CN114961902A - 一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，包括：供热系统和汽轮机；供热系统包括主蒸汽母管、主汽阀、高压调阀、中压抽汽供热调节阀、中压供热减温器、中压供热母管和低压供热管；汽轮机包括第一汽缸、第二汽缸和中压抽汽调整门；中压抽汽供热调节阀的开度可调。本发明的有益效果是：本发明通过合理利用供热系统的蓄热，自动调整供热流量实现对机组大频差动作迅速、准确的响应；在确保机组及供热系统稳定的前提下，提升母管制供热机组对于电网大频差的响应能力，对提升电网频率稳定和运行安全性具有重要的意义。

Description

一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置及方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，更确切地说，它涉及一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置及方法。

背景技术

为保证电网供电质量的要求，电网调度机构要求并网运行的火力发电汽轮机组具备一次调频功能，电网频率额定值为50Hz，即当电网频率一旦偏离50Hz时，并网发电机组的控制系统自动地快速控制有功功率增减，限制电网频率变化的功能，具体体现为电网频率低于50Hz时增加有功功率，反之高于50Hz时则减少有功功率，有相关标准要求响应死区为±0.033Hz。各地电网调度机构对火电机组的一次调频响应的时间和动作效果等指标均提出了具体的控制要求。调速汽门是满足电网负荷调度而设置的主要调节设备。火电机组的一次调频功能由分散控制系统(Distributed Control System,DCS)实现。当DCS检测到电网频率发生变化时，生成对应的一次调频调节指令，对汽轮机调速汽门开度进行控制，调整机组的发电功率，而母管制供热机组与常规的单元制机组不同，是由几台锅炉并列向同一母管供汽运行，锅炉侧不设计一次调频调节指令，一次调频响应主要依靠调速汽门的快速调节。其供热管网一般由中压与低压供热管网组成，热网具有一定的热容量。

现有技术中，常规的一次调频响应主要由汽轮机实现，供热系统并不参与辅助调节。但是随着新能源发电技术、特高压输电工程的推进及外购电比例的不断增加，电网的频率波动显著增加，影响电网的安全稳定运行，目前调度机构对发电机组一次调频性能提出了更高的要求，特别是光伏、风电等新能源发电机组占比较高的区域。而母管制供热机组仅能依靠高压调门的动作响应一次调频，在供热量一定的情况下，其电功率变化区间有限，特别是频差较大的一次调频动作响应数值可能无法满足相关标准要求。随着大频差动作的频次增加，可能无法满足电网要求，需要进一步提高母管制机组响应大频差的能力。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置及方法；

第一方面，提供了一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，包括：供热系统和汽轮机；供热系统与汽轮机连接；

其中，供热系统包括主蒸汽母管、主汽阀、高压调阀、中压抽汽供热调节阀、中压供热减温器、中压供热母管和低压供热管；所述汽轮机包括第一汽缸、第二汽缸和中压抽汽调整门；所述主蒸汽母管、主汽阀、高压调阀和第一汽缸依次连接，所述第一汽缸通过中压抽汽供热调节阀和中压抽汽供热逆止阀连接至中压供热母管；所述第一汽缸通过中压抽汽调整门与第二汽缸连接；所述第二汽缸与低压供热管连接；所述中压抽汽供热调节阀的开度可调。

作为优选，所述第一汽缸的下部具有中压供热抽汽口，所述第一汽缸通过中压供热抽汽口与所述中压抽汽供热调节阀连接。

作为优选，所述中压抽汽调整门的数量为二，所述中压抽汽调整门位于所述第一汽缸和所述第二汽缸之间。

作为优选，所述第二汽缸的下部具有低压供热抽汽口，所述第二汽缸通过低压供热抽汽口与所述低压供热管连接。

第二方面，提供了一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，由第一方面任一所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置执行，包括：

