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一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法

更新时间:2024-11-01
一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法 专利申请类型:发明专利;
地区:江西-抚州;
源自:抚州高价值专利检索信息库;

专利名称:一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202011283847.7

专利申请(专利权)人:江西大唐国际抚州发电有限责任公司
权利人地址:江西省抚州市临川区腾桥镇大唐电厂

专利发明(设计)人:陈小勇,肖艳秋,齐燕明,颜皕涛

专利摘要:本发明涉及一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,其特征在于,将凝泵变频节流和调频阶跃技术相结合,协同控制中回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,同时在机组一次调频死区外增加调频阶跃,再通过热态试验,捕捉不同工况下凝结水节流、调频阶跃的性能曲线,并对调频装置进行数学建模;机组运行期间,根据数学模型,实时评估各工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,结合安全和经济指标,预做分配;一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,同时兼顾机组安全和能耗指标,协同调整其调节深度。本发明能最大限度的减少节流损失,一次调频死区外增加调频阶跃,能兼顾机组安全和能耗,确保机组调频性能满足要求。

主权利要求:
1.一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,包括凝泵变频节流和调频阶跃,其特征在于,将凝泵变频节流和调频阶跃技术相结合,协同控制中回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,同时在机组一次调频死区外增加调频阶跃,再通过热态试验,捕捉不同工况下凝结水节流、调频阶跃的性能曲线,并对调频装置进行数学建模;
机组运行期间,根据数学模型,实时评估各工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,结合安全和经济指标,预做分配;
一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,同时兼顾机组安全和能耗指标,协同调整其调节深度;
具体包括如下步骤:
S1.采用凝泵变频节流技术,回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,增加或减小用于汽轮机做功的热能,改变机组负荷,进行一次调频调节;采用双PID回路切换辅以前馈调节的节流调节技术,一次调频动作后,凝结水泵变频指令根据调频功率大小得出相应的输出增减量,使凝结水流量按预计值变化,从而改变抽汽量,以达到预定的调频效果;
S2.将电网频率及转速信号作为偏差输入,计算电网频差,频差超过阈值一次调频动作,为增加小频差调频动作幅度,在机组一次调频死区外0.2RPM内增加调频阶跃,分别作用于DEH侧和CCS侧;
具体数学建模包括如下步骤:
(1).在机组50%Po、75%Po、100%Po负荷工况下,切除凝泵变频水位自动,操作端增减凝泵变频指令,定量改变凝结水流量,观察机组负荷瞬时变化,分析凝结水节节流环境下调频功率的贡献量,形成特定负荷段凝结水节流量与调频功率的线性函数曲线F(X3),建立凝结水节流一次调频性能的数学模型;
(2).在机组50%Po、75%Po、100%Po负荷工况下,切除机组协调,切除DEH自动,操作端施加调频阶跃,分析各负荷段调频阶跃对调频功率的贡献量,行成线性函数曲线F(X4),建立调频阶跃一次调频性能的数学模型;
(3).根据机组转速不等率建立数学模型,实时计算不同频差下的调频功率需求量;调频功率需求量∫P=(1000*转差)/(3000ω),建立变工况条件下调频功率需求量数学模型;(4).在不同负荷段对调频功率进行预分配,即∫P=α1*F(X3)+α2*F(X4),因凝结水节流对DEH调频装置影响最小,即数学模型中默认α1*F(X3)为最大值,α2*F(X4)为补充值,由此计算出分配系数α1,α2,调频功率预分配数学模型;(5).根据电网频差判断一次调频动作,动作时,凝结水节流,调频阶跃按照预分配系数α1,α2动作,确保调频功率满足一次调频需求。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,其特征在于,S1.采用凝泵变频节流技术:(1)采用凝泵变频调节除氧器水位,通过逻辑运算获取除氧水位控制偏差,经PID运算,得到凝泵变频输出频率,用于控制除氧器水位;
