CN115857572A - 一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法、系统及介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法、系统及介质，方法包括在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经主回路PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；除氧器水位设定值送入副回路PID2控制器，进行水位跟踪调节；除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。本申请通过将除氧器水位调节回路与机组协调控制系统结合，基于凝结水节流原理，提升了机组在变负荷初期的响应速率，改善原机组的响应延迟，并在负荷调节过程中减小参数的波动。

Description

一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法、系 统及介质

技术领域

本申请涉及火电机组控制技术领域，更具体地，涉及一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法、系统及介质。

背景技术

新能源如风能、太阳能发电受自然条件影响严重，具有较大随机性，大规模并网后会造成电力系统消纳的适应性不足问题。为提高对新能源的调节能力，火电机组灵活性提升极为重要。但火电机组变负荷率过高会导致机组参数波动，这种由于机组锅炉侧与汽轮机侧之间的惯性差异引起的主蒸汽压力和温度波动会严重影响机组的安全性。凝结水节流等基于机组蓄能综合利用的方法称为提高机组灵活性的关键，凝结水节流能在不影响锅炉侧参数的前提下实现对机组负荷的改变，避免了锅炉侧大惯性、大延迟等问题对灵活性提升的限制。

现有凝结水节流技术大多为控制除氧器上水阀门开度或凝泵频率，而由于凝结水节流过程中，影响机组安全性的因素主要为凝汽器及除氧器水位，现有方法为了保证机组安全性需要设定一系列对于凝结水节流控制的投入与退出条件。相较于除氧器水位，凝汽器水位在一般情况下波动较小且凝汽器容量较大，在凝结水节流过程中对于安全性的影响不明显。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法、系统及介质，在机组变负荷过程中提高初期负荷响应性能，同时在负荷响应调节过程中减小超调量，使机组负荷更快速稳定调节至负荷目标指令。本发明针对现有凝结水节流技术控制回路较为复杂的问题，设计一种除氧器水位控制方法实现凝结水节流功能，并保证机组运行的安全性。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，包括以下具体步骤：

在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经主回路PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；

除氧器水位设定值送入副回路PID2控制器，进行水位跟踪调节；

除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。

所述除氧器水位控制回路中设计了一种基于负荷偏差、主汽压指令参数的动态前馈，在机组接收到负荷变化指令时，通过主汽压力设定值与多阶延迟限速后的主汽压力设定值相减，经一次一阶延迟后与设定的主汽压力变化率相乘得到主汽压力前馈因子，主汽压力前馈因子与由负荷目标值与机组实际负荷的偏差而得到的负荷前馈因子相乘后构成动态前馈，动态前馈作用于副回路PID2控制器上，与PID2控制器输出叠加控制凝结水流量。

在投入除氧器水位控制回路的条件下，除氧器水位设定值由PID1控制器计算而得，除氧器水位调节阀开度由PID1控制器的输出及动态前馈叠加而得，传递函数计算公式如下：

式中Lv_sp(s)为除氧器水位设定值，Lv(s)为除氧器水位；

ΔP(s)为负荷目标值与机组实际负荷的偏差；

K_p1，K_p2分别为PID1控制器与PID2控制器的比例增益；

T_i1，T_i2分别为PID1控制器与PID2控制器的积分时间；

OP(s)为除氧器水位调节阀开度指令；

FF(s)为动态前馈。

除氧器水位控制回路中，PID1控制器及PID2控制器按照串级系统进行整定，PID2控制器原则是除氧器水位不产生超调的快速到达水位设定值，使用lambda整定，PID1控制器整定原则是不超过内回路的动作速度，动态前馈的作用幅度限制在正负15。

所述适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法还包括设计除氧器水位设定回路的退出条件，具体为，

