CN115218245B - 一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法及系统，属于供热机组调峰技术领域。针对供热机组快速变负荷过程中参数波动大、灵活性差的问题，从供热机组与热网侧耦合调峰的角度出发，充分利用热网侧的蓄能，实现了机炉协调控制与热网侧同时承担负荷指令，从而减小了机组变负荷过程中的参数波动，改善了机组运行安全性，提高了供热机组的运行灵活性。本发明在保证热网安全且不影响用户体验的前提下，充分利用供热机组热网侧的蓄能，提高供热机组变负荷速率，增强供热机组灵活调峰的能力，为可再生能源大规模并网提供了条件。

Description

一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法及系统

技术领域

本发明属于供热机组调峰技术领域，具体涉及一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法及系统。

背景技术

能源的高效清洁利用是各国一直以来追求的目标。热电联产技术可同时生产“电”和“热”，实现了能量的梯级利用，提高了能源利用效率，成为燃煤热力系统发展的主要方向之一，实现热电联产的机组称为供热机组。

为了减少碳排放，可再生能源进行了大规模并网，其间歇性对电网的安全性造成了很大的威胁。为了消纳可再生能源，供热机组必须参与灵活调峰。但是由于锅炉与汽轮机热惯性的差异，快速变负荷引起了机组参数的强烈波动，严重影响到机组运行的安全性与高效性，为此提高供热机组灵活调峰能力迫在眉睫。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法及系统，在保证热网安全且不影响用户体验的前提下，充分利用供热机组热网侧的蓄能，提高供热机组变负荷速率，增强供热机组灵活调峰的能力，为可再生能源大规模并网提供了条件。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法，包括：

S1：供热机组接收到负荷指令后，根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解，若不进行负荷分解，则将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；若进行负荷分解，则转S2；

S2：根据用户侧允许波动的温度范围得到热网最大可利用的蓄热量，通过单位供热抽汽的放热量得到热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，进而得到热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；

S3：根据机组当前负荷、目标负荷和S2得到的热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，得到热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；

S4：根据设定机组变负荷速率和S3得到的热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，得到机炉协调控制系统所承担的负荷指令和热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；

S5：根据低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量和S4得到的热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，得到供热抽汽实时节流量，进而得到供热抽汽阀门的开度；将S4得到的机炉协调控制系统所承担的负荷指令输入到机炉协调控制系统中，完成供热机组的灵活性控制。

优选地，S2中，所述热网最大可利用的蓄热量的计算方法如下：

ΔH＝C_p·m·Δt

式中：ΔH为热网最大可利用的蓄热量，kJ；C_p为热网中管道对应的金属比热容，kJ/(kg·K)；m为热网中管道所用金属的质量，kg：Δt为热网允许的温度波动范围，K。

进一步优选地，S2中，所述热网侧供热抽汽允许减小的最大流量的计算方法如下：

式中，G为热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，kg；Δh为单位质量供热抽汽的放热量，kJ/kg。

进一步优选地，S2中，所述热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量的计算方法如下：

E＝G·Δw₀

式中，E为热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，kJ；Δw₀为当前负荷下低压缸进出口蒸汽的焓差，kJ/kg。

优选地，S3中，所述热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间的计算方法如下：

式中，t_max为热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，s；E为热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，kJ；Pe₁为机组初始负荷，kW；Pe₂为机组目标负荷，kW。

优选地，S4中，所述机炉协调控制系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

t_s＝(Pe₂-Pe₁)/R₀*60/1000

t_y＝t_s-t_max

R₁＝(Pe₂-Pe₁)/t_y·60/1000

式中，t_max为热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，s；Pe₁为机组初始负荷，kW；Pe₂为机组目标负荷，kW；t_s是机炉协调控制系统负荷指令在设定变负荷速率下达到目标负荷的时间，s；R₀是机组整体变负荷速率即设定变负荷速率，MW/min；t_y为负荷分解后机炉协调控制系统负荷指令达到目标指令的时间，s；R₁是负荷分解后机炉协调控制系统的变负荷速率，MW/min；Pe_ccs为负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令，kW；t为实时时间，s。

进一步优选地，S4中，所述热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

Pe_heat＝Pe_s-Pe_ccs

式中，Pe_s为机炉协调控制系统在设定变负荷速率下的负荷指令，kW；Pe_heat为热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，kW。

