專利名稱：二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)dbc協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種火電廠單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，特別是一種基于雙向直接能質(zhì)平衡機(jī)理的二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)DBC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于熱工自動控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)30年代到60年代，歐洲開發(fā)出了兩種直流鍋爐專利技術(shù)，即本生(Benson) 直流鍋爐和蘇爾壽(Sulzer)直流鍋爐。同時，聯(lián)邦德國、美國、原蘇聯(lián)等國家先后建造超臨界直流鍋爐試驗(yàn)臺進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅超臨界機(jī)組的效率更高， 超臨界蒸汽也有其一定優(yōu)越性。因此，吸引了當(dāng)時經(jīng)濟(jì)發(fā)展快、電力需求高、競爭力較強(qiáng)的發(fā)達(dá)國家如美國、蘇聯(lián)、日本等大力發(fā)展超(超)臨界參數(shù)的火力發(fā)電機(jī)組。1959年，容量為325MW、參數(shù)為36. 5MPa/654°C /566°C /566°C的二次再熱超超臨界機(jī)組在美國艾迪斯頓 (Eddystone)電廠投運(yùn)，鍋爐由美國燃燒工程公司(CE)設(shè)計(jì)制造，汽輪發(fā)電機(jī)組由美國西屋公司(Westinghouse)制造，機(jī)組控制系統(tǒng)則由當(dāng)時美國著名的儀表制造商L&N公司提供，這也是迄今為止世界上設(shè)計(jì)參數(shù)最高的火力發(fā)電機(jī)組。但由于美國第一批投入商業(yè)運(yùn)行的超超臨界機(jī)組陸續(xù)暴露出了在可靠性和適應(yīng)性等方面的諸多問題，其發(fā)展經(jīng)歷了一個先揚(yáng)后抑的過程。到上世紀(jì)70年代中期，由于石油危機(jī)和環(huán)境因素等的影響，美國、法國等先進(jìn)工業(yè)國家轉(zhuǎn)而大力發(fā)展核電技術(shù)。1979年美國國內(nèi)總共只訂購了 18臺鍋爐，無論從鍋爐的臺數(shù)和容量看，都下降到I960年以來的最低水平，而且，這些機(jī)組全部是亞臨界壓力鍋爐。而從70年代起，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動控制理論和工業(yè)自動控制系統(tǒng)進(jìn)入了一個迅速發(fā)展的時期，尤其是計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)DCS的出現(xiàn)，對電站自動化技術(shù)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用。而L&N公司著名的DEB直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(簡稱DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，參見美國專利U. S. 3545207,U. S. 3802189,U. S. 3896623、 U. S. 4174618、U. S. 4213304)也是在這一時期提出的。在L&N公司汽包鍋爐-汽輪機(jī)DEB 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，汽機(jī)側(cè)主控回路穩(wěn)定工況閉環(huán)調(diào)節(jié)功率，在機(jī)前壓力偏差超死區(qū)時設(shè)計(jì)有壓力拉回控制作用，鍋爐側(cè)主控回路則是以反映汽機(jī)對鍋爐能量需求的能量平衡信號 PsXP1A3t作為鍋爐側(cè)的負(fù)荷前饋指令，熱量信號Pi+KXdPD/dt作為燃料量反饋，將單元機(jī)組鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組這一相互影響的復(fù)雜多變量控制系統(tǒng)單向解耦，轉(zhuǎn)化為單變量系統(tǒng)。系統(tǒng)固有保持機(jī)前壓力等于其定值的能力，從而無需機(jī)前壓力閉環(huán)校正回路。上世紀(jì) 80年代初，我國從美國CE公司和Westinghouse公司引進(jìn)了亞臨界燃煤火力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)，DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)也開始在國內(nèi)的汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)田[1]
