CN115167146A - 一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，所述方法通过一种新的计算方式分别获得实时负荷点以及目标负荷点上的过热蒸汽储能，并计算出蒸汽储能偏差；然后，将此储能偏差等价转换为负荷偏差以及压力偏差，并将此偏差引入协调控制系统前馈中去，从而实现利用过热蒸汽储能快速调整负荷的目的。本发明避免了现场机组的实验，通过历史数据等价计算出典型负荷点的储能系数，在此基础上设计汽轮机前馈控制，通过充分利用机组机前过热蒸汽段储能的基础上，提升机组负荷调整的快速性。
Description
技术领域
本发明属于火电厂控制技术领域，涉及一种火电机组CCS系统控制优化方法，具体涉及一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法。
背景技术
随着对火电机组动态性能研究的深入，基于锅炉储能利用的控制策略成为一种较为有效的协调控制系统优化方法。此方法利用机组自身的能量储备用于负荷的快速调节，可提升整个电源侧在新能源扰动下的调峰调频能力，降低弃风弃光率，是未来我国火电机组适应“碳达峰，碳中和”政策的主要研究课题之一。针对此问题，目前研究重点主要是锅炉储能系数的精确计算，因为，如何确定机组准确的储能量是进行机组协调优化设计的重要前提。现有计算锅炉储能系数的传统方法是机组汽轮机高压调门的扰动实验，通过此方法可以获得机组在特定负荷下的储能系数；与此方法类似，还有研究在不需要考虑动态模型的前提下，仅通过研究机组一次调频时主汽阀门动作前后两个稳态对象，进而获得了锅炉蓄热量；为避免大量实验，也可通过在搭建的仿真模型中进行类似的扰动实验，同样可以获得理想的储能系数。所以，首先建立机组非线性模型，并在简化模型的基础上计算机组的动态储能系数，将此系数加入协调控制优化中成为了一种较为现实的锅炉储能计算方法。
在传统计算锅炉蓄热的方法中，蒸汽流量的阶跃增量与锅炉的蓄热量大小有关，通常使用高调门扰动实验，此实验过程的基本理论依据是在保持机组主控处于手动控制前提下，给水系统、燃烧系统等系统可维持机组的基本的稳定运行。在上述状态下阶跃调节汽轮机侧高调门开度，由此获得机组的负荷与压力的改变量，通过下式计算锅炉在此负荷条件下的储能系数：
上式中，机组在t0时刻调门开始阶跃动作，在t1时刻结束调门动作。其中，Cb(t0)为在t0时刻锅炉储能系数，NE(t0)、NE(t1)分别为机组在t0、t1的负荷值，pd(t0)、pd(t1)分别为机组在t0、t1的机前压力值。
上式的计算是基于理想状态的实验，其主要存在以下问题：
(1)理想状态的获取问题，在此实验之前，机组需要根据此时的负荷调整机组的压力、温度等到达额定负荷的对应值。然而在实际运行过程中，特定负荷下的压力及温度并非固定值，而是一个区间，以300MW机组为例，温度值只要在535℃～545℃之间都属于合理范围，在大流量过热蒸汽的运行状态下，10℃的温差必然带来较大的储能偏差。
(2)机组的扰动实验所付出的代价较高，并且机组运行过程中，性能将发生改变，在目前火电运行状况下，很难做到对每一个机组各个运行工况均进行扰动实验。
(3)传统的储能系数是由水冷壁段、汽包段、过热蒸汽段的所有汽水、金属储能来加和，由于汽包、水冷壁的能量变化最大驱动力来自于炉膛燃烧，所以，滞后性较大，在快速调整的过程中实际效果不佳。
发明内容
基于上述原因，本发明提供了一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法。该方法通过一种新的计算方式分别获得实时负荷点以及目标负荷点上的过热蒸汽储能，并计算出蒸汽储能偏差；然后，将此储能偏差等价转换为负荷偏差以及压力偏差，并将此偏差引入协调控制系统前馈中去，从而实现利用过热蒸汽储能快速调整负荷的目的。本发明避免了现场机组的实验，通过历史数据等价计算出典型负荷点的储能系数，在此基础上设计汽轮机前馈控制，通过充分利用机组机前过热蒸汽段储能的基础上，提升机组负荷调整的快速性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，包括如下步骤：
