基于模型的組合循環(huán)發(fā)電廠負載控制的制作方法
【技術領域】
[0001] 本申請總體上涉及對發(fā)電設備的控制，并且具體來說，涉及基于模型的控制的實 施方式，該基于模型的控制將用于減小具有多種類型的發(fā)電設備的工廠(例如，組合循環(huán)發(fā) 電廠)的響應時間。
【背景技術】
[0002] 多種工業(yè)應用和非工業(yè)應用使用燃料燃燒鍋爐，該燃料燃燒鍋爐通常運行以通過 燃燒多種類型的燃料(諸如煤、燃氣、油、廢棄材料等等）中的一種燃料來將化學能轉換成熱 能。燃料燃燒鍋爐的示范性使用可以在熱力發(fā)電機中，其中，燃料燃燒爐從通過鍋爐內(nèi)的多 個管材和管道的水來產(chǎn)生蒸汽，并且所產(chǎn)生的蒸汽隨后可用于運行一個或多個蒸汽渦輪機 來產(chǎn)生電力。熱力發(fā)電機的電氣輸出或電力輸出可以是鍋爐中所產(chǎn)生的熱量的函數(shù)，其中， 熱量可以直接由例如每小時所消耗(例如，所燃燒的）的燃料的量來確定。
[0003] 在發(fā)電廠中所使用的典型的蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)可以包括具有過熱器部分(具有一個或 多個子部分）的鍋爐(在組合循環(huán)工廠中被稱為熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG))，在過熱器部分 中可以產(chǎn)生蒸汽并隨后向第一(通常是高壓強的）蒸汽渦輪機提供該蒸汽并在第一蒸汽渦 輪機中使用該蒸汽。為了提高系統(tǒng)的效率，離開此第一蒸汽渦輪機的蒸汽隨后可以在鍋爐 的再熱器部分中進行再熱，鍋爐的再熱器部分可以包括一個或多個子部分，并且隨后可以 向第二(通常是低壓強的）蒸汽渦輪機提供經(jīng)再熱的蒸汽。然而，必須以協(xié)調(diào)的方式來控制 發(fā)電系統(tǒng)的爐/鍋爐部分以及發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機部分，以產(chǎn)生期望的功率量。
[0004] 此外，發(fā)電廠的蒸汽渦輪機通常在不同時間以不同的運行等級來運行，以基于向 發(fā)電廠提供的可變能量或負載需求來產(chǎn)生不同的電量或功率量。例如，在許多情形下，發(fā)電 廠可以連接到電力分配網(wǎng)絡(有時被稱為電力網(wǎng)）中，并向電力網(wǎng)提供指定的功率量。在這 種情形下，電力網(wǎng)管理者或控制機構(control authority)通常對電力網(wǎng)進行管理，以使得 電力網(wǎng)上的電壓水平保持在恒定水平或接近恒定的水平(可以位于額定水平內(nèi)），并且以基 于電力用戶對設置于電力網(wǎng)上的電力（功率）的電流需求來提供持續(xù)的功率供應。當然，電 網(wǎng)管理者通常計劃在每天的某些時間期間比其它時間較多地使用并因此具有較大的功率 需求，以及在一周和一年的某些天期間比其它天較多地使用并因此具有較大的功率需求， 并且可以運行一個或多個優(yōu)化例程來確定需要在任何特定時間由連接到電力網(wǎng)的各個發(fā) 電廠所產(chǎn)生的最佳功率量和功率類型，以滿足電力網(wǎng)上的電流需求或者期望的整體功率需 求。
[0005] 作為該過程的部分，電網(wǎng)管理者通常向提供功率給電力網(wǎng)的發(fā)電廠中的每個發(fā)電 廠發(fā)送功率需求要求或負載需求要求(也被稱為負載需求設定點），其中，功率需求要求或 負載需求設定點指定了在任何特定時間每個特定的發(fā)電廠可以被分派的以提供在電力網(wǎng) 上的功率量。當然，為了實現(xiàn)對電力網(wǎng)的適當?shù)目刂?，電網(wǎng)管理者可以在任何時間針對連接 到電力網(wǎng)的不同發(fā)電廠發(fā)送新的負載需求設定點，以考慮被供應到電力網(wǎng)的或者從電力網(wǎng) 消耗的功率的期望的和/或意外的變化。例如，電網(wǎng)管理者可以響應于需求(其通常在正常 營業(yè)時間期間和工作日比在晚上和周末更高）的期望的或意外的變化來針對特定的發(fā)電廠 改變負載需求設定點。同樣地，電網(wǎng)管理者可以響應于電網(wǎng)上功率供應的意外的或期望的 減小(諸如，由意外地發(fā)生故障或者被脫線以便進行正常維護或排定維護的特定的發(fā)電廠 處的一個或多個功率單元所造成的減小)來針對特定的發(fā)電廠改變負載需求設定點。