优选地，S5中，所述供热抽汽实时节流量的计算方法如下：

式中，Pe_heat为热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，kW；ΔG为供热抽汽的节流量，kg/s；Δw_rt为当前负荷下低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量，kW/(kg/s)。

优选地，S5中，所述供热抽汽阀门的开度的计算方法如下：

式中，K为供热抽汽阀门的开度；G_s为供热抽汽流量的设定值，kg/s；Δp为供热抽汽阀门前后的压差，MPa；ρ为供热抽汽的密度，kg/m³；K_v为阻力增益系数。

本发明公开了一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制系统，包括：

负荷分解判断模块，接收负荷指令，并根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解；

负荷指令发送模块，将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；

热网最大可利用的蓄热量计算模块，根据用户侧允许波动的温度范围得到热网最大可利用的蓄热量；

热网侧供热抽汽允许减小的最大流量计算模块，通过单位供热抽汽的放热量得到热网侧供热抽汽允许减小的最大流量；

热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量计算模块，计算热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；

热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间计算模块，根据机组当前负荷、目标负荷和热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，得到热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；

机炉协调控制系统所承担的负荷指令计算模块，根据设定机组变负荷速率和热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，计算机炉协调控制系统所承担的负荷指令；

热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令计算模块，计算热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；

供热抽汽实时节流量计算模块，根据热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令和低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量计算供热抽汽实时节流量；

供热抽汽阀门的开度计算模块，计算供热抽汽阀门的开度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法，针对供热机组快速变负荷过程中参数波动大、灵活性差的问题，从供热机组与热网侧耦合调峰的角度出发，充分利用热网侧的蓄能，实现了机炉协调控制与热网侧同时承担负荷指令，从而减小了机组变负荷过程中的参数波动，改善了机组运行安全性，提高了供热机组的运行灵活性。本发明在保证热网安全且不影响用户体验的前提下，充分利用供热机组热网侧的蓄能，提高供热机组变负荷速率，增强供热机组灵活调峰的能力，为可再生能源大规模并网提供了条件。

本发明公开的通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制系统，构建简单，自动化程度高，能够与现有的系统硬件兼容，无需增加设备，回收周期短，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明的负荷指令分解效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，为本发明的通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法，具体实施方法如下：

步骤一：当供热机组被下达负荷指令后，根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解，若不进行负荷分解，将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；若进行负荷分解，将负荷指令下达至负荷分解模块进行分解；

步骤二：当负荷分解模块收到负荷指令后，根据用户侧允许波动的温度范围计算出热网最大可利用的蓄热量，通过单位供热抽汽的放热量得出热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，进而得出热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；根据机组当前负荷、目标负荷与热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量计算出热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；根据热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间、设定机组变负荷速率获得机炉协调控制系统所承担的负荷指令与热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；根据热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令与低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量获得供热抽汽实时节流量，得出供热抽汽阀门的开度；最后，将机炉协调控制系统所承担的负荷指令输入到机炉协调控制系统中即可完成供热机组灵活性的控制。

1)热网最大可利用的蓄热量的计算方法如下：

瞬态过程中，根据热网侧用户需求获得热网允许的温度波动范围Δt，通过热网允许的温度波动范围、热网管道金属比热容和热网管道金属质量可计算出热网最大可利用的蓄热量。其中金属比热容与质量可以从“热网管道设计书”中获得。

ΔH＝C_p·m·Δt

式中：ΔH为热网最大可利用的蓄热量，kJ；C_p为热网中管道对应的金属比热容，kJ/(kg·K)；m为热网中管道所用金属的质量，kg：Δt为热网允许的温度波动范围，K。

2)热网侧供热抽汽允许减小的最大流量的计算方法如下：

当前负荷下，记录机组供热抽汽与低压缸排汽的参数，通过水蒸气物性查询表获得供热抽汽与低压缸排汽焓值，作差后获得单位质量供热抽汽的放热量Δh，与热网最大可利用的蓄热量做商后获得热网侧供热抽汽允许减小的最大流量G。

式中，G为热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，kg；Δh为单位质量供热抽汽的放热量，kJ/kg。

3)热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量的计算方法如下：

当前负荷下，记录低压缸进出口蒸汽的参数，通过水蒸气物性查询表获得低压缸进出口的焓值，作差后获得Δw₀，与热网侧供热抽汽允许减小的最大流量作积后获得热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量。

E＝G·Δw₀

式中，E为热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，kJ；Δw₀为当前负荷下低压缸进出口蒸汽的焓差，kJ/kg。

