基于动态可行域的双机工业供汽母管协同控制方法及系统与流程

本发明涉及热电联产机组工业供汽与厂级协同控制，具体涉及基于动态可行域的双机工业供汽母管协同控制方法及系统。

背景技术：

1、随着高比例新能源接入电网，热电联产机组面临日益频繁的调峰与调频任务，同时必须连续满足工业用户对蒸汽压力、温度和流量的严格要求。在由两台热电联产机组共同接入共用工业供汽母管的厂级系统中，两台机组虽然设备类型和额定参数可能相同或相近，但受当前电负荷、锅炉运行状态、汽轮机通流状态、采暖供热负荷、工业抽汽参数及设备可用状态等影响，其可增加或减少工业供汽量的能力通常并不相同。同时，工业供汽母管本身具有一定蒸汽蓄积能力和热惯性，一台机组抽汽量变化会通过母管压力、温度及焓值变化影响另一台机组和工业用户。因此，双机工业供汽任务并非简单的静态流量分配问题，而是受到单机运行边界、动态响应能力、供汽品质及母管状态共同约束的动态协调问题。当厂级系统进一步接入储热产汽装置、蒸汽蓄能装置或其他辅助可调供汽资源时，不同资源在响应速度、持续时间和供汽能力方面还具有明显差异，需要统一纳入厂级动态可行控制框架。但本发明的核心并不限定所述辅助资源的具体储能或产汽形式。

2、现有双机工业供汽控制通常采用固定比例、运行人员经验分配或基于当前负荷的静态经济分配方式。当两台机组当前电负荷、供热任务、汽轮机通流状态、凝汽器背压、工业抽汽压力裕度及设备可用状态存在差异时，固定分配比例难以充分利用另一台仍具有调节裕度的机组。与此同时，工业供汽母管本身具有蒸汽质量和能量蓄积特性，供汽支路流量变化并不会即时、等比例地转化为用户侧压力和温度变化，仅依据瞬时流量进行分配容易造成母管压力超调、欠压或供汽品质波动。

3、因此，需要建立一种能够分别表征两台机组实时动态可交付能力、预测共用工业供汽母管动态状态，并据此形成厂级动态可行控制范围的协同控制方法，使双机工业供汽任务能够随运行边界、动态响应能力和母管状态在线调整。

技术实现思路

1、本发明提出基于动态可行域的双机工业供汽母管协同控制方法及系统，解决在两台热电联产机组运行边界、动态响应能力及工业供汽需求持续变化，且共用工业供汽母管存在质量-能量动态耦合的条件下，传统固定比例分汽或静态经济分配方式无法同时协调两台机组动态可交付能力、工业供汽品质和设备安全约束，容易造成母管压力波动、供汽品质偏差、一台机组接近运行边界而另一台仍有调节裕度却无法充分利用的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、基于动态可行域的双机工业供汽母管协同控制方法，包括：

4、s1：获取两台热电联产机组、分别与两台热电联产机组连接的工业供汽支路、共用工业供汽母管及工业用户的实时运行参数，对所述实时运行参数进行测点质量判定与时间同步处理，得到具有质量标识和统一时间基准的实时运行参数；

5、s2：根据所述实时运行参数，将两台热电联产机组当前运行状态分别映射至对应单机稳态运行可行域；在所述单机稳态运行可行域约束基础上，结合对应机组的动态模型、响应迟延、允许变化率、执行机构约束、预测时域和设备安全约束，分别生成两台热电联产机组的单机动态可交付包络；所述单机动态可交付包络至少包括发电功率可调量、工业供汽流量可调量、供汽比焓、响应迟延、允许变化率、可持续时间及动态约束裕度；

6、s3：根据进入共用工业供汽母管的两台热电联产机组供汽质量流量及对应比焓、工业用户流出质量流量、母管等效容积、母管疏水或泄漏流量以及管网热损失，建立共用工业供汽母管质量守恒动态模型和能量守恒动态模型；结合水蒸气状态关系，预测母管压力、母管温度、母管比焓及母管内等效蒸汽质量随时间的变化；

