一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置，该温度控制装置是在现有过热蒸汽温度控制系统上增加了燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路；所述燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路包括分别设置在燃机排气烟道和余热锅炉进口中不同位置的若干组烟气温度测量装置以及燃机燃烧状态观测装置、数据处理模块和加法器，所述燃机排气烟道和余热锅炉进口中不同位置的若干组烟气温度测量装置分别连接到燃机燃烧状态观测装置，所述燃机燃烧状态观测装置连接数据处理模块输入端，所述数据处理模块输出端连接加法器输入端，所述加法器输入端还连接过热主蒸汽温度控制系统的输出端，所述加法器的输出端连接减温水阀门。

说明书

技术领域

本发明涉及锅炉主蒸汽温度控制领域，更具体涉及一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置及控制方法。

背景技术

燃气轮机联合循环主要由燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机三部分构成。燃料(油或天然气)在燃烧室中燃烧产生高温高压燃气，进入燃气轮机透平膨胀做功发电，再将燃气轮机排出的气体引入锅炉(余热锅炉)，作为锅炉的热源，利用锅炉产生的蒸汽进入蒸汽轮机再发电，由此可以构成燃气轮机和蒸汽轮机协同作为动力的联合循环发电系统。

过热蒸汽温度是保证火力发电厂安全、高效、经济运行的重要参数，在发电厂生产过程中，整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度。如果过热蒸汽温度过高，会使过热器、蒸汽管道和汽轮机高压缸承受过高的热应力，从而导致强度降低甚至损坏；而过热蒸汽温度偏低，则设备的热效率将会降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片的磨损，严重时甚至会产生水冲击，造成叶片的损坏。因此，控制好过热蒸汽温度的重要性不言而喻。

当前联合循环发电机组系统采用的主蒸汽温度控制系统见图1，包括顺序连接的给水管道1、高压蒸发器2、高压汽包过热器4、高压汽包蒸汽集箱5以及减温器3、减温水阀门6和过热蒸汽温度控制系统7，其中减温器3一端连接减温水阀门6，另一端连接在高压蒸发器2和高压汽包过热器4的连接链路上，所述过热蒸汽温度控制系统7采用简单的串级PID控制装置，该控制装置由主PID控制装置73和副PID控制装置74组成，主PID控制装置73中含有主蒸汽温度测量元件72，用于测量高压汽包蒸汽集箱5输出的主蒸汽温度，主PID控制装置73根据主蒸汽温度调节高压过热蒸汽集箱5出口温度，副PID控制装置74中含有减温器出口温度测量元件71，用于测量减温器3出口温度，所述副PID控制装置74的输出端连接减温水阀门6，所述副PID控制装置74根据减温器3出口温度调节高压汽包过热器4出口温度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何进一步的提高余热锅炉主蒸汽温度控制能力，克服燃机排气温度和余热锅炉进口烟道烟温波动对主蒸汽温度的干扰。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置，包括给水管道、高压蒸发器、高压汽包过热器、高压汽包蒸汽集箱以及减温器、减温水阀门和过热蒸汽温度控制系统，还包括燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路；

所述燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路包括分别设置在燃机排气烟道和余热锅炉进口中不同位置的若干组烟气温度测量装置以及燃机燃烧状态观测装置、数据处理模块和加法器，所述燃机排气烟道和余热锅炉进口中不同位置的若干组烟气温度测量装置分别连接到燃机燃烧状态观测装置，所述燃机燃烧状态观测装置连接数据处理模块输入端，所述数据处理模块输出端连接加法器输入端，所述加法器输入端还连接过热主蒸汽温度控制系统的输出端，所述加法器的输出端连接减温水阀门；

其中，燃机燃烧状态观测装置根据烟气温度测量装置测量的烟气温度综合判断，输出相应的烟气温度信号，烟气温度信号先后进入数据处理模块，所述数据处理模块计算排气温度的变化速率，并根据排气温度的变化速率输出相应的减温水调节阀阀位指令的增量，所述加法器将数据处理模块产生的减温水调节阀阀位指令增量叠加到过热蒸汽温度控制系统输出的减温水调节阀阀位指令上。