4)热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间的计算方法如下：

当前工况下，机组实发功率为机组初始负荷Pe₁，从调度中心获得机组的目标负荷Pe₂，作差后获得机组负荷变化范围，将热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量与机组负荷变化范围做商后获得热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间t_max。

式中，t_max为热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，s；Pe₁为机组初始负荷，kW；Pe₂为机组目标负荷，kW。

5)机炉协调控制系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

通过调度中心获得机组设定变负荷速率R₀，通过机组变负荷范围与R₀获得机组机炉协调控制系统负荷指令在设定变负荷速率下达到目标负荷的时间t_s，与热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间t_max作差获得负荷分解后机炉协调控制系统负荷指令达到目标指令的时间t_y，从而获得负荷分解后机炉协调控制系统的变负荷速率R₁，进而得出负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令。

t_s＝(Pe₂-Pe₁)/R₀*60/1000

t_y＝t_s-t_max

R₁＝(Pe₂-Pe₁)/t_y·60/1000

式中，t_s是机炉协调控制系统负荷指令在设定变负荷速率下达到目标负荷的时间，s；R₀是机组整体变负荷速率即设定变负荷速率，MW/min；t_y为负荷分解后机炉协调控制系统负荷指令达到目标指令的时间，s；R₁是负荷分解后机炉协调控制系统的变负荷速率，MW/min；Pe_ccs为负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令，kW；t为实时时间，s。

6)热网侧供热抽汽节流系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

通过设定变负荷速率、机组当前负荷、目标负荷获得负荷分解前机炉协调控制系统负荷指令Pe_s，与负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令Pe_ccs作差后，获得热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令Pe_heat。

Pe_heat＝Pe_s-Pe_ccs

式中，Pe_s为机炉协调控制系统在设定变负荷速率下的负荷指令，kW；Pe_heat为热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，kW。

7)供热抽汽实时节流量的计算方法如下：

变负荷过程中，记录各时刻低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量Δw_rt，将热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令与单位质量流量蒸汽的做功量做商即可获得供热抽汽节流量ΔG

式中，ΔG为供热抽汽的节流量，kg/s；Δw_rt为当前负荷下低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量，kW/(kg/s)。

8)供热抽汽阀门的开度的计算方法如下：

通过供热抽汽阀门特性与当前供热抽汽节流量、供热抽汽设定值获得供热抽汽阀门开度。

式中，K为供热抽汽阀门的开度；G_s为供热抽汽流量的设定值，kg/s；Δp为供热抽汽阀门前后的压差，MPa；ρ为供热抽汽的密度，kg/m³；K_v为阻力增益系数。

9)将负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令输入到机炉协调控制系统中完成机组变负荷过程。

本发明的通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制系统，包括：

负荷分解判断模块，接收负荷指令，并根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解；

负荷指令发送模块，将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；

热网最大可利用的蓄热量计算模块，根据用户侧允许波动的温度范围得到热网最大可利用的蓄热量；

热网侧供热抽汽允许减小的最大流量计算模块，通过单位供热抽汽的放热量得到热网侧供热抽汽允许减小的最大流量；

热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量计算模块，计算热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；

热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间计算模块，根据机组当前负荷、目标负荷和热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，得到热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；

机炉协调控制系统所承担的负荷指令计算模块，根据设定机组变负荷速率和热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，计算机炉协调控制系统所承担的负荷指令；

热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令计算模块，计算热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；

供热抽汽实时节流量计算模块，根据热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令和低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量计算供热抽汽实时节流量；

供热抽汽阀门的开度计算模块，计算供热抽汽阀门的开度。

在某供热机组中，额定电负荷为330MW，主蒸汽温度为540℃，主蒸汽压力为17.75MPa，供热压力为0.39MPa，当热网温度变化1℃时，热网可利用的蓄能为39000MJ，当机组由50％额定负荷升至100％额定负荷时，原定机组变负荷速率为4％/min，经过负荷分解后机组变负荷速率为2.45％/min，该供热机组在变负荷过程中负荷分解示意图如图2，由图中可以看出，负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令明显小于负荷分解前机炉协调控制系统所承担的负荷指令，故机组变负荷过程中参数波动较小，进而提高了供热机组的变负荷速率，改善了供热机组的灵活性。

需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法，其特征在于，包括：

S1：供热机组接收到负荷指令后，根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解，若不进行负荷分解，则将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；若进行负荷分解，则转S2；

