CN104932566A - 一种提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***及方法，包括：包括偏差取样模块、锅炉压力自动PID调节器、综合计算模块、前馈生成模块、前馈输出限幅模块，所述的锅炉压力自动PID调节器的输入信号包括两个，一个是直接来自于偏差取样模块的信号，另一个是来自于偏差取样模块的信号经过综合计算模块、前馈生成模块和前馈输出限幅块处理后的信号，所述的压力自动PID调节器的输出端与锅炉控制***相连。本控制***能够解决机组快速调整负荷时，机组主汽压波动较大时，长时间不能稳定的工况发生，防止机组运行压力出现震荡发散工况，保证火力发电机组安全稳定运行。

Description

一种提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***及方法

技术领域

本发明涉及一种提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***及方法。

背景技术

火力发电机组在我国电力生产中占有重要地位，随着我国大型发电机组发展及特高压、智能电网的建设，对火力发电机组快速调整发电负荷的要求越来越高，而实现单元机组的快速调整负荷，必须要求单元机组锅炉具备快速调整出力的能力，进而稳定机组运行蒸汽参数，为机组安全稳定运行奠定基础。

单元制火力发电机组为了满足机组负荷的快速调整要求，自动控制***一般设计为锅炉跟随为基础的协调控制方式，这种控制方式下，汽轮机通过调门的快速动作完成发电负荷的快速调整，满足电网的安全稳定运行需求，机组运行蒸汽压力调整主要由锅炉调整出力来完成。

目前火力电力生产企业由于燃料质量、机组运行方式等因素的影响，机组快速调整发电负荷时，机组的蒸汽参数变化较大，尤其主蒸汽压力、主蒸汽温度等重要影响机组安全运行的参数波动较大。此时如果锅炉不能及时快速调整出力，稳定运行参数，则机组运行蒸汽参数可能出现大幅波动，甚至出现主蒸汽压力发散情况，影响机组安全运行。

机组快速调整负荷时，主蒸汽压力运行曲线如图1所示。横坐标TP-SP为主蒸汽压力运行设定值，机组实际运行压力应该在设定值附近小偏差运行，当T0时刻机组收到快速减负荷指令，汽轮机快速关闭高压进汽调门调整机组负荷，而锅炉侧调整是一个大延迟环节，机组锅炉蒸发量不能快速降低，蒸汽压力必然引起快速增大，偏离压力设定值，机组实际运行压力大于设定值时，锅炉侧开始降低锅炉侧燃料、风量、给水量，来降低锅炉蒸发量，减小机组实际运行压力，从T0时刻至蒸汽压力最大值T1时刻，即T0-T1阶段为机组实际压力正向增大，实际压力大于设定值，并且实际压力仍然背离压力设定值继续增大；T1-T2阶段，为压力正向减小阶段，即实际压力大于设定值，但实际压力逐渐减小向设定值靠近；T2-T3阶段，实际压力负向减小阶段，即实际压力小于设定值，且继续减小，背离设定值；T3-T4阶段，实际压力负向增大，即压力小于设定值，但是压力逐渐增大向设定值靠近，T4-T8为第二个主蒸汽压力波动周期，波动规律类似于T0-T4阶段，正常情况下，第二个波动周期的峰谷值均小于第一个波动周期的峰谷值，这样经过几个周期波动，主蒸汽压力稳定在设定值附近稳定运行。

单元发电机组锅炉在机组快速调整负荷时，由于受到种种原因的影响，实际运行压力稳定时间较长，甚至出现震荡发散的现象，严重影响电站锅炉的安全稳定运行。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***及方法，本申请能够解决机组快速调整负荷时，机组主汽压波动较大时，长时间不能稳定的工况发生，防止机组运行压力出现震荡发散工况，保证火力发电机组安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，包括：

偏差取样模块，用于完成机组运行实际压力与压力设定值的偏差取样并将该偏差分别传送至压力自动PID调节器及综合计算模块；

综合计算模块，用于根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段，并将计算结果输出至前馈生成模块；

所述前馈生成模块，用于根据综合计算模块的计算结果，机组在不同的所处压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值并传送至前馈输出限幅模块；

前馈输出限幅模块，用于完成前馈输出值大小限幅并将结果输出至压力自动PID调节器；

压力自动PID调节器，接收偏差取样模块产生的实际压力与设定值的偏差及前馈输出限幅块输出的前馈补偿值，完成偏差处理、过程计算、输出调整，输出控制指令分别到锅炉风量控制***、锅炉燃料控制***及锅炉给水控制***。

所述锅炉风量控制***，用于根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉入炉风量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为风量自动控制器的前馈环节，提前响应，快速完成锅炉的入炉风量调节。

所述锅炉燃料控制***，用于根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉的入炉燃料量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为燃料自动控制器的前馈环节，提前响应，快速完成锅炉的燃料量调节。

