[发明专利]用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型

摘要

用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，本发明涉及一种用于一次调频分析的锅炉、汽轮机、电网三方协调控制的超临界及超超临界机组协调控制模型，现有技术传统的机网协调和机炉协调的控制重点是汽轮发电机组与电网，一次调频控制回路中仅体现了对电网频差的负反馈控制策略，并未考虑对锅炉的影响，从而存在安全隐患，本发明为解决上述问题采取的技术方案是：步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型，步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型，步骤三：建立汽轮机一次调频模型，步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，步骤五：修正汽轮机功率给定信号，本发明用于锅炉、汽轮机和电网协调控制领域。

主权项

1.用于锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，其特征在于：所述模型是通过以下步骤实现的：步骤一：建立反映超临界及超超临界机组中直流锅炉机理模型:直流锅炉动态考虑燃烧系统、水冷壁和过热器，依据工质能量平衡方程、工质质量平衡方程、工质动量平衡方程建立直流锅炉机理模型，工质从省煤器流出后，进入水冷壁，经过水冷壁后，工质由水变成蒸汽，水冷壁出口为微过热点；水冷壁内工质在运行中，满足能量平衡方程、质量平衡方程，水冷壁内工质能量平衡方程：水冷壁内工质质量平衡方程：式中，V1为直流锅炉水冷壁的容积，单位为m3，h1为水冷壁中工质的平均焓值，单位为J/kg，ρ1为水冷壁中工质的平均密度，单位为kg/m3，Gin为给水流量，单位为kg/s，hin为水冷壁入口焓值，单位为J/kg，Gjian为水冷壁出口处微过热点的工质流量，单位为kg/s，hjian为过热器入口焓值，单位为J/kg，Q1为水冷壁工质单位时间的吸热量，单位为J/s，解水冷壁方程，由式(2)可得对式(1)展开可得式(4)移项可得h1为水冷壁中工质的平均焓值，取水冷壁入口焓值hin与过热器入口焓值hjian的平均值，水冷壁中工质的平均密度ρ1取水冷壁入口密度ρin与工质密度ρjian的平均值，即：h1＝(hin+hjian)/2   (6)ρ1＝(ρin+ρjian)/2   (7)在直流锅炉的运行中，虽然水冷壁轴向各点工质的焓值不同，但在动态中，各点的变化率相等，平均值的变化率可以用任意一点的变化率来表征，过热器入口焓值hjian和工质密度ρjian的变化率等于平均值h1和ρ1的变化率，即：由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；锅炉的过热器入口压力Pjian和主蒸汽压力Pt的压力的差同主蒸汽流量Gt之间存在平方根关系，过热器温度控制中，减温水取自锅炉给水，所以喷入过热器的减温水焓值为hin，在过热器中喷减温水，减温水焓值与水冷壁入口焓值相同，进而控制主蒸汽温度，过热器内工质满足质量平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程，过热器内工质能量平衡方程：过热器内工质质量平衡方程：过热器内工质动量平衡方程：式中，Vs为过热器内蒸汽体积，单位为m3，hs为过热器蒸汽平均焓值，单位为J/kg，ρs为过热器蒸汽平均密度，单位为kg/m3，Gj为减温水流量，单位为kg/s，Gt为主蒸汽流量，单位为kg/s，ht为主蒸汽焓值，单位为J/kg，Qs为过热器内蒸汽单位时间的吸热量，单位为J/s，Pjian工质密度，单位为Pa，Pt为主蒸汽压力，单位为Pa，Ksh为过热器管道的阻力系数，单位为N·s2/(kg2·m2)，解过热器方程，由式(2)可得对式(10)展开可得式(15)移项可得hs为过热器蒸汽平均焓值，取过热器入口焓值hjian与主蒸汽焓值ht的平均值，过热器体积Vs是常数，过热器蒸汽平均密度ρs取 工质密度ρjian与过热器出口密度ρt的平均值，即：hs＝(ht+hjian)/2   (17)ρs＝(ρt+ρjian)/2   (18)由过热器方程式(10～18)，求解出过热器方程，建立过热器模型，燃烧系统有一定的延时和惯性，煤量指令下达后，磨煤机开始动作，经过一定的延时和惯性，才会变成煤量的实际值，电厂实际控制中，有专门控制单元协调燃煤量与给风量，将燃煤量作为变量，锅炉燃烧放出的热量用传递函数可以表示为：式中，Q为燃烧系统放热量，单位为J，τ为燃烧系统延迟时间常数，单位为s，Tc为燃烧系统惯性时间常数，单位为s，K为常系数，μB为燃烧率指令，单位为p.u.