CN104685426B

CN104685426B - 用于热电厂中的控制和故障分析的优化的方法

Info

Publication number: CN104685426B
Application number: CN201380034905.4A
Authority: CN
Inventors: S.戈维达拉朱鲁; S.苏布拉马尼安; B.斯里尼瓦萨; S.内萨吉
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2017-12-26
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: EP2867735B1; US9885256B2; CN104685426A; WO2014001864A1; US20150120071A1; EP2867735A1

Abstract

本发明涉及通过在电厂的正确操作期间使用电厂数据规范的热电厂中的控制和故障分析方法。该方法包括：a)从包含过程参数和过程输出的列表的所提供电厂数据规范来得到至少一个设置点信息(S001，S002)；b)通过基于从电厂数据规范的所得到的一个或多个设置点信息以提供控制的设置点来控制一个或多个控制回路，以操作热电厂(S005)；c)识别控制热电厂规范中的所述一个或多个控制回路中的间隙，并且迭代地操纵至少一个设置点，以满足需求(S006)；d)基于用来满足需求的所操纵的至少一个设置点来更新电厂数据规范(S007)；以及e)将已更新电厂数据规范用于控制电厂，以满足需求(S004)。还提供一种基于该方法的控制***。

Description

用于热电厂中的控制和故障分析的优化的方法

技术领域

本发明涉及热电厂中的控制和故障分析，以及更具体来说，涉及将电厂数据规范用于对电厂在其正常操作期间的有效控制和故障分析。

背景技术

电力通过将一种形式的能量转换为电能来生成。在热电厂中，热能转换为电能。典型热电厂涉及由一个或多个熔炉和水循环***所组成的锅炉单元，其被供应水以获得蒸汽和用于热能的燃料氧。由锅炉所产生的蒸汽经过一个或多个过热器，并且然后经过节流阀传递到涡轮机。在经过高压涡轮机之后，蒸汽损失其热能和压能，这通过使其经过过热器又重新获得。蒸汽然后经过中压和低压涡轮机，以确保全面利用。最后，蒸汽经过冷凝、再热并且经过给水泵循环回到锅炉。同步到电力网的发电机轴连到涡轮机，并且因而生成电力。

电厂由分布式控制***(DCS)来控制，并且工作在各种模式。热电厂控制模式是手动模式、锅炉跟随模式、涡轮机跟随模式和协调模式。而协调模式和涡轮机跟随模式是在正常电厂操作期间使用的模式。本发明涉及这些模式期间的电厂控制优化和故障检测。

涡轮机供应商基于其对不同电力生成规范(以兆瓦(MW)来表示)的设计来提供数据表，并且这些数据表规范用作电厂启动操作的输入。这些数据表规范一般由DCS连续地用来提供例如节流压力、节流温度、再热温度和汽包水位等的关键过程值的设置点。这类数据表规范用作计量电厂的性能的基准。因此，存在数据表规范与DCS相集成以便获得对电厂的更好控制以及跟踪性能的可能性。

此外，在MW生成和需求的差是显著的情形中，达到需求所花费的时间也许相当长。控制过程还需要提供针对电厂自行调整以满足需求所花费的时间的优化。

示出需求变化期间的控制过程及其具体对降级电厂(比如说降级熔炉)的影响的情形，以指出控制和故障分析中的改进/优化要求。

示例1—从350到700 MW的需求的增加

增加节流压力和温度设置点，并且起动过热器和再热器阀，以增加压力和温度。这引起锅炉中的蒸汽压力的突然降低和后续收缩效应。降级熔炉开始通过增加燃料和给水输入来逐渐采取动作，以满足需求。协调模式处理基于锅炉响应来延迟涡轮机动作。因此，斜升时间会相当长，并且熔炉的降级未被察觉，这表示较小电厂效率。

示例2—从750到350 MW的需求的降低

降低节流压力和温度设置点，并且起动过热器和再热器阀，以降低压力和温度。这引起锅炉中的蒸汽压力的突然增加和后续溶胀效应。降级熔炉开始通过降低燃料和给水输入来逐渐采取动作，以满足需求。协调模式处理基于锅炉响应来延迟涡轮机动作。因此，斜降时间会相当长，并且熔炉的降级未被察觉，这表示较小电厂效率和进一步降级。

需要将电厂设备数据表规范与控制***相集成和配合使用，以便在正常操作期间进行有效控制，以及还具有一种电厂，其中能够识别任何降级或故障以便供将要影响的控制过程中的适当校正。

