使用基于模型的溫度平衡的蒸汽溫度控制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利整體涉及鍋爐系統(tǒng)的控制并且在一個具體實例中涉及使用基于模型的溫度平衡進行用于生成鍋爐系統(tǒng)的蒸汽的控制和優(yōu)化。
【背景技術(shù)】
[0002]各種工業(yè)以及非工業(yè)應(yīng)用使用燃料燃燒鍋爐，其中，燃料燃燒鍋爐一般進行操作以通過燃燒各種類型的燃料如煤、煤氣、石油、廢料等等中的一種來將化學能轉(zhuǎn)換為熱能。燃料燃燒鍋爐的示例性的使用是在熱力發(fā)電機中，其中，燃料燃燒鍋爐從經(jīng)過鍋爐中的大量管子和管道傳遞的水生成蒸汽，并且生成的蒸汽然后用于操作一個或多個蒸汽渦輪以產(chǎn)生電。熱力發(fā)電機的輸出基于鍋爐中生成的熱量的數(shù)量，其中，熱量的數(shù)量直接由例如每小時消耗(例如燃燒)的燃料的數(shù)量確定。
[0003]在許多情況中，發(fā)電系統(tǒng)包括鍋爐，鍋爐具有用于燃燒或以其他方式使用燃料來生成熱量的爐子，熱量又被傳遞給流經(jīng)鍋爐的各個部分中的管子或管道的水。典型的蒸汽生成系統(tǒng)包括具有過熱器部分(其具有一個或多個子部分)的鍋爐，其中，在該過熱器部分中產(chǎn)生蒸汽并且蒸汽被提供給通常高壓的第一蒸汽渦輪并且在第一蒸汽渦輪中使用。雖然基于熱力的發(fā)電機的效率嚴重依賴于用于燃燒燃料并且傳遞熱量給在鍋爐的過熱器部分或任意額外部分中流動的水的特定爐子/鍋爐組合的熱傳遞效率，但是該效率還依賴于用于控制鍋爐的過熱器部分或任意額外部分中的蒸汽的溫度的控制技術(shù)。
[0004]然而，如我們將理解的，發(fā)電廠的蒸汽渦輪一般在不同的時間運行在不同的操作等級上，以基于能量或負載需求產(chǎn)生不同數(shù)量的電流。對于大部分使用蒸汽鍋爐的發(fā)電廠，在鍋爐的最終過熱器出口處的期望蒸汽溫度設(shè)置點是保持恒定的，并且在全部負載等級上必需保持蒸汽溫度接近該設(shè)置點(例如在窄的范圍之內(nèi))。具體地，在使用(例如發(fā)電)鍋爐的操作中，蒸汽溫度的控制是關(guān)鍵的，因為從鍋爐流出的和進入蒸汽渦輪的蒸汽的溫度處于最優(yōu)期望溫度是重要的。如果蒸汽溫度過高，則蒸汽可能由于各種冶金學的原因?qū)е抡羝麥u輪的葉片損壞。另一方面，如果蒸汽溫度過低，則蒸汽可能包括水顆粒，這又可能在蒸汽渦輪的長時期操作后損壞蒸汽渦輪的組件以及降低渦輪的操作效率。此外，蒸汽溫度的變化還導致金屬材料疲勞，其導致管道泄漏。
[0005]一般，鍋爐的每個部分(即過熱器部分和任意附加部分如再熱器部分)包括級聯(lián)的熱交換器部分，其中，從一個熱交換器部分流出的蒸汽進入接下來的熱交換器部分，使得在每個熱交換器部分處蒸汽的溫度增加直到蒸汽理想地以期望的蒸汽溫度輸出給渦輪為止。一些熱交換器部分包括例如單獨的主過熱器，這些主過熱器并行連接并且又可以串行連接到最終的過熱器。在該級聯(lián)配置中，主要通過控制在鍋爐的第一級的輸出處的水的溫度(這主要通過改變提供給爐子的燃料/空氣混合物或者通過改變提供給爐子/鍋爐組合的燃燒速率對輸入給水的比率來實現(xiàn))來控制蒸汽溫度。在不具有鍋筒的直流式鍋爐系統(tǒng)中，可以主要使用輸入到系統(tǒng)的燃燒速率對給水比率來調(diào)節(jié)在渦輪的輸入處的蒸汽溫度。
