一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统的制作方法

本发明涉及火电机组热工控制技术领域，具体地涉及一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统。

背景技术：

近年来，新能源电力增长速度惊人，我国传统能源电力发展迅猛，电源侧产能过剩现象日趋严峻，尤其在新能源电力规模化并网的今天，传统能源电力的灵活性需求越发迫切。同时，受煤碳市场供需关系和机组节能降耗的影响，大多燃煤电厂还采用混煤掺烧来降低发电成本，提高经济收益，这无疑增大了入炉煤质变化幅度，煤质煤种的变化使得基于特定煤种设计的机炉协调控制系统适应性降低，煤质低位发热量在线校正固然能够克服煤质煤种变化带来的影响，但传统的给煤量增益系数校正不能实现给煤量的精确调节，在这种情况下，设计一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制方案具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统，提高机组运行的平衡性、安全性和稳定性。

本发明技术方案如下：

一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统，包括用于控制直流炉机组的主蒸汽压力控制回路、中间点温度控制回路和机组负荷控制回路；

其中，所述主蒸汽压力控制回路包括主蒸汽压力控制器，以用于接收来自煤质低位发热量的校正前馈、来自机组负荷设定的静态前馈和动态前馈、来自主汽门的解耦前馈，以及主蒸汽压力设定值和由直流炉机组反馈的主蒸汽压力反馈值，并向直流炉机组输出给煤量信号；

所述中间点温度控制回路包括中间点温度控制器，以用于接收来自机组负荷设定的静态前馈和动态前馈，以及中间点焓设定值和由直流炉机组反馈的中间点焓反馈值，并向直流炉机组输出给水量信号；

所述机组负荷控制回路包括机组负荷控制器，以用于接收机组负荷设定值和由直流炉机组反馈的机组负荷反馈值，并向直流炉机组输出主汽门开度信号。

优选地，所述来自煤质低位发热量的校正前馈用于通过感知煤质低位发热量的变化来修正直流炉机组输出的给煤量信号。

优选地，所述来自主汽门的解耦前馈用于反映主汽门的动作情况，并对机组蓄能进行补充和利用。

优选地，所述主蒸汽压力设定值和由直流炉机组反馈的主蒸汽压力反馈值用于确保控制器无差调节，使得主蒸汽压力稳定在设定值。

优选地，所述来自机组负荷设定的静态前馈包括给煤量基线，用于对机组升降负荷过程中的给煤量进行基准定位，以降低所述主蒸汽压力控制器的调节压力；

所述来自机组负荷设定的动态前馈包括预给煤量，用于在机组变负荷初期快速增减煤量，以克服所述主蒸汽压力控制器的反馈调节速率缓慢的问题。

优选地，所述来自机组负荷设定的静态前馈还包括给水流量基线，用于对机组升降负荷过程中的给水流量进行基准定位，以降低所述中间点温度控制器的调节压力；

所述来自机组负荷设定的动态前馈还包括预给水流量，用于确保中间点温度在安全范围内，并利用给煤量、给水流量对负荷响应的时间差异，在机组升降负荷的起始阶段构造水等煤的调整策略，解决因燃烧系统滞后引起负荷响应速率低的问题。

优选地，所述直流炉机组的汽水系统包括省煤器、水冷壁、汽水分离器和过热器；

来自回热系统的未饱和水依次进入所述省煤器、所述水冷壁、所述汽水分离器和所述过热器中进行加热，流出所述过热器的过热蒸汽进入汽轮机做功。

优选地，根据低位发热量软测量公式计算所述煤质低位发热量，包括：

步骤一，将直流炉机组的汽水系统视为一个整体，建立该汽水系统的能量平衡方程(1)和质量平衡方程(2)；

其中，s1、s2为动态系数；

ρm为汽水分离器出口蒸汽密度，单位为kg/m³；

dw为给水流量，单位为kg/s；

ds为主蒸汽流量，单位为kg/s；

hm为汽水分离器出口蒸汽比焓，单位为kj/kg；

hw为省煤器入口给水比焓，单位为kj/kg；

hs为过热器出口比焓，单位为kj/kg；

q为锅炉燃烧热量，单位为kj；

步骤二，将汽水分离器出口压力pm代替其出口蒸汽密度ρm，假定hs＝lhm，l为静态参数，联立公式(1)和公式(2)并整理得到公式(3)和公式(4)；

步骤三，联立公式(3)和公式(4)，并整理得到低位发热量软测量公式(5)；

其中，q为煤质低位发热量，单位为kj/kg；

rb(s)为进入锅炉的煤粉量，单位为kg/s；

pm为汽水分离器出口蒸汽压力，单位为mpa；

η为锅炉热效率，单位为％；

d1、d2、c1为动态参数。

优选地，所述主蒸汽压力控制器和所述中间点温度控制器为gpc控制器。

优选地，所述机组负荷控制器为pid控制器。

本发明方案提供了一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统，该机组协调优化控制系统通过主蒸汽压力控制回路、中间点温度控制回路和机组负荷控制回路对直流炉机组进行控制，与现有技术相比，具有如下积极效果：