(1)机组主汽压偏差小于0.5Mpa及机组负荷偏差小于1MW，并保持，退出除氧器水位设定回路，

(2)除氧器水位调节阀切至手动状态时，退出除氧器水位设定回路；

(3)凝汽器水位超出设定范围时，退出除氧器水位设定回路；

当完成负荷调节过程后，除氧器水位设定回路退出，且除氧器水位与标准除氧器水位设定存在偏差时，切换至除氧器水位回复控制回路，将除氧器水位设定值设定到标准值，使除氧器水位恢复，机组恢复蓄能以备下次使用，此时除氧器水位设定切换至操作员控制。

第二方面，本申请实施例提供一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制系统，包括，

除氧器水位设定值计算模块，用以在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；

水位跟踪调节模块，用以将除氧器水位设定值送入PID2控制器，进行水位跟踪调节；

动态前馈生成单元，用以生成动态前馈，将动态前馈叠加PID2控制器输出，除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在机组升降负荷过程初期，相较于原机组的协调控制方法能够有效增强机组负荷响应能力，提升初期负荷变化率，改善由于锅炉侧的大惯性、大延迟导致的滞后问题。在负荷变化后期调节过程中，有效减小超调量，提高负荷调节稳定性。同时与现有凝结水节流技术相比，简化了控制回路，且能够有效控制除氧器水位变化使其在机组运行允许的安全范围内变化，保证机组在变负荷过程中的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请提供的凝结水节流控制逻辑示意图。

图2位本申请系统结构示意图。

图3为除氧器水位控制回路投入下机组变负荷过程中除氧器水位及其设定值、热井水位变化曲线。

图4为除氧器水位控制回路投入下机组变负荷过程中除氧器水位调节阀开度、凝结水流量、汽轮机抽汽量变化曲线。

图5为有无投入除氧器水位控制回路投入下机组变负荷初期机组功率变化对比曲线。

图6为有无投入除氧器水位控制回路投入下机组变负荷全过程机组功率变化对比曲线。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本申请实施例提供一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，选定某660MW超超临界机组为研究对象，建立能准确表征该机组运行状态的仿真模型，具体实施方式如下：

在机组正常运行状态下，除氧器水位调节阀处于自动状态下，投入除氧器水位控制回路。如图1所示，在凝结水节流控制状态下，除氧器水位设定值由负荷目标指令及机组实际负荷的偏差决定，通过主回路PID1控制器计算出除氧器水位设定值。此设定值输入至副回路PID2控制器，进行水位跟踪调节。同时，在接收到负荷目标指令后，主汽压力设定值与其多阶延迟限速后的主汽压力设定值产生偏差，通过一次一阶延迟后与主汽压力变化率相乘，结合负荷偏差得到动态前馈，与PID2控制器输出叠加控制凝结水流量，使控制效果更准确，增强凝结水节流能力。

凝结水节流过程中，凝结水流量变化会影响除氧器水位，而除氧器水位的变化会影响机组的安全运行，所述的除氧器水位控制方法通过改变除氧器水位设定值，并将控制器输出高低限根据机组对于除氧器水位的高低限值进行调整，留有调节余量，从而使除氧器水位在安全范围内变化。

除氧器水位控制回路中设计了一种基于负荷偏差、主汽压指令等参数的动态前馈。在机组接收到负荷变化指令时，通过主汽压力设定值与其多阶延迟限速后的主汽压力设定值相减，经一次一阶延迟后与设定的主汽压力变化率相乘得到主汽压力前馈因子，与由负荷偏差而得到的负荷前馈因子相乘后构成动态前馈，作用于副回路PID2控制器上，与PID2输出叠加控制凝结水流量。

在投入除氧器水位控制回路的条件下，除氧器水位设定值由PID1计算而得，除氧器水位调节阀开度由PID1的输出及动态前馈叠加而得，传递函数计算公式如下：

式中Lv_sp(s)为除氧器水位设定值，Lv(s)为除氧器水位；

ΔP(s)为负荷目标值与机组实际负荷的偏差；

K_p1，K_p2分别为PID1与PID2的比例增益；

T_i1，T_i2分别为PID1与PID2的积分时间；

OP(s)为除氧器水位调节阀开度指令；

FF(s)为动态前馈。

本发明所设计的除氧器水位控制回路中，水位设定PID1控制器及调节阀PID2控制器按照串级系统进行整定。调节阀PID2控制器原则是除氧器水位不产生超调的快速到达水位设定值，推荐使用lambda整定。水位设定PID1控制器整定原则是不超过内回路的动作速度。动态前馈的作用幅度限制在正负15。

