一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法

1.本发明涉及超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法领域，具体涉及一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法。


背景技术：

2.由于可再生能源的间歇性和随机性，超超临界燃煤机组需要大范围变负荷运行，跟踪电网负荷指令，稳定电网运行频率。超超临界燃煤机组协调控制系统能协调控制锅炉和汽轮机系统，使机组快速跟踪负荷指令，维持机组安全经济运行。超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值代表电网和运行人员对当前机组运行要求。现有研究往往将机炉协调系统从一个稳态工况控制到另一个稳态工况，机炉协调系统设定值为两个工况点之间的线性关系，如当机组负荷上升时，主蒸汽压力随即上升，汽水分离器蒸汽焓值也跟随变化，保持固定比例，该设定值设计方法会增大主蒸汽压力偏差，加快汽水分离器蒸汽温度变化速度，增大汽水分离器金属热应力，影响机组安全经济运行。


技术实现要素：

3.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其在机组大范围变负荷运行时，能提升负荷跟踪速率，同时满足汽水分离器蒸汽温度变化速率安全性约束，提升机组运行安全性和经济性。
4.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
5.本发明提供一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，
6.包括以下步骤：
7.步骤一、确定大范围变负荷超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性动态模型；
8.步骤二、进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数；
9.步骤三、建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型；
10.步骤四、计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值。
11.优选地，步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：
[0012][0013][0014]
[0015][0016][0017][0018]
y1＝x
2-g(x2)，
[0019]
y2＝x3，
[0020]
y3＝x4，
ꢀꢀ
(2)
[0021]dst
＝u3f(p
st
，h
st
)，p
st
＝x
2-g(x2)，h
st
＝lhm，
[0022][0023]
式中，u1为燃料量指令，kg/s；u2为给水流量，kg/s；u3为汽轮机调门开度；x1为入炉煤量，kg/s；x2为汽水分离器蒸汽压力，mpa；x3为汽水分离器蒸汽焓值，kj/kg；x4为机组功率，mw；和分别是入炉煤量，汽水分离器蒸汽压力，汽水分离器蒸汽焓值和机组功率的一阶导数；y1为主蒸汽压力，mpa；y2为汽水分离器焓值，kj/kg；y3为机组功率，mw；τ是时延，s；c0为制粉系统惯性时间，s；
[0024]
c1、c2、d1、d2为锅炉动态辨识参数；c3为汽轮机系统动态参数，s；
[0025]hfw
为给水焓值，kj/kg；h
st
为主蒸汽焓值，kj/kg；d
st
为主蒸汽流量，kg/s；q1为锅炉吸热量，kj/s；
[0026]
k1为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，kj/kg；k2为进入汽轮机有效单位能量所对应机组负荷的比值；
[0027]
δq
loss
为节流损失能量函数，mw；δp＝g(pm)，δp＝p
st-pm，δp为过热器差压，mpa；l＝h
st
/hm；δu3为汽轮机调门开度变化；μ、γ、η为常数；
[0028]
α为给水流量和燃料量的比值；其中h
fw
、k1、l、τ、c0、c1、c2、d1、d2、μ、γ、η、α、g(.)、f(.,.)由机组设备信息和运行数据辨识得到；
[0029]
模型中的状态变量为x＝[x1,x2,x3,x4]
t
＝[rb,pm,hm,ne]；输入变量u＝[u1,u2,u3]
t
＝[ub,d
fw
,u
t
]
t
；输出变量y＝[y1,y2,y3]
t
＝[p
st
,hm,ne]
t
。
[0030]
优选地，步骤二中，进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数，具体实现如下：
[0031]
为了获得变负荷工况机炉协调系统模型输出量动态特性差异，模拟机组升降负荷时，协调系统仿真过程，即在机组稳态工况下，进行系统开环特性试验，获得模型输出量动态变化曲线；汽水分离器蒸汽温度由对应的蒸汽压力和焓值，结合水蒸汽热力性质获得；因此，在各稳态负荷点处，进行上述开环仿真试验，获得机组大范围变负荷过程，模型输出量达峰时间和时间常数。
[0032]
优选地，步骤三中，建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型，具体实现如下：
