CN103249918A - 短期提高汽轮机功率的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种借助连接在上游烧矿物燃料的锅炉(1)短期提高汽轮机功率的控制方法，锅炉(1)包括一些构成流动路径(2)并流过流动介质M的省煤器、蒸发器和过热器加热面(4)，按本方法，在一个压力级，流动介质M从流动路径(2)分路，以及就流动介质流向而言在该压力级的过热器加热面(4)上游喷射到流动路径中，其中，表征该压力级就流动介质流向而言在最后的过热器加热面的出口温度与规定的温度额定值之间偏差的第一特征值，用作流动介质M喷射量的控制参数。

Description

短期提高汽轮机功率的控制方法

本发明涉及一种借助连接在上游烧矿物燃料的锅炉短期提高汽轮机功率的控制方法，锅炉包括一些构成流动路径并流过流动介质的省煤器、蒸发器和过热器加热面，按本方法，在一个压力级，流动介质从流动路径分路，以及就流动介质流向而言在该压力级的过热器加热面上游喷射到流动路径中，其中，表征该压力级就流动介质流向而言在最后的过热器加热面的出口温度与规定的温度额定值之间偏差的第一特征值，用作流动介质喷射量的控制参数。

烧矿物燃料锅炉借助通过燃烧矿物燃料产生的热量产生过热蒸汽。烧矿物燃料的锅炉大多在主要用于发电的火电厂中使用。在这里所产生的蒸汽供给汽轮机。

类似汽轮机不同的压力级，烧矿物燃料的锅炉也包括多个各自含有的水汽混合物处于不同热力学状态的压力级。流动介质沿其流动路径在第一(高)压力级内首先流过省煤器，利用余热预热流动介质，接着流过蒸发器和过热器加热面的不同级。流动介质在蒸发器中汽化，然后在水分离器内分离出可能的剩余水分，而含有的其余蒸汽在过热器中进一步过热。在这之后，过热蒸汽流入汽轮机高压部分，在那里膨胀并输入锅炉随后的压力级。它在那里重新过热(中间过热器)以及供给汽轮机下一个压力部分。

基于完全不同的外部影响，传给过热器的热功率会激烈波动。因此往往需要控制过热温度。通常这大多通过在各过热器加热面前或后喷射给水进行冷却达到，也就是说，从流动介质的主流分路出一个溢流管道，以及引向在那里相应地设置的喷射阀。喷射量在这里通常借助表征与过热器出口规定的温度额定值的温度偏差的特征值进行控制。

当代电厂不仅要求高的效率，而且还要求有尽可能灵活的运行方式。属于这些要求的是，极短的起动时间和高的功率变化速度，以及还应有可能补偿联合电网中的频率干扰。为满足这些要求，电厂必须有能力在几秒钟内提供例如5％和更多的过剩功率。

电厂机组在秒级范围内的这种功率改变，只有通过锅炉与汽轮机协调地共同作用才有可能。烧矿物燃料的锅炉能为此做出的贡献是，利用其存储器，亦即蒸汽和燃料存储器，以及快速改变给水、喷射水、燃料和空气的调节参数。

这可以例如通过打开部分节流的汽轮机透平阀或所谓的级阀实现，由此降低汽轮机前的蒸汽压力。于是从连接在上游烧矿物燃料锅炉的蓄汽箱汽包转出蒸汽并供给汽轮机。采取这种措施在几秒钟内达到功率升高。

然而为了提前储备持续节流透平阀，往往导致效率损失，从而为了经济的作用方式，节流的程度应保持如绝对必要的那么小。此外有些烧矿物燃料锅炉的结构形式，例如强制循环锅炉，在有些情况下有比例如自然循环锅炉小得多的存储器容积。存储器容积大小方面的差别，在上述方法中影响电厂机组功率改变时的特性。