所述的除氧器水位控制回路的投入需要的必要条件为除氧器水位调节阀处于自动状态，在此条件下机组凝结水系统才能过通过除氧器水位的设定值变化除氧器水位，控制凝结水流量等参数。

除氧器水位设定回路的退出条件设计为：

(1)机组主汽压偏差小于0.5Mpa及机组负荷偏差小于1MW，并保持一定时间，退出除氧器水位设定回路。

(2)除氧器水位调节阀切至手动状态时，退出除氧器水位设定回路。

(3)凝汽器水位超出设定范围时，退出除氧器水位设定回路。

当完成负荷调节过程后，除氧器水位设定回路退出，且除氧器水位与标准除氧器水位设定存在偏差时，切换至除氧器水位回复控制回路，在一定时间内将除氧器水位设定值设定到标准值，使除氧器水位恢复，机组恢复蓄能以备下次使用，此时除氧器水位设定切换至操作员控制。

除氧器水位控制回路的目的在于调整低压加热器抽汽流量，其调节过程包括：在除氧器水位控制回路投入状态下，当负荷变化指令为升负荷时，负荷目标指令与当前机组实际负荷会产生偏差，为消除此偏差，主回路PID1根据偏差大小计算除氧器水位设定值，输入至副回路PID2控制器中，并叠加根据负荷目标及主汽压力设定值计算得到的动态前馈，计算相应的阀门开度指令，以控制凝结水流量降低，从而使低压加热器抽汽量减少，提升汽轮机中用于做功的蒸汽量，短时间内提高机组负荷。在实际负荷到达负荷目标指令后出现超调时，偏差方向改变，PID1控制器计算的水位设定值变化量也响应反向，除氧器水位回升，凝结水流量提高形成反调节作用实现反调节作用，减小超调量，使调节过程更稳定。降负荷过程则与之相反。

如图2，本申请实施例提供一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制系统，包括除氧器水位设定值计算模块1，用以在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；

水位跟踪调节模块2，用以将除氧器水位设定值送入PID2控制器，进行水位跟踪调节；

动态前馈生成单元3，用以生成动态前馈，将动态前馈叠加PID2控制器输出，除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。

本实施方式在机组360MW工况下进行降负荷至机组50％工况的负荷调节试验。负荷调节过程中，除氧器水位设定值及除氧器、凝汽器水位等参数变化参见图3、图4。

在降负荷过程初期，为使机组实际负荷向负荷目标指令方向变化，PID1控制器计算出除氧器水位设定值增量，除氧器水位设定值的上升，使除氧器水位调节阀门开度提高，同时，动态前馈叠加再提高阀门开度，二者共同作用导致凝结水流量在变负荷初期快速增长。低压加热器壳侧饱和汽压力降低，与抽汽压力之差减小，从而抽汽量得到提升，减少了汽轮机做功的蒸汽量，使机组能够快速释放部分负荷实现火电机组负荷调节的快速响应。

在负荷调节过程后期，机组负荷稳定至负荷指令附近，主汽压与主汽压指令偏差也稳定趋于0后，触发除氧器水位控制回路退出条件，除氧器水位调节切换至除氧器水位回复控制回路，设定值在一定时间内调节回标准水位值，此时除氧器水位随设定值下调，调节阀开度下降，凝结水流量降低，使得抽汽量也随之降低，实现反向调节作用，减小了负荷调节过程的超调量，机组负荷能够更快稳定至负荷目标。