1、考虑煤质低位发热量的机组协调控制系统能够实时感知煤质低位发热量变化，并及时对给煤量进行修正，使得机组在感知煤质变化初期就能够及时调节给煤量，避免了主蒸汽压力偏离程度的进一步扩大；

2、主汽门解耦控制使得机组能够及时感知外界负荷需求的变化，而后对机组蓄能进行及时利用和补充，从而更好地保证了机组运行的安全性和稳定性；

3、机组负荷能够很好地跟随agc指令，机组的主蒸汽压力和分离器出口过热度能够满足工程应用需求。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是机组协调优化控制系统的控制逻辑图；

图2是直流炉机组的汽水系统能量流动图；

图3是煤质低位发热量校正前后的效果对比图；

图4是主汽门解耦控制前后的效果对比图；

图5是机组协调优化控制的工程应用效果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

本发明提供了一种基于精准能量平衡的机组协调优化控制系统，该机组协调优化控制系统包括用于控制直流炉机组的主蒸汽压力控制回路、中间点温度控制回路和机组负荷控制回路。

本发明方案中通过建立直流炉机组的非线性动态模型，该直流炉机组视为一个三输入、三输出的多变量系统，直流炉机组的输入参数为给煤量、给水流量和主汽门开度，输出参数为主蒸汽压力、中间点焓和机组负荷，且机组协调优化控制系统的控制逻辑如图1所示。

其中，所述主蒸汽压力控制回路包括主蒸汽压力控制器，以用于接收来自煤质低位发热量的校正前馈、来自机组负荷设定的静态前馈和动态前馈、来自主汽门的解耦前馈，以及主蒸汽压力设定值和由直流炉机组反馈的主蒸汽压力反馈值，并向直流炉机组输出给煤量信号。

所述中间点温度控制回路包括中间点温度控制器，以用于接收来自机组负荷设定的静态前馈和动态前馈，以及中间点焓设定值和由直流炉机组反馈的中间点焓反馈值，并向直流炉机组输出给水量信号。

所述机组负荷控制回路包括机组负荷控制器，以用于接收机组负荷设定值和由直流炉机组反馈的机组负荷反馈值，并向直流炉机组输出主汽门开度信号。

具体地，在本发明方案中，所述来自煤质低位发热量的校正前馈用于通过感知煤质低位发热量的变化来修正直流炉机组输出的给煤量信号，从而克服煤质、煤种多变性对机组协调优化控制系统适应性的影响。

所述来自主汽门的解耦前馈用于反映主汽门的动作情况，并对机组蓄能进行补充和利用。

所述主蒸汽压力设定值和由直流炉机组反馈的主蒸汽压力反馈值用于确保控制器无差调节，使得主蒸汽压力稳定在设定值。

所述来自机组负荷设定的静态前馈包括给煤量基线，用于对机组升降负荷过程中的给煤量进行基准定位，以降低所述主蒸汽压力控制器的调节压力。

所述来自机组负荷设定的动态前馈包括预给煤量，用于在机组变负荷初期快速增减煤量，以克服所述主蒸汽压力控制器的反馈调节速率缓慢的问题。

所述来自机组负荷设定的静态前馈还包括给水流量基线，用于对机组升降负荷过程中的给水流量进行基准定位，以降低所述中间点温度控制器的调节压力。

所述来自机组负荷设定的动态前馈还包括预给水流量，用于确保中间点温度在安全范围内，并利用给煤量、给水流量对负荷响应的时间差异，在机组升降负荷的起始阶段构造水等煤的调整策略，解决因燃烧系统滞后引起负荷响应速率低的问题。

本发明实施例中以1000mw超超临界直流炉机组为研究对象，建立直流炉机组的非线性动态模型，且模型精度能够满足控制系统设计和验证的基本需求。

直流炉机组模型形式如下：

其中，

其中，u1为燃料量指令，单位kg/s；

u2为给水流量，单位kg/s；

u3为主汽门(主汽阀)开度，单位％；

x1，x2，x3为中间状态量；

y1为主蒸汽压力，单位mpa；

y2为中间点焓值，单位kj/kg；

y3为机组功率，单位mw。

进一步地，所述直流炉机组的汽水系统包括省煤器、水冷壁、汽水分离器和过热器。如图2所示，该汽水系统的能量流动方向为：来自回热系统的未饱和水依次进入所述省煤器、所述水冷壁、所述汽水分离器和所述过热器中进行加热，流出所述过热器的过热蒸汽进入汽轮机做功。