所述锅炉给水控制***，在超临界直流锅炉运行中，根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉的入水量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为给水自动控制器的前馈环节，提前响应，接受压力自动PID调节器的输出指令，完成锅炉的给水量调节。

所述综合计算模块，根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段；

具体的判断方法为，假设偏差△P＝机组运行实际压力-压力设定值，当偏差△P>0且d△ P/dt>0，则压力处于高于设定值且继续增大的阶段，当偏差△P<0且d△P/dt<0，则压力处于低于设定值且继续减小的阶段。

所述前馈生成模块，根据综合计算模块的计算结果，在机组所处不同的压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值，具体计算公式为:

F＝K*(P₀/P)*F(ΔP)

其中：F为计算生成前馈值，K为前馈计算系数，P₀为机组额定机前主蒸汽压力，P为机组实际运行机前主蒸汽压力，F(ΔP)为主蒸汽压力偏差ΔP绝对值对应的修正函数。

所述修正函数具体设置如下所示：

$F\left(\mathrm{\&Delta;P}\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=0.2\\ \mathrm{0.8,0.2}<\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=0.5\\ \mathrm{1.5,0.5}<\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=1\\ 2,\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|>1\end{array}\right..$

修正函数根据锅炉运行压力参数、以及锅炉当前运行主蒸汽压力与控制预期参数的偏差，对锅炉不同运行工况进行动态设置，可快速调整锅炉运行技术参数达期望运行值，同时可预防普通PID调节***引起的超调现象，实现锅炉燃烧***的快速稳定。

提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：利用偏差取样模块完成机组运行实际压力与压力设定值的偏差取样并将该偏差分别传送至压力自动PID调节器及综合计算模块；

步骤二：综合计算模块根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段，并将计算结果输出至前馈生成模块；

步骤三：前馈生成模块根据综合计算模块的计算结果，机组在不同的所处压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值并传送至前馈输出限幅模块；

步骤四：前馈输出限幅模块用于完成前馈输出值大小限幅并将结果输出至压力自动PID调节器；

步骤五：压力自动PID调节器，接收偏差取样模块产生的实际压力与设定值的偏差及前馈输出限幅块输出的前馈补偿值，完成偏差处理、过程计算、输出调整，输出控制指令分别到锅炉风量控制***、锅炉燃料控制***及锅炉给水控制***。

所述步骤二中，综合计算模块，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段；

具体的判断方法为，假设偏差△P＝机组运行实际压力-压力设定值，当偏差△P>0且d△P/dt>0，则压力处于高于设定值且继续增大的阶段，当偏差△P<0且d△P/dt<0，则压力处于低于设定值且继续减小的阶段。

所述步骤三中，前馈生成模块根据综合计算模块的计算结果，在机组所处不同的压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值，具体计算公式为:

F＝K*(P₀/P)*F(ΔP)

其中：F为计算生成前馈值，K为前馈计算系数，P₀为机组额定机前主蒸汽压力，P为机组实际运行机前主蒸汽压力，F(ΔP)为主蒸汽压力偏差ΔP绝对值对应的修正函数。

本发明的有益效果：

本控制***能够解决机组快速调整负荷时，机组主汽压波动较大时，长时间不能稳定的工况发生，防止机组运行压力出现震荡发散工况，保证火力发电机组安全稳定运行。

本发明主要采用人工智能方式，模拟操作员实际操作，判断出实际蒸汽压力背离设定值变化且偏离值继续增大阶段，即图1中第一个波动周期的T0-T1阶段和T2-T3阶段；第二个波动周期的T4-T5阶段和T6-T7阶段等。在这些特定变化区间内，根据实际蒸汽压力变化的快慢，给压力自动调节器一个大小不等前馈调整环节，加速调节器的输出调整指令，实现主蒸汽压力快速稳定的目的。

附图说明

图1机组快速调整负荷时主蒸汽压力运行曲线；

图2控制结构简图。

图中：1偏差取样模块、2压力自动PID调节器、3锅炉风量控制***、4锅炉燃料控制***、5锅炉给水控制***、6综合计算模块、7前馈生成模块、8前馈输出限幅模块。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

单元制火力发电机组为了满足机组负荷的快速调整要求，自动控制***一般设计为锅炉跟随为基础的协调控制方式，这种控制方式下，汽轮机通过调门的快速动作完成发电负荷的快速调整，满足电网的安全稳定运行需求，机组运行蒸汽压力调整主要由锅炉调整出力来完成。

目前火力电力生产企业由于燃料质量、机组运行方式等因素的影响，机组快速调整发电负荷时，机组的蒸汽参数变化较大，尤其主蒸汽压力、主蒸汽温度等重要影响机组安全运行 的参数波动较大。此时如果锅炉不能及时快速调整出力，稳定运行参数，则机组运行蒸汽参数可能出现大幅波动，甚至出现主蒸汽压力发散情况，影响机组安全运行。