Ztd ο從上世紀(jì)80年代起，美國火力發(fā)電技術(shù)的研究重心更多地轉(zhuǎn)向了效率更高的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)。因此，盡管在上世紀(jì)的后三 四十年里，美國在傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用一直處于世界領(lǐng)先地位，但其后的發(fā)展速度相對緩慢，逐漸失去了原有的優(yōu)勢， 一些著名的電站設(shè)備制造廠商紛紛兼并重組。包括美國L&N公司也數(shù)度易手(現(xiàn)為Metso公司)，雖然其DCS產(chǎn)品仍在發(fā)展，由MAX-I過渡到MAX-1000，并發(fā)展為現(xiàn)在的maxDNA，但其在機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方面的研究到上世紀(jì)80年代后期就基本停滯不前了 [2]。美國的大型電站鍋爐制造技術(shù)逐步轉(zhuǎn)移到歐洲、日本等國家之后，在這些國家得到了進(jìn)一步的開發(fā)推廣，并圍繞美國巴布科克·威爾科克斯公司(B&W)、美國燃燒工程公司(CE)和美國福斯特·惠勒公司(FW)的電站鍋爐制造技術(shù)形成了三個各具特色的技術(shù)流派。上世紀(jì)70年代，隨著鍋爐材料和制造工藝的成熟，尤其是歐洲開發(fā)出了目前被廣泛應(yīng)用的、更適合于變壓運(yùn)行的螺旋管圈膜式水冷壁直流鍋爐之后，超臨界機(jī)組進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期?；诩夹g(shù)沿襲和連貫性，以Siemens、ABB、Bailey、MHI, Hitachi等為代表的歐洲和日本著名廠商，以及美國ffestinghouse、Foxboro公司等在超臨界機(jī)組控制技術(shù)方面都已自成體系，更側(cè)重于在其傳統(tǒng)的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案上加以完善和優(yōu)化，因此Metso公司近年來無論是在控制功能還是硬件產(chǎn)品的應(yīng)用上都受到了很大的局限，也制約了其技術(shù)的突破。盡管Metso公司在其DEB-400的資料中將早期的超臨界直流鍋爐_汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制方案也納入其中[3]，卻并沒有顯示出比其專利技術(shù)的汽包爐單元機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案更顯著的特點(diǎn)，僅保留了以PsXP1A3t作為能量平衡信號的技術(shù)特征。上世紀(jì)末到本世紀(jì)初，上海、東方、哈爾濱等主要電站設(shè)備制造集團(tuán)先后從國外引進(jìn)了超臨界火力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。1992年，我國第一臺超臨界參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組在上海石洞口二廠成功投入商業(yè)運(yùn)行。截止2011年底，我國投產(chǎn)的超臨界機(jī)組已逾數(shù)百臺，百萬等級超超臨界機(jī)組也達(dá)到了 41臺，數(shù)量已居世界第一。超臨界參數(shù)火力發(fā)電機(jī)組由于蒸汽工質(zhì)本身的熱物理特性決定了其只能采用直流鍋爐。與汽包鍋爐相比較，直流鍋爐的主要特點(diǎn)是汽水流程中沒有作為汽水固定分界點(diǎn)的汽包，工質(zhì)依靠給水泵的壓頭一次性通過鍋爐蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面。同時，現(xiàn)代超臨界機(jī)組一般都設(shè)計(jì)采用變壓運(yùn)行方式。這時，鍋爐工質(zhì)會從亞臨界變化到超臨界狀態(tài)，其間工質(zhì)物性會發(fā)生顯著變化。在亞臨界時，工質(zhì)的加熱區(qū)段有熱水段，蒸發(fā)段和過熱段；隨著鍋爐運(yùn)行壓力升高，汽化潛熱減少，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)達(dá)到或超過臨界點(diǎn)(壓力22. 115MPa、溫度374. 15°C )時，水直接變?yōu)檎羝瘽摕釣榱?。至此，鍋爐內(nèi)的工質(zhì)不再有汽液兩相共存的蒸發(fā)段。超臨界機(jī)組這種復(fù)雜的熱力學(xué)特性導(dǎo)致機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各主要控制變量之間具有維數(shù)更高的非線性和時變、強(qiáng)耦合特性，簡單采用類似于亞臨界汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)2X2階的解耦設(shè)計(jì)方案已無法滿足直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制的需要。由于無法像汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組那樣選取一個類似汽包壓力Pd那樣能夠綜合反映機(jī)爐能量和質(zhì)量動態(tài)平衡的測量信號，在目前的實(shí)際工程應(yīng)用中，各種經(jīng)典的直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)所采用的方案仍是通過選擇被控對象各輸入量和輸出量的匹配，按單變量控制方法設(shè)計(jì)各自的閉環(huán)調(diào)節(jié)回路，然后設(shè)置解耦因子來實(shí)現(xiàn)各個并行的調(diào)節(jié)回路之間響應(yīng)性能與解耦程度之間的折衷⑷。