步骤一：分别采集机组在平稳运行状态下的历史数据以及在连续变负荷状态下的机前过热蒸汽参数，并采用大量数据取平均的方法由此获得典型负荷点所对应的主蒸汽压力、主蒸汽流量、主蒸汽温度参数；
步骤二：处理步骤一所采集的数据，采用分段、分工质计算方法计算出每个典型负荷点稳定状态下机前过热蒸汽段蒸汽的有效能，具体步骤如下：
步骤二一、负荷从Ni变化至Ns时，其主汽流量qi变化为qs，变化量Δq为：
Δq＝qs-qi；
步骤二二、计算过热蒸汽的有效能Esi(Ni,Pi)，其计算方式如下所示：
Esi(Ni,Pi)＝(Hi-H0)-T0(Si-S0)；
式中，Hi为初始状态下的焓值，H0为基态焓值，Si为初始状态的熵值，S0为基态熵值，T0为基态温度；
步骤二三、结合负荷点Ni的流量qi，获得蒸汽可做工能量Qssi：
Qssi＝qi·Esi(Ni,Pi)；
步骤二四、按照步骤二二和二三的方法，结合负荷点Ns的流量qs，获得蒸汽可做工能量Qsss；
步骤二五、由Δq计算两点间过热蒸汽储能量变化ΔQSS(Ni,Ns)：
ΔQss(Ni,Ns)＝Qsss-Qssi；
步骤三：在步骤二的基础上，将过热蒸汽有效能转化为瞬时的等价负荷，具体步骤如下：
步骤三一、在获得目标负荷后，机组加减负荷过程中，将过热蒸汽总能量的差值近似转化为瞬时的等价负荷差值，计算两个负荷点的有效能得差值，同时将两个负荷差值转换为能量，获取两个负荷点之间能量差值，其计算如下：
ΔQ(Ni,Ns)＝ΔQN(Ni,Ns)+ΔQss(Ni,Ns)
式中，ΔQ(Ni,Ns)为负荷从Ni至Ns之间负荷增加所需能量ΔQN(Ni,Ns)与机前过热蒸汽能量变化量ΔQSS(Ni,Ns)之和；
步骤三二、将主蒸汽能量变化ΔQSS(Ni,Ns)按照下述公式得到等价负荷值ΔNss后用于修正负荷偏差ΔN：
Qss(t)-Qss(t-Δt)＝Nss(t)-Nss(t-Δt)；
式中，Qss(t)为机前过热段在t时刻的储能量；Nss(t)为负荷的改变量；
步骤四：在步骤三的基础上得到负荷点Ni在不同调整状态下协调控制系统(基于BF状态下)负荷偏差优化值，并将此优化值作为前馈加入协调控制系统，以实现快速负荷响应。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1)在不进行现场实验的基础上可以以历史数据为计算基础获得机组各个负荷段机前过热蒸汽的瞬时储能；
2)利用机前过热蒸汽的瞬时储能可以更加快速的进行负荷调整，降低了炉侧燃烧滞后性对协调系统调节性能的影响；
3)不依赖于专有扰动实验，利用常规的历史数据获得蒸汽的动态储能，方法实现代价小，数据准确，具有较好的实用及推广价值；
4)依据现在已有的储能计算，过热段储能占据整体储能的50％以上，研究实际运行曲线可以发现，负荷瞬时的快速调整从本质上是将机前的过热蒸汽的能量迅速变成发电量，本发明利用此特点进行机组控制优化，可实现对机组负荷调整的快速精准的调节。
附图说明
图1为基于历史数据的机组动态蓄热系数计算流程图；
图2为蒸汽能量计算及能量信号的应用。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，所述方法为研究机组负荷变化时过热段蒸汽的储能变化，现引入微元时间分析法，取Δt为脉冲级的瞬时时间；同时，由机组负荷变化与机前能量之间的关系可知：
Qss(t)-Qss(t-Δt)＝Nss(t)-Nss(t-Δt) (1)；
式中，Qss(t)为机前过热段在t时刻的储能量；Nss(t)为负荷的改变量。上式在动态过程中的瞬时是成立的，即负荷在Δt时间变化的能量等于机前过热蒸汽段储能的变化量。