步骤1、建立中压抽汽压力、中压抽汽流量和中压抽汽供热调节阀开度之间的关系模型；实时监测中压抽汽供热压力、中压供热母管压力和中压抽汽供热流量，将所述中压抽汽供热压力、中压供热母管压力及中压抽汽供热流量作为一次调频辅助响应控制逻辑的边界条件；

步骤2、汽轮机调速汽门控制回路按照一次调频响应控制逻辑对汽轮机负荷进行控制；

步骤3、在中压抽汽供热调节阀中增加中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑；

步骤4、检测到机组大频差的一次调频响应时，所述中压抽汽供热调节阀根据所述中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑获取开度的偏置量，并调节开度；

步骤5、电网频率恢复正常后，所述开度的偏置量归零。

作为优选，步骤3中，所述中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑中具有闭锁保护信号。

作为优选，步骤4中，所述机组大频差的一次调频响应包括±0.1Hz及以上频差的一次调频响应。

作为优选，步骤4中，通过比例积分的计算获取所述开度的偏置量。

作为优选，步骤4中，通过限制速率的方式设置所述开度的偏置量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过合理利用供热系统的蓄热，自动调整供热流量实现对机组大频差动作迅速、准确的响应。在确保机组及供热系统稳定的前提下，提升母管制供热机组对于电网大频差的响应能力，对提升电网频率稳定和运行安全性具有重要的意义。

(2)本发明中的中压抽汽供热调节阀只参与大频差调频响应，由于每年大频差一次调频动作出现较少，阀门动作幅度也均在日常运行范围内，不会影响该设备的运行寿命。

附图说明

图1为本申请提供的一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置的结构示意图；

图2为本申请提供的一种中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑示意图；

图3为本申请提供的一种机组抽汽压力与供热阀开度关系曲线图；

图4为本申请提供的一种机组供热流量与供热阀开度关系曲线图；

图5为本申请提供的另一种机组抽汽压力与供热阀开度关系曲线图；

图6为本申请提供的另一种机组供热流量与供热阀开度关系曲线图；

附图标记说明：主蒸汽母管1、主汽阀2、高压调阀3、中压抽汽供热调节阀4、中压供热减温器5、中压供热母管6、低压供热管7、第一汽缸8、第二汽缸9、中压抽汽调整门10。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1：

母管制供热机组的一次调频响应主要依靠调速汽门的快速调节。其供热管网一般由中压与低压供热管网组成，热网具有一定的热容量。

示例地，主蒸汽管道从汽轮机两侧接入，经主汽阀、高压调阀后进入汽轮机内部通流部分。蒸汽在第一阶段膨胀做功后，一部分从汽缸下部的中压供热抽汽口引出，经减温水调整温度后，经中压供热速关阀后进入中压供热管网，未抽出的蒸汽经汽缸中部的两个中压供热调整门进入第二膨胀做功阶段，由中压供热调整门调节中压抽汽压力实现中压供热抽汽量的调整。

需要说明的是，中压供热速关阀仅具备全开全关功能，当中压抽汽供热投入后中压抽汽供热速关阀处于全开状态，蒸汽在第二膨胀做功阶段继续做功后，压力降至排汽压力，输送至低压供热管线、辅助蒸汽母管以及小机用汽。可见，供热系统并不参与辅助调节，母管制供热机组对于电网大频差的响应能力较差。

为了提升母管制供热机组对于电网大频差的响应能力，本申请提供了一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，充分利用供热母管蓄热大的优势，确保供热蒸汽充裕及机组安全稳定、经济运行的基础上，采用短时间内调节供热流量的方式改变进入汽轮机第二膨胀阶段的蒸汽流量，在保证供热流量稳定的前提下辅助汽轮机的高压调门响应频差较大的一次调频信号，有效提升供热机组响应大频差的性能，如图1所示，包括：供热系统和汽轮机；供热系统与汽轮机连接；