也就是設(shè)計(jì)為以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CBF)或以汽輪機(jī)跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CTF)。在這兩種經(jīng)典的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，汽輪機(jī)和鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)回路將分別控制汽輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率Nt和汽輪機(jī)機(jī)前壓力Ρτ，或反之。這種采用機(jī)組輸出功率Nt、汽輪機(jī)機(jī)前壓力Pt和鍋爐出口蒸汽溫度Tb作為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制變量的設(shè)計(jì)方案又常稱為間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) (或直接指令平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)DIB)。 中國專利CN101988697A給出了根據(jù)被控參數(shù)的變化在上述兩種傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模式之間進(jìn)行智能自適應(yīng)切換的方法，在變負(fù)荷和穩(wěn)定運(yùn)行時能自動選擇較理想的運(yùn)行控制模式；中國專利CN101509656則提出了一種在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上增加燃燒率和給水增量觀測器，以改善現(xiàn)有的超臨界直流鍋爐綜合型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的方法。
一般地，直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對象可簡化為一個3 X η維多輸入輸出模型，這個模型反映了被控對象的基本耦合特征和并行調(diào)節(jié)回路的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。其中輸入分別為鍋爐燃燒率指令，鍋爐給水流量指令和汽機(jī)功率(或調(diào)門開度)指令；當(dāng)η取 5時其被控對象模型的輸出一般為汽輪發(fā)電機(jī)組輸出的實(shí)際功率Nt、汽輪機(jī)機(jī)前壓力Pt、鍋爐出口蒸汽溫度ΤΒ、直流鍋爐中間點(diǎn)溫度Tm和鍋爐燃水比。其中，直流鍋爐中間點(diǎn)溫度Tm是直流鍋爐運(yùn)行過程中一個重要的監(jiān)控參量，但對超臨界直流鍋爐，其變壓運(yùn)行時工質(zhì)將從亞臨界過渡到超臨界狀態(tài)，因此，中間點(diǎn)溫度的變化具有更明顯的非線性特性。在亞臨界參數(shù)下，要保證該點(diǎn)的溫度具有一定的過熱度，以防止過熱器進(jìn)水，而進(jìn)入超臨界狀態(tài)，則既要保證工質(zhì)的大比熱區(qū)盡可能地離開強(qiáng)輻射受熱區(qū)域；又要兼顧中間點(diǎn)溫度控制特性的雙向線性度和對稱度。加之中間點(diǎn)溫度本身的大滯后特征，與汽包鍋爐中的汽包壓力信號Pd相比，并不能很好地直接表征為直流鍋爐的能量平衡信號。燃水比也是直流鍋爐最重要的一個控制變量。通常設(shè)計(jì)采用鍋爐燃水比信號來作為直流鍋爐燃料和給水間的靜態(tài)平衡因子。但在鍋爐煤質(zhì)變化較大，發(fā)熱量偏離設(shè)計(jì)值時， 燃水比信號的校正作用將隨之偏離，仍需要通過中間點(diǎn)溫度等Tm信號進(jìn)行多級校正。為了克服各種干擾和不確定因素對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響，一些國外技術(shù)支持廠商提供的直流鍋爐控制策略中在鍋爐給水流量控制回路中引入了鍋爐蒸發(fā)受熱面焓差信號來進(jìn)行燃水比的修正，但其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)仍然和前面所述相同[5]；國內(nèi)也有研究者對超超臨界機(jī)組熱量信號問題進(jìn)行了分析，套用了類似汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組 DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來完善直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[6]，但并沒有給出一個能夠在工程中應(yīng)用的完整控制方案。德國Siemens公司則提出了一種采用凝結(jié)水節(jié)流的直流鍋爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案，充分利用整個熱力系統(tǒng)的蓄質(zhì)和蓄能來提高機(jī)組的響應(yīng)能力，但該方案的實(shí)施要求整個熱力系統(tǒng)本身予以匹配[7]。美國專利U. S. 4909037給出的直流鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案用一個磨煤機(jī)的模型取代了汽包爐DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中汽包壓力的微分信號來作為鍋爐能量信號，但磨煤機(jī)本身是鍋爐設(shè)備中動態(tài)不確定性最大的一個，采用試驗(yàn)獲得這個精確的模型是相當(dāng)困難的。中國專利CN101922317A則給出了一個與現(xiàn)有DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)技術(shù)文獻(xiàn)極為相近的“超臨界機(jī)組直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)” 的原理性表述。其附圖
