一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法

摘要

一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，所述方法将主汽压力实际值与设定值的偏差信号经过微分和限幅处理后迭加到一级过热汽温控制系统的一级过热汽温设定值上，利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力；同时将二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号经过微分和死区、限幅处理后迭加到协调控制系统的发电负荷设定值上，在二级过热汽温偏差信号的变化速率越过死区区间时，通过改变发电负荷来减小二级过热汽温偏差。本发明利用一级过热器减温水流量补偿调节主蒸汽压力偏差，并在发电负荷控制系统中增设了二级过热汽温保护逻辑，该方法能够在不明显降低过热汽温控制品质的前提下有效提高主蒸汽压力的控制品质，减小火电机组变负荷过程中主汽压力及燃料量的波动幅度。

权利要求

1.一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，其特征是，所述方法将主汽压力实际值与设定值的偏差信号经过微分和限幅处理后迭加到一级过热汽温控制系统的一级过热汽温设定值上，利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力；同时将二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号经过微分和死区、限幅处理后迭加到协调控制系统的发电负荷设定值上，在二级过热汽温偏差信号的变化速率越过死区区间时，通过改变发电负荷来减小二级过热汽温偏差；

对主汽压力实际值与设定值的偏差信号进行微分和限幅处理的具体步骤如下：

a.主汽压力实际值减去主汽压力设定值得到主汽压力偏差信号；

b.主汽压力偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号，得到主汽压力偏差微分信号；

c.主汽压力偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与主汽压力偏差微分信号相乘，得到经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号；

d.经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号经过微分增益作用处理后，再经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值与原一级过热汽温设定值相加，形成新的一级过热汽温设定值信号。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，其特征是，对二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号进行微分和死区、限幅处理的具体步骤如下：a.二级过热汽温实际值减去二级过热汽温设定值，得到二级过热汽温偏差信号；

b.二级过热汽温偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号，得到二级过热汽温偏差微分信号；

c.二级过热汽温偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与二级过热汽温偏差微分信号相乘，得到经过死区修正后的二级过热汽温偏差微分信号；

d.经过死区修正后的二级过热汽温偏差微分信号经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值再经过微分增益处理后，输出值与原发电负荷设定值相加，形成新的发电负荷设定值信号。

说明书

一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用一级过热器减温水流量补偿调节火电机组主蒸汽压力的方法，属于控制技术领域。

背景技术

[0002] 大容量火电机组普遍采用两级喷水减温的方式调节过热蒸汽温度，一级喷水减温器安装在屏式过热器前发挥粗调汽温、防止屏式过热器管壁超温、维持二级喷水减温器处于合理工作区的作用；二级喷水减温器安装在高温过热器前发挥精确调节过热汽温的作用。工程中一般认为过热汽温被控对象与主蒸汽压力-发电负荷被控对象之间耦合较弱，因此传统的过热汽温控制系统与控制发电负荷-主汽压力的协调控制系统相互独立。

[0003] 随着我国用电结构的转变及风电等不稳定发电电源的规模化并网，火电机组需要承担越来越多的调峰调频任务，机组发电负荷指令频繁大幅变化，导致主汽压力、过热汽温等关键参数控制品质变差。主要原因在于机组快速变负荷时锅炉燃烧率与蒸汽流量并不能在时间上完全保持同步变化。以快速升负荷过程为例，负荷变化初期需要依靠锅炉释放蓄热增加蒸汽流量以提升发电负荷，但由于锅炉制粉过程存在很大惯性，锅炉增加的燃料量尚未进入炉膛内燃烧，蒸汽流量大于燃烧率造成主汽压力和过热汽温下降；负荷变化中后期锅炉增加的燃料量在炉膛内燃烧释放热量，成为蒸汽流量增加的主要因素，蒸汽流量同燃烧率达到动态平衡使主汽压力和过热汽温趋向平稳；负荷变化结束后蒸汽流量不再增加，而制粉环节的惯性使得增加的燃料量继续进入炉膛内燃烧，蒸汽流量小于燃烧率造成主汽压力和过热汽温上升。