进一步地，所述数据处理模块包括微分器和第一函数发生器，所述微分器输入端连接燃机燃烧状态观测装置的输出端，所述微分器的输出端连接第一函数发生器的输入端，所述第一函数发生器的输出端连接加法器输入端，所述微分器用于计算排气温度的变化速率，所述第一函数发生器根据排气温度的变化速率输出相应的减温水调节阀阀位指令的增量。

本发明还保护一种同时含有燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路和燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统的余热锅炉主蒸汽温度控制装置，所述燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统包括燃机TCS系统、燃机温控切换状态观测装置、第二函数发生器，所述燃机TCS系统连接燃机温控切换状态观测装置，所述燃机温控切换状态观测装置连接第二函数发生器，所述第二函数发生器连接加法器的输入端；

所述燃机温控切换状态观测装置用于处理不同机组的温控折线函数数据，并输出折线函数的拐点值及拐点前后的斜率值到第二函数发生器，所述第二函数发生器根据折线函数的拐点值及拐点前后的斜率值输出相应的阀门调节指令增量到加法器中。

本发明还保护一种同时含有燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路和燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统的余热锅炉主蒸汽温度控制装置，所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统包括燃机TCS系统和第三函数发生器，所述第三函数发生器的输入端连接燃机TCS系统，所述第三函数发生器的输出端连接加法器输入端；

所述第三函数发生器接收燃机TCS系统输出的燃机负荷指令信号，并根据不同的燃机负荷指令变化幅值输出相应的阀门调节指令到加法器，通过加法器将调节指令叠加到减温水阀门，用于控制阀门的超前动作值。

本发明还保护一种同时含有燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路、燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统和燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统的余热锅炉主蒸汽温度控制装置，所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统包括燃机TCS系统和第三函数发生器，所述第三函数发生器的输入端连接燃机TCS系统，所述第三函数发生器的输出端连接加法器输入端；

所述第三函数发生器接收燃机负荷指令信号，并根据不同的燃机负荷指令变化幅值输出相应的阀门调节指令到加法器，通过加法器将调节指令叠加到减温水阀门，用于控制阀门的超前动作值。

本发明还保护采用所述余热锅炉主蒸汽温度控制装置的控制方法，所述主蒸汽温度控制装置的控制方法包括燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路作用过程、燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统的作用过程以及燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统的作用过程；

所述燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路作用过程包括以下步骤：

S1、获取实时燃机排气烟道和余热锅炉进口的排气温度值；

S2、计算排气温度值的变化速率，根据排气温度值的变化速率产生相应的指令叠加到减温水阀门中，排气温度变化速率上升过快的时候，超前动作减温水，提前控制主汽温；

所述燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统的作用过程为：

寻找燃机温控曲线的切换点，检测当前机组的压气机压比，若当前机组的压气机压比已经达到切换点，则将切换点前后的斜率差送入第二函数发生器中，第二函数发生器根据温控线函数的切换点值及切换点前后的斜率值输出相应的减温水阀门的阀位指令增量，作用减温水阀门；

所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统的作用过程为：

TCS系统将燃机负荷指令信号引入第三函数发生器中，第三函数发生器根据不同的燃机负荷指令变化幅值输出相应的阀门调节指令到加法器，通过加法器将调节指令叠加到减温水阀门，用于控制减温水阀门的超前动作值。

进一步地，所述S1中燃机燃烧状态观测装置将从实时接收到的排气温度值每10个进行分组，对每组温度值进行滤波，剔除坏质量的测点以及数值明显不正常的测量值，剩下的取平均作为当前排气温度的真实值，当这10个点处理完毕后，丢弃这10个之中最“旧”的一个数据，将最新时刻的一个数据加进来，组成新的一组，重新进行上一步操作。

进一步地，所述燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统寻找燃机温控曲线的切换点的具体过程为：

S1、通过计算等排气温度温控线函数和TTRXGV温控线函数的交点找到第一个温控线切换点，通过计算TTRXGV温控线函数和压气机排气压力CPD偏置温控线函数的交点找到第二个温控线切换点；

S2、根据不同的机组的具体函数参数确定等排气温度温控线、压气机排气压力CPD偏置温控线以及TTRXGV温控线的切换点，也就是斜率变化的点，并计算各温控线中各切换点前后的斜率。

进一步地，所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统中的燃机负荷指令变化幅值为正数或负数，当燃机负荷指令变化幅值为正数时，第三函数发生器输出减小减温水阀门的调节指令，当燃机负荷指令变化幅值为负数时，第三函数发生器输出增大减温水阀门的调节指令。

