火电机组凝结水节流参与一次调频控制系统及运行方法

摘要

本发明公开了火电机组凝结水节流参与一次调频控制系统及运行方法，用于火电机组响应一次调频大扰动控制；该系统包括凝结水流量偏差计算系统、凝结水节流调节时间计算系统以及凝结水节流安全触发信号系统的三个子系统。该系统根据机组工况、除氧器水位等实时调节凝结水节流流量与调节时间，保证凝结水节流参与一次调频大扰动控制可以安全、高效地利用。从而使火电机组可在日常小扰动和紧急大扰动情况下表现出不同的一次调频能力，也可以在必要的时候与机组常规一次调频回路共同作用，使机组展现出更大的一次调频能力，从而更好地适应大规模互联电网的一次调频要求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统自动控制领域，具体涉及一种火电机组凝结水节流参与一次调频控制系统及运行方法。

背景技术

火电机组的一次调频作为电网应对突发负荷扰动的第一道屏障，在维护电能质量、保障电网运行安全过程中起到至关重要的作用。因此，各区域电网根据本地区电源特点对火电机组的一次调频性能都有不同的考核要求。为快速响应电网的一次调频要求，火电机组一般采取主蒸汽调门节流的措施。

在申请公布号 CN 102629131 A中公开了一种脉冲方式调整凝结水流量参与调频的协调控制方法，该方法有四大步骤：步骤一：定义传统协调控制方式的几种控制形式即炉跟机(BF)、机跟炉(TF)、协调(CC) 三种控制方式；步骤二：给出传统协调控制方式的传递函数原理图；步骤三：与传统协调控制相比，机组新协调控制系统增加了凝结水泵变频器频率为调节量，增加了除氧器水位为被调量，变为3×3 的耦合系统；步骤四：通过脉冲方式调节凝结水流量达到改变机组负荷的目的；然而，对于火电机组中占比越来越高的超（超）临界机组而言，因其蓄热能力较小，不仅调门节流能力有限，节流作用也使得机组的效率降低，而且频繁的调节会使得主蒸汽压力和温度有较大的波动，从而对机组运行产生不利的影响，降低机组运行的稳定性。

为解决上述问题，需要充分开发火电机组各个环节的蓄热能力，通过激发和调用火电机组中现有的蓄能，快速响应电网的一次调频要求，稳定电网频率。其中，凝结水节流技术利用汽机回热加热系统中金属及工质的蓄热量，使低压加热器和除氧器中减少的抽汽热量参与到整个机组的负荷控制中，有效调整负荷变化；另外，凝结水节流技术的应用，还减少了调节汽轮机调门所带来的节流损失，在一定程度上提高了机组的经济性。然而，该技术在应用过程中也受到响应时机、可持续时间、除氧器水位、低加水位、凝结水母管压力等限制条件。因此，如何根据该技术的特点应用于一次调频控制中是本发明致力于解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种火电机组凝结水节流参与一次调频控制系统，包括凝结水流量偏差指令计算部分、凝结水节流调节时间计算部分和凝结水节流安全触发信号部分；

所述凝结水流量偏差指令计算部分，其中机组频率偏差Δf通过调频控制死区判断以及功率增量函数F(N)计算后得出功率增量信号ΔN；

所述信号ΔN经过选择器T_a的Y端口送入凝结水流量偏差指令函数F(D)；

凝结水流量偏差指令函数F(D)根据所接收到的所述功率增量信号ΔN和机组负荷信号N_c计算出凝结水流量偏差，经过限幅处理后得出修正后的凝结水流量偏差指令ΔD；

所述凝结水节流调节时间计算部分，将所述功率增量信号ΔN经过高信号监视器H_n1判断后送入脉冲触发器的输入端口IN1；

脉冲触发器的输出信号送入选择器T_b的判断端口FLAG；

所述凝结水流量偏差指令ΔD送入选择器T_b的Y端口；

调节时间函数F(t)根据所接收到的凝结水流量偏差指令ΔD、凝结水流量D_cw、给水流量D_fw和除氧器水位的信号计算出凝结水节流调节时间t₁，该信号送入脉冲触发器的脉冲时间设置端口TARG；

所述凝结水节流安全触发信号部分，将凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令ΔD、凝汽器水位和除氧器水位分别经过高低信号监视器H_a1L_a1、H_a2L_a2、H_a3L_a3和H_a4L_a4判断后做“或”运算；获得的输出信号一方面送入选择器T_c的判断端口FLAG，另一方面做“取反”运算并与手自动切换信号做“与”运算，输出信号送入所述凝结水流量偏差指令计算部分中选择器的判断端口FLAG。