[0004] 亚临界汽包炉和超临界直流炉设计时一级减温水流量都大于二级减温水流量。机组负荷剧烈变化时，运行人员往往更注重利用一级喷水减温器来维持二级喷水减温器处于安全的工作区。即将一级汽温定值设置到较低水平，刻意增加一级减温水流量减少二级减温水流量，以备在超温时能够快速增加二级减温水流量降低汽温。这样导致一级减温水流量往往达到机组额定主蒸汽流量的7％至10％左右。大量减温水喷入到过热器内吸收金属管壁蓄热迅速汽化，可以使主汽压力显著升高。

[0005] 本质上，机组快速变负荷需要利用锅炉蓄热，而利用锅炉蓄热的过程不仅会导致蒸汽压力发生变化，同时也会导致蒸汽温度发生变化。而过热器减温水控制系统则要保证过热汽温的稳定，实际上相当于减小了锅炉可利用的蓄热容量，锅炉蓄热越小主汽压力越难控制。在控制系统作用下，主汽压力的波动会导致锅炉燃料量波动，而锅炉燃料量波动又会引起过热汽温波动。主汽压力和过热汽温被控对象都具有大惯性大迟延特性难以控制，两者间的恶性竞争会导致机组整体控制效果变差。

[0006] 因此，如何兼顾主汽压力和过热汽温的控制品质，提高机组整体控制效果就成为有关研究人员面临的课题。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，以避免火电机组发电负荷频繁变化过程中主汽压力和过热汽温度出现大幅波动。

[0008] 本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

[0009] 一种火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，所述方法将主汽压力实际值与设定值的偏差信号经过微分和限幅处理后迭加到一级过热汽温控制系统的一级过热汽温设定值上，利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力；同时将二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号经过微分和死区、限幅处理后迭加到协调控制系统的发电负荷设定值上，在二级过热汽温偏差信号的变化速率越过死区区间时，通过改变发电负荷来减小二级过热汽温偏差。

[0010] 上述火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，对主汽压力实际值与设定值的偏差信号进行微分和限幅处理的具体步骤如下：

[0011] a.主汽压力实际值减去主汽压力设定值得到主汽压力偏差信号；

[0012] b.主汽压力偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号，得到主汽压力偏差微分信号；

[0013] c.主汽压力偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与主汽压力偏差微分信号相乘，得到经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号；

[0014] d.经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号经过微分增益作用处理后，再经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值与原一级过热汽温设定值相加，形成新的一级过热汽温设定值信号。

[0015] 上述火电机组主蒸汽压力的补偿调节方法，对二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号进行微分和限幅处理的具体步骤如下：

[0016] a.二级过热汽温实际值减去二级过热汽温设定值，得到二级过热汽温偏差信号；

[0017] b.二级过热汽温偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号，得到二级过热汽温偏差微分信号；

[0018] c.二级过热汽温偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与二级过热汽温偏差微分信号相乘，得到经过死区修正后的二级过热汽温偏差微分信号；

[0019] d.经过死区修正后的二级过热汽温偏差微分信号经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值再经过微分增益处理后，输出值与原发电负荷设定值相加，形成新的发电负荷设定值信号。

[0020] 本发明利用一级过热器减温水流量补偿调节主蒸汽压力偏差，并在协调控制系统中增设了二级过热汽温偏差保护逻辑，该方法能够在不明显降低过热汽温控制品质的前提下有效提高主蒸汽压力的控制品质，减小火电机组变负荷过程中主汽压力及燃料量的波动幅度。

