火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统及方法与流程

1.本发明涉及火电厂自动控制技术领域，具体涉及一种火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统及方法。


背景技术：

2.由于火电单元机组机炉协调控制系统是一个复杂的多变量非线性控制系统。针对此控制系统，科技工作者提出了众多先进控制算法，各有千秋，并且已经解决了一些控制难题。
3.火电厂单元机组协调控制系统的任务就是根据锅炉和汽轮机的不同特性，把锅炉及汽轮机作为一个单元机组的整体进行综合控制，使锅炉和汽轮机协调动作、互相配合，在满足电网负荷需求的同时，保持机组主要运行参数的稳定。它是整个动力装置控制系统的主体，是蒸汽动力装置自动控制系统的重要组成部分。整个控制系统是由机组负荷指令形成回路、主汽压力设定值形成回路、汽机主控回路和锅炉主控回路组成。
4.由于锅炉、汽轮机在响应电网负荷上存在差异。从动态特性上讲，锅炉具有较大的观念性，从燃烧率的改变到机前压力的变化有较大时间延迟。相对而言，汽轮机的惯性要小的多，从汽轮机的调门开度的改变到机组负荷的变化具有很小的时间延迟。所以，火力发电厂单元机组在适应电网负荷变化需求时，初始阶段，所需要的蒸汽量主要由锅炉释放蓄热产生，这样势必引起机前压力有较大变化。随着单元机组容量的增加锅炉的而虚弱了相对越来越小，单元机组的负荷适应能力与保持机前压力稳定的矛盾更加突出。
5.基于以上特点，单元机组在进行负荷控制的时候，必须很好的协调汽轮机、锅炉两侧的控制动作，合理保持内外两个能量供需平衡关系。即单元机组与电网之间的能量平衡关系和单元机组中的锅炉和汽轮机之间的能量平衡关系，以同时兼顾负荷响应能力和机组主汽压力的稳定这两方面的性能指标要求。
6.从上面的情况分析，可以知道，由于汽轮机的动态特性惯性时间小，输出功率响应快，用简单的单回路控制即可得到很好的控制效果。而锅炉的动态特性表现为大惯性、大延迟的特点，通过简单的单回路控制无法实现合理的响应电网负荷变化的要求。
7.常规的协调控制系统基本控制逻辑方框图一般如图1所示：常规协调控制系统输出主要包括左侧的汽机主控回路和右侧的锅炉主控回路。左侧的汽机主控回路相对简单，由机组负荷需求经过负荷指令形成回路生成负荷需求指令，并与机组功率信号经偏差模块，输入给比例积分控制器，从而形成最终的汽轮机阀位指令tm。右侧的锅炉主控回路通过从左至右共4个子回路输出在加法器5中求和，形成最终的锅炉燃料需求指令bm。这4个求和叠加的子回路分别是：(1)机组负荷需求信号经实际微分环节4形成燃料微分指令；(2)机组负荷需求信号经函数发生器形成主汽压力设定值，与实际主蒸汽压力测量信号经偏差模块后输出主蒸汽压力控制偏差，送入燃料指令比例积分控制器3，形成主蒸汽压力偏差控制指令；(3)由运行人员手动干预输入的人工偏置1指令；(4)机组负荷需求经燃料量基准函数发生器换算为燃料量基准信号。其中燃料量基准信号是锅炉燃料需求指令bm的主体和基础；
在此基础上，燃料指令比例积分控制器3输出的主蒸汽压力偏差控制指令通过比例和积分控制作用来弥补各种内、外部扰动的影响从而消除稳态控制偏差；实际微分环节4输出的燃料微分指令用于补偿锅炉大惯性引起的动态过程偏差；人工偏置1则提供给运行人员手动干预的入口。
8.该协调控制回路中的锅炉主控回路以主蒸汽压力的控制为主要目标，一般可通过燃料指令比例积分控制器3与实际微分环节4的参数调整进行控制品质的优化。然而，其中燃料量基准函数发生器2输出的是燃料需求指令的基础，其物理意义是目标负荷需求情况下，计算锅炉需要的对应燃料量，一般按分段线性函数设置如表1所示的设计煤种对应数据。
9.表1：660mw超超临界循环流化床不同工况下的燃料消耗量(单位：t/h)
[0010][0011]
但我国实际机组运行时，几乎都无法直接燃用设计煤种燃料，普遍存在煤质与煤种大幅变化、劣质煤掺烧等情况，导致燃料需求指令的基准与实际情况长期存在比较大的偏差，控制过程性能不得已只能依赖燃料指令比例积分控制器3与实际微分环节4的参数优化甚至其它辅助燃料指令比例积分控制器3与实际微分环节4的其它控制策略，但始终很难从根本上解决基准指令偏差大带来的关键影响。