机组快速调整负荷时，主蒸汽压力运行曲线如图1所示。横坐标TP-SP为主蒸汽压力运行设定值，机组实际运行压力应该在设定值附近小偏差运行，当T0时刻机组收到快速减负荷指令，汽轮机快速关闭高压进汽调门调整机组负荷，而锅炉侧调整是一个大延迟环节，机组锅炉蒸发量不能快速降低，蒸汽压力必然引起快速增大，偏离压力设定值，机组实际运行压力大于设定值时，锅炉侧开始降低锅炉侧燃料、风量、给水量，来降低锅炉蒸发量，减小机组实际运行压力，从T0时刻至蒸汽压力最大值T1时刻，即T0-T1阶段为机组实际压力正向增大，实际压力大于设定值，并且实际压力仍然背离压力设定值继续增大；T1-T2阶段，为压力正向减小阶段，即实际压力大于设定值，但实际压力逐渐减小向设定值靠近；T2-T3阶段，实际压力负向减小阶段，即实际压力小于设定值，且继续减小，背离设定值；T3-T4阶段，实际压力负向增大，即压力小于设定值，但是压力逐渐增大向设定值靠近，T4-T8为第二个主蒸汽压力波动周期，波动规律类似于T0-T4阶段，正常情况下，第二个波动周期的峰谷值均小于第一个波动周期的峰谷值，这样经过几个周期波动，主蒸汽压力稳定在设定值附近稳定运行。

本控制方法主要解决机组快速调整负荷时，机组主汽压波动较大时，长时间不能稳定在设定值运行，防止机组运行压力出现震荡发散工况，影响机组安全稳定运行。

本控制方法主要采用人工智能方式，模拟操作员实际操作，判断出实际蒸汽压力背离设定值变化且偏离值继续增大阶段，即图1中第一个波动周期的T0-T1阶段和T2-T3阶段；第二个波动周期的T4-T5阶段和T6-T7阶段等。在这些特定变化区间内，根据实际蒸汽压力变化的快慢，给压力自动调节器一个大小不等前馈调整环节，加速调节器的输出调整指令，实现主蒸汽压力快速稳定的目的，其控制结构如图2所示。

锅炉压力自动PID调节器2的输入信号包括两个，一个是直接来自于偏差取样模块1的信号，另一个是来自于偏差取样模块1的信号经过综合计算模块6、前馈生成模块7和前馈输出限幅模块8处理后的信号，所述的压力自动PID调节器2的输出端与锅炉控制***相连。

锅炉控制***包括锅炉风量控制***3、锅炉燃料控制***4和锅炉给水控制***5，压力自动PID调节器2的输出端分别与所述的三个控制***相连。综合计算模块6、前馈生成模块7和前馈输出限幅模块8依次相连。

偏差取样模块1，完成机组运行实际压力与压力设定值的偏差取样；

压力自动PID调节器2，接收偏差取样模块1产生的实际压力与设定值的偏差及前馈输 出限幅块8输出的前馈补偿值，完成偏差处理、过程计算、输出调整，输出控制指令到锅炉风量控制***3、锅炉燃料控制***4、锅炉给水控制***5；

锅炉风量控制***3，接受压力自动PID调节器2的输出指令，完成锅炉的入炉风量调节；锅炉燃料控制***4，接受压力自动PID调节器2的输出指令，完成锅炉的燃料量调节；锅炉给水控制***5，接受压力自动PID调节器2的输出指令，完成锅炉的给水量调节；

综合计算模块6，根据偏差取样模块1产生的机组运行实际压力和压力设定值的偏差，计算二者偏差的大小及一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的那个阶段(判断方法为，假设△P＝实际压力-压力设定值，当△P>0且d△P/dt>0，压力处于高于设定值且继续增大的阶段，如图1中的T0-T1阶段；当△P<0且d△P/dt<0，压力处于低于设定值且继续减小的阶段，如图1中的T2-T3阶段)；

前馈生成模块7，根据综合计算模块6的计算结果，在不同的所处压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值。

具体计算公式为:F＝K*(P0/P)*F(△P)

其中：F为计算生成前馈值，K为前馈计算系数，P0为机组额定机前主蒸汽压力，P为机组实际运行机前主蒸汽压力，F(△P)为主蒸汽压力偏差△P绝对值对应的修正函数，具体设置如下表所示。

|△P|	F(△P)
		|△P|<＝0.2	0
0.2<|△P|<＝0.5	0.8
		0.5<|△P|<＝1	1.5
|△P|>1	2

前馈输出限幅块8，完成前馈输出值大小限幅。

技术应用前景：本控制方法能够解决机组快速调整负荷时，机组主汽压波动较大时，长时间不能稳定的工况发生，防止机组运行压力出现震荡发散工况，保证火力发电机组安全稳定运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，包括：

