火电机组深度调峰工况低负荷辅机跳闸自动控制系统

摘要

本发明公开了火电机组深度调峰工况低负荷辅机跳闸自动控制系统，包括LATC系统触发条件的设置、通过LATC通用控制对机组运行方式、燃料、汽轮机调门实现控制、送风机LATC工况风量控制及给水泵LATC工况汽包水位控制。本发明适用于参与深度调峰的火电机组；可协调控制机组汽水、燃料、风烟等系统自动动作，尤其是总风量及汽包水位的稳定，使机组快速稳定到平稳状态，避免机组发生非正常停运；深度调峰下的辅机跳闸自动控制，可以极大的提高机组的安全性和运行灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统与设备技术领域，具体涉及火电机组深度调峰工况低负荷辅机跳闸自动控制系统。

背景技术

近年来，随着风电、太阳能等清洁能源装机容量的迅猛增长，我国发电结构和用电结构不断的发生变化，风电、太阳能的消纳对传统火电机组的调峰能力及运行灵活性提出了更高的要求。我国的能源政策也要求进一步挖掘燃煤机组的调峰潜力，提高火电机组的运行灵活性。火电机组的深度调峰作为这一大技术背景中的重要一环，其实施的主要受限于深度调峰运行的安全性、稳定性与环保性。

辅机跳闸后的处理是影响机组安全性与稳定性的一个重要因素，处理不当会引起机组停机，为电厂带来严重考核并影响电网的稳定性。传统的辅机故障跳闸处理措施(RUNBACK，简称RB)仅仅考虑了在机组高负荷的工况，当发生辅机跳闸且机组功率超过机组最大允许负荷时触发RB功能，保证机组稳定运行。

常规RB触发的条件一般为三项：辅机跳闸、RB投入及机组负荷高于机组最大允许负荷。由此可知，在机组深度调峰工况下，机组的功率并不会超过最大允许负荷，也就不会触发传统的RB功能。但是，低负荷工况辅机跳闸的危险性更大于高负荷工况，需要采取的控制措施也与高负荷不同，不采取任何措施极易造成机组非计划停运。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷而提出的火电机组深度调峰工况低负荷辅机跳闸自动控制系统，适用于参与深度调峰的火电机组。在深度调峰工况下，机组负荷较低，实际发电负荷低于最大允许负荷时，发生单侧重要辅机跳闸后，在本发明应用下，可协调控制机组汽水、燃料、风烟等系统自动动作，尤其是总风量及汽包水位的稳定，使机组快速稳定到平稳状态，避免机组发生非正常停运。深度调峰下的辅机跳闸自动控制(auxiliary device trip control in low load，简称LATC)，可以极大的提高机组的安全性和运行灵活性。

本发明提出了适用于深度调峰的低负荷工况下辅机跳闸后的整套处置办法，可以很大程度上降低机组非停概率，提高机组安全性。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

定义低负荷辅机跳闸自动控制系统(LATC)：在出现单侧辅机跳闸且机组负荷低于RB触发负荷限值时，机组采用的一系列自动控制手段，无需运行人员干预自动稳定到某一安全工况，弥补传统RB逻辑在低负荷段中的控制断档与空白。

1.LATC系统的触发条件如下：

1)LATC投入：在机组运行DCS画面中设置LATC投入及退出按钮，点击投入，LATC功能投入，点击退出，功能不起作用；

2)机组实际负荷小于最大允许负荷(即传统RB中负荷限值)：机组最大允许负荷计算采用各类辅机出力上限中的最小值；

3)双侧运行辅机工况下出现单辅机跳闸。

2.通过LATC判定模块判定LATC触发后，通过如下LATC通用控制对机组运行方式、燃料、汽轮机调门实现控制：

1)机组运行方式切换：机组切换至汽轮机跟随控制模式，由汽轮机控制主蒸汽压力。

2)燃料控制：由于机组LATC工况实际负荷并没有超过机组最大允许出力，因此无需降负荷，不用与RB控制一样部分切除燃料。

3)汽轮机调门控制：以定压模式采用PID控制器控制主蒸汽压力，压力设定值为LATC触发时的实际压力。

4)一次风机LATC及燃料LATC无需特殊动作。

3.送风机LATC工况风量控制

在单侧送风机停运后，机组要维持相应的风量，运行侧的送风机应该加大出力，较为精确的出力计算过程如下：

设机组停运时刻为0时刻，0时刻其转速为n₀，出口挡板开度为μ₀；由于双侧风机并联运行，在送风机停运后，送风机出口挡板联锁关闭，防止风量流失及停运风机倒转。但是由于风道尺寸较大，出口挡板关闭需要一定时间，一般为2-4分钟，设其关速率为k_μ。

