一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法

摘要

本发明公布了一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法。该方法包括多汽机协调控制方法和直流锅炉协调控制方法。多汽机协调控制方法通过建立基于误差反馈的多变量解耦控制律矩阵，求得主汽调门开度指令μTHi，以及通过中压调门流量特性曲线和汽机中低压缸的流量分配目标值求得中压调门开度指令μTLi，协调控制汽机中低压缸和汽机高压缸的流量，实现多汽机协调控制。直流锅炉协调控制方法通过建立基于误差反馈的单回路控制律获得燃烧率指令μB、给水流量指令μW和减温水流量指令μAW，实现基于发电机组负荷的直流锅炉协调控制运行。本发明方法结构简单，分层协调控制，调节快速稳定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法，属于发电机组控制技术领域。

背景技术

根据国家能源局“煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)”制定的目标，现役燃煤发电机组须加快改造升级，到2020年的平均供电煤耗应低于310克/千瓦时。将现役亚临界老机组改造为超(超)临界直流机组，通过增加蒸汽参数大幅提升其热力循环效率，是一种经济有效地实现燃煤机组节能减排的技术选择。

对于典型的2×300MW亚临界单元机组，将两台亚临界锅炉改造为一台相当容量的超临界锅炉，同时对两台汽轮机进行改造并保留原发电机组，实现一炉两机的母管制超临界直流燃煤发电系统，相比于新建超临界机组具有更好的经济性，因而该技术具有很好的应用推广前景。但改造后的母管制超临界直流系统，与亚临界单元机组发电和超临界单元机组发电相比，系统结构有显著不同，提高运行灵活性的同时，锅炉与汽机、各汽机之间的耦合更为复杂，因此母管制直流燃煤发电系统的协调控制成为该技术应用的难点。

以往的母管制发电系统，多为小容量机组，锅炉为自然循环的汽包炉，多台锅炉和汽轮机通过主蒸汽母管相连，没有蒸汽再热系统，主要应用于自备电厂和集中供热等领域，控制要求相对不高，其运行控制的主要问题是母管压力的稳定。

已有的母管制汽包锅炉发电系统的控制方案，主要用于自备电厂和供热的小容量机组控制，其控制的关键是通过调整各台锅炉的燃料量，控制各台锅炉的负荷以维持母管压力的平稳。由于各汽轮机并不参与电网调度，因此无需对各汽轮机的负荷按照电网调度的需求进行自动发电控制，另外系统中没有再热蒸汽母管，因此不涉及中压调门的调整。但当亚临界机组改造为超临界母管制机组时，由于系统更为复杂，且各汽机均需参与电网调度，因此对其协调控制系统提出了更高的要求。

已有的直流燃煤发电系统的控制，主要为单元制配置的机组，即一台锅炉配一台汽轮机。由于单元制机组不含主蒸汽母管和再热蒸汽母管，因此其控制方案无法适应两台汽轮机并列运行带来的互相耦合和互为干扰的情况，并且也不调整汽机中压调门，从而无法满足负荷精确调整的需求。

发明内容

本发明旨在一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法，该母管制直流锅炉发电机组具有蒸汽再热系统，汽机与锅炉之间的耦合更为紧密，其协调控制方法能够在负荷大范围变化时仍能保证主汽压力的较小波动和各汽轮机功率快速平稳地跟踪其负荷指令，在各汽轮机参与电网调度情况下，能满足负荷控制的高要求。

本发明通过以下技术方案实现：

一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法，用于一种母管制直流锅炉发电机组的协调控制，所述母管制直流锅炉发电机组包括直流锅炉和发电机组，所述直流锅炉设置有给水泵、蒸发器和过热器，所述发电机组包括汽机高压缸、汽机中低压缸和发电机；所述给水泵连接有给水调门；所述过热器与所述汽机高压缸之间设有主蒸汽管道连接；所述汽机高压缸、汽机中低压缸和发电机均设置有若干个，且所述发电机与所述汽机高压缸和所述汽机中低压缸均一一对应设置；所述若干个汽机高压缸和所述若干个汽机中低压缸分别并联连接设置；所述若干个汽机高压缸与所述若干个汽机中低压缸之间设置有再热器；所述汽机高压缸和所述过热器之间设置有主汽调门，且所述主汽调门与所述汽机高压缸一一对应设置；所述汽机中低压缸和所述再热器之间设置有中压调门，且所述中压调门与所述汽机中低压缸一一对应设置；其特征在于，所述协调控制方法包括多汽机协调控制方法，所述多汽机协调控制方法包括：