中的“能量平衡信號模塊”輸出至一個“電壓補(bǔ)償模塊”，并將其引入到“鍋爐輸入?yún)f(xié)調(diào)模塊”作為機(jī)爐直接能量平衡信號，這個語義不詳?shù)摹半妷骸毙盘栵@然有悖于工藝過程的基本物理機(jī)理。比對該專利中其它多處不甚準(zhǔn)確的專業(yè)詞匯表述及對相關(guān)文獻(xiàn)檢索后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)是對DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)英文技術(shù)文獻(xiàn)中“汽壓”信號的譯誤[3]。有了上世紀(jì)80年代初技術(shù)引進(jìn)和消化吸收形成的技術(shù)基礎(chǔ)，加之國外技術(shù)支持廠商提供的典型設(shè)計(jì)方案作為參考，近年來國內(nèi)新建的一大批超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)絕大多數(shù)都由國內(nèi)相關(guān)企業(yè)自主完成工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用。但由于部分國內(nèi)自動化廠商對直流鍋爐控制機(jī)理和控制策略的了解和研究并不深入，這些機(jī)組的設(shè)計(jì)方案多為國外參考方案的簡單拷貝。加之國內(nèi)新建機(jī)組基建調(diào)試周期短，極少安排必要的調(diào)整試驗(yàn)，為了趕工期而對原有設(shè)計(jì)無謂刪減的現(xiàn)象也多有發(fā)生，造成實(shí)際投運(yùn)的部分超臨界機(jī)組控制功能缺乏完整性和規(guī)范性，與以往亞臨界機(jī)組控制水平相比并未有實(shí)質(zhì)性的提高。而國外技術(shù)支持廠商提供的一些參考設(shè)計(jì)方案本身就是上世紀(jì)80年代末期的典型設(shè)計(jì)，在一些新建超超臨界機(jī)組的投運(yùn)過程中，其自身也發(fā)現(xiàn)了其中的一些技術(shù)問題，由于該部分技術(shù)始終未能作為設(shè)計(jì)制造技術(shù)引進(jìn)的重點(diǎn)，無論是國外技術(shù)支持廠商還是鍋爐制造廠均沒有提供進(jìn)一步的技術(shù)支持和服務(wù)。由于直流鍋爐的蓄能和蓄質(zhì)都遠(yuǎn)小于汽包鍋爐，因此，盡管直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組從熱力系統(tǒng)角度看具有更好的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，但主要控制參數(shù)的變化幅度和速率也更大，加之運(yùn)行參數(shù)高，安全裕度小，其控制特性的優(yōu)劣很大程度上限制了機(jī)組的變負(fù)荷適應(yīng)性。尤其是針對國內(nèi)火電廠單元機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷變化頻繁，煤質(zhì)變化較大等實(shí)際情況，工程上迫切需要一種滿足直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行控制特點(diǎn)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。有鑒于此，本發(fā)明申請人在上海市科技創(chuàng)新專項(xiàng)的工作中，對直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組的控制機(jī)理及其設(shè)計(jì)特性參數(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析。在以往的亞臨界汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組中，機(jī)爐間工質(zhì)的質(zhì)量平衡是通過汽包水位三沖量控制回路獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的，汽包鍋爐自然循環(huán)蒸發(fā)受熱面本身也具有流量自補(bǔ)償特性。因此，充分利用其蓄質(zhì)蓄能大的特點(diǎn)，在能量側(cè)實(shí)現(xiàn)單向解耦是亞臨界汽包鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精髓。而直流鍋爐的循環(huán)倍率為1，其工質(zhì)的質(zhì)量(流量)和工質(zhì)的能量(總焓)是直接關(guān)聯(lián)的，具有與汽包鍋爐完全不一樣的控制特性。對直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組而言必須首先解決機(jī)爐間流量的平衡。