进一步的，手动输入模块V_a的输出端口送入选择器T_a的N端口。

进一步的，手动输入模块V_b的输出端口送入选择器T_b的N端口，

进一步的，手动输入模块V_c的输出端口送入选择器T_c的Y端口，所述凝结水节流调节时间计算部分中选择器T_b的输出信号送入选择器T_c的N端口。

火电机组凝结水节流参与一次调频控制系统的运行方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤1：初始化机组负荷、凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令、凝汽器水位、除氧器水位、功率增量信号ΔN、凝结水流量偏差指令ΔD、凝结水节流调节时间t₁、手动输入模块V_a、V_b和V_c，调频控制死区、流量偏差指令限幅、高信号监视器设定值H_n1、高低信号监视器设定值H_a1L_a1、H_a2L_a2、H_a3L_a3和H_a4L_a4，其中，

初始化的机组负荷、凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令、凝汽器水位、除氧器水位为凝结水节流回路投入时刻前的机组负荷、凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令、凝汽器水位、除氧器水位；

初始化的功率增量信号ΔN、凝结水流量偏差指令ΔD、凝结水节流调节时间t₁、手动输入模块V_a、V_b和V_c均为零；

初始化的调频控制死区为凝结水回路投入的频差门槛值，一般要大于常规一次调频动作死区0.033Hz；

初始化的流量偏差指令限幅为凝结水节流能够调节的最大流量偏差范围，根据机组实际情况来确定；

初始化的高信号监视器设定值H_n1为零；

初始化的高低信号监视器设定值H_a1-L_a1为凝泵出口压力的上下限值，根据机组实际情况来确定；

初始化的高低信号监视器设定值H_a2-L_a2为凝结水流量偏差指令的上下限值，根据机组实际情况来确定；

初始化的高低信号监视器设定值H_a3-L_a3为凝汽器水位的上下限值，根据机组实际情况来确定；

初始化的高低信号监视器设定值H_a4-L_a4为除氧器水位的上下限值，可根据机组实际情况来确定；

步骤2：通过对凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令、凝汽器水位和除氧器水位的实际信号是否超限，来判断是否能够投入凝结水节流回路；

当获取的实际信号均未超限且手自动信号为TURE时，选择器T_a的判断端口FLAG为TRUE，则选择器T_a的输出为Y端口的输入量，否则为N端口的输入量；

步骤3：所述凝结水节流回路允许投入后，当频率偏差超过调频控制死区时，经过功率增量函数F(N)和凝结水流量偏差指令函数F(D)的计算，以及流量偏差指令限幅后，输出修正后的凝结水流量偏差指令ΔD；

步骤4：功率增量信号ΔN经过高信号监视器H_n1判断后送入脉冲触发器，脉冲触发器根据调节时间函数F(t)所计算出的时间t₁保持输出TRUE信号相应的时间，从而使凝结水流量偏差指令ΔD可以发送到执行机构；

步骤5：当凝泵出口压力、凝结水流量偏差指令、凝汽器水位和除氧器水位中任一信号超限时，选择器T_a的FLAG信号为FALSE，从而使输出选择器T_a输出手动输入模块V_a的设定值；同时，输出选择器T_c输出手动输入模块V_c的设定值，从而强制退出凝结水节流回路。

本发明针对凝结水节流仅适合对较大一次调频扰动做出响应、而不适合对所有一次调频信号都做出无差别响应的特点，凝结水节流控制死区设置范围较常规一次调频死区略大；即，当电网频率出现偏差，超出常规一次调频死区时，常规一次调频回路动作，而凝结水节流回路不动作，从而有效应对日常绝大多数一次调频需求；只有当电网频率偏差超出凝结水调频控制死区时，凝结水节流回路才投入使用。

超出凝结水调频控制死区的一次调频修正信号经过功率增量函数F(N)的计算后得出当前频差所对应的功率增量ΔN。其中，此处的功率增量函数F(N)可以采用常规一次调频的算法，即，F(N)=1/δ，其中δ为调速不等率；也可以采用比例积分调节控制器。功率增量信号ΔN经凝结水流量偏差指令函数F(D)计算出凝结水流量偏差指令调节指令，并经限幅后控制流量偏差的调节上下限。由于低负荷工况时中压缸和低压缸的蒸汽品质较低，做功能力较弱，因此低负荷下相同的功率增量所对应的凝结水节流量会明显高于高负荷工况。因此，凝结水流量偏差指令函数F(D)可表示为，