获取各个中压调门的流量特性曲线Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)，其中Q_TLi和μ_TLi分别为通过所述各中压调门的流量和调门开度，i为第i组中压调门；

基于中压调门的流量特性曲线Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)，进行对应的汽机中低压缸的流量分配计算，获得汽机中低压缸的流量分配目标值Q_RE,r,i；并根据汽机中低压缸的流量分配目标值，利用函数关系Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)计算对应的中压调门的中压调门开度指令μ_TLi＝fcn2(Q_RE,r,i)，所述函数fcn2(·)是函数fcn1(·)的反函数；

获取所述若干个发电机负荷的设定值E_r,i和实测值E_i，并获取主汽压力设定值P_T,r和实测值P_T，建立基于误差反馈的多变量解耦控制律矩阵，根据多变量解耦控制律矩阵求得主汽调门开度指令μ_THi；

通过各个中压调门开度指令μ_TLi和各个主汽调门开度指令μ_THi协调控制通过若干个所述汽机中低压缸和汽机高压缸的流量，实现多汽机协调控制。

上述技术方案中，所述协调控制方法还包括直流锅炉协调控制方法，所述直流锅炉协调控制方法与所述多汽机协调控制方法一起，同时协调控制多汽机运行和直流锅炉运行；所述直流锅炉协调控制方法包括：

获取发电机组总负荷设定值E_r，根据燃烧率前馈指令函数μ_B0＝fcn3(E_r)和给水流量前馈指令函数μ_W0＝fcn4(E_r)分别获得燃烧率前馈指令μ_B0和给水流量前馈指令μ_W0；

获取主汽压力设定值P_T,r、主汽温度设定值T_S,r和中间点温度设定值T_M,r，并获取主汽压力实测值P_T、主汽温度实测值T_S和中间点温度实测值T_M，建立基于误差反馈的单回路控制律，并根据燃烧率前馈指令μ_B0和给水流量前馈指令μ_W0与基于单回路控制律的函数关系μ_B＝μ_B0+ctrl1(P_T,r-P_T)和μ_W＝μ_W0+ctrl3(T_M,r-T_M)，分别获得燃烧率指令μ_B和给水流量指令μ_W，对所述直流锅炉的燃烧状况和给水泵的给水调门进行协调控制；同时通过主汽温度设定值T_S,r和实测值T_S的差异，基于单回路控制律的函数关系μ_AW＝ctrl2(T_S,r-T_S)获得减温水流量指令μ_AW，调节所述直流锅炉的减温水流量，其中ctrl1(·)、ctrl2(·)和ctrl3(·)为基于误差反馈的单回路控制律。

上述技术方案中，当所述汽机高压缸、汽机中低压缸和发电机均设置有两个时，所述发电机组协调控制方法中多变量解耦控制律矩阵选用

其中，ctrl11、ctrl12、ctrl21、ctrl22分别为多变量解耦控制律矩阵中的单元控制律，μ_TH1、μ_TH2分别为两个主汽调门开度指令，E_r,1和E_r,2分别为两个发电机的负荷设定值，E₁和E₂分别为两个发电机的负荷实测值。

上述技术方案中，所述函数fcn1(·)能够通过设计资料获取，或通过现场实验测得。

上述技术方案中，所述函数fcn3(·)和fcn4(·)能够通过设计资料获取，或通过现场实验测得。

本发明具有以下优点及有益效果：基于分层协调控制的思想，充分实现母管制并联的各汽轮机发电功率的灵活调整，在快速稳定地跟踪各台汽轮发电机组负荷指令的同时，保证主汽压力和锅炉参数的波动在允许的范围内；该协调控制方法结构简单、容易工程实现，对母管制直流燃煤发电系统的安全稳定运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所涉及的其中一种实施方式的母管制直流锅炉发电机组控制点示意图。