[0006]雖然改變提供給爐子/鍋爐組合的燃料/空氣比率和燃燒速率對給水比率操作良好地隨著時間實現(xiàn)蒸汽溫度的期望控制，但是僅使用燃料/空氣混合物控制和燃燒速率對給水比率控制難以控制在鍋爐的各種部分處的蒸汽溫度的短期波動。反之，為了執(zhí)行短期(以及次級)蒸汽溫度控制，在位于緊靠渦輪的上游、最終熱交換器部分之前處將飽和水噴霧到蒸汽中。該次級蒸汽溫度控制操作一般發(fā)生在每個主過熱器的輸出處并且在鍋爐的最終熱交換器部分之前。為了實現(xiàn)該操作，沿蒸汽流動路徑并且在熱交換器部分之間設(shè)置溫度傳感器以測量在沿流動路徑的關(guān)鍵點處的蒸汽溫度，并且為了蒸汽溫度控制目的而將測量的溫度用于調(diào)節(jié)向蒸汽中噴霧的飽和水的量。
[0007]在一些情況中，必須嚴重依賴噴霧技術(shù)來根據(jù)需要盡可能精確地控制蒸汽溫度，以滿足上述的渦輪溫度約束。在一個實例中，經(jīng)過鍋爐中的一組導管來提供連續(xù)的水(蒸汽)流并且不使用鍋筒以實際上將流出第一鍋爐部分的蒸汽或水的溫度進行平均化的直流式鍋爐系統(tǒng)可能在蒸汽溫度中經(jīng)歷更大的波動并且因此一般需要噴霧部分的更繁重的使用來控制到渦輪的輸入處的蒸汽溫度。在這些系統(tǒng)中，一般使用燃燒速率對給水比率控制連同過熱器噴霧流動來調(diào)節(jié)爐子/鍋爐系統(tǒng)。在這些以及其他鍋爐系統(tǒng)中，分布式控制系統(tǒng)(DCS)使用級聯(lián)PID (比例積分微分)控制器來控制提供給爐子的燃料/空氣混合物和在渦輪上游執(zhí)行的噴霧的量。
[0008]然而，級聯(lián)PID控制器一般以反作用的方式響應(yīng)于待控制的從屬過程變量(如待被傳遞到渦輪的蒸汽的溫度)的實際值或等級與設(shè)置點之間的差或誤差。即，控制響應(yīng)發(fā)生在從屬過程變量已經(jīng)從其設(shè)置點漂移之后。例如，僅在傳遞給渦輪的蒸汽的溫度已經(jīng)從其目標漂移之后位于渦輪的上游的噴霧閥才被控制以重新調(diào)整它們的噴霧流。無疑，該反作用控制響應(yīng)結(jié)合改變鍋爐操作條件可能導致大的溫度擺動，該大的溫度擺動導致對鍋爐系統(tǒng)的壓力并且縮短管道、噴霧控制閥和系統(tǒng)的其他組件的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本文描述的系統(tǒng)、方法和控制器的實施方式包括用于控制蒸汽生成系統(tǒng)的技術(shù)，包括使用動態(tài)矩陣控制來控制蒸汽生成系統(tǒng)的至少一部分，如輸入蒸汽生成系統(tǒng)的最終過熱器組件的蒸汽的溫度。最終過熱器組件加熱輸入蒸汽以產(chǎn)生輸入到渦輪的輸出蒸汽。本文所使用的術(shù)語“輸出蒸汽”是指從蒸汽生成系統(tǒng)立即傳遞到渦輪中的蒸汽。本文所使用的“輸出蒸汽溫度”是離開蒸汽生成系統(tǒng)并且進入渦輪的輸出蒸汽的溫度。
[0010]用于控制蒸汽生成系統(tǒng)的技術(shù)可以包括第一控制塊，該第一控制塊接收兩個信號作為輸入，該兩個信號中的每個信號對應(yīng)于該蒸汽生成系統(tǒng)的中間部分的實際值、等級或測量值。該技術(shù)進一步包括動態(tài)矩陣控制塊，該動態(tài)矩陣控制塊接收與該蒸汽生成系統(tǒng)的待被控制的部分的實際值、等級或測量值相對應(yīng)的信號(例如實際輸出蒸汽溫度)作為其輸入；以及該蒸汽生成系統(tǒng)的待被控制的部分的設(shè)置點(例如輸出蒸汽溫度設(shè)置點)。第一控制塊基于其輸入生成用于表示兩個輸入信號的實際值、等級或測量值之間的差的偏移值。動態(tài)矩陣控制塊基于其輸入生成與多個現(xiàn)場設(shè)備相關(guān)聯(lián)的控制信號以控制中間部分的值、等級或測量值。該技術(shù)還包括用于根據(jù)該動態(tài)矩陣控制的控制信號生成第一控制信號和第二控制信號的模塊。附加模塊基于偏移值修改該第一控制信號。該技術(shù)被配置為將修改的第一控制信號提供給第一現(xiàn)場設(shè)備以控制該中間部分的一部分并且提供該第二控制信號給第二現(xiàn)場設(shè)備以控制該中間部分的附加部分。該第一現(xiàn)場設(shè)備和第二現(xiàn)場設(shè)備朝著蒸汽生成系統(tǒng)的至少一部分的期望輸出蒸汽溫度設(shè)置點影響該至少一部分。因此，延長了蒸汽生成系統(tǒng)的管道、閥和其他內(nèi)部組件的壽命，因為該技術(shù)將由于系統(tǒng)中的溫度和其他變量的擺動導致的壓力最小化。