技术实现要素：

[0012]
基于以上问题，本发明针对常规单回路控制策略的局限，提出一种火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统及方法，在实际燃用煤质偏离设计煤种时，能够自动适应新的煤质条件，使燃料量基准信号能够实时匹配当前燃用的煤质，为燃料指令比例积分控制器与实际微分环节创造良好的条件。
[0013]
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0014]
一种火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统，包括与火力发电单元机组协调控制系统连接的燃料量偏差模块(6)、除法器(7)、切换模块(8)和乘法器(9)；所述偏差模块(6)的输入端连接实际燃料使用量fs与火力发电单元机组协调控制系统的燃料指令人工偏置(1)，燃料量偏差模块(6)的输出端连接除法器(7)的被除数管脚，火力发电单元机组协调控制系统的燃料量基准函数发生器(2)的输出端连接除法器(7)的除数管脚，除法器(7)的输出端连接切换模块(8)的输入端，切换模块(8)的燃料量基准信号修正因子k
i
输出端经乘法器(9)与燃料量基准函数发生器(2)的输出端共同连接加法器(5)的输入端，加法器(5)的输出端输出最终的锅炉燃料需求指令。
[0015]
所述的火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统的控制方法，实际燃料使用量fs与燃料指令人工偏置(1)经过偏差模块(6)输入除法器(7)的被除数管脚，燃料量基准函数发生器(2)的输出接入除法器(7)的除数管脚，除法器(7)计算输出的商值经切换
模块(8)生成燃料量基准信号修正因子k
i
，经乘法器(9)，作用于燃料量基准函数发生器(2)的输出，代替火力发电单元机组协调控制系统的燃料量基准函数发生器(2)的输出，形成最终的燃料量基准信号，送入加法器(5)，形成最终的锅炉燃料需求指令bm。
[0016]
所述的控制方法，增加燃料量基准信号修正因子k
i
，此时最终的锅炉燃料需求指令bm表达为：
[0017]
bm＝k
i
f(x) pi sg
[0018]
式中：f(x)为燃料量基准函数发生器(2)的函数曲线输出；pi为燃料指令比例积分控制器(3)的输出；sg为燃料指令人工偏置输出；
[0019]
当时，即实现锅炉的实际燃料使用量fs＝bm的理想控制目标，
[0020]
其中切换模块(8)用于控制燃料量基准信号修正因子k
i
的计算更新与保持当前值之间的切换，即只有满足一定条件时才进行燃料量基准信号修正因子k
i
的更新计算，否则保持当前燃料量基准信号修正因子k
i
以维护机组协调控制的稳定；
[0021]
燃料量基准信号修正因子k
i
的更新计算条件包括：a)机组负荷稳定；b)压力控制偏差不大，小于热工控制标准要求的压力控制偏差；c)机组处于协调控制方式；d)前述条件保持预设时间；在这种情况下，最终的锅炉燃料需求指令bm保持稳定，实际微分环节(4)的输出d为0，燃料指令比例积分控制器(3)的输出pi中的比例作用输出近似为0而积分作用输出相当于弥补设置f(x)与实际真实燃料量对应的fs＝bm时理想修正值的偏差；
[0022]
由于燃料量基准信号修正因子k
i
发生变化时，需要燃料指令比例积分控制器(3)的积分作用通过一定的时间来通过最终的锅炉燃料需求指令bm的不平衡变化，逐渐削弱积分作用输出，缓慢过渡到新的小偏差控制作用范围；这一过程不宜过快，否则容易引起协调控制系统的不稳定，因此，切换模块(8)允许设置切换速率，这相当于设置了燃料基准信号修正因子k
i
的变速率，因此切换模块(8)的切换速率参考燃料基准信号修正因子k
i
的变速率上限进行设置；
[0023]
此外，由于燃料基准信号修正因子k
i
的变化会直接影响协调控制系统的锅炉主控输出，对系统的影响较大，因此，需对燃料基准信号修正因子k
i
