基于能量平衡的整体煤气化联合循环电站协调控制方法

摘要

本发明提供一种整体煤气化联合循环电站的协调控制方法，该方法针对整体煤气化联合循环电站被控对象各设备间时间常数相差巨大的特性，提出了一种基于能量平衡的协调控制方法。该方法采集现场信号，通过计算气化炉热量信号和燃气轮机能量信号，调节气化炉和燃气轮机，实现对动力岛和气化岛的解耦控制，同步地对燃气轮机功率及调门前煤气压力进行控制，使热量信号跟踪能量信号，实现整体煤气化联合循环电站的协调控制。该控制方法经过控制系统结构设计和参数调整投运后，可以有效协调电站气化岛和动力岛各设备的运行，实现电站负荷快速自动调节，并保证电站运行的稳定，是一种具有良好稳定性和变负荷性能的燃气蒸汽联合循环电站协调控制系统。

说明书

技术领域

本发明属于设备控制技术领域，特别涉及一种整体煤气化联合循环电站的协调控制方 法。

背景技术

整体煤气化联合循环发电技术是煤气化技术与燃气-蒸汽联合循环技术相结合的新型 发电技术，相对于常规燃煤发电机组，具有污染物排放少并且效率高的优点，是具有广泛 应用前景的洁净煤发电技术。

整体煤气化联合循环发电技术包括煤气化工艺过程和燃气-蒸汽联合循环工艺过程，整 个电站涉及设备数量众多，工艺过程涉及到多种非常复杂的物理化学过程，时间常数相差 大，特别是气化炉系统，其控制方案的理论研究和工程应用均不成熟。从发展趋势来看， IGCC（Integrated Gasification Combined Cycle，整体煤气化联合循环发电）电站也需要承 担电网调峰任务，要求IGCC电站与常规燃煤电站一样，能够在进行快速的负荷响应的同 时保证机组稳定运行。在IGCC电站中，包含了气化岛和动力岛这两个时间常数差异巨大 的子系统，给控制系统的设计造成了很大的困难，设计合理的IGCC电站协调控制系统， 保证系统较快的负荷响应速度并维持系统稳定，对于清洁高效的IGCC电站的广泛推广应 用具有重要意义。

目前国内外对整体煤气化联合循环电站的协调控制系统的研究较少，基本上只是采用 常规的单回路比例积分微分对气化炉和燃气轮机进行单独控制，未实现对动力岛和气化岛 的解耦控制，对时间常数差异巨大的动力岛和气化岛控制的协调性较差，控制效果较差。

发明内容

技术问题：本发明针对现有整体煤气化联合循环电站控制技术的不足，提出一种基于 能量平衡的整体煤气化联合循环电站的协调控制方法，实现负荷的快速自动调节，且保证 电站安全稳定运行。

该方法主要基于能量平衡原理，计算气化炉热量信号和燃气轮机能量信号，通过调节 气化炉和燃气轮机，使整个系统消耗的能量等于输入的热量，设置协调控制器和子控制器， 可以非常方便地在现有单片机、可编程控制器和分散控制系统等控制平台上进行工程实 施。

技术方案：本发明提供了一种基于能量平衡的整体煤气化联合循环电站的协调控制方 法，该方法基于能量平衡原理，设置有协调控制器、气化岛子控制器及动力岛子控制器， 协调控制器采集现场实时信号，分别计算气化炉的热量信号和燃气轮机的能量信号，产生 动力岛主控指令和气化岛主控指令送至子控制器，子控制器负责本系统内各被控变量的调 节，通过分别调节气化炉和燃气轮机，使热量信号跟踪能量信号，同步地对燃气轮机功率 及调门前压力进行控制，实现整体煤气化联合循环电站的协调控制。

燃气轮机的能量信号根据进入燃气轮机的煤气流量、煤气热值、气化炉压力通过特定 的公式计算得到。气化炉的热量信号根据进入燃气轮机的煤气流量、煤气热值、燃气轮机 前压力设定值和燃气轮机前压力实测值通过特定的公式计算得到。