(2)凝结水一次调频触发前,凝泵变频输出选择除氧器水位调节PID回路,凝结水节流控制PID回路跟踪控制器输出;
(3)凝节水节流一次调频动作后,凝泵变频输出选择凝结水节流控制PID回路,调频指令在原跟踪值的基础上进行增减;
(4)凝结水节流控制PID的SP、PV值置0,取消其偏差调节功能,通过前馈作用实现变频输出的快速调整;
(5)凝泵变频输出相应的调整量由调频功率的实际值决定,调频功率为正代表一次调频动作于升负荷,此时需降低凝结水流量,变频指令负向变化;调频功率为负代表一次调频动作于降负荷,此时需增加凝结水流量,变频指令正向变化;调频功率与变频增减量定值通过热态试验捕捉建模,并由线性函数块F(X1)实现;
(6)凝结水一次调频动作后,凝结水流量的瞬时变化将对调节系统产生巨大扰动,扰动量须限制在系统所能承受的安全范围内;
(7)凝结水一次调频动作结束1min后,凝泵变频输出指令恢复至调频动作前的频率值,之后恢复至除氧器液位PID回路。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,其特征在于,S2的实现方法有:(1)假定机组转速不等率为ω,根据定义,计算出转差与综合阀位变化量的线性函数关系F(X2)=3000*ω/100=30ω,一次调频死区外0.2RPM内转差为X,调频阶跃量M=X*2.2/F(X2)*0.2=X*11/30ω;
(2)调频阶跃量M在DEH侧以叠加形式作用于综合阀位指令输出,经阀门流量曲线,动作高调门,提高DEH高调阀的动作幅度;
(3)调频阶跃量M以前馈的方式作用于CCS的汽机主控,经PID运算,得到协调侧综合阀位输出,防止CCS反调。 说明书 : 一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法技术领域[0001] 本发明涉及汽轮机调节系统领域,尤其是一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法。背景技术[0002] 作为全周进汽节流配汽方式机组的共性难题,机组热效率和一次调频性能难以兼顾,近年来,网调高度重视发电厂一次调频性能,确定了一次调频合格率达75%的总体目标,常规的一次调频技术难以达到要求,新技术在不断创新中,如:[0003] 现有针对凝结水节流优化技术。CN201811279258.4提供的一种全周进汽机组一次调频的辅助控制系统及方法,包括机组当前状态下一次调频能力判断单元和凝结水节流快速变负荷控制单元等。[0004] CN201910502699.4提供了一种火力发电机组一次调频的控制方法及系统:获取电网频差;根据电网频差判断电网频率的降低幅度是否超过预设范围;若否,则控制机组进行基于锅炉储能的一次调频;以及若是,则控制机组进行基于给水偏置优化逻辑和凝结水节流优化逻辑的一次调频。在电网频率下降幅度较大的情况下,通过给水偏置增加给水量以及凝结水节流降低凝结水流量两种手段,提高了一次调频的调频精度及幅度。[0005] 现有技术特别是针对调频死区技术。CN201610074154.4公开了一种确保一次调频动作方向的优化控制方法及系统,当电网频率偏差信号Δf超出国网规定的调频死区±0.033Hz,但未达到区域电网调度考核动作频率阈值时,机组协调控制和数字电液控制各自保持原有动作方向和幅值;当电网频率偏差信号Δf不仅超出国网规定的调频死区±0.033Hz,且达到区域电网调度考核动作频率阈值时,机组协调控制和数字电液控制在保持应有动作幅值的同时,依据频差大小来决定闭锁增或闭锁减。本发明能有效确保电网频率波动导致一次调频动作时机组负荷的变动方向,防止出现功率反调现象,有效改善机组调频的性能,提高火电机组对调度一次调频响应的准确性,提高其动作合格率,降低电网系统的频率波动。[0006] 另外,CN201910013512.4是一种提高汽轮发电机组DEH一次调频性能的方法,包括S1:检测汽轮发电机组的频差;S2:判断频差是否超过频差死区;S3:将给定主汽流量作为DEH一次调频的目标值;S4:将频率信号变化的控制量转化为主汽流量的输出信号至PID控制器;S5:求主汽流量控制前馈;S6:将主汽流量指令转换成调门开度与主汽流量控制前馈输出的调门开度叠加求和,产生综合调门开度信号。通过DEH闭环控制主汽流量的方式,使汽轮发电机组DEH一次调频产生的功率包括二部分:一是主汽流量变化产生的功率;二是转速信号变化产生的同步暂态功率。