7、s4：将两台热电联产机组的单机动态可交付包络与共用工业供汽母管的压力、温度、质量流量、比焓及蓄汽状态动态约束进行聚合，生成厂级动态可行控制集；所述厂级动态可行控制集表示在当前运行状态及给定预测时域内，能够同时满足两台机组运行边界、动态响应约束、工业供汽约束及设备安全约束的控制输入组合；

8、s5：对所述厂级动态可行控制集中的候选控制组合，根据两台热电联产机组的动态约束裕度、响应迟延、允许变化率、可持续时间、供汽品质偏差及单位供汽造成的发电功率损失进行综合评价，确定两台机组承担工业供汽增量或减量任务的优先顺序；

9、s6：根据所述优先顺序、自动发电控制调度目标及工业用户供汽需求，在不预设两台机组固定工业供汽比例的条件下，按照设备安全和工业供汽安全、母管运行品质与电网功率目标、运行经济性的优先顺序，联合确定两台热电联产机组的发电功率和工业供汽量，形成双机工业供汽动态分配方案；

10、s7：当工业用户供汽需求增加或共用工业供汽母管压力下降时，根据工业用户流量变化率、母管压力偏差以及两台热电联产机组各自的动态约束裕度、响应迟延和允许供汽变化率，确定优先支撑机组和后续接替机组；由当前动态响应能力较强且约束裕度较大的机组优先增加工业供汽量，另一台机组按照其允许变化率逐步承担后续供汽任务，并在母管压力恢复后重新按照厂级动态可行控制集进行稳态任务分配；

11、s8：当任一热电联产机组、任一工业供汽支路、工业抽汽调节机构、供汽并汽机构或关键测点不可用时，根据设备可用状态将对应机组或供汽支路的动态可交付包络从所述厂级动态可行控制集中删除，或者缩减至经验证的安全基值，重新聚合剩余可用资源并重新分配发电任务与工业供汽任务；

12、s9：将所述双机工业供汽动态分配方案以及经供汽扰动修正或故障重聚合后的控制指令发送至对应的机组负荷控制机构和工业抽汽调节机构执行，并根据下一控制周期采集的实时运行参数更新单机动态可交付包络、共用工业供汽母管预测状态及厂级动态可行控制集。

13、通过上述技术方案，本发明分别表征两台热电联产机组在当前运行状态下能够实际承担的发电功率调节量和工业供汽调节量，并将其与共用工业供汽母管的质量-能量动态约束进行聚合，形成随两台机组运行边界、动态响应能力及工业用户需求变化而更新的厂级动态可行控制集。在该控制集内，不预设两台机组固定工业供汽比例，而是根据各机组动态约束裕度、响应迟延、允许变化率、可持续时间及单位供汽引起的发电功率损失动态调整供汽任务；同时通过工业供汽母管压力、温度、质量流量、比焓及蓄汽状态约束，对控制指令进行预测性校核，从而降低固定比例分汽或静态经济分配条件下单台机组提前触及运行边界、母管压力波动或供汽品质偏离目标的风险。

14、可选地，两台热电联产机组各自的单机动态可交付包络分别由对应机组当前在单机稳态运行可行域中的位置、锅炉负荷、主再热蒸汽参数、汽轮机最小通流、采暖供热负荷、工业抽汽压力、温度和流量、凝汽器背压、执行机构允许变化率以及设备可用状态确定，并分别采用两台机组各自的模型参数进行计算。

15、所述单机动态可交付包络至少表征当前状态下机组可接受的发电功率增量或减量、工业供汽流量增量或减量、供汽比焓、响应迟延、允许变化率、可持续时间以及动态约束裕度。即使两台机组设备类型和额定参数相同或相近，也不预设两台机组具有相同动态可交付能力。

16、通过分别计算两台机组的动态可交付包络，厂级协同控制器能够识别两台机组当前运行裕度和动态响应能力的差异，使新增或削减的工业供汽任务优先向仍具有较大可用裕度的机组转移，避免固定工业供汽比例导致一台机组已接近运行边界而另一台机组仍具有可用能力但无法充分利用的情况。