其中，K_c为凝结水节流增益，该参数为分段函数，随机组工况的变化而变化，该分段函数可根据机组实际情况来确定。

在所述凝结水节流调节时间计算部分中，凝结水节流的调节时间受到除氧器储能、凝结水流量偏差指令、凝结水流量、给水泵流量等影响。以凝结水节流调节升负荷为例，凝结水节流量越大，除氧器中蓄能释放的速率也就越快，此时节流调节作用的持续时间也将越短；而当凝结水节流调节作用结束时，只有当凝结水流量偏差指令需恢复至稳态工况下所对应的流量，除氧器水位才会停止下降。如果凝结水回水速率较快，则回水调节过程中除氧器蓄能释放量减少，更多的蓄能可以用于节流调节；如果凝结水回水速率较慢，则必须更早的切除凝结水节流调节作用。凝结水调节时间函数可以表示为，

其中，ΔV_min与ΔV_max为除氧器在当前水位下可用于凝结水节流的安全调节的容积下限与上限，m³；ρ为除氧器内饱和水的密度，kg/>3；D_cw(t)为凝结水流量偏差指令，kg/s；D_fw(t)为给水流量，kg/s；T为凝结水节流调节时间。

在所述凝结水节流安全触发信号部分中，考虑到在凝结水节流调节过程中，影响机组运行安全的因素主要有：除氧器水位、凝汽器水位、凝泵出口压力以及凝结水流量偏差指令。例如，凝结水流量偏差指令过低会导致凝结水再循环门强开，而其流量上限值则受到凝泵特性及管道阻力特性的制约；除氧器水位过低会使得给水泵进口压力降低，造成给水泵汽化，水位过高则会使得大量的饱和水将从溢流管排出，造成工质和热量的损失；凝汽器水位过低，会影响凝泵的正常运行，严重时会导致锅炉断水，水位过高会致使凝结水过冷却，影响机组的运行经济性。因此，对这四个因素做“或”运算，其输出信号一方面“取反”后作为投入允许信号，另一方面作为凝结水节流回路的强制退出信号，当任一输入信号超限时，则强制退出凝结水节流回路。

附图说明

图1为火电机组凝结水节流参与一次调频控制流程图；

图2 为435MW负荷凝结水节流试验电功率与凝结水流量变化曲线；

图3 为540MW负荷凝结水节流试验电功率与凝结水流量变化曲线；

图4为不同负荷工况百吨凝结水流量对应变负荷能力曲线；

图5 为435MW负荷凝结水节流试验除氧器水位变化曲线；

图6 为540MW负荷凝结水节流试验除氧器水位变化曲线；

图7 为435MW负荷凝结水节流试验凝汽器水位变化曲线；

图8 为540MW负荷凝结水节流试验凝汽器水位变化曲线；

图9 为435MW负荷凝结水节流试验凝结水母管压力变化曲线；

图10 为540MW负荷凝结水节流试验凝结水母管压力变化曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所述，作为本发明的一个实施例：针对凝结水流量偏差指令计算部分，即，第I部分，凝结水节流仅适合对较大一次调频扰动做出响应、而不适合对所有一次调频信号都做出无差别响应的特点，凝结水节流控制死区设置范围较常规一次调频死区略大。即，当电网频率出现偏差，超出常规一次调频死区时，常规一次调频回路动作，而凝结水节流回路不动作，从而有效应对日常绝大多数一次调频需求；只有当电网频率偏差超出凝结水调频控制死区时，凝结水节流回路才投入使用。

超出凝结水调频控制死区的一次调频修正信号经过功率增量函数F(N)的计算后得出当前频差所对应的功率增量ΔN。其中，此处的功率增量函数F(N)可以采用常规一次调频的算法，即，F(N)=1/δ，其中δ为调速不等率；也可以采用比例积分调节控制器。功率增量信号ΔN经凝结水流量偏差指令函数F(D)计算出凝结水流量偏差指令调节指令，并经限幅后控制流量偏差的调节上下限。由于低负荷工况时中压缸和低压缸的蒸汽品质较低，做功能力较弱，因此低负荷下相同的功率增量所对应的凝结水节流量会明显高于高负荷工况。因此，凝结水流量偏差指令函数F(D)可表示为，