的变化进行限速和限幅，即严格限制燃料基准信号修正因子k
i
的变化速率和变化幅度；燃料基准信号修正因子k
i
的变化速率不高于
±
0.05/min。
[0024]
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
[0025]
(1)在燃料市场化条件下，发电机组无法一直燃用设计煤种，普遍存在煤源多变、煤质波动频繁的现象。本发明控制系统及方法在实际燃用煤质偏离设计煤种时，能够自动适应新的煤质条件，使燃料量基准信号能够实时匹配当前燃用的煤质，为燃料指令比例积分控制器与实际微分环节创造良好的条件；
[0026]
(2)本发明提出了燃料量基准信号修正因子k
i
的更新计算条件，使煤质变化的自适应更新可以更快更稳定的实现，避免动态过程瞬态不平衡对理论燃料量估计的不利影响，相比现有技术可以更好地兼顾响应快速性和计算稳定性。
附图说明
[0027]
图1为现有火电厂单元机组协调控制策略简易sama图。
[0028]
图2为机组负荷
‑
燃料对应曲线图。
[0029]
图3为本发明火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制策略简化sama图。
[0030]
图中：1——燃料指令人工偏置；2——燃料量基准函数发生器；3——燃料指令比例积分控制器；4——实际微分环节；5——加法器；6——燃料量偏差模块；7——除法器；8——切换模块；9——乘法器。
具体实施方式
[0031]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
[0032]
首先，锅炉设计时除采用设计煤种作为锅炉选型设计基础外，还会根据实际燃用煤种情况的预估，采用两种校核煤种进行锅炉设计的校核。校核煤种对应的示例数据一般如表1和图1所示，设计煤种曲线处于两个校核煤种曲线之间，校核煤种从锅炉设计角度代表了实际燃用煤种的有效波动区间，也即该型锅炉实际燃用煤质应介于两个校核煤种曲线之间，才能保障锅炉及其辅助设备的性能。实际机组运行中大部分情况也是满足这样的规律。这样，虽然无法给出实时精确的燃料量基准函数发生器2的参数，但可以根据校核煤种确定燃料量基准函数发生器2的煤种变化控制边界。
[0033]
在此基础上，燃料量基准函数发生器2的函数曲线应能自适应煤种变化，形成更加实用和精准的燃料量需求基准，为整个协调控制奠定良好的基础，使系统始终处于小偏差的近似线性控制范围，这样以燃料指令比例积分控制器3与实际微分环节4为代表的常规比例(p)、积分(i)、微分(d)就很容易获得良好的控制品质和控制鲁棒性。
[0034]
如前所述，机组协调控制系统输出的最终的锅炉燃料需求指令bm可表示为4个回路的和：
[0035]
bm＝f(x) pi d sg
[0036]
式中，f(x)为燃料量基准函数发生器2的函数曲线输出；pi为燃料指令比例积分控制器3的输出；d为实际微分环节4的输出；sg为燃料指令人工偏置输出。
[0037]
当机组达到稳定状态后，最终的锅炉燃料需求指令bm等于锅炉的实际燃料使用量fs，实际微分环节4的输出d＝0，即：
[0038]
fs＝bm＝f(x) pi sg
[0039]
与理想的控制作用
[0040][0041]
之间存在偏差，其主要原因是实际入炉燃用煤质的燃料消耗量曲线(如表1和图2示例)与燃料量基准函数发生器2设置的曲线f(x)之间存在一定的偏差。其中燃料指令比例积分控制器3的输出pi是为了弥补燃料量基准函数发生器2的函数曲线输出f(x)的不准确。但是，pi调节的最终输出需要时间，尤其是当实际燃用煤质偏离较大时，导致f(x)偏离理想值较大，不仅导致动态过度过程偏长，甚至可能导致控制的不稳定或发散风险，这是燃煤机组协调控制面临的最核心问题之一。
[0042]
本发明一种火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制策略的目的就是在实
际燃用煤质偏离设计煤种时，能够自动适应新的煤质条件，使燃料量基准信号能够实时匹配当前燃用的煤质，为燃料指令比例积分控制器3与实际微分环节4创造良好的条件。