图2为本发明所涉及的其中一种实施方式的母管制直流锅炉发电机组协调控制系统被控对象耦合关系示意图。

图3为本发明所涉及的其中一种实施方式的母管制直流锅炉发电机组协调控制系统逻辑结构示意图。

图中：1－给水调门；2－蒸发器；3－过热器；4－主汽调门；5－汽机高压缸；6－再热器；7－中压调门；8－汽机中低压缸；9－发电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

本发明所涉及的一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法，用于如图1所示的一种母管制直流锅炉发电机组的协调控制。母管制直流锅炉发电机组包括直流锅炉和发电机组，通常为一台直流锅炉连接两组及两组以上发电机组。直流锅炉设置有给水泵、蒸发器2和过热器3，来水通过给水泵提升进入直流锅炉受热面，依次经过蒸发器2和过热器3成为高温高压蒸汽，通过母蒸汽管分配进入多个发电机组，与汽机高压缸5相连。发电机组包括汽机高压缸5、汽机中低压缸8和发电机9，其中汽机高压缸5和汽机中低压缸8为汽轮机。汽机高压缸与汽机中低压缸之间设置有再热器6。给水泵连接有给水调门1，调门为调节阀门的简称，用于调节给水流量。汽机高压缸5、汽机中低压缸8和发电机9均设置有若干个，且所述发电机9与所述汽机高压缸5和所述汽机中低压缸8均一一对应设置。即汽轮机与发电机均为一一对应的多个设置。所述若干个汽机高压缸和所述若干个汽机中低压缸分别并联连接设置，并联后的汽机高压缸与再热器母管连接。汽机高压缸5和过热器3之间设置有主汽调门4，且主汽调门4与汽机高压缸5一一对应设置。汽机中低压缸8和再热器6之间设置有中压调门7，且中压调门7与汽机中低压缸8一一对应设置。

一种母管制直流锅炉发电机组协调控制方法包括多汽机协调控制方法和/或直流锅炉协调控制方法，分别或同时协调控制多汽机运行和直流锅炉运行。

多汽机协调控制方法包括：

获取各个中压调门7的流量特性曲线Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)，其中Q_TLi和μ_TLi分别为通过各中压调门7的流量和调门开度，i为第i个中压调门7；

基于中压调门7的流量特性曲线Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)，进行对应的汽机中低压缸8的流量分配计算，获得汽机中低压缸8的流量分配目标值Q_RE,r,i；并根据汽机中低压缸8的流量分配目标值，利用Q_TLi＝fcn1(μ_TLi)计算对应的中压调门7的中压调门开度指令μ_TLi＝fcn2(Q_RE,r,i)，所述函数fcn2(·)是函数fcn1(·)的反函数；

获取所述若干个发电机负荷的设定值E_r,i和实测值E_i，并获取主汽压力设定值P_T,r和实测值P_T，建立基于误差反馈的多变量解耦控制律矩阵，根据多变量解耦控制律矩阵求得主汽调门开度指令μ_THi；

通过中压调门开度指令μ_TLi和主汽调门开度指令μ_THi协调控制通过若干个所述汽机中低压缸和汽机高压缸的流量，实现多汽机协调控制。

直流锅炉协调控制方法包括：

获取发电机组总负荷设定值E_r，根据燃烧率前馈指令函数μ_B0＝fcn3(E_r)和给水流量前馈指令函数μ_W0＝fcn4(E_r)分别获得燃烧率前馈指令μ_B0和给水流量前馈指令μ_W0；