【附圖說明】
[0011]圖1示出了具有用于一組典型的蒸汽動力渦輪的過熱器部分的典型的鍋爐蒸汽循環(huán)的方框圖，該過熱器部分具有并行連接到最終過熱器的兩個主過熱器；
[0012]圖2示出了用于以現(xiàn)有方式控制如圖1的蒸汽動力渦輪的鍋爐蒸汽循環(huán)的過熱器部分的示意圖；
[0013]圖3示出了以有助于優(yōu)化系統(tǒng)的效率來控制圖1的過熱器部分的鍋爐蒸汽循環(huán)的示意圖；
[0014]圖4示出了一個用于控制蒸汽生成鍋爐系統(tǒng)的示例性方法。
【具體實施方式】
[0015]雖然以下文本描述了本發(fā)明的多個不同實施方式的詳細描述，但是應(yīng)該理解本發(fā)明的法律范圍是由本專利所附權(quán)利要求的文字限定的。詳細描述僅被理解為示例性的并且不是描述本發(fā)明的每個可能的實施方式，因為描述每個可能的實施方式即使可能的也是不切實際的?？梢允褂卯斍凹夹g(shù)或在本發(fā)明的遞交日之后開發(fā)的技術(shù)實現(xiàn)多個可替換實施方式，這將仍然落入用于限定本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍中。
[0016]圖1示出了可以例如在熱力發(fā)電廠中使用的典型的鍋爐100的直流式鍋爐蒸汽循環(huán)的方框圖。鍋爐100可以包括各種部分，蒸汽或水可以以各種形式流經(jīng)該各種部分。圖1的鍋爐100描述了多個過熱器部分，過熱蒸汽流經(jīng)該過熱器部分，但是應(yīng)該理解，還構(gòu)思了其他部分，如再熱器部分。雖然圖1中示出的鍋爐100具有各種水平放置的鍋爐部分，但是在實際實現(xiàn)中，這些部分中的一個或多個可以彼此垂直地放置，特別是因為用于加熱各種不同鍋爐部分(如水墻吸收部分)中的蒸汽的燃料氣體垂直地上升(或者垂直地盤旋)。
[0017]在任意情況中，如圖1中所示的，鍋爐100包括爐子和主水壁吸收部分102、第一主過熱器吸收部分104、第二主過熱器吸收部分105以及最終過熱器吸收部分106。另外，鍋爐100可以包括第一減溫器或者噴霧器部分110、第二減溫器或者噴霧器部分111和節(jié)能器(ecomonizer)部分114。在操作期間，由鍋爐100生成并且由最終過熱器吸收部分106輸出的主蒸汽用于驅(qū)動高壓(HP)渦輪116。在一些情況中，鍋爐100也可以用于驅(qū)動低壓或中壓渦輪，如在圖1中未示出的在再熱器吸收部分中包括的低壓或中壓渦輪。
[0018]主要負責生成蒸汽的水壁吸收部分102包括大量導管，來自節(jié)能器部分114的水或蒸汽通過該導管在爐子中加熱。當然，進入水壁吸收部分102的給水可以通過節(jié)能器部分114泵送，并且該水當處于水壁吸收部分102中時吸收大量熱量。在水壁吸收部分102的輸出處提供的蒸汽或水供給到第一主過熱器吸收部分104和第二主過熱器吸收部分105。
[0019]如圖1中所示的，第一主過熱器吸收部分104與第二主過熱器吸收部分105并行連接(即水同時流經(jīng)第一主過熱器吸收部分104和第二主過熱器吸收部分105)。第一主過熱器吸收部分104和第二主過熱器吸收部分105中的每一個被配置為加熱進入其中的水并且輸出已加熱的水。流出第一主過熱器吸收部分104和