发明内容

作为本发明的一个方面，公开一种基于电厂数据规范的使用并且周期地更新电厂数据规范以便有效地控制电厂的方法。电厂数据规范包含过程单元的过程参数(示例设置点信息和过程输出的输入和输出值)的列表，其中包括致动器的信号信息。更新用来检测和分析过程单元中的故障。该方法包括：a)从包含过程参数和过程输出的列表的所提供电厂数据规范来得到至少一个设置点信息；b)通过基于从电厂数据规范的所得到的一个或多个设置点信息以提供控制的设置点来控制一个或多个控制回路，以操作热电厂；c)识别热电厂规范中控制所述一个或多个控制回路中的间隙，并且迭代地操纵至少一个设置点，以满足需求；d)基于用来满足需求的所操纵的至少一个设置点来更新电厂数据规范；以及e)将已更新电厂数据规范用于控制电厂，以满足需求。

作为本发明的一实施例，提供一种集成前馈技术以控制发电厂的方法。该方法包括通过前馈控制向一个或多个致动器信号提供附加偏置的附加步骤，其中附加偏置基于电厂数据规范来估计。

本发明的另一方面是一种控制***，其利用电厂数据规范来控制发电厂。该控制***包括数据库，以用于存储具有周期更新的电厂数据规范(原始厂商数据以及对设置点值的周期更新，以满足需求)。设置点校正模块，跟踪用于控制各种控制回路以满足需求的设置点的间隙并且更新电厂数据规范；以及判定模块，将控制各种控制回路中的间隙与预定义阈值进行比较，以识别与各种控制回路关联的过程单元中的故障状况，其中包括确定维护状况。

在本发明的另一个实施例中，提供使用电厂数据规范、具有集成前馈技术的控制***。该控制***还包含前馈信号计算器模块，以便基于包括致动器信号、需求和生成值的电厂数据规范来计算前馈信号。它还具有开关模块，以向相应致动器提供作为基于需求和实际生成值的差的显著性的附加偏置的前馈信号，即，仅当差较大时才提供附加偏置。

附图说明

通过参照附图阅读以下详细描述，将会更好地了解本发明的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似标号在附图中通篇表示相似部件，附图包括：

图1是控制热电厂的方法；

图2是用于控制热电厂的电厂数据规范的示例；

图3是具有用于控制热电厂的多个控制回路和电厂数据规范的控制***的图示；

图4是用于更新电厂数据规范的图示；

图5是具有集成前馈控制方法的控制***的图示。

具体实施方式

本发明示出集成和使用用于控制热电厂的电厂数据表规范的方法和***。

该方法借助于图1示出，图1列示利用数据表来检测电厂单元中的任何故障(充分降级)的存在的各种步骤。

数据表规范又称作电厂数据规范，其具有包括从电厂来生成以供电厂控制的数据的另一范围。

步骤S001：具有电厂单元数据规范

电厂单元制造商为其单元提供数据表。例如，涡轮机制造商为数据表提供不同MW生成所需的过程参数的推荐。

数据表可用来读取与单元操作相关的参数。例如，参照图2所示的数据表图表，

(i)对于700 Mw发电厂，420 MW生成(210)的过程参数如下

主蒸汽流量=1159 t/h

节流压力/温度=158 Kg/cm2 568℃

再热入口蒸汽压力/温度=25.1 Kg/Cm2 353℃

再热入口蒸汽压力/温度=33.68 Kg/Cm2 596℃

(ii)对于700 Mw发电厂，560 MW生成(220)的过程参数如下

主蒸汽流量=1590 t/h

节流压力/温度=211 Kg/cm2 568℃

再热入口蒸汽压力/温度=47.4 Kg/Cm2 348℃

再热入口蒸汽压力/温度=47.4 Kg/Cm2 596℃

这个数据用作手动电厂启动期间的指南。一旦电厂稳定，则使控制回路进入自动模式。本发明在电厂的稳定模式期间也使用数据表规范。

步骤S002：基于历史值来准备图表

记录过程参数的历史数据和不同MW生成的相关曲线的图表。这些存储在DCS模块的数据库中作为电厂数据规范。电厂效率根据输入/输出来确定，以及具有良好电厂效率的最佳曲线作为电厂数据规范的更新来存储。这种活动随最近数据周期地发生，从而确保曲线反映实际电厂状况。

步骤S003：得到需求信息

对发电厂的MW需求基于定时和不同客户需求从电网(负载分配中心)来设置。需求信息连同电厂数据规范一起用于该方法中。

步骤S004-S006：使用数据规范来操作电厂，以满足需求

在设置新MW需求时，作为这个方法中的一个步骤，得到来自不同过程的电厂数据规范的设置点信息。设置点信息用来提供设置点，其触发控制回路付诸实施，直到过程参数以可接受偏差达到该设置点。例如，图3的具有三元件控制器的汽包水位控制回路310示为用于操作提供控制***300的电厂。它接收来自数据库(370)中的所存储数据图表、电厂数据规范的汽包水位设置点，并且基于主蒸汽流量/汽包水位和当前给水流量来计算给水流量。按照同样的方式，还操作满足图3所示的MW需求(380)的各种控制回路(320、330、340、350和360)。