也就是說，其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是質(zhì)量和能量耦合特性間的動態(tài)解耦，而不僅僅是簡單地找尋一個能量平衡信號。直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種與現(xiàn)有DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理迥異的雙向直接能質(zhì)平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Double Direct Energy and Quality BalanceCoordinated Control System，DBC)，以往機(jī)械參照DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和分析并不完全適合直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組。同時，對不同的機(jī)組類型，在其控制機(jī)理基礎(chǔ)上，也需要根據(jù)其具體技術(shù)特性設(shè)計(jì)不同的選擇方案。在對被控對象物理機(jī)理和設(shè)計(jì)特性進(jìn)行計(jì)算分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，本發(fā)明申請人提出了一種直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組直接能質(zhì)平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想(中國專利CN102323748A)，該發(fā)明針對包括采用全周進(jìn)汽模式的超臨界汽輪機(jī)組，無調(diào)節(jié)級葉片，因而也不存在DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中PsXP1A3t信號的各種機(jī)爐配置型式給出了一種適應(yīng)性更好的直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的動態(tài)遞階解耦控制方案，并在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。但迄今為止，國內(nèi)目前在建和在役的火力發(fā)電機(jī)組全部為一次再熱機(jī)組。而據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界至少已有52臺二次再熱超(超)臨界機(jī)組投入運(yùn)行。其中德國共投運(yùn)11臺二次再熱超(超)臨界機(jī)組，1臺機(jī)組為燃油和天然氣鍋爐，1臺機(jī)組為燃煤鍋爐，另外兩臺機(jī)組燃料情況不明；美國共投運(yùn)23臺二次再熱超(超)臨界機(jī)組，其中5臺機(jī)組為燃重油鍋爐，2臺機(jī)組為燃油和天然氣鍋爐，其它16臺為燃煤鍋爐；日本共投運(yùn)13臺二次再熱超(超)臨界機(jī)組，其中11臺機(jī)組為燃重油鍋爐，2臺機(jī)組為燃天然氣鍋爐；另外丹麥分別有2臺二次再熱超超臨界機(jī)組，分別為1臺燃煤機(jī)組和1臺燃天然氣機(jī)組。上述的大多數(shù)二次再熱機(jī)組的投運(yùn)時間都在上世紀(jì)60 70年代，八、九十年代投運(yùn)的二次再熱機(jī)組明顯減少。由于二次再熱機(jī)組要比相同條件下的一次再熱機(jī)組熱效率高2 %左右，隨著燃料成本及環(huán)保壓力的不斷上升，近年來，國際上又重新開始注重對二次再熱機(jī)組的研發(fā)。從熱力循環(huán)效率和整體經(jīng)濟(jì)性等方面綜合分析，二次再熱技術(shù)更適用于主蒸汽壓力達(dá)到27MPa以上的超超臨界機(jī)組。歐盟、美國和日本的700°C及以上參數(shù)的超超臨界機(jī)組技術(shù)方案中無一例外地選擇了二次再熱技術(shù)[8] [11]。而代表清潔燃煤技術(shù)發(fā)展方向之一的700°C先進(jìn)超超臨界機(jī)組也已經(jīng)列入我國能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃，并組成了產(chǎn)學(xué)研用技術(shù)聯(lián)盟及啟動了相關(guān)的重大科技攻關(guān)計(jì)劃。由于采用了二次再熱，與一次再熱機(jī)組相比，機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制都更為復(fù)雜。從控制的角度看，由于鍋爐再熱吸熱量的份額明顯提高，二次再熱部分受熱面和管道的容積滯后比一次再熱機(jī)組顯著增加，同時，由于汽輪機(jī)再熱高、中、低壓缸的輸出功率占到了整個機(jī)組的2/3以上，而且還有可能采用雙軸布置，形成類似一爐兩機(jī)的單元制結(jié)構(gòu)形式，使得機(jī)組的控制特性與一次再熱機(jī)組相比存在著明顯的差異。從整臺機(jī)組熱力系統(tǒng)集成優(yōu)化的角度考慮[12]，在鍋爐預(yù)熱和汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)等處都會采用節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得整個回?zé)嵯到y(tǒng)在運(yùn)行中呈現(xiàn)出更復(fù)雜的多態(tài)性，也不能簡單地參照一次再熱機(jī)組那樣將汽輪機(jī)被控對象僅視作一個快速動力學(xué)過程。