获取主汽压力设定值P_T,r、主汽温度设定值T_S,r和中间点温度设定值T_M,r，并获取主汽压力实测值P_T、主汽温度实测值T_S和中间点温度实测值T_M，建立基于误差反馈的单回路控制律，并根据燃烧率前馈指令μ_B0和给水流量前馈指令μ_W0与基于单回路控制律的函数关系μ_B＝μ_B0+ctrl1(P_T,r-P_T)和μ_W＝μ_W0+ctrl3(T_M,r-T_M)，分别获得燃烧率指令μ_B和给水流量指令μ_W，对所述直流锅炉的燃烧状况和给水泵的给水调门1进行协调控制；同时通过主汽温度设定值T_S,r和实测值T_S的差异，基于单回路控制律的函数关系μ_AW＝ctrl2(T_S,r-T_S)获得减温水流量指令μ_AW，调节所述直流锅炉的减温水流量，其中ctrl1(·)、ctrl2(·)和ctrl3(·)为基于误差反馈的单回路控制律。

当所述汽机高压缸5、汽机中低压缸8和发电机9均设置有两个时，所述发电机组协调控制方法中多变量解耦控制律矩阵选用

其中，ctrl11、ctrl12、ctrl21、ctrl22分别为多变量解耦控制律矩阵中的单元控制律。

所述函数fcn1(·)能够通过设计资料获取，或通过现场实验测得。

所述函数fcn3(·)和fcn4(·)能够通过设计资料获取，或通过现场实验测得。

本发明所述直流锅炉协调控制方法并非纯粹基于锅炉自身的控制，而是基于发电机组负荷变化的锅炉燃烧状态、给水量及减温水量的协同调整控制。

其中一个实施例为，一台600MW超临界锅炉带两台300MW超临界参数汽轮机。

根据设计资料，经曲线拟合，获取两台汽轮机中压调门7的流量特性曲线为：

其中μ_TL1和μ_TL2分别为所述两台汽机中压调门开度，Q_TL1和Q_TL1分别为通过所述两台汽机中压调门的流量。

设两台发电机负荷的设定值分别为E_r,1和E_r,1，则基于上述中压调门的流量特性曲线，进行两个汽机中低压缸的流量分配计算，获得两个汽机中低压缸的流量分配目标值如下：

根据上述汽机中低压缸的流量分配目标值，计算两个汽机中压调门的中压调门开度指令μ_TL1＝fcn2(Q_RE,r,1)，μ_TL2＝fcn2(Q_RE,r,2)。

根据两台汽轮机发电机负荷的设定值E_r,1和E_r,1、2台汽轮机发电机负荷的实测值E₁和E₂，以及主汽压力设定值P_T,r和实测值P_T，建立基于误差反馈的多变量PID解耦控制律矩阵，根据多变量解耦控制律矩阵求得2台汽轮机主汽调门开度指令μ_TH1和μ_TH2如下：

其中，系数K_p11,K_i11,K_d11为PID控制器ctrl11的控制参数，系数K_p12,K_i12,K_d12为PID控制器ctrl12的控制参数，系数K_p21,K_i21,K_d21为PID控制器ctrl21的控制参数，系数K_p22,K_i22,K_d22为PID控制器ctrl22的控制参数。上述控制参数根据机组实际特性经现场调试获得。

由此，获得两台汽轮发电机组协调控制的主汽调门开度指令和中压调门开度指令。

根据发电机组总负荷设定值E_r，获得燃烧率前馈指令μ_B0和给水流量前馈指令μ_W0如下：

μ_B0＝min(1.0,max(0.3,0.0018E_r))，

μ_W0＝min(1833,max(831,3.32E_r))。

根据主汽压力设定值P_T,r和主汽压力实测值P_T，建立基于误差反馈的单回路控制律(以传统PID控制律为例)，获得燃烧率指令μ_B如下：

根据中间点温度设定值T_M,r和中间点温度实测值T_M，建立基于误差反馈的单回路控制律(以传统PID控制律为例)，获得给水流量指令μ_W如下：

根据主汽温度设定值T_S,r和实测值T_S，建立基于误差反馈的单回路控制律(以传统PID控制律为例)，获得减温水流量指令μ_AW如下：

其中，系数K_p1,K_i1,K_d1为PID控制器ctrl1的控制参数，系数K_p2,K_i2,K_d2为PID控制器ctrl2的控制参数，系数K_p3,K_i3,K_d3为PID控制器ctrl3的控制参数。

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