通过对主汽流量的控制调节,使汽轮发电机组DEH一次调频性能恢复正常。[0007] 以上属于汽轮发电机的一次调频,但凝结水节流优化技术和小频差处理技术还需要不断创新发展。发明内容[0008] 本发明的目的就是在凝结水节流优化基础上寻求机组一次调频小频差处理技术的突破,从而提供一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法。[0009] 为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:[0010] 一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,包括凝泵变频节流、调频阶跃和协同调整,将凝泵变频节流和调频阶跃技术相结合,协同控制中回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,同时在机组一次调频死区外增加调频阶跃,再通过热态试验,捕捉不同工况下凝结水节流、调频阶跃的性能曲线,并对调频装置进行数学建模[0011] 机组运行期间,根据数学模型,实时评估各工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,结合安全和经济指标,预做分配;[0012] 一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,同时兼顾机组安全和能耗指标,协同调整其调节深度。[0013] 进一步,具体包括如下步骤:[0014] S1.采用凝泵变频节流技术,回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,增加或减小用于汽轮机做功的热能,改变机组负荷,进行一次调频调节;采用双PID回路切换辅以前馈调节的节流调节技术,一次调频动作后,凝结水泵变频指令根据调频功率大小得出相应的输出增减量,使凝结水流量按预计值变化,从而改变抽汽量,以达到预定的调频效果;[0015] S2.将电网频率及转速信号作为偏差输入,计算电网频差,频差超过阈值一次调频动作,为增加小频差调频动作幅度,在机组一次调频死区外0.2RPM内增加调频阶跃,分别作用于DEH侧和CCS侧。[0016] 进一步,S1.采用凝泵变频节流技术:[0017] (1)采用凝泵变频调节除氧器水位,通过逻辑运算获取除氧水位控制偏差,经PID运算,得到凝泵变频输出频率,用于控制除氧器水位;[0018] (2)凝结水一次调频触发前,凝泵变频输出选择除氧器水位调节PID回路,凝结水节流控制PID回路跟踪该控制器输出;[0019] (3)凝节水节流一次调频动作后,凝泵变频输出选择凝结水节流控制PID回路,调频指令在原跟踪值的基础上进行增减;[0020] (4)凝结水节流控制PID的SP、PV值置0,取消其偏差调节功能,通过前馈作用实现变频输出的快速调整;[0021] (5)凝泵变频输出相应的调整量由调频功率的实际值决定,调频功率为正代表一次调频动作于升负荷,此时需降低凝结水流量,变频指令负向变化;调频功率为负代表一次调频动作于降负荷,此时需增加凝结水流量,变频指令正向变化;调频功率与变频增减量定值通过热态试验捕捉建模,并由线性函数块F(X1)实现;[0022] (6)凝结水一次调频动作后,凝结水流量的瞬时变化将对调节系统产生巨大扰动,扰动量须限制在系统所能承受的安全范围内;[0023] (7)凝结水一次调频动作结束1min后,凝泵变频输出指令以一定速率恢复至调频动作前的频率值,之后恢复至除氧器液位PID回路。[0024] 进一步,S2的实现方法有:[0025] (1)假定机组转速不等率为ω,根据定义,计算出转差与综合阀位变化量的线性函数关系F(X2)=3000*ω/100=30ω,一次调频死区外0.2RPM内转差为X,调频阶跃量M=X*2.2/F(X2)*0.2=X*11/30ω;[0026] 注:转速不等率:在机组机械功率恒定不变的情况下,空负荷转速(r1)与满负荷转速(r2)之差与额定转速比值的百分数称为调节系统的转速不等率,即ω=(r1‑r2)/3000,用百分数表示。[0027] 假定转速不等率为4.5,则机组空负荷升至满负荷,在机组机械功率恒定不变的情况下,转速变化量为3000*ω=3000*4.5%=135RPM,但是机组为维持转速恒定,必定增加机械功能,主要途径为提高综合阀位开度,综合阀位开度变化量最大为100%,可以得出转差与综合阀位变化量的斜率关系,即F(X2)=3000*ω/100==3000*4.5%/100=1.35。[0028] 下面计算一次调频死区外0.2RPM(即转差为2.2RPM)时的调频阶跃值M1。因转差死区为2RPM,最大阶跃值是在假定无转速死区的条件下计算的,即2.2/M1=F(X2),M1=2.2/F(X2)。