因此本发明的目的是，提供一种借助连接在上游的上述类型的烧矿物燃料的锅炉短期提高汽轮机功率的控制方法，按本方法不会不适当地或过分地影响整个蒸汽循环的效率。与此同时，应能与烧矿物燃料锅炉的结构形式无关地短期提高功率，无需对整个***实施侵入性结构变更。

按本发明为达到上述目的采取的措施是，为了短期提高汽轮机的功率，降低温度额定值以及暂时与所述偏差超比例地提高降低温度额定值期间的特征值。

本发明从下述思想出发：附加喷射给水可以进一步有助于短期迅速改变功率。这是因为，通过在过热器的区域内所述的附加喷射，可以暂时增加蒸汽质量流量。然而若绕过通常控制所述喷射的蒸汽温度控制***触发喷射，则在这种情况下不能始终避免透平前蒸汽温度不允许的大量下降。除此之外，在接着需要重新激活全套蒸汽温度控制时必须计及蒸汽温度控制工作或多或少严重的干扰。由于所述原因因此有利的是，利用在负荷运行时有效的蒸汽温度控制来提供短期功率储备。因此应通过降低温度额定值触发喷射。温度额定值的阶跃借助相应的特征值与控制偏差的阶跃相关联，控制偏差促使控制器改变喷射调节阀的开度。因此汽轮机的功率升高可以准确地通过采取这种措施，亦即阶跃地减小温度额定值来实现。

不过所述功率升高并因而还有喷射的质量流，应尽可能迅速地提供。但在这里控制***的阻尼特性会造成阻碍，这种特性阻止过度迅速地改变喷射的质量流，这出自于控制稳定性的原因在寻常的负荷运行时也是期望的，然而在要迅速制备功率升高时则是不希望的。因此所述控制应相应地与短期升高功率的情况相适应。这可以通过特别简便的方式实现，亦即通过相应地放大喷射质量流的控制信号，确切地说，用于期望的短期功率升高期间的控制信号。为此，在降低温度额定值期间，暂时与所述偏差超比例地提高表征就流动介质流向而言在最后的过热器加热面的出口温度与规定的温度额定值之间偏差的特征值。

上述方法在相应的控制***中借助减法元件进行期望的与测得的蒸汽温度之间额定值与实际值的比较。根据所使用的控制方案，这一信号在接着作为输入信号(控制偏差)例如供给PI调节器前，还可以通过附加的来自过程的信息进一步修改。有利地，可以附加将直接在流动介质喷射地点后，亦即在最后的过热器加热面进口处的温度，用作控制参数。在这种所谓双循环控制的情况下，抑制喷射质量流由于控制器干预发生的冲击式改变。在这种情况下，在迅速干预下最佳控制，可通过防止过调稳定化。

然而为了通过喷射***提供瞬间储备，双循环控制的所述阻尼作用更多地是有妨碍的。因此尤其在双循环控制时特别有利的是，进行特征值所说明的放大调整。由此造成的在控制方面对于实际温度与规定的额定值之间偏差的人为增大实现了，所述接着通过在最后的过热器加热面进口处，亦即直接在喷射地点后的温度进行的修改或修正在双循环控制时比较少。由此保持较大的控制偏差，其直接的结果是更强的控制器响应，亦即更多增加喷射质量流，在这种情况下这是期望的。通过仅在降低温度额定值期间暂时超比例提高特征值，这种超高的影响重新消失，从而也可真正达到借助额定值设定的蒸汽温度。由此仍旧保留双循环控制的优点，亦即避免不允许的蒸汽温度下降。

按特别简单的方式，通过使有利地表征温度与额定值偏差的特征值由该偏差与表征温度额定值随时间改变的第二特征值之和构成，可以造成特征值的暂时提高。在这方面按特别有利的设计，第二特征值基本上是温度额定值与放大系数相乘的随时间的改变。为了在控制技术上实现这一点，使用规定的温度额定值作为一阶微分元件的输入信号，以及在适当放大在加热面出口处测得的与规定的温度的差值后减去此元件的输出。由此特别简单地实现偏差期望的人为增大。以及借助附加的一阶微分元件，特别迅速地增大喷射质量流并因而通过汽轮机附加释出的功率。

基于微分特性，亦即仅考虑额定值随时间的改变，这种控制对整个***的影响随时间连续减小(消失脉冲)。这意味着，微分元件不继续影响控制偏差，并也达到实际上通过额定值设定的温度。即使对于蒸汽温度的额定值不变的情况(在寻常负荷运行时的正常情况)，这种设计也不影响其余的控制结构。因此在寻常负荷运行时，在有或没有这种附加的微分元件的控制结构之间，蒸汽温度控制的控制特性方面没有区别。

按有利的设计，所述特征值之一的参数是根据具体设备而专门确定的。这意味着，放大的程度、微分元件的参数等，应专门依据在个别情况下涉及的设备确定。这例如可以事先借助模拟计算，或也可以在控制***投入运行期间实现。

按有利的设计，烧矿物燃料锅炉的控制***包括一些用于实施上述方法的装置，锅炉具有一些由流动路径构成并流过流动介质的省煤器、蒸发器和过热器加热面。按另一项有利的设计，火电厂烧矿物燃料的锅炉包括这种控制***，以及火电厂包括这种烧矿物燃料的锅炉。

采用本发明获得的优点尤其在于，通过有针对性地降低蒸汽温度额定值，在使用喷射控制方法的条件下，处于喷射下游的金属物质内储存的热能，可以被用于暂时提高汽轮机功率。如果在此采用所述调整控制方法，则对于冲击式减小蒸汽温度额定值的情况可借助喷射***明显更迅速地实现功率升高。所述方式可以在任何压力级中或逐个或组合使用，亦即不仅可以使用在主蒸汽中(高压级)，而且可以使用于中间再热(中压或低压级)中。

通过集成在现有的蒸汽温度控制***内，在温度控制有高调节质量的同时，在打开喷射配件后没会明显地低于已降低的温度额定值。因此有效地抵制在透平进口处蒸汽温度不允许的大量降低。同样取消控制与协调的接通和断开过程，因为控制***可以持续保持处于激活有效状态。

此外，用于提供汽轮机暂时功率升高的所述方法与其他措施无关，从而可以附加地打开例如节流的透平阀，以便更加增强汽轮机的功率升高。本发明方法的效果在很大程度上不受这些并行措施的影响。

在这里应指出，假如使用喷射***来提高功率，在对附加功率有预先规定的固定要求时可以减小透平阀节流程度。期望的功率释出，在这种情况下也可以用较小的节流，在最有利的情况下甚至完全没有附加节流地达到。因此设备在寻常的负荷运行时(此时设备必须准备提供瞬时储备或紧急储备)以比较高的效率地运行，从而也降低运行成本。

最后，本方法也可以在无需采取侵入性结构措施的情况下实现，而可以仅通过在控制***中设置或植入附加的构件实现。由此达到更高的设备灵活性和可使用性，无需附加的费用。

下面借助附图详细说明本发明的实施例。其中：

图1示意表示烧矿物燃料锅炉就流动介质而言的中压部分和包括用于瞬间功率释出的双循环控制的喷射控制***就数据而言的电路连接；

图2表示在高负荷区分别在两个压力***中，通过增加喷射高压蒸汽、中间再热蒸汽，改善烧矿物燃料锅炉瞬间储备的模拟结果的曲线图；以及

图3表示在低负荷区分别在两个压力***中，通过增加喷射高压蒸汽、中间再热蒸汽，改善烧矿物燃料锅炉瞬间储备的模拟结果的曲线图。

在所有的附图中相同的部分采用同样的附图标记。

图1举例表示烧矿物燃料锅炉1的中压部分。当然本发明也可以使用于其他压力级。图1示意表示流动介质M的部分路动路径2，尤其过热器加热面4。各过热器加热面4在热烟气通道内的空间布局在图中并没有示出并且也可以变化。图中表示的过热器加热面4可以总是代表多个串联的加热面，不过由于视图清晰的原因没有将它们细分表示。