17、可选地，将共用工业供汽母管等效为具有蒸汽质量蓄积、能量蓄积及管网热损失特性的动态单元。所述母管质量守恒动态模型根据两台热电联产机组进入母管的蒸汽质量流量、工业用户流出质量流量以及母管疏水或泄漏等效流量建立；所述能量守恒动态模型根据两台机组进入母管的质量流量与对应比焓、工业用户流出质量流量与母管比焓、母管疏水或泄漏等效流量以及管网散热损失建立。

18、进一步地，母管内蒸汽等效质量满足，其中，为母管内蒸汽等效质量，为母管等效容积，为根据母管压力和比焓确定的蒸汽密度；并根据水蒸气状态关系由母管压力和母管比焓确定母管温度。

19、通过质量守恒、能量守恒和蒸汽状态关系形成闭合的母管动态模型，可预测工业供汽母管压力、温度、比焓及蓄汽状态随时间的变化，从而避免仅将母管视为静态压力节点或仅根据瞬时质量流量进行供汽分配造成的预测偏差。

20、可选地，对于进入共用工业供汽母管的第路汽源，以表示所述汽源输入共用工业供汽母管的焓流，其中，为第路汽源质量流量，为对应蒸汽比焓。厂级协同控制器以各汽源质量流量、各汽源焓流、共用工业供汽母管压力、温度及比焓共同构成工业供汽约束。

21、通过同时约束质量流量和焓流，可避免不同压力、温度或比焓的蒸汽仅按质量流量直接叠加造成的供汽品质判断失真，使工业供汽任务分配同时满足蒸汽数量和能量品质要求。

22、可选地，所述厂级动态可行控制集由两台热电联产机组各自的单机动态可交付包络与共用工业供汽母管动态约束聚合形成。所述厂级动态可行控制集中的每一候选控制组合至少关联两台机组各自的动态约束裕度、响应迟延、允许变化率、可持续时间、单位供汽造成的发电功率损失以及执行机构调节代价。

23、所述厂级动态可行控制集允许两台热电联产机组在不预设固定工业供汽比例的条件下自由分配供汽任务，但任一候选控制组合均应同时满足全厂工业供汽总需求、两台机组各自的单机运行边界和动态响应约束，以及共用工业供汽母管的压力、温度、质量流量和比焓约束。

24、通过上述聚合方式，能够把两台机组各自的可调能力转化为厂级层面可以实际执行的发电-供汽组合，使任务分配不再单独依据额定供汽能力或静态经济指标，而是同时反映当前运行边界和动态可达能力。

25、可选地，所述动态约束裕度根据预测时域内机组状态轨迹到对应单机稳态运行边界及动态约束边界的距离确定，并结合各约束的测量误差、模型误差和允许安全余量进行归一化处理。所述资源排序至少考虑动态约束裕度、响应迟延、允许供汽变化率、供汽品质偏差、单位供汽造成的发电功率损失、可持续时间以及设备可用状态。

26、当任一机组的动态约束裕度低于预设阈值时，厂级协同控制器限制继续向该机组分配使对应约束进一步恶化的工业供汽增量任务，并优先评估另一台仍具有可用裕度的机组。由此实现双机工业供汽任务随实时运行边界变化而动态转移。

27、可选地，双机工业供汽任务分配采用分层求解方式。第一层为硬约束层，包括两台机组设备安全约束、工业供汽最低连续保障约束以及共用工业供汽母管压力和供汽品质绝对安全边界；第二层为运行目标层，包括电网功率目标、工业供汽母管压力目标及供汽品质目标；第三层为经济优化层，在第一层和第二层形成的可行范围内优化煤耗、单位供汽造成的发电功率损失以及设备调节代价。正常运行情况下，第一层硬约束不允许被第二层或第三层目标抵消。

28、通过上述分层方式，可避免单纯采用加权目标函数时以经济收益或功率跟踪收益抵消设备安全和最低工业供汽要求，使双机任务分配首先保证安全和连续供汽，再在可行空间内实现功率跟踪和经济运行。