[0029] 因要求一次调频死区为2RPM,转差2RPM以内一次调频不动作,一次调频死区外0RPM(即转差为2RPM)时,调频阶跃值为0.[0030] 由此可得到2RPM‑2.2RPM内,死区外转差X(已减去2RPM死区)调频阶跃量的计算关系:(M1‑0)/0.2=M/(X‑0),[0031] 由以上可得出:M=X*2.2/F(X2)*0.2=X*11/30ω。[0032] (2)调频阶跃量M在DEH侧以叠加形式作用于综合阀位指令输出,经阀门流量曲线,动作高调门,提高DEH高调阀的动作幅度;[0033] (3)调频阶跃量M以前馈的方式作用于CCS的汽机主控,经PID运算,得到协调侧综合阀位输出,防止CCS反调。[0034] 进一步,具体数学建模包括如下步骤:[0035] S1.在机组50%Po、75%Po、100%Po负荷工况下,切除凝泵变频水位自动,操作端增减凝泵变频指令,定量改变凝结水流量,观察机组负荷瞬时变化,分析凝结水节节流环境下调频功率的贡献量,形成特定负荷段凝结水节流量与调频功率的线性函数曲线F(X3),建立凝结水节流一次调频性能的数学模型;[0036] S2.在机组50%Po、75%Po、100%Po负荷工况下,切除机组协调,切除DEH自动,操作端施加调频阶跃,分析各负荷段调频阶跃对调频功率的贡献量,行成线性函数曲线F(X4),建立调频阶跃一次调频性能的数学模型;[0037] S3.根据机组转速不等率,实时计算不同频差下的调频功率需求量;调频功率需求量∫P=(1000*转差)/(3000ω),建立变工况条件下调频功率需求量数学模型。[0038] S4.在不同负荷段对调频功率进行预分配,即∫P=α1*F(X3)+α2*F(X4),因凝结水节流对DEH调频装置影响最小,即数学模型中默认α1*F(X3)为最大值,α2*F(X4)为补充值,由此计算出分配系数α1,α2,调频功率预分配数学模型。[0039] S5.根据电网频差判断一次调频动作,动作时,凝结水节流,调频阶跃按照预分配系数α1,α2动作,确保调频功率满足一次调频需求。[0040] 本发明采用凝泵变频节流技术,减少汽轮机抽汽量,提高工质做功能力,从而快速改变机组负荷。相较于CN201910502699.4,本发明公开了一种凝泵变频节流技术,以凝泵变频调节为主体,除氧器上水调门保持全开,无节流损失,在不增加凝泵电耗的前提下,实现凝结水节流,具有可观的节能效果;同时公开了一种双PID回路切换辅以前馈调节的节流调节技术,一次调频动作后,凝结水泵变频指令根据调频功率大小得出相应的输出增减量,使凝结水流量按预计值变化,从而改变抽汽量,以期达到预定的调频效果。[0041] 将电网频率及转速信号作为偏差输入,计算电网频差,频差超过阈值一次调频动作,为增加小频差调频动作幅度,在机组一次调频死区外0.2RPM内增加调频阶跃,分别作用于DEH侧和CCS侧,相较于CN201610074154.4,一种确保一次调频动作方向的优化控制方法及系统,本发明针对调频死区外小频差一次调频动作进行优化设计,增益类似工况调频装置动作幅度,捕获一次调频积分电量,确保一次调频动作满足电网要求,同时公开了一种调频阶跃幅度计算方法。[0042] 本发明有益效果为:该系统采用凝结水节流技术快速改变机组负荷,进行一次调频调节,凝泵变频调整技术改变凝结水流量,除氧器上水调节阀保持全开,能最大限度的减少节流损失。在机组一次调频死区外增加调频阶跃,作用于DEH侧,调频量叠加于综合阀位指令,提高机组高调的动作幅度,作用于CCS侧,调频量以前馈的方式作用于CCS的汽机主控,防止CCS反调。机组运行期间,根据性能曲线,实时评估该工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,预做分配,一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,兼顾机组安全和能耗的同时,确保机组调频性能满足要求。[0043] 综上,本发明能根据不同的运行工况,动态评估调频过程中机组的安全性及经济性,协同调整一次调频功能的调节深度和机组能耗及调频性能;调频技术能有效解决源网单一或共存问题的一次调频技术难题,具有普适性和高效性,一次调频平均合格率超过85%,可推广应用于多类型大型火力发电机组的调频控制。附图说明[0044] 图1为本发明凝泵变频节流逻辑框图;[0045] 图2为本发明调频阶跃逻辑框图。具体实施方式[0046] 一种汽轮机调节系统的一次调频动态协同控制方法,包括凝泵变频节流、调频阶跃,具体包括如下步骤:[0047] S1.将凝泵变频节流和调频阶跃技术相结合,通过试验,捕捉凝泵变频节流、调频阶跃技术在各工况下的性能曲线,动态评估机组的安全性和经济性,兼顾机组能耗和调频性能,协同调整其调节深度;[0048] S2.