本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)利用燃机燃烧状态观测装置进行烟气温度综合判断，即利用燃机排气烟道和余热锅炉进口烟道烟温，燃机燃烧状态观测装置输出的烟气温度信号进入先后进入微分器和第一函数发生器中，输出数值叠加到阀门指令上，可以克服燃机排气温度和余热锅炉进口烟道烟温波动对主蒸汽温度的干扰。

(2)由于不同机组的温控线函数不尽相同，将不同机组的温控折线函数数据导入到燃机温控切换状态观测装置中，内部处理之后输出温控线函数的切换点值及切换点前后的斜率值，送入第二函数发生器，第二函数发生器输出数值叠加到阀门指令上，能够在燃机进行温控线切换时，快速动作减温水，超前控制减温水阀门动作。

(3)将TCS系统中燃机负荷指令信号引入到预置的第三函数发生器中，根据不同的燃机负荷指令变化幅值来控制阀门的超前动作值，可以克服燃机负荷的波动对主蒸汽温度的干扰。

附图说明

图1为现有技术的联合循环发电机组系统采用的主蒸汽温度控制系统结构框图；

图2为本发明实施例的一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置结构框图；

图3为本发明实施例的9E燃机的温控线图。

其中：1、给水管道；2、高压蒸发器；3、减温器；4、高压汽包过热器；5、高压汽包蒸汽集箱；6、减温水阀门；7、过热蒸汽温度控制系统；71、减温器出口温度测量元件；72、主蒸汽温度测量元件；73、主PID控制装置；74、副PID控制装置；8、加法器；9、燃机排气烟道；10、余热锅炉进口；11、烟气温度测量装置；12、燃机燃烧状态观测装置；13、微分器；14、第一函数发生器；15、燃机TCS系统；16、燃机温控切换状态观测装置；17、第二函数发生器；18、第三函数发生器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例的一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置在如图1所示的现有余热锅炉主蒸汽温度控制系统的基础上增加了加法器8、燃机排气烟道与余热锅炉进口温度控制系统、燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统以及燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统；

所述燃机排气烟道与余热锅炉进口温度控制系统包括分别设置在燃机排气烟道9和余热锅炉进口10中不同位置的若干组烟气温度测量装置11以及燃机燃烧状态观测装置12、微分器13、第一函数发生器14，所述燃机排气烟道和余热锅炉进口中不同位置的若干组烟气温度测量装置11通过硬接线的方式分别连接到燃机燃烧状态观测装置12，所述燃机燃烧状态观测装置12连接微分器13，所述微分器13连接第一函数发生器14输入端，所述第一函数发生器14输出端连接加法器8，所述加法器8输入端同时连接第一函数发生器14以及过热蒸汽温度控制系统7；

其中，燃机燃烧状态观测装置12根据烟气温度测量装置测量11的烟气温度综合判断，所述燃机燃烧状态观测装置11将从现场接收到的排气温度测点每10个进行分组，对每一组数据值进行滤波处理，去除最高的和最低的，剩下的取平均作为当前排气温度的真实值，当这10个点处理完毕后，丢弃这10个之中最“旧”的一个数据，将最新时刻的一个数据加进来，组成新的一组，重新进行上一步操作，燃机燃烧状态观测装置12输出的烟气温度信号进入微分器13中，微分器13计算排气温度的变化速率，得到的变化速率输入第一函数发生器14中，所述第一函数发生器14根据排气温度的变化速率输出相应的减温水调节阀阀位指令，所述加法器8将第一函数发生器14产生的减温水调节阀阀位指令叠加到过热蒸汽温度控制系统7输出的减温水调节阀阀位指令上，共同作用于减温水阀门6，若微分器13输出的排气温度变化速率为正值，说明此时排气温度正在不断上升，若这个正值的数值比较大，说明排气温度上升得非常迅速，排气温度上升过快接下来会产生影响的是主汽温度上升过快，我们可以在观测到排气温度上升过快的时候，超前动作减温水，从而提前控制主汽温。这样，就不会等到主汽温已经超温，才动作减温水，那时已经迟了。

所述燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统包括燃机TCS系统15、燃机温控切换状态观测装置16、第二函数发生器17，所述燃机TCS系统15连接燃机温控切换状态观测装置16，所述燃机温控切换状态观测装置16连接第二函数发生器17，所述第二函数发生器17连接加法器8的输入端；