在预定时帧之后，电力生成会以偏差或者没有偏差来达到需求。这个偏差(间隙)被记录，并且可用于以后研究以分析故障。关键过程值的设置点迭代地增加/减少。用于增加或减少的步骤能够逐个电厂改变，并且由过程顾问来决定。

此校正/偏差量用作校正所生成图表的输入(由此反映实际电厂状态)，并且也许经过设置点校正模块390来记录，供更新电厂数据规范。

步骤S007-S010：降级的检测

通常发电厂能够生成电力，其在电厂为全新或者进行了成功维护时几乎大致遵循标准数据表。但是，由于各种因素，电厂设备随时间而开始降级，从而引起较小MW生成。当这种电厂状态在电厂数据规范中被更新的同时，易于识别电厂的哪一部分降级。这可在可行时要求立即维护或者用作关机期间的维护的输入。图4以图形方式示出针对MW需求所绘制的过程参数中的可接受偏差(410)的实例连同实际偏差(420)。实际偏差和这类持续偏差的时间期间需要由过程专业人员来指定。

对于热电厂，关键参数的基本控制回路保持不变。在工程期间，可提供数据表信息，并且可在电厂的启动和稳定期间调谐控制回路。

要理解，一旦MW需求从电网来设置，则从已更新电厂数据规范来得到对应过程值设置点，以及控制发电厂以在可能的最小时间之内达到MW需求。

因此，通过图1所示的方法基于电厂数据规范的使用以及周期地更新电厂数据规范以有效地控制电厂。更新用来检测和分析故障。概括该方法，该方法包括：a)从包含过程参数和过程输出的列表的所提供电厂数据规范来得到至少一个设置点信息；b)通过基于从电厂数据规范的所得到的一个或多个设置点信息以提供控制的设置点来控制一个或多个控制回路，以操作热电厂；c)识别热电厂规范中控制所述一个或多个控制回路中的间隙，并且迭代地操纵至少一个设置点，以满足需求；d)基于用来满足需求的所操纵的至少一个设置点来更新电厂数据规范；以及e)将已更新电厂数据规范用于控制电厂，以满足需求。

与电厂的有效控制相关的另一方面是超前补偿。可考虑电厂的下列响应，以示出控制回路中的动态超前补偿：

（i）当设置新MW时快速斜升/斜降

（ii）没有瞬时过冲的稳定操作

还存在一些情形，其中最终MW需求(在将来的特定时间)不是已知的，并且来自电网的输入按照小递增/递减步长。自适应前馈技术与上述控制方法混合。

该技术借助于图5示出，其为控制***500提供用于集成前馈技术的附加模块。MW设置点需求“D”(380)由控制***恒定地监测。使用预定延迟块(520)和加法器(530)，计算增量“ΔD”。这个ΔD对所指定时间间隔来求平均(采用标号540和550示出)。这个AVG块(550)的输出馈入开关块560。开关块由下列前馈输入信号组成：零前馈控制信号输入；以及所计算前馈信号输入。

当来自AVG模块550的平均值(绝对值)大于阈值570(其表示设置点(SP)是不稳定的或者快速变化)时，开关选择送往关键过程致动器的零前馈信号(575)。进行这个操作以避免电厂的不稳定操作或者***过冲。

当来自AVG模块550的平均值(绝对值)小于阈值570(其表示SP是稳定的)时，将所计算前馈信号作为偏置施加到致动器。在这种情况下，考虑当前设置点与实际生成之间的差，使得前馈信号在大差周期期间是显著的，并且随着差趋向于零而完全衰退。

用于开关块560的逻辑可使用单独模糊逻辑来开发，并且在***中与前馈信号计算器模块580相集成。电厂数据规范还将对各种MW需求存储送往致动器的实际控制信号(585)。当设置点稳定并且MW需求(510)与生成(510)之间的差较大时，开关块(560)将如下所述来计算前馈信号：