這些都使得二次再熱直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)爐內(nèi)部能量和質(zhì)量的平衡特性都與一次再熱機(jī)組有了很大的不同，在機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須進(jìn)一步加以改進(jìn)和完善。因此，本發(fā)明申請人在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)首臺二次再熱直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)方案，提出了一種能夠充分適合其特點(diǎn)的DBC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[1]鄭昶，曹在基· DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[J],動力工程，1989，(04) :1_9[2]George Keller ΡΕ, Bryan Baker and Russell J. 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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的局限和二次再熱機(jī)組的特點(diǎn)，提出了一種適合二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，針對二次再熱直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)大滯后和多變量耦合特性，利用被控對象本身能量和質(zhì)量的雙向直接平衡機(jī)理， 以及各個受熱面焓增變化的加權(quán)動態(tài)補(bǔ)償和汽輪機(jī)再熱參數(shù)的修正來優(yōu)化二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組被控對象的功率輸出響應(yīng)和汽壓、汽溫等主要被控參數(shù)間的動態(tài)解耦。本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案是由以下方法具體實(shí)現(xiàn)的分別采用直接能量平衡機(jī)理實(shí)現(xiàn)其汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路1與鍋爐燃燒調(diào)節(jié)回路3間的動態(tài)解耦；采用直接質(zhì)量平衡機(jī)理實(shí)現(xiàn)其汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路1與鍋爐給水調(diào)節(jié)回路2間的動態(tài)解耦，同時，當(dāng)動態(tài)過程中機(jī)爐出現(xiàn)能量或質(zhì)量失衡時，非對稱約束回路4將對上述回路中的相關(guān)信號進(jìn)行限幅，具體是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(一)汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路1的控制輸入為機(jī)組功率指令信號ULD和機(jī)組實(shí)際功率Nt之差ΔNt = ULD-Nt,即汽輪機(jī)功率指令μ τ = PID (ΔNT-f (Hm))其中，PID (ANT-f(HM))是汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路1的比例_積分-微分控制器， f(HM)為機(jī)側(cè)能量修正系數(shù)，Hm為鍋爐蒸發(fā)受熱面焓增；步驟(二)選取汽輪機(jī)一級壓力P1、二次再熱直流鍋爐各受熱面焓或焓增Hi的微
分、鍋爐中間點(diǎn)壓力Pm的微分諸項(xiàng)之和Α+ ； KXc^Z^iATpXitfVW作為鍋爐的熱量信
)=1
號％，并將其與代表汽輪機(jī)對鍋爐能量需求的能量指令信號Dq = PsX APeXP1ZPt相比較， 作為鍋爐燃燒調(diào)節(jié)回路3的控制輸入，即鍋爐燃燒率指令
權(quán)利要求
1.一種二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)DBC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于分別采用直接能量平衡機(jī)理實(shí)現(xiàn)其汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路(1)與鍋爐燃燒調(diào)節(jié)回路(3)間的動態(tài)解耦；采用直接質(zhì)量平衡機(jī)理實(shí)現(xiàn)其汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路(1)與鍋爐給水調(diào)節(jié)回路O)間的動態(tài)解耦，同時，當(dāng)動態(tài)過程出現(xiàn)機(jī)爐能量或質(zhì)量失衡時，非對稱約束回路(4)將對上述回路中的相關(guān)信號進(jìn)行限幅，具體是按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟(一)汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路(1)的控制輸入為機(jī)組功率指令信號ULD和機(jī)組實(shí)際功率Nt之差Δ Nt = ULD-Nt,即汽輪機(jī)功率指令Ut = PID ( Δ NT-f (Hm))其中沖10(八&4(4))是汽輪機(jī)功率調(diào)節(jié)回路(1)的比例-積分-微分控制器，f (Hm)為機(jī)側(cè)能量修正系數(shù)，Hm為鍋爐蒸發(fā)受熱面焓增；步驟(二)選取汽輪機(jī)一級壓力P1、二次再熱直流鍋爐各受熱面焓或焓增Hi的微分、OT鍋爐中間點(diǎn)壓力Pm的微分諸項(xiàng)之和Α+Σ KX^M^^^X^Vd作為鍋爐的熱量信號/=1Qb，并將其與代表汽輪機(jī)對鍋爐能量需求的能量指令信號Dq = PsX APeXP1ZPt相比較，作為鍋爐燃燒調(diào)節(jié)回路(3)的控制輸入，即鍋爐燃燒率指令Pb = PID (Φ+f(ULD)-B)Φ = Dq-Qb其中，PID(Φ+f (ULD)-B)是鍋爐燃燒調(diào)節(jié)回路(3)的比例-積分-微分控制器，Φ為直接能量平衡信號，P1為汽輪機(jī)高壓缸調(diào)節(jié)級壓力，也稱為一級壓力；PT*PS分別是汽輪機(jī)機(jī)前壓力及其設(shè)定點(diǎn)，△ Pk為反映再熱壓力和汽輪機(jī)排汽壓力變化的能量指令修正系數(shù)；B為鍋爐給煤量信號成和Kp分別是二次再熱直流鍋爐的工質(zhì)蓄熱系數(shù)和金屬蓄熱系數(shù)；f (ULD)為機(jī)組功率指令前饋；步驟(三)以鍋爐燃水比信號δ作為機(jī)組的直接質(zhì)量平衡信號，其輸入為汽輪機(jī)功率指令μ τ，即鍋爐給水調(diào)節(jié)回路⑵為鍋爐給水流量指令μ w = PID ( δ ( μ T) -D+f ( Δ Ρτ))其中:PID(5 ( μ τ)-D+f (Δ Pt))是鍋爐給水調(diào)節(jié)回路(2)的比例_積分-微分控制器，δ (μτ)是鍋爐燃水比信號，D是鍋爐給水流量，f (ΔΡΤ)是壓差修正系數(shù)，ΔΡΤ = Ps-Pt ；步驟(四)當(dāng)能量與質(zhì)量失衡時，非對稱約束回路(4)將對鍋爐的工質(zhì)蓄熱系數(shù)Ki進(jìn)行限幅，從而動態(tài)自適應(yīng)調(diào)整各微分項(xiàng)ClHiMt的作用強(qiáng)度。
2.如權(quán)利要求1所述的一種二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)DBC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于步驟(四)中的非對稱約束回路(4)具體是由以下步驟實(shí)現(xiàn)的
3.如權(quán)利要求1所述的一種二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)DBC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，其特征在于該方法同樣適合作為一次再熱直流鍋爐-汽輪發(fā)電機(jī)組，具體是按照如下方法實(shí)現(xiàn)的取m = 1，并選擇直流鍋爐蒸發(fā)受熱面的焓增微分信號作為鍋爐的熱量信號( 的因子，且令Δ Pk 三 1，即Φ = Ps X P1ZPt- (Pi+KM X dHM/dt+KP X dPM/dt)，KM、KP 分別是一次再熱直流鍋爐的工質(zhì)蓄熱系數(shù)和金屬蓄熱系數(shù)。
4.如權(quán)利要求1和權(quán)利要求3所述的一種一、二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)DBC協(xié)調(diào)控2制系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)汽輪機(jī)采用滑壓全周進(jìn)汽，未設(shè)置調(diào)節(jié)級葉片時，P1可以用鍋爐蒸汽流量G代替，；即汽輪機(jī)側(cè)的熱量指令信號為Dq = GX ΔΡεΧΡ5/Ρτ ；鍋爐側(cè)的熱量信號為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二次再熱直流鍋爐-汽輪機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過對二次再熱汽輪機(jī)對鍋爐能量需求的能量指令信號和分別代表二次再熱直流鍋爐能量和質(zhì)量平衡的熱量信號及燃水比信號構(gòu)成的雙向直接能質(zhì)平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單元機(jī)組的動態(tài)解耦控制，同時，考慮到二次再熱機(jī)組的復(fù)雜特性，設(shè)計(jì)了鍋爐特征點(diǎn)熱量的動態(tài)加權(quán)補(bǔ)償、汽機(jī)壓力校正以及非對稱約束自適應(yīng)校正等補(bǔ)償環(huán)節(jié)，有效地提高了帶二次再熱的火電廠單元機(jī)組的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
文檔編號G05B13/04GK102566433SQ20121002691
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月8日
發(fā)明者丁怡若, 葉敏, 吳乃新, 徐雪元, 杜駿, 賀賢峰 申請人:上海迪吉特控制系統(tǒng)有限公司, 上海鍋爐廠有限公司