[0033]
根据系统开环动态特性和机组运行经验，确定机组功率与主蒸汽压力及汽水分离
器蒸汽温度的传递函数结构，并确定传递函数系数。
[0034]
优选地，步骤四中，计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值，具体实现如下：
[0035]
结合机组稳态数据和回归分析方法，计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度稳态设定值，并根据机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度传递函数模型，和机组功率设定值与水蒸气热力性质，计算主蒸汽压力与汽水分离器蒸汽焓值设定值曲线。
[0036]
本发明的有益效果在于：
[0037]
1、本发明将机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的动态特性，用于设计主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽焓值设定值，能提升机组变负荷跟踪性能和运行经济性。
[0038]
2、本发明将汽水分离器蒸汽温度变化速率，用于设计汽水分离器蒸汽焓值设定值，机组大范围变负荷运行时，能降低汽水分离器蒸汽温度变化速率，提升机组运行安全性。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]
图1是机炉协调系统模型输入量变化曲线((a)为燃料量指令，(b)为给水流量，(c)为汽轮机调门开度)；
[0041]
图2是机炉协调系统模型输出量变化曲线((a)为主蒸汽压力，(b)为汽水分离器焓值，(c)为汽水分离器蒸汽温度，(d)为机组负荷)；
[0042]
图3为传统超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值((a)为主蒸汽压力，(b)为汽水分离器焓值，(c)为机组功率)；
[0043]
图4是传统机炉协调控制系统负荷指令对应的汽水分离器蒸汽温度变化速率((a)为升负荷阶段，(b)为降负荷阶段)；
[0044]
图5是超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值((a)为主蒸汽压力，(b)为汽水分离器蒸汽温度，(c)为汽水分离器蒸汽焓值，(d)为机组负荷)；
[0045]
图6是机炉协调控制系统负荷指令对应的汽水分离器蒸汽温度变化速率((a)为升负荷阶段，(b)为降负荷阶段)。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
以下实例涉及某1000mw超超临界燃煤机组为例，锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛单切圆燃烧，平衡通风，全悬吊结构塔式布置，锅炉型号为sg-3012/27.9-m540。
[0048]
本实施例提供一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，包括以下主要步骤：
[0049]
步骤一、确定大范围变负荷超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性动态模型。
[0050]
超超临界燃煤机组协调系统非线性状态空间模型写为：
[0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057]
y1＝x
2-g(x2)，
[0058]
y2＝x3，
[0059]
y3＝x4，
ꢀꢀ
(2)
[0060]dst
＝u3f(p
st
，h
st
)，p
st
＝x
2-g(x2)，h
st
＝lhm，
[0061][0062]
式中，u1为燃料量指令，kg/s；u2为给水流量，kg/s；u3为汽轮机调门开度；x1、x2、x3、x4分别为入炉煤量，kg/s，汽水分离器蒸汽压力，mpa，汽水分离器焓值，kj/kg，机组功率，mw；和分别是入炉煤量，汽水分离器蒸汽压力，汽水分离器蒸汽焓值和机组功率的一阶导数；
[0063]
y1、y2和y3分别为主蒸汽压力，mpa，汽水分离器焓值，kj/kg，和机组功率，mw，τ是时延，s；
[0064]
c0为制粉系统惯性时间，s；
[0065]
c1、c2、d1、d2为锅炉动态辨识参数；c3为汽轮机系统动态参数，s；h
fw
为给水焓值，kj/kg；h
st
为主蒸汽焓值，kj/kg；
[0066]dst
为主蒸汽流量，kg/s；q1为锅炉吸热量，kj/s；k1为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，kj/kg；
[0067]
k2为进入汽轮机有效单位能量所对应机组负荷的比值；δq
loss
为节流损失能量函数，mw；δp＝g(pm)，δp＝p
st-pm，δp为过热器差压，mpa；l＝h
st
/hm；δu3为汽轮机调门开度变化；μ、γ、η为常数；α为给水流量和燃料量的比值；
[0068]
模型中的状态变量为x＝[x1,x2,x3,x4]
t
＝[rb,pm,hm,ne]；输入变量u＝[u1,u2,u3]
t
＝[ub,d
fw
,u
t
]
t