在本发明中，根据低位发热量软测量公式计算所述煤质低位发热量，包括以下步骤：

步骤一，将直流炉机组的汽水系统视为一个整体，建立该汽水系统的能量平衡方程(1)和质量平衡方程(2)；

其中，s1、s2为动态系数；

ρm为汽水分离器出口蒸汽密度，单位为kg/m³；

dw为给水流量，单位为kg/s；

ds为主蒸汽流量，单位为kg/s；

hm为汽水分离器出口蒸汽比焓，单位为kj/kg；

hw为省煤器入口给水比焓，单位为kj/kg；

hs为过热器出口比焓，单位为kj/kg；

q为锅炉燃烧热量，单位为kj；

步骤二，将汽水分离器出口压力pm代替其出口蒸汽密度ρm，假定hs＝lhm，l为静态参数，联立公式(1)和公式(2)并整理得到公式(3)和公式(4)；

步骤三，联立公式(3)和公式(4)，并整理得到低位发热量软测量公式(5)；

其中，q为煤质低位发热量，单位为kj/kg；

rb(s)为进入锅炉的煤粉量，单位为kg/s；

pm为汽水分离器出口蒸汽压力，单位为mpa；

η为锅炉热效率，单位为％；

d1、d2、c1为动态参数。

上述静态参数可通过机组稳态参数求取，动态参数可利用机组的实际历史运行数据，借助智能算法辨识获得。

示例性地，获得的某1000mw超超临界机组的低位发热量软测量公式为：

在本发明中，所述主蒸汽压力控制器和所述中间点温度控制器为gpc控制器。所述机组负荷控制器为pid控制器。

本发明方案中所设计的机组协调优化控制系统保留了传统直流炉前馈-反馈的控制架构，但与传统控制策略不同的是，主蒸汽压力和中间点焓的反馈部分采用了国际先进的广义预测控制算法的控制方式，取代常规的比例积分微分pid控制方式。在超超临界机组协调优化控制系统的三个控制回路，主蒸汽压力控制回路、中间点温度控制回路以及机组负荷控制回路中，前两个控制回路采用带前馈反馈的单变量阶梯式广义预测控制，即gpc(stair-likegeneralizedpredictivecontrol)控制方式，后一个控制回路由于主汽门至机组负荷的响应速率较快，往往又独立于deh控制系统，故保留原有的pid调节方式。

本发明提出的基于精准能量平衡的协调优化控制系统是在考虑煤质低位发热量对于机组能量平衡影响的基础上，以预测控制算法gpc为核心，融合传统的前馈控制和解耦控制理念进行设计的，提高机组运行的平衡性、安全性和稳定性。

本发明还对协调优化控制系统的优化效果进行了仿真及工程验证。

图3给出了煤质低位发热量校正前后的对比效果。由图3可见，相比于校正前，在根据煤质低位发热量对机组进行校正后，机组给煤量和主蒸汽压力的波动幅度更小，机组负荷和中间点焓值在校正前后没有明显变化，这是由于考虑煤质低位发热量的机炉协调控制系统能够实时感知煤质低位发热量变化，并及时对给煤量进行修正，使得机组在感知煤质变化初期就能够及时的调节给煤量，避免了主蒸汽压力偏离程度的进一步扩大。

图4给出了主汽门解耦控制前后的对比效果。由图4可见，相比于主汽门解耦控制前，解耦控制后机组给煤量和主蒸汽压力的波动负荷显著降低，机组负荷和中间点焓值没有明显变化，主蒸汽压力反馈值几乎一次性稳定在设定值，这是由于主汽门解耦控制使得机组能够及时感知外界负荷需求变化，而后对机组蓄能进行及时利用和补充，从而更好地保证了机组运行的安全性和稳定性。

图5给出了机组协调优化控制的工程应用效果。由图5可见，当agc处于单向变负荷过程时，主蒸汽压力和分离器出口过热度均能够很好的跟随设定值；当agc反向调节时，机组主蒸汽压力和分离器出口过热度相对于设定值的偏离程度较大，分别为0.9mpa和13.8℃，这是由于锅炉燃料量和给水流量对机组主蒸汽压力和分离器出口过热度响应存在较大的差异性，短时间内两者特性难以匹配，但整体而言，在agc投运过程中，机组负荷能够很好的跟随agc指令，机组主蒸汽压力和分离器出口过热度能够满足工程应用需求。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

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