根据转矩平衡关系：

其中：

GD²：叶轮转子的飞轮力矩，单位为N*m；

w：角速度，单位为rad/s；

T：转矩，单位为N*m；

g：重力加速度，单位为m/s²；

对于停运风机，风机的力矩为轴承摩擦力矩MT与风机阻力矩MZ，MT远小于MZ可忽略为零。MZ正比于风机转速，即MZ＝kz*n²，kz由风机试验或厂家数据提供；另，w＝2*π*n，n为转速；可得：

令以风机停运时刻为零时刻，初始状态n₀可测，求解上述微分方程得：

由风机性能曲线(出厂资料)，可知Δp＝f_p-n(n)，风机出口压力P₀₁为：

Q_hl：在停运侧风机关断前，从停运侧管路回流的风量，单位为m³/s；

P₀₁：风机出口压力，单位为Pa；

P₀₀：大气压力，机组实测数据，单位为Pa；

Rz：风机出口挡板流阻，Rz＝krz/μ＝krz/(μ₀-k_μ*t)，单位为Pa·s/m³；

Q_zj＝Q_ls＝Q_stp+Q_hl(6)

其中，Q_zj：运行侧需增加的风量，单位为m³/s

Q_ls：由于单侧风机停运所流失的风量，单位为m³/s包括两部分；

Q_stp：停运侧风机停运前所带风量，单位为m³s；

由于正常运行中，双侧风机所带风量基本平衡，所以

Q_stp＝0.5*Q₀(7)

Q₀为送风机停运前机组总风量，单位为m³/s由机组风量测量仪表取得。

至此，可计算得到需补充的风量Q_zj，再由风机特性曲线可得：

μ_zj＝f_Q-μ(Q_zj)(8)

将μ_zj即送风机LATC工况下运行侧送风机开度前馈量，在送风机LATC触发至复位期间，将μ_zj作为前馈叠加到运行侧送风机出口挡板控制回路，可最大限度维持风量平稳。

4.给水泵LATC工况汽包水位控制

汽包水位是给水泵LATC控制的难点，汽包水位主要受到给水流量及蒸汽流量，在单侧给水泵跳闸后，给水流量急剧下降，汽包水位也会快速下降，因此控制汽包水位下降速度使其不触发水位低保护值是关键。

一方面，快速提高运行泵的出力，快速恢复给水流量，这也是常规的方案之一。

在蒸汽流量增加阶跃扰动下，水位先上升后下降，因此，本发明采用蒸汽流量暂态调节办法，减缓LATC初期水位下降速度，

其中，T_l计算如下：

蒸汽流量对于汽包水位的对象模型传递函数如下：

s为拉普拉斯算子

k_f1、T_fl、k_f2均为对象模型参数，可由系统对象辨识得到；

其时域表达式如下：

式(10)中，ΔL为汽包水位变化量，单位mm；

t为时间，单位s；

由

可知，前馈持续时间取ΔL到达最高点的时间时的T_l如式(12)所示，可求得：

式(12)中，T_l为给水泵跳闸后，汽机调门前馈的脉冲时间长度，在给水泵跳闸后，将前馈量以单次脉冲形式叠加到汽机主控控制回路。

本发明提出了低负荷辅机跳闸自动控制整套解决方案，并对其中的关键问题做出了阐述和实施。作为传统辅机跳闸快件负荷(RUNBACK)功能的必要补充，可以使火电机组具备全工况辅机跳闸自动控制的功能，在电厂深度调峰常态化的形势下，该功能的投入可以极大的提高机组深度调峰低负荷运行的可靠性。

附图说明

图1为系统控制结构框图；

图2为并联送风机停运压力节点计算图；

图3为蒸汽流量前馈生成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容进行进一步的解释和说明。

本发明实现可依托火电厂集散控制系统(DCS)，采用功能块组态的方式，可以实现发明中所有内容。

如图1所示，本发明的系统控制策略结构图，系统实时采集机组运行数据，通过LATC判定模块实时判断LATC是否触发，如果触发，对LATC分项进行判断，针对不同的分类执行相应的分项LATC(主要包括送风机、一次风机、给水泵、燃料等)控制策略，最终通过控制燃料(给煤机、给粉机)、风量(送风机调节机构)、负压(引风机调节机构)、汽包水位(给水泵调节机构)及汽轮机控制(主蒸汽调节门)等，使机组平稳过度到安全状态。