所述燃机温控切换状态观测装置16用于处理不同机组的温控折线函数数据，并输出折线函数的切换点及切换点前后的斜率值到第二函数发生器17，所述第二函数发生器17根据温控线函数的切换点及切换点前后的斜率值输出相应的阀门调节指令到加法器8中。共同作用于减温水阀门6。

所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统包括燃机TCS系统15和第三函数发生器18，所述第三函数发生器18的输入端连接燃机TCS系统15，所述第三函数发生器18的输出端连接加法器8；所述燃机TCS系统15通过硬接线将燃机功率模拟量信号引入第三函数发生器18中。

所述第三函数发生器18接收燃机TCS系统15输出的燃机负荷指令信号，并根据不同的燃机负荷指令变化幅值输出相应的阀门调节指令到加法器8，通过加法器8将调节指令叠加到减温水阀门6，用于控制减温水阀门6的超前动作值。

本实施例的一种余热锅炉主蒸汽温度控制装置的控制方法包括燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路作用过程、燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统作用过程以及燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统作用过程。

所述燃气轮机烟气温度主导的余热锅炉主蒸汽温度控制回路作用过程如下：

燃机排气烟道9和余热锅炉进口10设置的若干组烟气温度测量装置11实时对燃机排气烟道9和余热锅炉进口10的排气温度进行测量，并将温度值送入燃机燃烧状态观测装置11中，燃机燃烧状态观测装置11对温度测点进行滤波，剔除坏质量的测点以及数值明显不正常的测点，从而确定最为适宜的、最能够反映当前真实的排气温度的量，燃机燃烧状态观测装置11输出的烟气温度信号先后进入微分器13和第一函数发生器14中，微分器13计算排气温度的变化速率，第一函数发生器14根据不同的排气温度的变化速率，产生相应的指令输出到加法器8中，通过加法器8将减温水阀门控制指令叠加到减温水阀门6中，排气温度变化速率上升过快的时候，超前动作减温水，提前控制主汽温，从而克服燃机排气温度和余热锅炉进口烟道烟温波动对主蒸汽温度的干扰。

所述燃机温控曲线切换主导的余热锅炉主蒸汽温度控制系统作用过程如下：

燃机TCS系统15将机组的温控线函数数据导入到燃机温控切换状态观测装置16中，燃机温控切换状态观测装置16首先要找出机组进行温控线切换时的切换点，在燃机升负荷的每一时刻都将温控线切换至数值最小的温控线，同时将温控线斜率发生变化的切换点和切换点前后的折线斜率变化差值引入到第二函数发生器17中，第二函数发生器17根据温控线函数的切换点及切换点前后的斜率值输出相应的减温水阀门调节指令到加法器8中，通过加法器8将减温水阀门控制指令叠加到减温水阀门6中，从而能够在燃机进行温控线切换时，快速动作减温水，超前控制减温水阀门6的动作。

其中，燃机温控切换状态观测装置16首先要找出机组进行温控线切换时的切换点，及切换点前后的斜率k1和k2、每一条温控线的切换点BP1和BP2及BP1、BP2前后的斜率ttk_s_[0]、ttk_s_[1]和ttk_s_[2]。

下面以9E燃机举例说明燃机温控切换状态观测装置16找出切换点的工作过程：

9E燃机温控线包括三条温控线，温控线图如图3所示，图中横坐标为CPR，也就是压气机压比，纵坐标是排气温度T4。燃机温度控制的控制点就是燃机排气温度，通过该温度的控制实现余热锅炉蒸汽温度与汽机叶片温度的匹配，实现燃机、汽机、余热锅炉等主设备热力参数的协调。

图3中的三条温控线如下：

1、等排气温度温控线TTKn_I，这条等温线是为避免燃气轮机热通道超温而设计的，用于在在部分负荷下，控制燃机的排气温度，维持排气温度在可接收的范围之内；这条等温线的函数为：

TTKn_I＝常数(一条水平直线)

2、压气机排气压力CPD偏置温控线TTRXP(等T3温控线)，在燃机进入等T3温控线时，按照曲线的给定值控制燃机排气温度，保持透平进口温度T3恒定，TTRXP温控线上的圆点分别在不同CPR时TTRXP温控线的切换点，这条温控线的函数为：