其中，供热系统包括主蒸汽母管1、主汽阀2、高压调阀3、中压抽汽供热调节阀4、中压供热减温器5、中压供热母管6和低压供热管7；汽轮机包括第一汽缸8、第二汽缸9和中压抽汽调整门10，在第一膨胀阶段时，蒸汽在第一汽缸8做功，在第二膨胀阶段时，蒸汽在第二汽缸9做功；主蒸汽母管1、主汽阀2、高压调阀3和第一汽缸8依次连接，第一汽缸8通过中压抽汽供热调节阀4和中压供热减温器5连接至中压供热母管6；第一汽缸8通过中压抽汽调整门10与第二汽缸9连接；第二汽缸9与低压供热管7连接；中压抽汽供热调节阀4的开度可调。由于第一汽缸8和中压抽汽供热调节阀4连接，而不是与中压供热速关阀连接，因此，机组日常运行中工作人员可以手动调节中压抽汽供热调节阀4的开度，进而实时调整中压抽汽供热量，与中压抽汽调整门共同调节中压抽汽供热量。

第一汽缸8的下部具有中压供热抽汽口，第一汽缸8通过中压供热抽汽口与中压抽汽供热调节阀4连接。

中压抽汽调整门10的数量为二，中压抽汽调整门10位于第一汽缸8和第二汽缸9之间。在第一膨胀阶段过渡到第二膨胀阶段时，蒸汽经中压调整门10由第一汽缸8输送至第二汽缸9。

第二汽缸9的下部具有低压供热抽汽口，第二汽缸9通过低压供热抽汽口与低压供热管7连接。

此外，中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置还包括供热锅炉、测量电网频率的测量设备、供热蒸汽流量测量设备、蒸汽压力测量设备、进行逻辑判断及控制的工业控制计算机等。

实施例2：

一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，由第一方面任一的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置执行，包括：

步骤1、建立中压抽汽压力、中压抽汽流量和中压抽汽供热调节阀开度之间的关系模型；实时监测中压抽汽供热压力、中压供热母管6压力和中压抽汽供热流量，将中压抽汽供热压力、中压供热母管6压力及中压抽汽供热流量作为一次调频辅助响应控制逻辑的边界条件；其中，供热系统辅助调频响应的同时需要维持中压供热压力不超过限定的运行范围；

步骤2、汽轮机调速汽门控制回路按照一次调频响应控制逻辑对汽轮机负荷进行控制；

步骤3、在中压抽汽供热调节阀4中增加中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑；

如图2所示，在中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑中输入中压抽汽供热压力和机组频率差信号(sp-pv)，经过比例积分计算功能块和限幅模块后，得到中压抽汽供热阀的偏置值。图2中，H/模块表示输入模拟量数值大于设定的数值则输出开关量1，否则输出为开关量0；/L模块表示输入模拟量数值小于设定的数值则输出开关量1，否则输出为开关量0；T模块表示数值切换，输入开关量为1时，选择YES端模拟量信号输出，输入开关量为0时，选择NO端模拟量信号输出；0表示跟踪值；f(x)代表函数功能，DCS系统中可设置端点输入X和输出Y，根据所设置的相邻两组端点计算线性函数，各段线性函数组成整段的折线函数。此外，图2中的虚线表示为开关量，实线表示为模拟量。

步骤4、检测到机组大频差的一次调频响应时，中压抽汽供热调节阀4根据中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑获取开度的偏置量，并采用手操指令增加偏置的方式调节开度；

步骤5、电网频率恢复正常后，图2中功能块输出强制跟踪为零，开度的偏置量归零，供热调节阀的阀位指令恢复为手动设置值。

步骤3中，中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑中具有闭锁保护信号，该闭锁保护信号用于防止一次调频动作期间中压抽汽压力过高或过低影响供热母管的运行安全。

步骤4中，机组大频差的一次调频响应包括±0.1Hz及以上频差的一次调频响应。因此，中压抽汽供热调节阀仅响应±0.1Hz及以上频差的一次调频动作，小于±0.1Hz频差的一次调频动作不参与调节，防止供热调节阀动作次数过多影响阀门的运行寿命。