；输出变量y＝[y1,y2,y3]
t
＝[p
st
,hm,ne]
t
。
[0069]
利用机组运行数据辨识得到该机组的模型参数为：
[0070]
静态参数：
[0071][0072][0073][0074][0075]
动态参数：
[0076]
τ＝20,c0＝380,c3＝40,
[0077][0078]
c2＝639(-0.005248p
mhm-0.003204hm+19.7835pm+9.7266)，
[0079][0080][0081]cj
＝0.46kj/(kg
·
℃)，mj＝700,000kg。
[0082]
非线性函数：
[0083]
△
p＝g(pm)＝0.0522p
m-0.00281,
[0084][0085][0086][0087]
△qloss
＝η
△ut
p
st
＝8(u
3-u
30
)p
st
,
[0088]
式中，u
30
是汽轮机调门开度，u3，的初始状态。
[0089]
步骤二、进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数。
[0090]
为了获得变负荷工况机炉协调系统模型输出量动态特性差异，模拟升降负荷仿真过程，即在机组稳态工况下，燃料量指令，给水流量和汽轮机调门开度分别阶跃增大1kg/s，7kg/s和0.05，获得模型输出量动态变化曲线，如图1和图2所示。机组在变负荷过程中，为了满足汽水分离器壁温变化速率安全性约束，需获得该处蒸汽温度动态特性。汽水分离器蒸汽温度可由对应的蒸汽压力和焓值，结合水蒸汽热力性质获得。因此，在各稳态负荷点处，进行上述开环仿真试验，获得机组大范围变负荷过程，模型输出量达峰时间和时间常数，结果如表1和表2所示。
[0091]
表1升负荷仿真试验，模型输出量峰值时间与时间常数
[0092][0093]
表2降负荷仿真试验，模型输出量峰值时间与时间常数
[0094][0095]
步骤三、建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型。
[0096]
由于在机组变负荷过程中，机炉协调系统模型输出量具有时间动态特性差异，本发明用一阶惯性加纯延时环节描述机组负荷与主蒸汽压力、汽水分离器焓值之间动态特性差异，由于模型输入阶跃增大，主蒸汽压力和汽水分离器焓值先下降后上升，具有反向特性。根据机组运行经验，该焓值、压力与机组负荷之间的延时时间约为其2倍的时间常数，令惯性时间为其对应的时间差，时间常数和惯性时间均取表1和表2中的均值，结果如下：
[0097]
(1)升负荷阶段
[0098][0099][0100]
(2)降负荷阶段
[0101][0102][0103]
步骤四、计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值。
[0104]
机组稳态运行数据如表3所示。
[0105]
表3模型稳态运行数据
[0106][0107]
结合表3中的稳态数据和线性回归分析，主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度稳态设定值计算如下：
[0108]
p
str
＝0.02487n
er
+0.939,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0109]
t
mr
＝2.145*10-7ner3-6.63*10-4ner2
+0.747n
er
+130.915,
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0110]
式中，p
str
,t
mr
和n
er
是主蒸汽压力、汽水分离器蒸汽温度和机组功率设定值。
[0111]
机组负荷指令从344mw上升到1048mw，负荷变化率为25mw/min，传统机炉协调控制系统设定值和汽水分离器蒸汽温度变化速率如图3和图4所示，而本发明中的机炉协调控制系统设定值和汽水分离器蒸汽温度变化速率如图5和图6所示。
[0112]
结论：从上述图表可以看出，机组大范围变负荷运行过程，本研究设计的机炉协调控制系统设定值，汽水分离器蒸汽温度变化速率均在安全限值以内，提升机组运行安全性，主蒸汽压力设定值能反映系统运行动态特性，减少对负荷跟踪速率的影响。
[0113]
综上所述，本发明设计的超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值，在机组大范围变负荷运行时，能将系统动态特性用于设计主蒸汽压力设定值，提升机组负荷跟踪性能；将汽水分离器蒸汽温度变化速率，用于设计汽水分离器蒸汽焓值设定值，维持汽水分离器蒸汽温度变化速率在安全限值以内，降低锅炉金属热应力。该设定值设计方法对提高机组安全经济运行具有重要现实意义。
[0114]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、确定大范围变负荷超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性动态模型；步骤二、进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数；步骤三、建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型；步骤四、计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值。2.如权利要求1所述的一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：特征在于：步骤一中，超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性状态空间模型写为：y1＝x