1.LATC触发条件：

其触发条件如下：

1)低负荷辅机跳闸自动控制系统投入：在机组运行DCS画面中设置LATC投入及退出按钮，点击投入，LATC功能投入，点击退出，功能不起作用；

2)机组实际负荷小于最大允许负荷(即传统RB中负荷限值)：机组最大允许负荷计算采用各类辅机出力上限中的最小值；

3)双侧运行辅机工况下出现单辅机跳闸。

2.通过LATC判定模块判定LATC触发后，通过如下LATC通用控制对机组运行方式、燃料、汽轮机调门实现控制：

1)机组运行方式切换：机组切换至汽轮机跟随控制模式，由汽轮机控制主蒸汽压力。

2)燃料控制：由于机组LATC工况实际负荷并没有超过机组最大允许出力，因此无需降负荷，不用与RB控制一样部分切除燃料。

3)汽轮机调门控制：以定压模式采用PID控制主蒸汽压力，压力设定值为LATC触发时的实际压力。

4)一次风机LATC及燃料LATC无需特殊动作。

3.送风机LATC工况风量控制

在单侧送风机停运后，机组要维持相应的风量，运行侧的送风机应该加大出力，较为精确的出力计算过程如下：

设机组停运时刻为0时刻，0时刻其转速为n₀，出口挡板开度为μ₀，由于双侧风机并联运行，在送风机停运后，送风机出口挡板联锁关闭，防止风量流失及停运风机倒转。但是由于风道尺寸较大，出口挡板关闭需要一定时间，一般为2-4分钟，设其关速率为k_μ。

如图2所示，并联送风机停运压力节点计算图，其中：

p₀₀：大气压力，机组实测数据，单位为Pa；

p₀₁：运行侧风机出口压力，机组实测数据，单位为Pa；

根据转矩平衡关系：

GD²：叶轮转子的飞轮力矩，风机厂家资料，单位为N*m；

w：角速度，单位为rad/s；

T：转矩，单位为N*m；

g：重力加速度，单位为m/s²；

对于停运风机，风机的力矩为轴承摩擦力矩MT与风机阻力矩MZ，MT远小于MZ可忽略为零。MZ正比于风机转速，即MZ＝kz*n²，kz由风机试验或厂家数据提供；另外，w＝2*π*n，n为转速；可得：

令以风机停运时刻为零时刻，初始状态n₀可测，求解上述微分方程得：

由风机性能曲线(出厂资料，Δp＝f_p-n(n))得到，风机出口压力为：

风机出口挡板流阻Rz＝krz/μ＝krz/(μ₀-k_μ*t)

Q_hl：在停运侧风机关断前，从停运侧管路回流的风量，单位为m³/s；

Q_zj＝Q_ls＝Q_stp+Q_hl(6)

其中，Q_zj：运行侧需增加的风量，单位为m³/s；

Q_ls：由于单侧风机停运所流失的风量，单位为m³/s，包括两部分；

Q_stp：停运侧风机停运前所带风量，单位为m³/s；

由于正常运行中，双侧风机所带风量基本平衡，所以

Q_stp＝0.5*Q₀(7)

Q₀为送风机停运前机组总风量，由机组风量测量仪表取得；

至此，可计算得到需补充的风量Q_zj，再由风机特性曲线可得：

μ_zj＝f_Q-μ(Q_zj)(8)

将μ_zj即送风机LATC工况下运行侧送风机开度前馈量，在送风机LATC触发至复位期间，将μ_zj作为前馈叠加到运行侧送风机出口挡板控制回路，可最大限度维持风量平稳。

4.给水泵LATC工况汽包水位控制

汽包水位是给水泵LATC控制的难点，汽包水位主要受到给水流量及蒸汽流量，在单侧给水泵跳闸后，给水流量急剧下降，汽包水位也会快速下降，因此控制汽包水位下降速度使其不触发水位低保护值是关键。

一方面，快速提高运行泵的出力，快速恢复给水流量，这也是常规的方案之一。

在蒸汽流量增加阶跃扰动下，水位先上升后下降，因此，本发明采用蒸汽流量暂态调节办法，减缓LATC初期水位下降速度，见图3所示的蒸汽流量前馈生成图：

其中，T_l计算如下：

蒸汽流量对于汽包水位的对象模型传递函数如下：

s为拉普拉斯算子k_f1、T_fl、k_f2均为对象模型参数，可有系统对象辨识得到

其时域表达式为

式(9)中，ΔL为汽包水位变化量，单位mm；

t为时间，单位s；

可知，前馈持续时间取ΔL到达最高点的时间，给水泵跳闸后，汽机调门前馈作用的脉冲时间长度T_l，由：

可求得

计算得到脉冲时间长度T_l，在给水泵跳闸后，将前馈量以单次脉冲形式叠加到汽机主控控制回路。

本发明克服了现有技术中存在的缺陷而提出的火电机组深度调峰工况低负荷辅机跳闸自动控制系统，适用于参与深度调峰的火电机组。在深度调峰工况下，机组负荷较低，实际发电负荷低于最大允许负荷时，发生单侧重要辅机跳闸后，在本发明应用下，可协调控制机组汽水、燃料、风烟等系统自动动作，尤其是总风量及汽包水位的稳定，使机组快速稳定到平稳状态，避免机组发生非正常停运。深度调峰下的辅机跳闸自动控制(auxiliary device trip control in low load，简称LATC)，可以极大的提高机组的安全性和运行灵活性。

本发明提出了适用于深度调峰的低负荷工况下辅机跳闸后的整套处置办法，可以很大程度上降低机组非停概率，提高机组安全性。