29、可选地，当工业用户供汽需求突增或共用工业供汽母管压力下降时，厂级协同控制器根据工业用户流量变化率、母管压力偏差以及两台机组各自的动态约束裕度、响应迟延和允许供汽变化率，确定优先支撑机组和后续接替机组。

30、在扰动初期，由当前约束裕度较大且响应能力满足要求的优先支撑机组首先增加工业供汽量；后续接替机组按照其允许变化率逐步增加工业供汽量。在重叠接替阶段，对两台机组工业供汽增量的总变化率进行协调，使双机工业供汽总量保持连续变化，抑制因任务切换造成的母管压力二次波动。

31、当共用工业供汽母管压力、温度和供汽流量恢复至目标区间后，厂级协同控制器重新根据两台机组的动态可交付包络和厂级动态可行控制集确定新的稳态工业供汽比例。若两台机组剩余动态能力不足以完全补偿供汽缺口，则进入控制降级流程或发出备用汽源投入请求。

32、通过上述优先支撑-平稳接替方式，可使供汽扰动响应由固定分汽比例下的双机同步调节转化为基于实时动态能力的差异化任务接替，提高双机协同条件下母管压力恢复过程的连续性和可控性。

33、基于动态可行域的双机工业供汽母管协同控制系统包括两台热电联产机组、分别与两台热电联产机组连接的工业供汽支路、与两条工业供汽支路连接的共用工业供汽母管、数据采集与状态估计单元、厂级协同控制器、机组负荷及工业抽汽执行机构以及安全保护单元。

34、所述数据采集与状态估计单元用于获取两台机组、工业供汽支路、共用工业供汽母管及工业用户的运行参数；所述厂级协同控制器用于分别生成两台机组的动态可交付包络、预测共用工业供汽母管动态状态、构造厂级动态可行控制集并实施双机工业供汽任务动态分配；所述执行机构用于执行机组负荷调节指令和工业抽汽调节指令；所述安全保护单元用于在机组、工业供汽支路或共用工业供汽母管参数越限时限制控制指令、删除失效资源或触发联锁。

35、所述系统可与现有分散控制系统dcs、汽轮机数字电液控制系统deh及自动发电控制系统agc进行数据和控制指令交互，两台机组分别保留独立模型参数和动态可交付包络，不需要将两台机组强制等效为具有相同运行边界和动态特性的单一机组。

36、采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

37、第一，通过分别建立两台热电联产机组的单机动态可交付包络，将双机工业供汽能力由固定额定能力或固定分汽比例转化为随当前电负荷、供热任务、抽汽参数、设备状态及动态响应能力变化的实时可交付能力，使厂级控制能够充分利用两台机组之间的运行裕度差异。

38、第二，通过建立共用工业供汽母管质量守恒、能量守恒和蒸汽状态关系模型，能够同时考虑母管内蒸汽质量与能量的动态蓄积和释放，并利用质量流量、焓流、压力、温度及比焓共同约束工业供汽品质，减少仅依据瞬时质量流量分配造成的压力和温度波动。

39、第三，通过将两台机组动态可交付包络与工业供汽母管动态约束聚合形成厂级动态可行控制集，可在每个控制周期识别当前能够实际执行的双机发电和供汽任务组合，避免向已接近运行边界的机组继续分配工业供汽增量。

40、第四，通过不预设固定分汽比例的动态自由分配和优先支撑-平稳接替策略，可根据两台机组的动态约束裕度、响应迟延、可持续时间和单位供汽发电损失实时调整工业供汽任务，提高双机组合运行情况下的供汽灵活性。

41、第五，当任一机组、供汽支路或关键执行机构故障时，可通过删除失效资源动态包络并重新聚合剩余资源，快速形成新的厂级动态可行控制集和任务分配方案，提高故障工况下工业供汽连续保障能力。

42、第六，本发明可与现有dcs、deh和agc系统进行数据和指令交互，不要求将两台机组强制建模为单一不可分整体，具有较好的工程实施和扩展条件。