，煤燃烧所释放出的热量Q，一部分热量Q1用于加热锅炉水冷壁内的水，使之变成蒸汽，另一部分热量Qs用于加热过热器中的工质，使微过热蒸汽变成过热蒸汽，因此，Q＝Q1+Qs，若Q1＝nQ，则Qs＝(1‑n)Q，运行中Q会发生波动，水冷壁与过热器吸热的比例保持恒定，比例系数n恒定，直流锅炉整体输入为燃烧率指令、给水流量、减温水流量，此外，主蒸汽流量与锅炉入口焓值也会影响锅炉动态，直流锅炉整体输入出为主蒸汽压力、主蒸汽温度及微过热点焓值，直流锅炉模型包括锅炉燃烧系统、水冷壁、过热器，燃烧系统释放总热量为Q，传递到水冷壁热量为Ql，传递到过热器热量为Qs,依据过热器动量式(12)，水冷壁出口处微过热点的工质流量Gjian由压力差决定，水冷壁的出口焓值即为过热器的入口焓值，主蒸汽流量Gt的信号来自于汽轮机模型，燃烧率指令μB、给水流量Gin、减温水流量Gj由锅炉控制器给出，输出信号反映单元机组的状态通过锅炉控制器的输入得到直流锅炉机理模型；步骤二：建立超临界及超超临界直流锅炉控制器模型：超临界直流锅炉控制量主要是燃烧率、给水、减温水，高压缸出口处蒸汽压力Ptj与主蒸汽压力Pt的比值准确反映锅炉的能量需求，它是燃烧控制、给水控制主要的信号，燃烧率控制时依据锅炉能量需求信号Ptj/Pt，另外，主蒸汽压力是锅炉能量的代表，反映锅炉能量高低，因此，主蒸汽压力偏差也作为锅炉燃烧率控制所依据的信号，经过PID控制后与锅炉能量需求信号共同调节燃烧率的大小，锅炉给水最主要的控制信号是Ptj/Pt，同时受主蒸汽温度偏差值、微过热点焓值信号偏差值影响，依据主蒸汽温度偏差值进行减温水控制，使得主蒸汽温度保持在规定范围内，进而完成超临界及超超临界直流锅炉控制器模型的建立；步骤三：建立汽轮机一次调频模型：用于一次调频分析的汽轮机模型为线性模型，动态特性用传递函数来表示，在汽轮机与直流锅炉耦合的环节为主蒸汽流量调节阀门，即为主蒸汽阀门开度及主蒸汽压力，汽轮机模型包含主蒸汽流量及主蒸汽压力，一次调频通道:功率给定值Rt与阀门开度Sz之间的传递函数为一阶惯性，主蒸汽流量Gt与汽轮机机械功率PM之间的传递函数为一阶惯性，PL为电功率，机械功率、电功率之差(PM‑PL)与转差之间的传递函数为一阶惯性，即轴的惯性，主蒸汽流量:依据气体流过主汽阀流体力学原理，主蒸汽流量与主蒸汽压力和主汽阀开度的乘积成正比，Gt＝kvPtSz   (20)式(20)中，Gt为主蒸汽流量，单位为kg/s，Pt为主蒸汽压力，单位为Pa，Sz为阀门开度，单位为p.u.，kv为常系数，在机炉耦合关系中，主蒸汽压力影响流过主汽阀的流量，进而影响汽轮机功率，同时，汽轮机主汽阀流量会影响锅炉动态，即锅炉与汽轮机的相互耦合关系，汽轮机一次调频模型的输入为主蒸汽压力、主汽阀开度指令和电机的电功率，输出为转差及汽机调节阀流量，建立汽轮机一次调频模型，步骤四：建立包含不同类型机组的电力系统调频模型：若系统中的超临界及超超临界机组均采用锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型，则验证锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型的效果，即对调频的改善效果，建立包含不同类型机组的电力系统调频模型，用于一次调频分析的模型采用刚性集结模型，电力系统一次调频时间尺度为秒级，在该时间尺度下，机组转速与电网是同步的，各个点的电力系统频率一致，电网频率决定于系统内所有机组的功率之和及电力系统总负荷，即电力系统是刚性集结的，在系统中，不同类型的发电机组一次调频模型不同，针对一次调频的功率通道，将模型分为以下5种模型：纯转速调节汽轮机、中间再热式汽轮机、功频调节汽轮机、水轮机、锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制汽轮机，纯转速调节汽轮机纯转速调节方式下，汽轮机频率偏差信号通过一次调频控制通道反馈到阀门，控制通道的比例系数为1/δ，与给定值求和后作为蒸汽阀门的指令信号，进而通过执行机构控制阀门的开度，阀门控制信号经过执行机构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，纯转速调节的功率没有闭环，功率并非可控，功频调节汽轮机为了使汽轮机的功率跟踪功率给定，将电功率反馈到控制回路中，在纯转速调节的基础上，测量发电机输出的电功率，进而反馈到输入给定处，与给定、一次调频量求和后作为汽轮机的阀门控制信号，阀门控制信号经过PI环节、执行结构、容积效应环节后，与扰动相叠加作为转子惯量环节的输入，转子惯量环节输出频率偏差信号，中间再热式汽轮机中间再热式汽轮机中的蒸汽经过高压缸做功后会返回到锅炉中再热，随后进入中压缸、低压缸做功，其中执行机构特性为较小时间常数的惯性环节，经过高压调节阀的工质经过容积后进入高压缸，蒸汽要经过再热器容积后再进入中压缸、低压缸，再热器容积效应也等效为惯性环节水轮机采用机械液压调节系统，采用并联型PID调速器，PID参数Kp＝5.185、Ki＝0.988、Kd＝3.333，Ta为轴惯性时间常数，Tb为负荷的惯性时间常数，工程实际中，Tb范围为Tb＝(0.24～0.30)Ta，取Tb＝0.27Ta，步骤五：修正汽轮机功率给定信号:在锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型中加入一个控制器，其输入为主蒸汽压力偏差信号ΔPt和频差信号Δf，其输出与汽轮机功率给定信号相叠加，根据模型使用者设置和调节该控制器的参数，实现保证电网频率稳定的前提下，充分利用锅炉的能量的目标，既使火电机组充分参与调频，又使超临界直流锅炉主蒸汽压力趋于平稳，频率偏差信号Δf信号反映电网能量大小，使锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型应对电网侧功率频繁变动，主蒸汽压力偏差信号ΔPt信号反映直流锅炉能量高低，且便于测量，相当于在原来的功率给定值Rt之上增加了一个修正量，该修正量既能反映锅炉能量的高低，又能体现电网能量的高低，进而完成锅炉、汽轮机和电网一次调频分析协调控制模型。