（i）检查所指定MW需求的所需输出。

（ii）检查来自回路的实际输出，并且确定实时差。这指定为ACSO(对致动器的实际控制信号输出)，图5中通过标号585所表示。这表示所操纵的起动信号。

（iii）因素“X”与差相乘，并且与来自控制***的控制器输出相加，其被发送给I/P(电流-位置)转换器以激活阀。

当差(需求-生成)减小时，前馈信号衰退到零或切换到零。对电厂MW需求从350改变成700 MW的情形示出前馈方法。增加节流压力和温度设置点，并且起动过热器和再热器阀，以增加压力和温度。同时前馈计算适当值，并且提供给汽包水位致动器(给水输入阀)，以及还调节过热器和再热器阀。这导致锅炉和涡轮机以较少斜升时间的平滑集成。另外，通过这种紧密集成控制，蒸汽温度没有增加超过所需的温度，并且因此降低对高温的需要。因此，电厂效率得到改进，以及如果***没有如数据库曲线(电厂数据规范)所预计进行响应，则及时报告故障。

因此，基于使用电厂数据规范的控制方法的控制***包括用于存储具有周期更新的电厂数据规范的数据库。设置点校正模块，跟踪用于控制各种控制回路以满足需求的设置点的间隙并且更新电厂数据规范；以及判定模块，将控制各种控制回路中的间隙与预定义阈值进行比较，以识别与各种控制回路关联的过程单元中的故障状况，其中包括确定维护状况。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员将会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书预计涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。

Claims

1.一种用于控制热电厂以按需求提供电力的方法，所述热电厂包括过程单元和用于调节与所述过程单元关联的过程参数的一个或多个致动器，所述方法包括：

a)从提供所述过程参数和过程输出的列表的电厂数据规范中得到至少一个设置点信息(S001、S002)，其中所述电厂数据规范由所述过程单元的制造商提供；

b)通过基于从所述电厂数据规范的所得到的一个或多个设置点信息以提供控制的设置点，来控制所述热电厂中的一个或多个控制回路，以操作所述热电厂(S005)；

c)识别电厂规范中控制所述一个或多个控制回路中的偏差，并且迭代地操纵至少一个设置点以满足所述需求(S006)；

d)基于用来满足所述需求而操纵的至少一个设置点来更新所述电厂数据规范(S007)，用于检测以及分析所述过程单元中的故障；

e)有条件地提供作为附加偏置的前馈信号到所述一个或多个致动器，其中所述附加偏置基于所述电厂数据规范以及所述需求和实际生成值之间的差的显著性来估计；以及

f)使用所述更新的电厂数据规范和所述前馈信号来控制所述热电厂以满足所述需求(S004)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电厂数据规范包括一个或多个过程单元的过程参数的列表。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述电厂数据规范包括具有致动器的信号信息(585)的过程参数的列表。

4.如权利要求1所述的方法，其中，通过参照来自所述电厂数据规范的所述至少一个设置点信息而确定差，来对一个或多个回路识别所述偏差(S009)。

5.如权利要求4所述的方法，其中，将一个或多个控制回路的所述确定的差与阈值进行比较，以识别与所述一个或多个控制回路关联的过程单元的维护状况(420)。

6.如权利要求4所述的方法，其中，一个或多个控制回路的所述确定的差用于识别一个或多个控制回路中的故障。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法在所述电厂的正常操作期间使用。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括通过前馈控制向一个或多个致动器信号提供附加偏置的步骤，其中所述附加偏置基于所述电厂数据规范来估计。

9.一种提供电力以满足需求的热电厂的控制***(300)，所述热电厂包括过程单元和用于调节与所述过程单元关联的过程参数的一个或多个致动器，所述控制***包括：

a)电厂数据规范的数据库(370)，提供所述过程参数和过程输出的列表以得到用于提供控制一个或多个控制回路的设置点的至少一个设置点信息；

b)设置点校正模块(390)，基于所述至少一个设置点信息来跟踪所述提供的设置点中的调整，以减小偏差以满足所述需求，并且基于用于满足所述需求的所述至少一个设定点来更新所述数据库中的所述电厂数据规范以用于检测以及分析所述过程单元中的故障；

c)前馈信号计算器模块(580)，基于包括致动器信号(585)、需求值(380)和实际生成值(510)的所述更新的电厂数据规范来计算前馈信号；以及

d)开关模块(560)，基于所述需求值和所述实际生成值的差，有条件地提供作为附加偏置的所述一个或多个前馈信号到所述一个或多个致动器。

10.如权利要求9所述的控制***，所述控制***还包括：

a)前馈信号计算器模块(580)，基于包括致动器信号(585)、需求值(380)和实际生成值(510)的所述电厂数据规范来计算一个或多个前馈信号；

b)开关模块(560)，基于所述需求和实际生成值的差的显著性，有条件地提供作为附加偏置的所述一个或多个前馈信号到其对应的一个或多个致动器。