流动介质M在进入图1中表示的中压部分前，在汽轮机高压部分内膨胀。然后，流动介质M在其到达图示的中压部分前，按选择进入图中没有表示的第一过热器加热面4内。在流动介质方面，首先设置喷射阀6。在这里，可以喷射较冷和未汽化的流动介质M，用于控制烧矿物燃料锅炉1中压部分出口8处的出口温度。流动介质M在喷射阀6中加入的量借助喷射控制阀10控制。在这里，流动介质M通过事先在流动路径2内分路的溢流管道12供给。此外，为了控制喷射，在流动路径2内设置多个测量装置，亦即在喷射阀6后和过热器加热面4前设温度测量装置14和压力测量装置16，以及在过热器加热面4后设温度测量装置18。

图1的其余部分表示喷射的控制***20。首先在额定值发生器22中形成温度额定值。此温度额定值与在过热器加热面4后温度测量装置18的输出一起提供给减法元件24，在那里形成过热器加热面4出口温度与额定值的偏差。这一偏差在加法元件26中改正，在那里所述的改正模拟通过过热器加热面4时温度改变的时间延迟。为此。从温度测量装置14将过热器加热面4的进口温度提供给时间延迟的PTn元件28，它在进口侧供给加法元件26。加法元件26的出口连接至最大值元件30，以及在进一步的过程中与温度测量装置14的信号一起通向减法元件32。

在最大值元件30内，在进口侧考虑另一个参数，亦即温度应离取决于压力的沸点有一定距离。为此将压力测量装置16测得的压力提供给功能元件34，它输出流动介质M与此压力相应的沸点。在加法元件36加上来自发生器38的预置常数，它例如可以等于10°以及保证离沸腾线的安全距离。如此确定的最低温度传送给最大值元件30。在最大值元件30内确定的信号，通过减法元件32提供给PI控制元件40，用于控制喷射调节阀10。

为了使喷射***不仅能用于控制出口温度，而且还能用于提供瞬间功率储备，此喷射***包括相应的装置，用于实施控制汽轮机短期功率升高的所述方法。为此，首先减小额定值发生器22的温度额定值，其结果是增大喷射量。但为了使所述喷射量的增大直接导致功率升高，应保证PI控制元件40快速地控制响应。然而引起的实际温度与温度额定值的偏差，在改变后不久通过PTn元件28缓减。

为了在期望功率迅速升高时防止出现这种情况，温度额定值的额定值发生器22的信号提供给一阶微分元件(DT1)。为此PT1元件42进口侧施加额定值发生器22的信号，以及在出口侧与额定值发生器22的原始信号一起供给减法元件44，后者的出口与乘法元件46连接，该乘法元件将信号放大一个来自发生器48的系数，例如10。这一信号通过加法元件50加入来自减法元件24的温度偏差信号中。在额定值改变的情况下，所述电路通过PT1元件42产生一个不等于零的信号，它通过乘法元件46放大以及人为超比例放大表征偏差的特征值。因此这一通过PTn元件28电路的信号比较小，从而迫使PI控制元件40更迅速地控制响应。由此迅速达到增大蒸汽量以及提高连接在下游的汽轮机的功率。

图2现在表示在利用所述控制方法的条件下模拟结果的曲线图。图中绘有对于包括高压级和中间再热级或中压级的烧矿物燃料锅炉的各级在95％负荷时，在额定值发生器22上温度额定值阶跃式降低20℃后，附加功率占满负荷52的百分数随按秒计的时间54的变化曲线。如已提及的那样，上述包括PT1元件42的电路可以在两个级中用于超比例放大表征偏差的特征值。曲线轨迹56和58表示高压部分修正的结果，曲线轨迹60和62表示中间再热部分修正的结果，以及曲线轨迹64和66表示两个级修正的结果。其中曲线轨迹56、60和64分别表示没有PT1元件42时，亦即按普通的控制***的所述结果，曲线轨迹58、62和66分别表示具有如上面所述连接电路的PT1元件42时所述的结果。