燃气轮机主要负责调节实发功率跟踪负荷给定值，其调门控制采用前馈加反馈的控制 方法，反馈控制采用比例积分微分控制器，其入口偏差为经过处理的机组负荷指令与实发 功率的差值；燃气轮机前压力设定值与压力实测值差值经过折线模块计算后结果作为前馈 信号输入，可用于极端情况下辅助调压。动力岛子控制器还负责对蒸汽轮机调门的控制。

气化炉主要负责调节燃气轮机机前燃气压力，采用比例积分微分控制器，其入口偏差 为燃气轮机能量信号与气化炉热量信号的差值。气化岛子控制器还负责对气化炉热值、料 位和温度等参数的控制。

上述控制方法均采用常规控制算法模块，如加法、乘法、除法、一阶惯性、折线和比 例积分微分等模块，采用单回路反馈控制算法结合前馈控制算法，可以方便地在现有单片 机、可编程控制器和分散控制系统等平台实施，易于推广应用。

有益效果：采用本发明中公开的整体煤气化联合循环电站的协调控制方法对电站进行 协调控制，具有以下有益的效果：

⑴根据能量平衡原理进行调节器结构设计，可以最大程度地实现对动力岛和气化岛 的解耦控制，协调不同时间常数的设备运行，在保证系统稳定安全的前提下，使电站实发 功率快速跟踪外界负荷指令，提高整体煤气化联合循环电站自动投入率和控制品质，可以 有效减轻运行人员的劳动强度；

⑵整个控制系统基于能量平衡原理，且控制方案的实施均采用常规的比例积分微分 控制规律，加以必要的前馈调节器等，电站运行人员和技术人员容易理解和接受，并且可 以很方便地在现有控制系统软硬件平台上实施、修改和维护，易于推广应用。

附图说明

图1是整体煤气化联合循环电站的协调控制系统整体结构图；

图2是气化岛子控制器控制策略示意图；

图3是动力岛子控制器控制策略示意图；

图4是基于能量平衡的协调控制策略示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案实施方法和优点更加清楚，以下结合实施方式和附图，对 具体实施方法进行详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不 作为对本发明的限定。

本发明提出的控制方法主要分为两个方面：一是根据能量平衡原理的协调控制系统结 构设计，保证控制方法的合理性和有效性；二是根据设备实际运行特性的控制器参数调整， 以保证各设备运行平稳性和对负荷的快速响应能力。下面结合附图和实施例对本发明的技 术方案作进一步描述。

以图1所示的某整体煤气化联合循环电站为一实施例，采用空气气化气流床气化炉及 其配套燃气蒸汽联合循环系统。气化岛结构示意图如图2所示，气化岛主要被控变量为： 出口煤气热值、煤气压力、气化炉温度以及气化炉床料量，主要操纵变量包括：气化炉给 煤量、气化炉入炉石灰石量、气化炉空气量、气化炉排渣量和气化炉入炉蒸汽量等，系统 主要扰动为入炉煤煤质变化以及下游用气量变化所引起的煤气压力变动。动力岛结构示意 图如图3所示，其中，燃气蒸汽联合循环采用重型单轴燃气轮机（燃机）和无补燃的余热 锅炉及其配套蒸汽轮机。燃气轮机采用转速/负荷控制、加速度控制和温度控制取小的燃料 控制方法，为保证进入余热锅炉烟气温度，采用可调节的入口导叶进行燃气轮机排气温度 调节。