本实施方式的优化效果：

本实施方式与原协调控制系统机组对比，在负荷变化初期，负荷变化率提升4.5MW/min，图5给出了有无除氧器水位控制回路投入时火电机组变负荷初期功率变化曲线，图6给出了完整变负荷过程的机组功率变化曲线，由于除氧器水位回复，凝结水节流起到反调节作用，能够减少负荷调节的超调量，并使负荷变化快速稳定至负荷目标指令。调节死区为机组额定容量的0.5％，由试验数据显示，在投入除氧器水位控制回路的变负荷过程中，超调量减少1.18MW，且未超出调节死区，而原协调控制下，超调量为3.325MW，超出了调节死区。可见在本发明控制方法能有效增强机组在变负荷过程的调节能力。

综合本实施方式，试验结果显示本发明一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法改善了火电机组变负荷初期的响应速率，实现火电机组凝结水节流的优化控制，且增强了机组在变负荷后期的调节能力。

本申请一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经主回路PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；

除氧器水位设定值送入副回路PID2控制器，进行水位跟踪调节；

除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。

2.根据权利要求1所述的一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，其特征在于，所述除氧器水位控制回路中设计了一种基于负荷偏差、主汽压指令参数的动态前馈，在机组接收到负荷变化指令时，通过主汽压力设定值与多阶延迟限速后的主汽压力设定值相减，经一次一阶延迟后与设定的主汽压力变化率相乘得到主汽压力前馈因子，主汽压力前馈因子与由负荷目标值与机组实际负荷的偏差而得到的负荷前馈因子相乘后构成动态前馈，动态前馈作用于副回路PID2控制器上，与PID2控制器输出叠加控制凝结水流量。

3.根据权利要求2所述的一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，其特征在于，在投入除氧器水位控制回路的条件下，除氧器水位设定值由PID1控制器计算而得，除氧器水位调节阀开度由PID1控制器的输出及动态前馈叠加而得，传递函数计算公式如下：

式中Lv_sp(s)为除氧器水位设定值，Lv(s)为除氧器水位；

ΔP(s)为负荷目标值与机组实际负荷的偏差；

K_p1，K_p2分别为PID1控制器与PID2控制器的比例增益；

T_i1，T_i2分别为PID1控制器与PID2控制器的积分时间；

OP(s)为除氧器水位调节阀开度指令；

FF(s)为动态前馈。

4.根据权利要求3所述的一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，其特征在于，除氧器水位控制回路中，PID1控制器及PID2控制器按照串级系统进行整定，PID2控制器原则是除氧器水位不产生超调的快速到达水位设定值，使用lambda整定，PID1控制器整定原则是不超过内回路的动作速度，动态前馈的作用幅度限制在正负15。

5.根据权利要求1所述的一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法，其特征在于，所述适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法还包括设计除氧器水位设定回路的退出条件，具体为，

(1)机组主汽压偏差小于0.5Mpa及机组负荷偏差小于1MW，并保持，退出除氧器水位设定回路，

(2)除氧器水位调节阀切至手动状态时，退出除氧器水位设定回路；

(3)凝汽器水位超出设定范围时，退出除氧器水位设定回路；

当完成负荷调节过程后，除氧器水位设定回路退出，且除氧器水位与标准除氧器水位设定存在偏差时，切换至除氧器水位回复控制回路，将除氧器水位设定值设定到标准值，使除氧器水位恢复，机组恢复蓄能以备下次使用，此时除氧器水位设定切换至操作员控制。

6.一种适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制系统，其特征在于，包括，

除氧器水位设定值计算模块，用以在投入除氧器水位控制回路的条件下，负荷目标值与机组实际负荷的偏差经PID1控制器计算得到除氧器水位设定值；

水位跟踪调节模块，用以将除氧器水位设定值送入PID2控制器，进行水位跟踪调节；

动态前馈生成单元，用以生成动态前馈，将动态前馈叠加PID2控制器输出，除氧器水位调节阀处于自动状态下，PID2控制器根据除氧器水位设定值的变化，计算出调节阀开度变化量，以控制凝结水流量，调整各低压加热器抽汽流量使机组短暂获得或释放部分能量，实现机组快速响应负荷变化。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1至5任一项所述的适应于火电机组快速变负荷的除氧器水位控制方法的步骤。

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