此外，步骤4中，本申请不对获取开度的偏置量的方式进行限定，在一种可选的方式中，通过比例积分的计算获取开度的偏置量；在另一种可选的方式中，通过限制速率的方式设置开度的偏置量。中压抽汽供热调节阀开度的偏置量根据流量特性试验与日常运行区间进行估算。

实施例3：

某实施电厂的热电二期为母管制供热机组，共4台57MW机组，根据供热蒸汽参数分为中压供热和低压供热。

该汽机系统为母管制供热机组中的单台机组配置，主蒸汽来自主蒸汽母管，经过主汽阀和高压调阀进入汽轮机，在第一膨胀阶段做功，经两个中压抽汽调整门后进入第二膨胀阶段做功，最终通过汽轮机排汽至低压供热系统及辅汽母管，中压抽汽供热由中压抽汽调整门控制抽汽压力，由第一膨胀阶段抽出，通过中压抽汽速关阀和逆止阀后再经喷水减温后送入中压供热母管。本申请中将供热调节速关阀改造为调节阀，具备调节开度的功能，在中压抽汽调整门调节抽汽压力的同时可手动调整抽汽调节阀开度进一步调节中压抽汽供热流量。一次调频动作控制设置为：检测到电网频率偏差超过±0.033Hz(±2r/min转差)，0.033Hz(±2r/min)也称为一次调频动作的响应死区，控制计算机根据测量的频率值直接生成对应的机组负荷需求量：±0.033Hz对应0MW，0.1Hz对应-1.52MW，-0.1Hz对应1.52MW，最高动作频差±0.183Hz，对应4.18MW负荷。

由于母管制供热机组本身蓄热量较大，短时间内辅助一次调频响应所需的供热流量基本不会影响供热蒸汽的品质，对于实施机组而言，中压抽汽压力设定值限制在2.8MPa～3.2MPa范围内，中压抽汽供热调节阀的运行开度区间为30％～60％，阀门在该范围内已能够满足所有供热调节需求，根据运行安全需求设置相应的闭锁保护条件进一步保证供热系统的安全。当中压抽汽压力(第一膨胀阶段抽汽出口压力)高于3.4MPa则闭锁供热抽汽调节阀减小，中压抽汽压力低于2.8MPa则闭锁抽汽调节阀开大，有效保护供热管网的稳定运行。图3至图6为两个不同机组的抽汽压力、供热阀门开度与中压供热流量的实际关系曲线，机组负荷不同导致中压抽汽供热压力具有明显差异，流量特性试验结果也存在明显差异，与中压抽汽压力的数值密切相关，当中压抽汽压力较高时，中压抽汽供热调节阀流量较大，且随着阀门开度的改变蒸汽流量变化范围也更宽泛，图中所示是机组某运行时刻的试验数据，作为控制策略参数设计的参考，实施机组日常运行中阀门在45％～55％范围内居多，仍有5％～10％的调整裕度可辅助大频差的一次调频响应。

结合图2和实施机组设计参数对策略进行描述：辅助一次调频大频差调节设置为通过比例积分的调节实现偏置量的快速计算，仅响应±6r/min(±0.1Hz)及以上的一次调频动作，频差小于±6r/min(±0.1Hz)偏置则控制回路不投入，通过功能块强制跟踪锁定偏置输出值为0，中压抽汽供热压力对应f(x)函数为比例积分计算偏差的增益系数，方便日后根据中压抽汽供热压力的数值灵活调整比例积分的计算速率，实施案例中暂未设置，输出均为1。机组频差信号对应的f(x)设置如下表1所示，函数输出作为比例积分计算的偏差值，需要说明的是此处采用比例积分仅仅是为了快速计算中压抽汽供热阀门的偏置量，采用常规的速率限制方式也能实现，偏置量的输出限幅设置为±5％，即中压抽汽供热调节阀在辅助一次调频时最多开关5％，限幅幅值可根据设备运行情况随时调整，下表2为实施机组进行的±6r/min的一次调频验证试验，未投入供热辅助数据作为对照组。