[0006]盡管電網(wǎng)管理者可以在任何時間針對特定的發(fā)電廠提供或改變負載需求設定點， 但基于蒸汽渦輪機的發(fā)電廠自身通常不能同時增加或減少被供應到電力網(wǎng)的功率量，因為 蒸汽渦輪發(fā)電設備通常顯示出由于這些系統(tǒng)的物理特性而引起的響應時間（例如，兩分鐘 或四分鐘）的顯著滯后。如公知的，本文中的響應時間是蒸汽發(fā)生器達到需求的階躍變化的 大約百分之66.6所花費的時間量。例如，為了增加基于蒸汽渦輪機的發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出， 可能需要改變系統(tǒng)內(nèi)所花費的燃料量，以由此增加系統(tǒng)的鍋爐內(nèi)的蒸汽壓強或水溫，蒸汽 壓強和水溫需要有限的而不少的時間量。因此，總的來說，基于蒸汽渦輪機的發(fā)電廠只能以 特定的并且相對慢的速率來使得供應給電網(wǎng)的功率傾斜上升或傾斜下降，其可以基于工廠 內(nèi)的發(fā)電設備的特性。
[0007]試圖克服或減少該問題，一些發(fā)電廠(通常被稱為組合循環(huán)發(fā)電廠)執(zhí)行了蒸汽渦 輪發(fā)電設備和燃氣渦輪發(fā)電設備兩者。具體來說，由于通過燃氣渦輪機的熱流與在燃氣渦 輪機的上游即刻燃燒的燃氣量相關，因此能較容易并且較快地改變?nèi)細鉁u輪發(fā)電設備的發(fā) 電能力。事實上，大多數(shù)燃氣渦輪發(fā)電設備的響應時間為五到30秒的數(shù)量級。不管怎樣，在 組合循環(huán)發(fā)電廠中，運行燃氣渦輪機設備，以使得工廠的負載輸出以較快的方式傾斜上升 (或下降）。此外，在典型的組合循環(huán)發(fā)電廠中，蒸汽渦輪機使用由燃氣渦輪機的排氣裝置產(chǎn) 生的蒸汽來運行，并且主要從燃氣渦輪發(fā)電設備的廢熱產(chǎn)生功率。
[0008] 然而，傳統(tǒng)的組合循環(huán)公共工廠（即，發(fā)電廠）運行具有"閥敞開"的蒸汽渦輪機 (ST)設備來使得通過蒸汽渦輪機控制閥的節(jié)流損失最小化。因此，這些工廠不能夠?qū)φ羝?渦輪機設備進行調(diào)制以提供兆瓦(MW)或功率調(diào)節(jié)。因而，大多數(shù)組合循環(huán)發(fā)電廠上的負載 控制傾向于為開環(huán)系統(tǒng)，在該開環(huán)系統(tǒng)中，單位MW的需求的變化直接被發(fā)送到蒸汽渦輪機 控制器，而不需要考慮歸因于蒸汽渦輪機的潛在的兆瓦變化。隨后從燃氣渦輪機的需求或 控制點中減去蒸汽渦輪機上最終的兆瓦(功率)變化(在與使蒸汽渦輪機設備傾斜上升或下 降相關聯(lián)的滯后時間之后），以獲得所需要的最終穩(wěn)定狀態(tài)的單位MW功率。
[0009] 對于循環(huán)發(fā)電單元或漸變發(fā)電單元，由于跨越燃氣渦輪機排氣裝置內(nèi)熱回收蒸汽 發(fā)生器(HRSG)的長的熱傳遞時間常數(shù)以及蒸汽渦輪機處于閥敞開模式并且不能提供負載 調(diào)節(jié)的事實，因此此運行方法可能意味著燃氣渦輪機超過需求或低于需求的不必要的周 期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 控制方案在傳統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制方案內(nèi)使用了歸因于燃氣渦輪機需求變化的經(jīng) 建模的蒸汽渦輪機MW(功率)變化(即，蒸汽渦輪機比燃氣渦輪機(ST/GT)的轉移函數(shù)），以便 以較有效的方式來執(zhí)行對組合循環(huán)發(fā)電廠的控制。此控制系統(tǒng)(處于內(nèi)?？刂疲∕C)的形式 的基礎層級(basic level))被認為提供了較好的單位MW設定點跟蹤和干擾變量抑制，以便 對組合循環(huán)發(fā)電廠進行總體上較魯棒的控制。此外，此控制方案優(yōu)化了燃氣渦輪機運行并 提供了時間上的成本節(jié)約。此控制方案還可以適用于其它類型的多設備類型功率單元(包 括例如具有管道燃燒器的組合循環(huán)單元)或者具有多種類型的發(fā)電設備的任何發(fā)電系統(tǒng)， 該多種類型的發(fā)電設備具有顯著不同的響應時間。此外，例如，當受控制的多個過程或工廠 設備的輸出受到發(fā)送至該多個設備中的一個設備的控制信號影響時，此控制方案可以適用 于控制過程或工廠硬件而不是控制發(fā)電硬件的控制系統(tǒng)中。