结合上述设计思想是在炉跟机协调方式下进行的，负荷快速调节时机组调门直接调节机前过热蒸汽，燃烧(辐射及对流)因受燃料供给的延迟，所以在调门调节瞬间不考虑燃烧扰动量对机前过热蒸汽的瞬时影响。本发明首先设计一种过热蒸汽段储能计算方法，在上述数据的基础上拟合得到各个点的蒸汽储能，由此修正不同负荷点下的负荷偏差设定值，通过精准设定负荷偏差不仅可将机前过热蒸汽储能充分利用，迅速将负荷改变的能量需求反映到锅炉侧。具体包括如下步骤：
步骤一：分别采集机组在平稳运行状态下的历史数据以及在连续变负荷状态下的机前过热蒸汽参数，并采用大量数据取平均的方法由此获得典型负荷点所对应的主蒸汽压力、主蒸汽流量、主蒸汽温度参数。
本步骤中，根据机组各个负荷阶段的基本历史数据对大量数据进行分析，其目的是分析系统蒸汽参数、机组调整机制与机组负荷变化的相关性。
本步骤中，数据处理过程主要体现在：首先，在机组稳定运行状态下进行数据选择，因为在稳定时，机组的燃料量、调门开度以及燃烧状态具有较高的统一性，可以看作不变量方便对其他变量进行大数据的统计分析，得到稳态下机组较为准确的机前过热蒸汽参数，以此作为基准点，计算负荷变动过程中蒸汽的储能变化。然后，采集机组连续加减负荷时的机前过热蒸汽参数。
步骤二：处理步骤一所采集的数据，采用分段、分工质计算方法计算出每个典型负荷点稳定状态下机前过热蒸汽段蒸汽的有效能。
本步骤中，机前过热蒸汽储能量变化计算方法如下：
根据300MW汽包锅炉汽水特点，在步骤一的基础上，利用过热蒸汽温度、压力以及流量计算对应负荷Ni、Ns下的过热蒸汽能量变化。
负荷从Ni变化至Ns时，其主汽流量qi变化为qs，变化量Δq为：
Δq＝qs-qi (2)；
为计算蒸汽能量变化，现引用能够表征机前蒸汽每千克能量大小的是Esi(Ni,Pi)，即过热蒸汽的有效能，其计算方式如下所示：
Esi(Ni,Pi)＝(Hi-H0)-T0(Si-S0) (3)；
式中，Hi为初始状态下的焓值，KJ/kg；H0为基态焓值，KJ/kg；Si为初始状态的熵值，KJ/(kg·K)；S0为基态熵值，kJ/(kg·K)；T0为基态温度，K。其初始焓值取(450℃，10Mpa)下的蒸汽焓值于熵值作为初始值，分别计算可得H0＝192.4346KJ/(kg·K)，S0＝0.3806KJ/(kg·K)。
上述焓值的计算由蒸汽参数的计算方法可以获得，即在选择易于测量的压力p以及温度t作为独立变量时，有如下公式(4)所示，其计算方法见参考文献国际通用焓熵表：
H＝f0(p,t) (4)。
同理，在上述温度和压力下的过热蒸汽的熵的计算参考文献周泽民所提出的过热蒸汽参数熵的数学模型中所采用的熵值计算模型如下：
式中，t为开尔文温度(K)，p为标准大气压(atm)，s单位为KJ/(KG·K)，换算关系为：
1*P＝101.325Kpa (6)。
过热水蒸汽焓值计算参照文献汤庆生过热水蒸汽热焓的实用计算公式所采用的划区域分段求取焓值的方法，其表达如下所示：
上述汽压范围80～180个绝对大气压，温度范围450～570℃，H单位为KJ/KG。
由公式(4)、(5)、(6)、(7)可以计算公式(3)中的Esi(Ni,Pi)，结合负荷点Ni的流量qi，可获得蒸汽可做工能量Qssi(同理负荷点Ns)：
Qssi＝qi·Esi(Ni,Pi) (8)。
由公式(3)的Δq可以计算两点间过热蒸汽储能量变化，即从负荷Ns到负荷Ni时的蒸汽能量偏差ΔQSS(Ni,Ns)为：
ΔQss(Ni,Ns)＝Qsss-Qssi (9)。
基于上述相关理论可计算出在负荷点Ni下的机前过热蒸汽所需要的动态能量。
步骤三：在步骤二的基础上，将过热蒸汽有效能转化为瞬时的等价负荷。
针对同一台机组，不同时间运行稳定状态下，同一负荷点的过热蒸汽有效能是相对不变的(误差较小)；然而在加减过程中，蒸汽的有效能是偏高的，无论是加负荷还是减负荷。在加减负荷的过程中，每个负荷点对应的过热蒸汽的有效能是变化的(相对于稳定状态下)，所以动态变化时的蒸汽有效能变化趋势是不跟随机组负荷的变化趋势的。然而，整体过热蒸汽所表征的能量变化是与负荷变化相一致的，原因是，蒸汽流量的变化修正了过热蒸汽有效能波动。