[0043]
如图3所示，本发明一种火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统，包括与火力发电单元机组协调控制系统连接的燃料量偏差模块6、除法器7、切换模块8和乘法器9；所述偏差模块6的输入端连接实际燃料使用量fs与火力发电单元机组协调控制系统的燃料指令人工偏置1，燃料量偏差模块6的输出端连接除法器7的被除数管脚，火力发电单元机组协调控制系统的燃料量基准函数发生器2的输出端连接除法器7的除数管脚，除法器7的输出端连接切换模块8的输入端，切换模块8的燃料量基准信号修正因子k
i
输出端经乘法器9与燃料量基准函数发生器2的输出端共同连接加法器5的输入端，加法器5的输出端输出最终的锅炉燃料需求指令。
[0044]
本发明所述的火力发电单元机组自适应煤种变化的协调控制系统的控制方法，实际燃料使用量fs与燃料指令人工偏置1经过偏差模块6输入除法器7的被除数管脚，燃料量基准函数发生器2的输出接入除法器7的除数管脚，除法器7计算输出的商值经切换模块8生成燃料量基准信号修正因子k
i
，经乘法器9，作用于燃料量基准函数发生器2的输出，代替火力发电单元机组协调控制系统的燃料量基准函数发生器2的输出，形成最终的燃料量基准信号，送入加法器5，形成最终的锅炉燃料需求指令bm。
[0045]
本发明提出燃料量基准信号修正因子k
i
，此时燃料量需求信号bm表达为：
[0046]
bm＝k
i
f(x) pi sg
[0047]
简单地，当时，即可实现锅炉的实际燃料使用量fs＝bm的理想控制目标，但需满足一定的前提条件，否则系统会产生不可预知的振荡甚至发散。因此，设计实际控制系统如图3所示。
[0048]
实际燃料使用量fs与燃料指令人工偏置1经过偏差模块6输入除法器7的被除数管脚，燃料量基准函数发生器2的输出接入除法器7的除数管脚，除法器7计算输出的商值经切换模块8生成燃料量基准信号修正因子k
i
，经乘法器9，作用于燃料量基准函数发生器2的输出，代替常规火力发电单元机组协调控制系统的燃料量基准函数发生器2的输出，形成最终的燃料量基准信号，送入加法器5，形成最终的锅炉燃料需求指令bm。
[0049]
其中切换模块8用于控制燃料量基准信号修正因子k
i
的计算更新与保持当前值之间的切换，即只有满足一定条件时才进行燃料量基准信号修正因子k
i
的更新计算，否则保持当前燃料量基准信号修正因子k
i
以维护机组协调控制的稳定。
[0050]
燃料量基准信号修正因子k
i
的更新计算(切换模块8切换为输出y管脚)条件包括：a)机组负荷稳定；b)压力控制偏差不大；c)机组处于协调控制方式；d)前述条件保持一定的时间(推荐设置5min以上)。在这种情况下，最终的锅炉燃料需求指令bm保持稳定，实际微分环节4的输出d为0，燃料指令比例积分控制器3的输出pi中的比例作用输出近似为0而积分作用输出基本相当于弥补设置f(x)与理想值的偏差。
[0051]
由于燃料量基准信号修正因子k
i
发生变化时，需要燃料指令比例积分控制器3的积分作用通过一定的时间来通过最终的锅炉燃料需求指令bm的不平衡变化，逐渐削弱积分作用输出，缓慢过渡到新的小偏差控制作用范围。这一过程不宜过快，否则容易引起协调控
制系统的不稳定，因此，切换模块8许设置切换速率(即一般主流dcs系统的切换模块都可设置输入之间切换时，输出的变化率小于一定的定值，以避免切换模块8输出的突变)。这相当于设置了燃料基准信号修正因子k
i
的变速率，因此切换模块8的切换速率参考燃料基准信号修正因子k
i
的变速率上限进行设置。
[0052]
此外，由于燃料基准信号修正因子k
i
的变化会直接影响协调控制系统的锅炉主控输出，对系统的影响较大，因此，需对燃料基准信号修正因子k
i
的变化进行限速和限幅，即严格限制燃料基准信号修正因子k
i
的变化速率和变化幅度。燃料基准信号修正因子k
i
的变化幅度参考表1和图2中的两个校核煤种对应的修正因子上下限进行设置；燃料基准信号修正因子k
i
的变化速率一般应不高于
±
0.05/min，可根据实际煤质的波动情况和锅炉的惯性大小，设置更低的变化速率限值。