采用凝结水节流技术,快速回收或释放部分用于低加换热的蒸汽介质,增加或减小用于汽轮机做功的热能,快速改变机组负荷,进行一次调频调节。[0049] 所述凝泵变频调整技术改变凝结水流量,减少汽轮机抽汽量,以凝泵变频调节为主体,除氧器上水调门保持全开,能最大限度的减少节流损失,在不增加凝泵电耗的前提下,实现凝结水节流。[0050] 在机组一次调频死区外0.2RPM内增加调频阶跃,原始阶跃幅度由转速不等率换算,作用于传统DEH和CCS的调频动作方式,作用于DEH侧,调频量叠加于综合阀位指令,提高机组高调的动作幅度;作用于CCS侧,调频量以前馈的方式作用于CCS的汽机主控,防止CCS反调。[0051] 所述通过热态试验,捕捉不同工况下凝结水节流、调频阶跃的性能曲线,机组运行期间,根据性能曲线,实时评估该工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,结合安全性和经济性,预做分配,一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,兼顾机组安全和能耗的同时,确保机组调频性能满足要求。[0052] 如图1所示,凝泵变频节流,凝结水节流一次调频技术的主体功能以双PID回路切换及前馈调节为主要技术手段,一次调频动作后,凝结水泵变频指令根据调频功率大小得出相应的输出增减量,使凝结水流量按预计值变化,从而改变抽汽量,以期达到预定的调频效果。[0053] (1)凝结水一次调频触发前,凝泵变频输出选择除氧器水位调节PID回路,凝结水节流控制PID回路跟踪该控制器输出。[0054] (2)凝节水节流一次调频动作后,凝泵变频输出选择凝结水节流控制PID回路,调频指令在原跟踪值的基础上进行增减。[0055] (3)凝结水节流控制PID的SPPV值置0,取消其偏差调节功能,通过前馈作用实现变频输出的快速调整。[0056] (4)凝泵变频输出相应的调整量由调频功率的实际值决定,调频功率为正代表一次调频动作于升负荷,此时需降低凝结水流量,变频指令负向变化;调频功率为负代表一次调频动作于降负荷,此时需增加凝结水流量,变频指令正向变化。调频功率与变频增减量定值的对应关系由函数块F(X)实现。[0057] (5)凝结水一次调频动作后,凝结水流量的瞬时变化将对调节系统产生巨大扰动,扰动量须限制在系统所能承受的安全范围内,抚州电厂凝结水一次调频最大频率变化幅值为5HZ,对应负荷最大增量约为13.67MW。[0058] (6)凝结水一次调频动作结束1min后,凝泵变频输出指令以一定速率恢复至调频动作前的频率值,之后恢复至除氧器液位PID回路。[0059] “凝结水一次调频动作信号”需经过一个DCS扫描周期的延时才能用作切换功能块的判定信号。在同一运算周期内,DCS各功能块的运算顺序有先后之分,如果切换块IN1信号的运算顺序滞后于切换判定信号,切换块将在调频功率出现变化之前锁定非目标值(即为0),最终导致凝泵变频输出信号保持不变,影响凝结水节流一次调频功能。[0060] 如图2所示,调频阶跃时,转速不等率为ω,根据定义,可计算出转差与综合阀位变化量的线性函数关系F(X2)=3000*ω/100=30ω,一次调频死区外0.2RPM内转差为X,调频阶跃量M=X*2.2/F(X2)*0.2=X*11/30ω。[0061] 通过热态试验,捕获各工况下凝结水节流、调频阶跃的性能曲线,预做分配,一次调频动作时,按照分配系数即使动作即可。[0062] 采用凝结水节流技术快速改变机组负荷,进行一次调频调节,凝泵变频调整技术改变凝结水流量,除氧器上水调节阀保持全开,能最大限度的减少节流损失。在机组一次调频死区外增加调频阶跃,作用于DEH侧,调频量叠加于综合阀位指令,提高机组高调的动作幅度,作用于CCS侧,调频量以前馈的方式作用于CCS的汽机主控,防止CCS反调。机组运行期间,根据性能曲线,实时评估该工况下凝结水节流、调频阶跃的调频能力,预做分配,一次调频动作时,根据分配系数,各调节系统即时协同动作,兼顾机组安全和能耗的同时,确保机组调频性能满足要求。[0063] 本发明方法的应用(在申请人生产中应用),一次调频平均合格率由原来不足20%提升至85.83%,远超行业平均水平,据统计,平均每年减免考核金额1443.12万元,具有可观的经济效益。[0064] 以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

专利地区:江西

专利申请日期:2020-11-17

专利公开日期:2024-08-30

专利公告号:CN112398144B


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