2-g(x2)，y2＝x3，y3＝x4，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)d
st
＝u3f(p
st
，h
st
)，p
st
＝x
2-g(x2)，h
st
＝lh
m
，q1＝k1r
b
+δq1，δg
loss
＝ηδu3p
st
，式中，u1为燃料量指令，kg/s；u2为给水流量，kg/s；u3为汽轮机调门开度；x1为入炉煤量，kg/s；x2为汽水分离器蒸汽压力，mpa；x3为汽水分离器蒸汽焓值，kj/kg；x4为机组功率，mw；和分别是入炉煤量，汽水分离器蒸汽压力，汽水分离器蒸汽焓值和机组功率的一阶导数；y1为主蒸汽压力，mpa；y2为汽水分离器焓值，kj/kg；y3为机组功率，mw；τ是时延，s；c0为制粉系统惯性时间，s；c1、c2、d1、d2为锅炉动态辨识参数；c3为汽轮机系统动态参数，s；h
fw
为给水焓值，kj/kg；h
st
为主蒸汽焓值，kj/kg；d
st
为主蒸汽流量，kg/s；q1为锅炉吸热量，kj/s；
k1为单位入炉煤量对应的锅炉吸热量，kj/kg；k2为进入汽轮机有效单位能量所对应机组负荷的比值；δq
loss
为节流损失能量函数，mw；δp＝g(p
m
)，δp＝p
st-p
m
，δp为过热器差压，mpa；l＝h
st
/h
m
；δu3为汽轮机调门开度变化；μ、γ、η为常数；α为给水流量和燃料量的比值；其中h
fw
、k1、l、τ、c0、c1、c2、d1、d2、μ、γ、η、α、g(.)、f(.,.)由机组设备信息和运行数据辨识得到；模型中的状态变量为x＝[x1,x2,x3,x4]
t
＝[r
b
,p
m
,h
m
,n
e
]；输入变量u＝[u1,u2,u3]
t
＝[u
b
,d
fw
,u
t
]
t
；输出变量y＝[y1,y2,y3]
t
＝[p
st
,h
m
,n
e
]
t
。3.如权利要求1所述的一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其特征在于：步骤二中，进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数，具体实现如下：为了获得变负荷工况机炉协调系统模型输出量动态特性差异，模拟机组升降负荷时，协调系统仿真过程，即在机组稳态工况下，进行系统开环特性试验，获得模型输出量动态变化曲线；汽水分离器蒸汽温度由对应的蒸汽压力和焓值，结合水蒸汽热力性质获得；因此，在各稳态负荷点处，进行上述开环仿真试验，获得机组大范围变负荷过程，模型输出量达峰时间和时间常数。4.如权利要求1所述的一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其特征在于：步骤三中，建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型，具体实现如下：根据系统开环动态特性和机组运行经验，确定机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数结构，并确定传递函数系数。5.如权利要求1所述的一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，其特征在于：步骤四中，计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值，具体实现如下：结合机组稳态数据和回归分析方法，计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度稳态设定值，并根据机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度传递函数模型，和机组功率设定值与水蒸气热力性质，计算主蒸汽压力与汽水分离器蒸汽焓值设定值曲线。

技术总结
本发明公开了一种超超临界燃煤机组机炉协调控制系统设定值设计方法，具体步骤包括确定大范围变负荷超超临界燃煤机组机炉协调系统非线性动态模型；进行系统开环特性试验，获得系统输出变量达峰时间和时间常数；建立机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的传递函数模型；计算主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽温度设定值。本发明将机组功率与主蒸汽压力及汽水分离器蒸汽温度的动态特性，用于设计主蒸汽压力和汽水分离器蒸汽焓值设定值，能提升机组变负荷跟踪性能和运行经济性；将汽水分离器蒸汽温度变化速率，用于设计汽水分离器蒸汽焓值设定值，机组大范围变负荷运行时，能降低汽水分离器蒸汽温度变化速率，提升机组运行安全性。性。性。


技术研发人员：范赫 彭献永 徐世明
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25