其中，K_c为凝结水节流增益，该参数为分段函数，随机组工况的变化而变化，该分段函数可根据机组实际情况来确定。

所述凝结水节流调节时间计算部分，即，第II部分中，凝结水节流的调节时间受到除氧器储能、凝结水流量偏差指令、凝结水流量、给水泵流量等影响。以凝结水节流调节升负荷为例，凝结水节流量越大，除氧器中蓄能释放的速率也就越快，此时节流调节作用的持续时间也将越短；而当凝结水节流调节作用结束时，只有当凝结水流量偏差指令需恢复至稳态工况下所对应的流量，除氧器水位才会停止下降。如果凝结水回水速率较快，则回水调节过程中除氧器蓄能释放量减少，更多的蓄能可以用于节流调节；如果凝结水回水速率较慢，则必须更早的切除凝结水节流调节作用。凝结水调节时间函数可以表示为，

其中，ΔV_min与ΔV_max为除氧器在当前水位下可用于凝结水节流的安全调节的容积下限与上限，m³；ρ为除氧器内饱和水的密度，kg/>3；D_cw(t)为凝结水流量偏差指令，kg/s；D_fw(t)为给水流量，kg/s；T为凝结水节流调节时间。

在凝结水节流安全触发信号部分，即，第III部分中，考虑到在凝结水节流调节过程中，影响机组运行安全的因素主要有：除氧器水位、凝汽器水位、凝泵出口压力以及凝结水流量偏差指令。例如，凝结水流量偏差指令过低会导致凝结水再循环门强开，而其流量上限值则受到凝泵特性及管道阻力特性的制约；除氧器水位过低会使得给水泵进口压力降低，造成给水泵汽化，水位过高则会使得大量的饱和水将从溢流管排出，造成工质和热量的损失；凝汽器水位过低，会影响凝泵的正常运行，严重时会导致锅炉断水，水位过高会致使凝结水过冷却，影响机组的运行经济性。因此，对这四个因素做“或”运算，其输出信号一方面“取反”后作为投入允许信号，另一方面作为凝结水节流回路的强制退出信号，当任一输入信号超限时，则强制退出凝结水节流回路。

进一步的，作为本发明的优选方案：在华润焦作#1号机组上进行凝结水节流参与一次调频控制系统及方法的试验，图2、3为不同工况下机组负荷与凝结水流量的变化曲线。从这些图中可以看出，在一定频差扰动条件下，凝结水调频控制回路可快速调节凝结水流量，并实现机组负荷的反方向变化。机组负荷与凝结水流量变化的规律十分明显，机组负荷与凝结水流量的变化呈现一定的比例关系。

从图2、3中可以看出，不同工况条件下，同样100t/h凝结水流量变化可实现的机组负荷变化幅度相差不大，基本在1600kW至2000kW之间，该比例随着负荷的降低略有降低。这样的规律对于凝结水调频控制系统参数的设置较为有利，只要根据频差计算出需要调节的负荷指令并线性转化为凝结水流量的调节幅度即可满足负荷调节的需求，如图4所示。

在不同工况下的凝结水节流试验过程中，还记录了影响凝结水节流安全特性的影响因素。其中，图5、6为不同工况下除氧器水位变化曲线，图7、8为不同工况下凝汽器水位变化曲线，图9、10为不同工况下凝结水母管压力变化曲线。试验期间，实测凝结水流量的调节幅度在不同工况下均达到当前工况凝结水流量的50%以上，绝对上限变凝结水流量幅度接近1000t/h，持续时间最长达到5min，在这些调节过程中，除氧器水位、凝汽器水位和凝结水母管压力的变化均在正常的安全范围内。试验过程的除氧器水位变化随着负荷与凝结水流量变化幅度的升高而增大，最大的变化幅度在600mm以内，完全满足设备运行的安全需求。实际应用过程中，根据控制逻辑的设计，可进一步缩小调节幅度限制和持续时间限制，完全可保证除氧器水位、凝汽器水位和凝结水母管的安全。

根据上述分析可知，对于常规600MW超（超）临界机组，按凝结水流量可动态变化上限限制在400t/h以内计算，可通过凝结水变负荷回路实现机组负荷升降幅度约6400kW至8000kW之间，大约相当于额定负荷的1.2%，相对于6%的一次调频负荷上限来说，理论上可提高一次调频变负荷能力约20%，这对于特高压大功率输电条件下的互联电网来说，应对潜在的联络线闭锁等大幅电网扰动时具有重要的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要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权利要求范围当中。