由图2可以看出，曲线轨迹58、62和66的最大值一方面分别高于它们各自相应的曲线轨迹56、60和64，而且也设在比它们更靠左。因此附加释出的功率一方面更高，另一方面更迅速地提供功率。在中间再热的曲线轨迹60、62中显示出较小的加速度，由此可看到明显比较高的功率，即使绝对水平低于高压部分时也是如此。

图3与图2相比仅小量修改，它表示40％负荷时的模拟曲线轨迹56、58、60、62、64、66，其余所有参数与图2一致，同样，曲线轨迹56、58、60、62、64、66的含义也与图2一致。

在这里，尤其未修改的曲线轨迹56、60、62表示比图2中平缓得多的变化过程，亦即可见到PI控制元件40更缓慢的控制响应。通过PT1元件42在高压部分内所说明的连接电路，曲线轨迹58的最大值比曲线轨迹56更靠左和更高，也就是说，达到更迅速和更高的功率升高。然而曲线轨迹58保持比较平缓。

表示在曲线轨迹62中的中间再热的改变表示一种类似的特性，不过附加地表示在额定值改变后约60秒比较高的功率升高，额定值在这之后很快重新减小，过渡为平缓变化曲线的最大值。这种功率升高还相应地表示在两个压力级按曲线轨迹66改变时与曲线轨迹64的比较。

配备有这种烧矿物燃料锅炉1的火电厂，有能力通过汽轮机瞬时功率释出迅速升高功率，所述功率升高用于支持联合电网的频率。通过除一般的温度控制外双重利用喷射配件达到所述的功率储备，还可以减小或完全取消为了提供储备而持续地节流汽轮机阀，由此在正常运行期间达到特别高的效率。

Claims (8)

1.一种借助连接在上游的烧矿物燃料的锅炉(1)短期提高汽轮机功率的控制方法，该锅炉(1)包括一些构成流动路径(2)并流过流动介质M的省煤器、蒸发器和过热器加热面(4)，按本方法，在一个压力级，流动介质M从流动路径(2)分路，以及就流动介质流向而言在该压力级的过热器加热面(4)上游喷射到流动路径中，其中，表征该压力级就流动介质流向而言在最后的过热器加热面的出口温度与规定的温度额定值之间偏差的第一特征值，用作流动介质M喷射量的控制参数，在此，为了短期提高汽轮机的功率，降低温度额定值以及暂时与所述偏差超比例地提高用于降低温度额定值期间的特征值。

2.按照权利要求1所述的方法，其中，附加将直接在流动介质M喷射地点后的温度，用作流动介质M喷射量的控制参数。

3.按照上述权利要求之一所述的方法，其中，第一特征值由所述偏差与表征温度额定值随时间改变的第二特征值之和构成。

4.按照权利要求3所述的方法，其中，第二特征值基本上是温度额定值与放大系数相乘的随时间的改变。

5.按照上述权利要求之一所述的方法，其中，所述特征值之一的参数是根据设备专门确定的。

6.一种烧矿物燃料锅炉(1)的控制***(20)，锅炉(1)具有一些由流动路径(2)构成并流过流动介质M的省煤器、蒸发器和过热器加热面(4)，控制***(20)包括一些用于实施上述权利要求之一所述方法的装置。

7.一种火电厂烧矿物燃料的锅炉(1)，带有按照权利要求6所述的控制***(20)。

8.一种火电厂，带有按照权利要求7所述烧矿物燃料的锅炉(1)。

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