气化岛子控制器操纵变量和被控变量之间的搭配关系采用一种比较常规的方案，具体 为：

（1）由气化炉给煤量调节出口煤气热值；

（2）由排渣量来调节床料量；

（3）由空气量调节煤气压力；

（4）由蒸汽量调节气化炉温度。

（5）同时，为保证运行中碳/氧比基本稳定，设置有空气量对给煤量的前馈控制器。

根据以上配对关系和前馈控制方案，确定气化岛子控制器结构，在各个通道采用单回 路比例积分微分控制，便于实施和参数调整。

对于动力岛而言，最主要的设备为燃气轮机，燃气轮机模型和基本控制系统如图3所 示，相对于气化岛而言，燃气轮机被控过程时间常数很小（一般都在10秒以内），其子控 制器结构也基本固定，燃料量的调节采用经典的负荷/转速控制、温度控制以及加速度控制 取小的方式生产控制指令，设置可调节的入口导叶对排气进行控制，需要注意的是为维持 零负荷下的空载运行，燃料量指令有低限保护。

对于能量平衡协调控制器的设计，为保证负荷的快速响应同时兼顾煤气压力的稳定 性，最大可能对气化岛和动力岛被控对象进行解耦，以及满足不同运行条件下的协调控制 系统投入要求，本发明的协调控制系统主要根据能量平衡原理设计，相应的协调控制器结 构示意图如图4所示，表示了气化炉（气化岛）主控指令和燃气轮机（动力岛）主控指令 的形成。

基于能量平衡的协调控制器主要输入量为外界对燃气蒸汽联合循环电站的负荷指令 N₀、机前煤气压力P_T、煤气热值H_gas、煤气流量F_gas、气化炉压力P_gas、电站实发功率N_E、 当前电站设备状态信号和煤气压力设定P₀，输出为气化炉负荷指令GD和燃气轮机负荷指令 TD，分别送入相应的下层子控制器中，再由子控制器产生对应的各种控制指令，协调子系 统内部设备的运行，以保证系统稳定运行并对外界负荷指令做出快速响应。

根据机组特点及电厂运行习惯，基于能量平衡的协调控制器的负荷指令N₀和煤气压力 设定P₀都可以采用自动设置（处理后的机组功率指令的函数）或者由运行人员进行手动设 定。

由于动力岛是一个快过程，如图4所示，协调控制器中燃气轮机负荷指令TD形成采用 了简单的比例积分微分的单回路控制，结合辅助调压前馈即可实现较好的控制效果，实发 功率N_E经过惯性环节#4LAG滤波后，与负荷指令N₀相减，送入比例积分微分调节器PID2； 为了兼顾极端情况，还设计了辅助调压前馈，煤气压力设定P₀值和机前煤气压力P_T的差值 经过一个折线模块函数F(x)后，送入比例积分微分调节器PID2作为前馈，可以在压力设定 值和实际值偏差过大时，由燃气轮机协助快速调压，前馈的大小可以根据实际情况调整函 数F(x)来改变。

气化岛是一个滞后和惯性较大的过程，本实施例中协调控制器中燃气轮机负荷指令形 成采用如图4所示的基于能量平衡的控制方案，形成气化炉负荷指令GD的比例积分微分调 节器PID1输入端为燃气轮机能量信号与气化炉热量信号的差值。气化炉热量信号H_GS的构 造方法为：气化炉压力P_gas的实际微分加上代表气化炉产气负荷的能量流量（其中实际微分 采用信号本身减去信号的一阶惯性环节#2LAG滤波后的值实现），而能量流量为煤气流量 F_gas与煤气热值H_gas的乘积。热量信号形成的具体算法为：式中，为一阶惯性环节#3LAG的传递函数，其中C₃为实际微分的增益系数，T₃为惯 性滤波时间常数，具体实现中，采用实际微分，不使用理想微分。燃气轮机能量信 号的构成如图4左半部分所示，基本能量信号的构造方法是：煤气压力设定值P₀乘以煤气能 量流量然后除以机前煤气压力P_T，基本能量信号E_bsc形成的具体算法为： 基本能量信号经过实际微分后，乘以信号本身，再加上信号本身， 便构成最终的带动态补偿的燃气轮机能量信号，该信号形成的具体算法为： 该协调控制方法的核心为保持系统能量平衡，具体为： 当动力岛由于外界负荷指令变化调整燃气轮机调门开度，动力岛消耗能量变化后，通过调 节气化岛保证气化岛提供的热量与动力岛消耗的能量相平衡，即整个整体煤气化联合循环 电站输入输出能量的平衡。