所以，在获得目标负荷后，机组加减负荷过程中，可以将过热蒸汽总能量的差值近似转化为瞬时的等价负荷差值，计算两个负荷点的有效能得差值，同时将两个负荷差值转换为能量，获取两个负荷点之间能量差值，其计算如下：
ΔQ(Ni,Ns)＝ΔQN(Ni,Ns)+ΔQss(Ni,Ns) (10)；
式中，ΔQ(Ni,Ns)为负荷从Ni至Ns之间负荷增加所需能量ΔQN(Ni,Ns)与机前过热蒸汽能量变化量ΔQss(Ni,Ns)之和；将主蒸汽能量变化ΔQss(Ni,Ns)按照公式(1)得到等价负荷值ΔNss后用于修正负荷偏差ΔN。
步骤四：在步骤三的基础上得到负荷点Ni在不同调整状态下协调控制系统(基于BF状态下)负荷偏差优化值，并将此优化值作为前馈加入协调控制系统，以实现快速负荷响应。
将Ni至Ns下的过热蒸汽能量变化等价为负荷偏差ΔNss后，将此偏差作为前馈，并实时修正负荷偏差值，同时将负荷信号转化为压力偏差信号，作为锅炉侧的前馈。执行方式如图1所示，蒸汽能量计算及能量信号的应用如图2所示。
Claims (3)
1.一种利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：分别采集机组在平稳运行状态下的历史数据以及在连续变负荷状态下的机前过热蒸汽参数，并采用大量数据取平均的方法由此获得典型负荷点所对应的主蒸汽压力、主蒸汽流量、主蒸汽温度参数；
步骤二：处理步骤一所采集的数据，采用分段、分工质计算方法计算出每个典型负荷点稳定状态下机前过热蒸汽段蒸汽的有效能；
步骤三：在步骤二的基础上，将过热蒸汽有效能转化为瞬时的等价负荷；
步骤四：在步骤三的基础上得到负荷点Ni在不同调整状态下协调控制系统负荷偏差优化值，并将此优化值作为前馈加入协调控制系统，以实现快速负荷响应。
2.根据权利要求1所述的利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：
步骤二一、负荷从Ni变化至Ns时，其主汽流量qi变化为qs，变化量Δq为：
Δq＝qs-qi；
步骤二二、计算过热蒸汽的有效能Esi(Ni,Pi)，其计算方式如下所示：
Esi(Ni,Pi)＝(Hi-H0)-T0(Si-S0)；
式中，Hi为初始状态下的焓值，H0为基态焓值，Si为初始状态的熵值，S0为基态熵值，T0为基态温度；
步骤二三、结合负荷点Nx的流量qi，获得蒸汽可做工能量Qssi：
Qssi＝qi·Esi(Ni,Pi)；
步骤二四、按照步骤二二和二三的方法，结合负荷点Ns的流量qs，获得蒸汽可做工能量Qsss；
步骤二五、由Δq计算两点间过热蒸汽储能量变化ΔQSS(Ni,Ns)：
ΔQss(Ni,Ns)＝Qsss-Qssi。
3.根据权利要求1所述的利用机前过热蒸汽储能进行快速负荷调整的方法，其特征在于所述步骤三的具体步骤如下：
步骤三一、在获得目标负荷后，机组加减负荷过程中，将过热蒸汽总能量的差值近似转化为瞬时的等价负荷差值，计算两个负荷点的有效能得差值，同时将两个负荷差值转换为能量，获取两个负荷点之间能量差值，其计算如下：
ΔQ(Ni,Ns)＝ΔQN(Ni,Ns)+ΔQss(Ni,Ns)；
式中，ΔQ(Ni,Ns)为负荷从Ni至Ns之间负荷增加所需能量ΔQN(Ni,Ns)与机前过热蒸汽能量变化量ΔQSS(Ni,Ns)之和；
步骤三二、将主蒸汽能量变化ΔQSS(Ni,Ns)按照下述公式得到等价负荷值ΔNss后用于修正负荷偏差ΔN：
Qss(t)-Qss(t-Δt)＝Nss(t)-Nss(t-Δt)；
式中，Qss(t)为机前过热段在t时刻的储能量；Nss(t)为负荷的改变量。
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