TTRXP＝TTKn_I-[CPD-TTKn_C]×TTKn_S

该表达式其实就是数学一次函数的点斜式，该温控线的斜率确定为TTKn_S，并且这条直线经过点(TTKn_C，TTKn_I)。CPD为函数的自变量，TTRXP为函数的因变量。TTKn_S为直线的斜率。TTKn_I就是等排气温度温控线的常数。

由此可见，要寻找TTRXP温控线的切换点，TTKn_C和TTKn_S这两个参数是非常重要的，但是由图3可知，压气机排气压力CPD偏置温控线TTRXP其实是有3段组成的。相应的，TTKn_C和TTKn_S有3组，每一组代表一段直线，每条直线对应的TTKn_C和TTKn_S的其具体数值见表1。

表1

ttk_c_[0]9.8066ttk_c_[1]9.4674ttk_c_[2]9.2487ttk_s_[0]29.7789ttk_s_[1]25.4128ttk_s_[2]23.8127BP111.7965BP212.6793

当CPR＜BP1时，TTKn_C和TTKn_S选择ttk_c_[0]和ttk_s_[0]，当BP2＞CPR＞BP1时，TTKn_C和TTKn_S选择ttk_c_[1]和ttk_s_[1]，当CPR＞BP2时，TTKn_C和TTKn_S选择ttk_c_[2]和ttk_s_[2]，这就形成了TTRXP的三段组成。

3、TTRXGV温控线，TTRXGV温控线上的三角形分别表示在不同CPR时TTRXGV温控线的切换点，该温控线同TTRXP温控线一样有自己的函数表达式，其表达式如下：

TTRXGV＝TTKn_I-[CPD-TTKGV_C]×TTKGV_S

同样TTKGV_C和TTKGV_S这两个参数对于找出切换时刻和切换点是非常重要的。

以上是对温控线做了一个一般的介绍，那么既然有三条温控线，在机组运行的时候，到底怎么选择呢？

1)寻找温控线的切换点，也就是寻找出这三条曲线到底是在何时开始从其中一条切换到另外一条。由图3可以看到，在横坐标CPR为6-9之间时，温控线选择等排气温度温控线；在CPR为9-11之间时(机组处于部分负荷阶段，处于IGV控制方式)，温控线选择TTRXP温控线；在CPR大于11时(机组处于基本负荷阶段，进入温控模式)，温控线选择TTRXGV温控线。

通过计算等排气温度温控线函数和TTRXP温控线函数的交点找到第一个温控线切换点CPR1；通过计算TTRXP温控线和TTRXGV温控线函数的交点找到第二个温控线切换点CPR2，保存切换点前后的斜率。

2)寻找每一条温控线的切换点，也就是斜率变化的点。对于TTRXGV温控线而言，他的切换点就是BP1和BP2。BP1前后的斜率分别为ttk_s_[0]＝29.7789和ttk_s_[1]＝25.4128，BP2前后斜率为ttk_s_[1]＝25.4128和ttk_s_[2]＝23.8127。需要注意的是，上述的数据点对本实施例并不起限定作用，这些数据点都不是固定的，在实际应用中根据不同的机组的具体函数参数而确定。

由此可见，最终的温控线是由以上三条曲线经过小选得出的。燃机从空负荷到满负荷的过程中，CPR压比(也就是温控线的横坐标)是逐渐增加的，升负荷的每一时刻，燃机温控切换状态观测装置都是选择数值最小的那条温控线。

除此之外，温控状态切换观测装置16还要进行以下计算：检测当前机组的CPR，若当前机组的CPR已经达到切换点，则将切换点前后的斜率差送入第二函数发生器17，第二函数发生器17产生减温水阀门阀位指令增量。

所述燃机负荷主导的主蒸汽温度控制系统作用过程如下：

TCS系统15将燃机负荷指令信号通过硬接线的方式将燃机功率模拟量信号引入到第三函数发生器18中，当燃机负荷指令变化幅值为正数时，第三函数发生器18输出减小减温水阀门6的调节指令，当燃机负荷指令变化幅值为负数时，第三函数发生器18输出增大减温水阀门6的调节指令，通过加法器8将调节指令叠加到减温水阀门6，用于控制减温水阀门6的超前动作值，从而克服燃机负荷的波动对主蒸汽温度的干扰。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。