至此，基于能量平衡的整体煤气化联合循环电站协调控制系统协调控制器与子控制器 的结构设计结束。

接下来进行控制器参数调整。在此过程中，需要获得系统模型，然后根据系统模型进 行调节器参数设置和调整，最终将各子回路投入自动进行参数的细调直至将最上层的协调 控制投入自动运行。

针对如图2所示的气化炉控制结构，为了进行控制器参数调节，对相应的通道进行模 型辨识，可以得到各输入输出通道的传递函数模型（过程略）。

在本实施实例中，根据所得到的过程模型时间常数，并且经过在线调整，确定各PID 控制器参数如表2所示，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数。需要注意 的是，协调控制器的煤气压力调节器参数也是在这个阶段进行初步调整：

表2气化岛的调节器参数

对于动力岛，主要需要进行燃气轮机系统调节器参数的调节，对于余热锅炉和配套蒸 汽轮机，在整个系统发电量中所占比重较小，且运行工况相对较稳定，其模型可以进行简 化，认为输出电量与燃气轮机成比例关系。针对余热锅炉和蒸汽轮机的子控制器也采用独 立的常规比例积分微分控制规律，主要对蒸汽压力进行控制。

根据动力岛模型，并且经过在线调整，确定控制器参数如表3所示，需要注意的是， 协调控制器的机组负荷调节器也需要在这个阶段进行初步的调整：

表3动力岛的调节器参数

如前所述，基于能量平衡的协调控制器中，机组负荷调节器为简单的单回路比例积分 微分调节器，加上可调整的辅助调压前馈，控制器各参数需要在这个阶段进行在线细调， 即将自动投入，通过阶跃改变设定值观察响应曲线进行调整，经过调整，本实施实例中图 4中（以下同）的惯性环节#4LAG的传递函数取1/(1+2S)，函数F(x)设置为：x=[-2.0，-0.2， 0，0.2，2.0]，y＝[-10.0，0.0，0.0，0.0，10.0]，比例积分微分调节器PID2参数为K_p=0.18， T_i=10.0，T_d=0.0。

协调控制器中气化炉负荷指令形成回路参数整定较为复杂，主要是要通过调整参数使 公式能够正确计算燃气轮机能量信号和气化炉热量信号，在计算气化炉热量信号时，需要 通过试验获得蓄热系数和时间常数，在本示例中，最终设置惯性环节#2LAG传递函数为 1/(1+50S)，表征气化炉时间常数；设置惯性环节#3LAG传递函数为表征气化炉 时间常数；带动态补偿的能量信号通过调整惯性环节#1LAG和系数K₁和K₂实现，经过调整 设置惯性环节#1LAG传递函数为1/(1+18S)，表征动态补偿中对基础能量信号的微分时间， 设置系数K₁=0.4，K₂=0.8，表征动态补偿中微分后与原始的基础能量信号在最终能量信号 中所占的比重。比例积分微分调节器PID1参数为K_p=0.0058，T_i=35.0，T_d=0.0。

至此，本发明所提出的整体煤气化联合循环电站气化岛跟随为基础的协调控制方法实 施完毕，采用这种协调控制方案，实现动力岛和气化岛的解耦控制，机组负荷跟踪很快， 且压力波动小，通过工程整定后，各其他被控变量也可以在允许的变化范围内波动。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详 细说明。以上所述仅为本发明的一种具体实施方案，并不用于限定本发明的保护范围，凡 是在本发明基于能量平衡的协调控制思路和原则以内所做的任何修改、等同替换、改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。