[0021] 此外，本方法还具有控制逻辑物理意义明确、组态实现简单(只有两个调试参数)，调试过程简捷方便等优点。

附图说明

[0022] 图1为一级过热汽温定值逻辑；

[0023] 图2为汽温偏差保护逻辑。

[0024] 图中各功能模块的意义为：DEV1～DEV4为第一减法模块～第四减法模块；LAG1为第一一阶惯性模块；LAG2为第二一阶惯性模块；F(x)1～F(x)4为第一多点折线函数模块～第四多点折线函数模块；MUL1为第一乘法模块；MUL2为第二乘法模块；K1为第一增益模块；K2为第二增益模块；SUM1为第一加法模块；SUM2为第二加法模块。

[0025] 图1、2中，虚线框内为在原控制逻辑基础上新增加的控制逻辑。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0027] 针对火电机组发电负荷频繁变化造成主汽压力、过热汽温大幅波动的问题，本发明提出一种利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力的方法。

[0028] 从设计上分析，一级过热汽温控制系统的控制目标并不唯一，只需要将一级过热汽温维持在一定范围内即可，因此其具备补偿调节主汽压力的条件。过热器减温水喷入后能够迅速影响主蒸汽压力，补偿调节过程的快速性明显优于燃料量调节。同时，减温水调节阀灵敏度高动作速度快，执行机构特性不是制约控制系统性能的主要因素。但由于过热汽温变化引起锅炉蓄热的变化量相对较小，所以一级过热汽温不适合补偿调节主汽压力的静态偏差，而适合补偿调节主汽压力偏差的变化量，即主汽压力偏差的微分。

[0029] 锅炉燃料量对主汽压力被控对象存在很大的惯性和迟延，为保证主汽压力的控制品质，锅炉侧控制器必须采用很大的微分调节作用，因此当压力偏差快速变化时会导致锅炉燃料量大幅变化，而燃料量的大幅变化会导致锅炉燃烧不稳定以及磨煤机、一次风机工作状态恶化。因此一级汽温的补偿调节作用在减弱主汽压力的变化速率的同时，也能够有效减少燃料量的波动，有利于机组安全、经济运行。

[0030] 本发明将主汽压力实际值与设定值的偏差信号经过微分和限幅处理后迭加到一级过热汽温设定值上，实现一级过热器减温水流量以微分作用的方式调节主汽压力偏差的功能。同时将二级过热汽温设定值与实际值的偏差信号经过微分和死区、限幅处理后迭加到发电负荷设定值上，实现二级过热汽温偏差快速、大幅变化时适当改变发电负荷以减小二级过热汽温偏差的功能。该方法能够明显减小火电机组变负荷过程中主汽压力及燃料量的波动幅度。

[0031] 过热汽温被控对象与主汽压力被控对象存在双向耦合。当减温水大量喷入时，减温水吸收过热器金属管壁蓄热迅速汽化，在降低过热汽温的同时会导致主汽压力升高；当机组汽轮机调阀开度增加时，蒸汽流量瞬时增加在降低主汽压力的同时也会导致过热汽温降低；当锅炉燃料量增加时，锅炉燃烧率先于蒸汽流量增加会导致过热汽温和主汽压力升高。由于对象的惯性和迟延时间不同，减温水流量、汽轮机调阀开度、锅炉燃料量输入对过热汽温、主汽压力产生影响的动态响应时间也是不同的。主汽压力对减温水流量、汽轮机调阀开度、锅炉燃料量的响应时间分别在15s～30s、5s～10s、200s～350s范围内；而一级过热汽温对减温水流量、汽轮机调阀开度、锅炉燃料量的响应时间分别在120s～250s、50s～100s、150s～300s范围内。利用汽温、压力被控对象存在双向耦合及对同一扰动输入的动态响应时间存在差异这两个特点，通过优化控制系统设计，可以实现利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力的功能。

[0032] 当主汽压力高而过热汽温低时，控制系统可过量地减少一级减温水流量，降低主蒸汽压力同时提高过热汽温；当主蒸汽压力低而过热汽温高时，控制系统可过量地增加一级减温水流量，提高主蒸汽压力同时降低过热汽温。这两种工况下补偿调节可以发挥正确的双向调节作用。当主汽压力和过热汽温同时出现升高或降低的趋势时，控制系统仍然可以利用主汽压力和过热汽温响应一级减温水流量的变化存在时间差这一特点，以略微降低一级汽温控制指标为代价优先保证主汽压力不越限。当过热汽温高的同时主汽压力高或者过热汽温低的同时主汽压力低的极端情况下，控制系统可以增加或减小汽轮机调阀开度，以略微降低发电负荷控制品质为代价优先保证过热汽温和主汽压力的稳定。

