压力为压力变送器110测量的数据。优选的，所述给水母管104上设置有至少两个压力变送器110；所述给水母管104的实测压力为所有压力变送器110测量数据的平均值。所述余热锅炉102与蒸汽轮机103之间的高压蒸汽管路113上设置有第三流量变送器114；所述余热锅炉102输出的高压蒸汽流量为第三流量变送器114测量的数据。
下面以IGCC发电系统包括两个“二拖一”机组为例进行说明。参见图1，该IGCC发电系统供包括四台余热锅炉102。其中，给水母管104上设置有两个压力变送器110。
压力控制阀107开度的控制方法，包括：
通过两个压力变送器110测得给水母管104内饱和水的压力分别为：P1、P2；则给水母管104的实测压力为：P＝(P1+P2)/2；所述给水母管104的设定压力与实测压力的偏差为：ΔP＝P′-P；将该偏差经PID运算后得到PID输出数据；
通过四个第三流量变送器114分别测得四台余热锅炉102输出的高压蒸汽流量为：q1、q2、q3、q4；四台余热锅炉102的流量修正系数分别为：λ1＝4×q1/(q1+q2+q3+q4)；λ2＝4×q2/(q1+q2+q3+q4)；λ3＝4×q3/(q1+q2+q3+q4)；λ4＝4×q4/(q1+q2+q3+q4)；
将PID输出数据分别乘以四台余热锅炉102的流量修正系数，就得到控制与每台余热锅炉102相对应的压力控制阀107的开度命令，然后根据开度命令控制相应压力控制阀107的开度即可，这样就根据四台余热锅炉102的出力精确分配四台余热锅炉102的饱和水流量。
本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，将给水母管105的设定压力与实测压力的偏差经PID运算得到PID输出数据；根据每台余热锅炉102输出的高压蒸汽流量得到每台余热锅炉102出力的流量修正系数，然后将每台余热锅炉102的流量修正系数乘以PID输出数据得到每个压力控制阀107的开度命令，根据开度命令控制相应压力控制阀107的开度，这样就可精确调节每台余热锅炉102输出的饱和水流量，即出力较高的余热锅炉102输出较大的饱和水流量，出力较低的余热锅炉102输出较小的饱和水流量，保证每台余热锅炉102输出的饱和水流量与其出力相匹配。
本发明实施例提供的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，设计经过流量修正的压力控制回路以及给水流量占比关系调节方式，将每台余热锅炉102输出的高压蒸汽流量、每台余热锅炉102输出的饱和水流量以及每台余热锅炉102输入的蒸汽流量结合起来，确保每台余热锅炉分配到的蒸汽负荷与每台机组当前的热、电负荷出力相匹配，分配合理，保证了多个发电机组之间负荷分配的平衡性与协调性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，包括如下步骤：控制每个给水支管(106)上的压力控制阀(107)的开度，以调节每台余热锅炉(102)输出的饱和水流量；用每台余热锅炉(102)输出的饱和水流量除以所有余热锅炉(102)输出的饱和水流量之和，以得到每台余热锅炉(102)输出的饱和水流量的占比；用每台余热锅炉(102)输出的饱和水流量的占比乘以蒸汽母管(105)内的蒸汽总流量，以得到每台余热锅炉(102)应分配的蒸汽流量；将每台余热锅炉(102)应分配的蒸汽流量与每台余热锅炉(102)输入的蒸汽流量的偏差经PID运算，以得到控制每个蒸汽支管(108)上的流量控制阀(109)的开度命令，根据开度命令控制相应流量控制阀(109)的开度。
2.根据权利要求1所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述压力控制阀(107)开度的控制方法，包括如下步骤：将给水母管(104)的设定压力与实测压力的偏差经PID运算，以得到PID输出数据；用每台余热锅炉(102)输出的高压蒸汽流量除以所有余热锅炉(102)输出的高压蒸汽流量的平均值，以得到每台余热锅炉(102)的流量修正系数；用每台余热锅炉(102)的流量修正系数乘以PID输出数据，以得到每个压力控制阀(107)的开度命令，根据开度命令控制相应压力控制阀(107)的开度。
3.根据权利要求2所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述给水母管(104)上设置有至少两个压力变送器(110)；所述给水母管(104)的实测压力为所有压力变送器(110)测量数据的平均值。
4.根据权利要求1所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述给水支管(106)上、且位于压力控制阀(107)与给水母管(104)之间设置有第一流量变送器(111)；所述余热锅炉(102)输出的饱和水流量为第一流量变送器(111)测量的数据。
5.根据权利要求1所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述蒸汽支管(108)上、且位于流量控制阀(109)与蒸汽母管(105)之间设置有第二流量变送器(112)；所述余热锅炉(102)输入的蒸汽流量为第二流量变送器(112)测量的数据。
6.根据权利要求1所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述蒸汽母管(105)上设置有第四流量变送器(115)；所述蒸汽母管(105)内的蒸汽总流量为第四流量变送器(115)测量的数据。
7.根据权利要求2所述的IGCC发电机组合成气显热回收蒸汽负荷分配方法，其特征在于，所述余热锅炉(102)与蒸汽轮机(103)之间的高压蒸汽管路(113)上设置有第三流量变送器(114)；所述余热锅炉(102)输出的高压蒸汽流量为第三流量变送器(114)测量的数据。
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