S2：根据用户侧允许波动的温度范围得到热网最大可利用的蓄热量，通过单位供热抽汽的放热量得到热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，进而得到热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；

所述热网最大可利用的蓄热量的计算方法如下：

ΔH＝C_p·m·Δt

式中：ΔH为热网最大可利用的蓄热量，kJ；C_p为热网中管道对应的金属比热容，kJ/(kg·K)；m为热网中管道所用金属的质量，kg：Δt为热网允许的温度波动范围，K；

所述热网侧供热抽汽允许减小的最大流量的计算方法如下：

式中，G为热网侧供热抽汽允许减小的最大流量，kg；Δh为单位质量供热抽汽的放热量，kJ/kg；

所述热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量的计算方法如下：

E＝G·Δw₀

式中，E为热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，kJ；Δw₀为当前负荷下低压缸进出口蒸汽的焓差，kJ/kg；

S3：根据机组当前负荷、目标负荷和S2得到的热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，得到热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；

所述热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间的计算方法如下：

式中，t_max为热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，s；E为热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，kJ；Pe₁为机组初始负荷，kW；Pe₂为机组目标负荷，kW；

S4：根据设定机组变负荷速率和S3得到的热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，得到机炉协调控制系统所承担的负荷指令和热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；

所述机炉协调控制系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

t_s＝(Pe₂-Pe₁)/R₀*60/1000

t_y＝t_s-t_max

R₁＝(Pe₂-Pe₁)/t_y·60/1000

式中，t_max为热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，s；Pe₁为机组初始负荷，kW；Pe₂为机组目标负荷，kW；t_s是机炉协调控制系统负荷指令在设定变负荷速率下达到目标负荷的时间，s；R₀是机组整体变负荷速率即设定变负荷速率，MW/min；t_y为负荷分解后机炉协调控制系统负荷指令达到目标指令的时间，s；R₁是负荷分解后机炉协调控制系统的变负荷速率，MW/min；Pe_ccs为负荷分解后机炉协调控制系统所承担的负荷指令，kW；t为实时时间，s；

所述热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令的计算方法如下：

Pe_heat＝Pe_s-Pe_ccs

式中，Pe_s为机炉协调控制系统在设定变负荷速率下的负荷指令，kW；Pe_heat为热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，kW；

S5：根据低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量和S4得到的热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，得到供热抽汽实时节流量，进而得到供热抽汽阀门的开度；将S4得到的机炉协调控制系统所承担的负荷指令输入到机炉协调控制系统中，完成供热机组的灵活性控制；

所述供热抽汽实时节流量的计算方法如下：

式中，Pe_heat为热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令，kW；ΔG为供热抽汽的节流量，kg/s；Δw_rt为当前负荷下低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量，kW/(kg/s)；

所述供热抽汽阀门的开度的计算方法如下：

式中，K为供热抽汽阀门的开度；G_s为供热抽汽流量的设定值，kg/s；Δp为供热抽汽阀门前后的压差，MPa；ρ为供热抽汽的密度，kg/m³；K_v为阻力增益系数。

2.一种实现权利要求1所述的通过供热抽汽节流提高机组灵活性的控制方法的系统，其特征在于，包括：

负荷分解判断模块，接收负荷指令，并根据设定变负荷速率判断是否进行负荷分解；

负荷指令发送模块，将负荷指令输入到机炉协调控制系统中；

热网最大可利用的蓄热量计算模块，根据用户侧允许波动的温度范围得到热网最大可利用的蓄热量；

热网侧供热抽汽允许减小的最大流量计算模块，通过单位供热抽汽的放热量得到热网侧供热抽汽允许减小的最大流量；

热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量计算模块，计算热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量；

热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间计算模块，根据机组当前负荷、目标负荷和热网侧供热抽汽所能提供的最大累积做功量，得到热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间；

机炉协调控制系统所承担的负荷指令计算模块，根据设定机组变负荷速率和热网侧供热抽汽节流最大可持续的时间，计算机炉协调控制系统所承担的负荷指令；

热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令计算模块，计算热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令；

供热抽汽实时节流量计算模块，根据热网供热抽汽节流系统所承担的负荷指令和低压缸处单位质量流量蒸汽的做功量计算供热抽汽实时节流量；

供热抽汽阀门的开度计算模块，计算供热抽汽阀门的开度。