[0033] 改进方案的核心即在于将压力偏差以微分调节作用的方式引入到一级过热汽温控制系统中，发挥利用一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力的作用；将二级过热汽温偏差以微分调节作用的方式引入到协调控制系统中，同原控制系统中的压力拉回逻辑一起发挥保护性调节的作用。由于机组实际运行过程中一级过热器减温水流量比较大，二级过热汽温及金属管壁超温比一级过热汽温及金属管壁超温的情况更为普遍，所以协调控制系统中设计二级过热汽温的保护逻辑。

[0034] 本发明所述一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力方法中的一级过热汽温定值逻辑如图1所示，二级汽温偏差保护逻辑如图2所示。

[0035] 图1中，主汽压力实际值减去主汽压力设定值得到主汽压力偏差信号。主汽压力偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号后，得到主汽压力偏差微分信号。主汽压力偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与主汽压力偏差微分信号相乘，得到经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号。经过死区修正后的主汽压力偏差微分信号经过微分增益作用处理后，再经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值与原一级过热汽温设定值相加，形成新的一级过热汽温设定值信号。

[0036] 图2中，二级过热汽温实际值减去二级过热汽温设定值得到二级过热汽温偏差信号。二级过热汽温偏差信号减去其经过一阶惯性环节处理后的信号后，得到二级过热汽温偏差微分信号。二级过热汽温偏差信号经过设置为死区功能的多点折线函数处理后的输出值与二级过热汽温偏差微分信号相乘后，得到经过死区修正后的二级过热汽温偏差微分信号。此信号经过设置为死区加限幅功能的多点折线函数处理，得到的输出值再经过微分增益处理后，输出值与原发电负荷设定值相加，形成新的发电负荷设定值信号。

[0037] 发明实施步骤

[0038] (1)实施条件确认

[0039] 实施本发明前需要确认机组在50％～100％负荷变化范围内具备以下条件：①一级过热汽温控制系统能够投入自动控制；②二级过热汽温控制系统能够投入自动控制；③屏式过热器金属管壁无超温现象；④机组协调控制系统采用汽轮机高压缸进汽调阀控制发电负荷、锅炉燃料量控制主汽压力即炉跟机为基础的协调控制方式。

[0040] (2)逻辑组态

[0041] 对照图1、2所示逻辑，在机组分散控制系统(DCS)中对一级过热汽温、协调控制系统逻辑组态进行修改。如果屏式过热器分左、右两侧布置，则需要分别对左、右两侧一级过热汽温控制系统进行组态。其中：LAG1、LAG2的惯性时间均设置为20s。F(x)1～F(x)4的参数设置，亚临界汽包炉见表1，超临界直流炉见表2。

[0042] 表1亚临界汽包炉F(x)1～F(x)4参数设置

[0043]

[0044] 表2超临界直流炉F(x)1～F(x)4参数设置

[0045]

[0046] (3)现场调试

[0047] 本发明控制逻辑包含两个调试参数K1、K2，需要在机组运行状态下进行调试。K1为一级过热器减温水流量补偿调节主汽压力控制的微分增益，K1越大微分补偿作用越强。现场调试时，K1由0开始逐渐增加，当主汽压力发生微分振荡或一级汽温设定值波动幅度超过-10℃～6℃时K1达到最大值，K1实际设置值为最大值的80％。K2为汽温偏差保护的微分增益，K2越大微分保护作用越强，但会导致发电负荷控制品质下降，需要根据现场情况调试确定。另外K2取值与机组容量有关，机组容量越大K2越大。