偏差取样模块，用于完成机组运行实际压力与压力设定值的偏差取样并将该偏差分别传送至压力自动PID调节器及综合计算模块；

综合计算模块，用于根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段，并将计算结果输出至前馈生成模块；

所述前馈生成模块，用于根据综合计算模块的计算结果，机组在不同的所处压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值并传送至前馈输出限幅模块；

前馈输出限幅模块，用于完成前馈输出值大小限幅并将结果输出至压力自动PID调节器；

压力自动PID调节器，接收偏差取样模块产生的实际压力与设定值的偏差及前馈输出限幅块输出的前馈补偿值，完成偏差处理、过程计算、输出调整，输出控制指令分别到锅炉风量控制***、锅炉燃料控制***及锅炉给水控制***。

2.如权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述锅炉风量控制***，用于根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉入炉风量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为风量自动控制器的前馈环节，提前响应，快速完成锅炉的入炉风量调节。

3.如权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述锅炉燃料控制***，用于根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉的入炉燃料量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为燃料自动控制器的前馈环节，提前响应，快速完成锅炉的燃料量调节。

4.如权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述锅炉给水控制***，在超临界直流锅炉运行中，根据锅炉负荷指令，自动调整锅炉的入水量，同时接受锅炉压力自动PID调节器的输出指令，作为给水自动控制器的前馈环节，提前响应，接受压力自动PID调节器的输出指令，完成锅炉的给水量调节。

5.如权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述综合计算模块，根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段；

具体的判断方法为，假设偏差△P＝机组运行实际压力-压力设定值，当偏差△P>0且d△P/dt>0，则压力处于高于设定值且继续增大的阶段，当偏差△P<0且d△P/dt<0，则压力处于低于设定值且继续减小的阶段。

6.如权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述前馈生成模块，根据综合计算模块的计算结果，在机组所处不同的压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值，具体计算公式为:

F＝K*(P₀/P)*F(ΔP)

其中：F为计算生成前馈值，K为前馈计算系数，P₀为机组额定机前主蒸汽压力，P为机组实际运行机前主蒸汽压力，F(ΔP)为主蒸汽压力偏差ΔP绝对值对应的修正函数。

7.如权利要求6所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***，其特征是，所述修正函数具体设置如下所示：

$F\left(\mathrm{\&Delta;P}\right)=\left\{\begin{array}{c}0,\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=0.2\\ \mathrm{0.8,0.2}<\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=0.5\\ \mathrm{1.5,0.5}<\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|<=1\\ 2,\left|\mathrm{\&Delta;P}\right|>1\end{array}\right..$

8.一种基于权利要求1所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：利用偏差取样模块完成机组运行实际压力与压力设定值的偏差取样并将该偏差分别传送至压力自动PID调节器及综合计算模块；

步骤二：综合计算模块根据偏差取样模块输出的偏差，计算偏差的大小及偏差的一阶导数值，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段，并将计算结果输出至前馈生成模块；

步骤三：前馈生成模块根据综合计算模块的计算结果，机组在不同的所处压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值并传送至前馈输出限幅模块；

步骤四：前馈输出限幅模块用于完成前馈输出值大小限幅并将结果输出至压力自动PID调节器；

步骤五：压力自动PID调节器，接收偏差取样模块产生的实际压力与设定值的偏差及前馈输出限幅块输出的前馈补偿值，完成偏差处理、过程计算、输出调整，输出控制指令分别到锅炉风量控制***、锅炉燃料控制***及锅炉给水控制***。

9.如权利要求8所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***的控制方法，其特征是，所述步骤二中，综合计算模块，判断出机组实际压力处于波动周期的哪个阶段；

具体的判断方法为，假设偏差△P＝机组运行实际压力-压力设定值，当偏差△P>0且d△P/dt>0，则压力处于高于设定值且继续增大的阶段，当偏差△P<0且d△P/dt<0，则压力处于低于设定值且继续减小的阶段。

10.如权利要求8所述的提高单元发电机组锅炉快速调整能力的控制***的控制方法，其特征是，所述步骤三中，前馈生成模块根据综合计算模块的计算结果，在机组所处不同的压力阶段，计算出锅炉压力的动态补偿前馈值，具体计算公式为:

F＝K*(P₀/P)*F(ΔP)

其中：F为计算生成前馈值，K为前馈计算系数，P₀为机组额定机前主蒸汽压力，P为机组实际运行机前主蒸汽压力，F(ΔP)为主蒸汽压力偏差ΔP绝对值对应的修正函数。