[0011]在一種情形下，一種發(fā)電系統(tǒng)包括多個互連的或者互相關聯(lián)的發(fā)電設備，該發(fā)電 系統(tǒng)包括燃氣渦輪發(fā)電單元和蒸汽渦輪發(fā)電單元。燃氣渦輪發(fā)電單元可具有燃氣進口、耦 合到燃氣進口以產(chǎn)生經(jīng)燃燒的燃氣的燃氣燃燒器、耦合到燃氣燃燒器并通過燃氣燃燒器中 燃氣的燃燒來提供動力的燃氣渦輪機、以及經(jīng)燃燒的燃氣的排放裝置。此外，蒸汽渦輪發(fā)電 單元可具有蒸汽進口系統(tǒng)、耦合到蒸汽進口系統(tǒng)并且由來自蒸汽進口系統(tǒng)的蒸汽提供動力 的蒸汽渦輪機、以及蒸汽出口。在這種情形下，燃氣渦輪發(fā)電單元和蒸汽渦輪發(fā)電單元進行 互連，以使得蒸汽進口系統(tǒng)耦合到經(jīng)燃燒的燃氣的排放裝置，以便吸收來自經(jīng)燃燒的燃氣 的排放裝置中的經(jīng)燃燒的燃氣的熱量，以在蒸汽進口系統(tǒng)中產(chǎn)生經(jīng)加熱的蒸汽。發(fā)電系統(tǒng) 還包括電能產(chǎn)生單元，該電能產(chǎn)生單元機械地親合到燃氣禍輪機并親合到蒸汽禍輪機，以 基于燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機的運動來產(chǎn)生電能。
[0012] 此外，發(fā)電系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)產(chǎn)生燃氣渦輪機控制信號來控制燃氣 燃燒器內(nèi)燃氣的燃燒，以由此控制由電能產(chǎn)生單元產(chǎn)生的電能?？刂葡到y(tǒng)可以包括控制器、 過程模型、以及控制器輸入信號發(fā)生單元，其中，過程模型的輸入耦合到控制器的輸出來產(chǎn) 生預測的蒸汽渦輪機輸出。此外，控制器輸入信號發(fā)生單元可以通過將預測的蒸汽渦輪機 輸出、負載設定點、測量到的燃氣渦輪機輸出以及測量到的蒸汽渦輪機輸出進行組合來產(chǎn) 生用于控制器的控制器輸入信號。
[0013] 如果期望的話，控制器輸入信號發(fā)生單元將測量到的燃氣渦輪機輸出與測量到的 蒸汽渦輪機輸出進行組合，以產(chǎn)生當前單元輸出，并且還產(chǎn)生作為當前單元輸出與負載設 定點之間的差分的差分信號?？刂破鬏斎胄盘柊l(fā)生單元還可以通過將由過程模型產(chǎn)生的預 測的蒸汽渦輪機輸出與測量到的燃氣渦輪機輸出進行組合來產(chǎn)生預測的單元輸出，并可以 通過對差分信號與預測的單元輸出求和來產(chǎn)生控制器輸入信號。
[0014] 發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以包括調(diào)整過程模型的模型調(diào)整單元，并且該模型調(diào)整單 元可以耦合到負載設定點，并且運行以基于負載設定點的值來調(diào)整過程模型?？刂葡到y(tǒng)還 可以包括增益調(diào)度單元(諸如自適應增益調(diào)度單元），該增益調(diào)度單元耦合到控制器來調(diào)整 在控制器中使用的一個或多個增益值，以產(chǎn)生控制器的輸出。增益調(diào)度單元還可以耦合到 負載設定點，并且運行以基于負載設定點的值來調(diào)整由控制器使用的一個或多個增益。更 進一步，控制系統(tǒng)可以包括誤差積分器(諸如可切換的誤差積分器），該誤差積分器耦合到 控制器的輸出并可以包括對誤差積分器的輸出與控制器的輸出求和以產(chǎn)生燃氣渦輪機控 制信號的求和單元。再進一步，控制器輸入信號發(fā)生單元可以產(chǎn)生作為測量到的燃氣渦輪 機輸出和測量到的蒸汽渦輪機輸出之和與負載設定點之間的差分的單位誤差，并且誤差積 分器可以被耦合為接收該單位誤差。
[0015] 如果期望的話，過程模型可以響應于燃氣渦輪機控制信號而基于燃氣渦輪發(fā)電單 元的運行來對蒸汽渦輪機的輸出進行建模。此外，在某些情形下，蒸汽渦輪發(fā)電單元還可以 包括另外的燃燒器系統(tǒng)，該另外的燃燒器系統(tǒng)燃燒燃料來對蒸汽進口系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽進一步 加熱。在這種情形下，控制系統(tǒng)還可以包括第二過程控制器以及第二過程模型，該第二過程 控制器耦合到控制器輸入信號發(fā)生單元來產(chǎn)生用于控制該另外的燃燒器系統(tǒng)的第二過程 控制信號，該第二過程模型被耦合為接收第二過程控制器的輸出，以