表1机组频差信号对应的f(x)设置

频差X(r/min)	Y
		10	5
5.9	3
		2	0
0	0
		-2	0
-5.9	-3
		-10	-5

表2供热辅助前后一次调频扰动试验数据

综上所述，本申请在检测到机组大频差动作时，利用中压抽汽供热系统的蓄热能力能够在短时间和安全范围内自动调整抽汽量，能够有效提高机组对于电网大频差的响应，本发明实施案例中大频差的响应指数至少提升20％，机组应对大频差的能力提升显著，有助于针对大频差动作的补偿，对提升电网频率稳定和运行安全性具有重要的意义。大频差的一次调频动作往往较少，但并网机组是否能够及时充分响应大频差动作对电网的安全稳定运行至关重要，每次出现大频差动作电网均会对并网机组的响应情况进行检查，本方法能够很好地利用蓄热能力辅助大频差调节，同时由于每年大频差一次调频动作出现较少，中压抽汽供热调节阀不会经常性参与一次调频响应，阀门动作幅度也均在日常运行范围内，不会影响该设备的运行寿命。

Claims (9)

1.一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，其特征在于，包括：供热系统和汽轮机；供热系统与汽轮机连接；

其中，供热系统包括主蒸汽母管(1)、主汽阀(2)、高压调阀(3)、中压抽汽供热调节阀(4)、中压供热减温器(5)、中压供热母管(6)和低压供热管(7)；所述汽轮机包括第一汽缸(8)、第二汽缸(9)和中压抽汽调整门(10)；所述主蒸汽母管(1)、主汽阀(2)、高压调阀(3)和第一汽缸(8)依次连接，所述第一汽缸(8)通过中压抽汽供热调节阀(4)和中压供热减温器(5)连接至中压供热母管(6)；所述第一汽缸(8)通过中压抽汽调整门(10)与第二汽缸(9)连接；所述第二汽缸(9)与低压供热管(7)连接；所述中压抽汽供热调节阀(4)的开度可调。

2.根据权利要求1所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，其特征在于，所述第一汽缸(8)的下部具有中压供热抽汽口，所述第一汽缸(8)通过中压供热抽汽口与所述中压抽汽供热调节阀(4)连接。

3.根据权利要求2所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，其特征在于，所述中压抽汽调整门(10)的数量为二，所述中压抽汽调整门(10)位于所述第一汽缸(8)和所述第二汽缸(9)之间。

4.根据权利要求3所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置，其特征在于，所述第二汽缸(9)的下部具有低压供热抽汽口，所述第二汽缸(9)通过低压供热抽汽口与所述低压供热管(7)连接。

5.一种中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，由权利要求1至4任一所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的装置执行，包括：

步骤1、建立中压抽汽压力、中压抽汽流量和中压抽汽供热调节阀开度之间的关系模型；实时监测中压抽汽供热压力、中压供热母管(6)压力和中压抽汽供热流量，将所述中压抽汽供热压力、中压供热母管(6)压力及中压抽汽供热流量作为中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑的边界条件；

步骤2、汽轮机调速汽门控制回路按照一次调频响应控制逻辑对汽轮机负荷进行控制；

步骤3、在中压抽汽供热调节阀(4)中增加中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑；

步骤4、检测到机组大频差的一次调频响应时，所述中压抽汽供热调节阀(4)根据所述中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑获取开度的偏置量，并调节开度；

步骤5、电网频率恢复正常后，所述开度的偏置量归零。

6.根据权利要求5所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，其特征在于，步骤3中，所述中压抽汽供热调节阀开度控制逻辑中具有闭锁保护信号。

7.根据权利要求5所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，其特征在于，步骤4中，所述机组大频差的一次调频响应包括±0.1Hz及以上频差的一次调频响应。

8.根据权利要求5所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，其特征在于，步骤4中，通过比例积分的计算获取所述开度的偏置量。

9.根据权利要求5所述的中压抽汽供热系统辅助机组大频差调节的方法，其特征在于，步骤4中，通过限制速率的方式设置所述开度的偏置量。

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