蓄热调峰系统储热放热工况下的功率控制方法与流程

2021-02-26 23:02:18|

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本发明设计火力发电技术调峰领域，具体是一种蓄热调峰系统及其控制方法。

背景技术：

为了满足可再生能源快速发展的需要，提高可再生能源的消纳能力，急需提升电网的灵活性。其中负荷调整的灵活性包括：深度调峰(锅炉及汽机的低负荷运行)、机组快速启停、机组爬坡速率和热电联产机组的热电解耦几个方向。

目前快速调节机组发电功率，主要利用汽轮机进汽阀门，短期释放锅炉蓄热能力；凝结水节流优化方式，短时改变经过加热器的凝结水流量。

利用锅炉蓄热能力虽然能快速响应调度指令，但蓄热能力有限，只能短期增加机组出力，且造成主汽压力的大幅波动。凝结水节流优化方式通过关小凝结水调阀流量，依靠机组低压加热器的自平衡能力，使汽轮机输出电功率增加，但在大幅度改变凝结水流量时，除氧器水位及凝汽器水位均会受到较大的扰动，长时间的改变凝结水流量会影响机组的安全运行，持续能力无法保证。

技术实现要素：

本发明设计了蓄热调峰系统储热工况下的功率控制方法及蓄热调峰系统放热工况下的功率控制方法，通过对蓄热系统储热、放热流量的控制，实现对火力发电机组（以下简称“机组”）发电功率的快速调节，提升机组调节速率，从而增加机组参与电网调峰、调频的能力。

本发明首先提供一种蓄热调峰系统储热工况下的功率控制方法，其中蓄热调峰系统包含主调节器及汽轮发电机组，其中：所述蓄热调峰系统还包含至少一加热器、除氧器、储水罐、凝汽器、凝结水泵、增压泵及若干阀门组，所述阀门组包含下方主路及上方旁路，所述下方主路包含两端的关断阀及中间的调节阀；

其中，所述凝结水泵连接至加热器，形成蓄热调峰系统的供水调整管路，加热器连接至除氧器，所述供水调整管路上设置有第一阀门组及第一管路流量检测处理装置，所述加热器连接至汽轮发电机组；

其中，所述储水罐至除氧器之间形成蓄热调峰系统的热水管路，所述储水罐连接一增压泵，所述增压泵连接一第二管路流量检测处理装置及第二阀门组，所述第二阀门组包含下方主路及上方旁路；所述增压泵并联一包含了第五管路流量检测处理装置及第五阀门组的支线，所述增压泵、第二管路流量检测处理装置及第二阀门组的下方主路构成了热水管路的放热支线，所述第二阀门组的上方旁路、第二管路流量检测处理装置、第五管路流量检测处理装置及第五阀门组形成热水管路的储热支线，该热水管路最终连接至除氧器，除氧器所在主线上设置有第四阀门组及第四管路流量检测处理装置；

其中，所述凝结水泵通过第三阀门组及第三管路流量检测处理装置连接至储水罐，所述凝结水泵通过第六阀门组连接至凝汽器，所述储水罐通过第三阀门组、第三管路流量检测处理装置及第六阀门组连接至凝汽器；

蓄热调峰系统的储热工况为：所述凝结水泵将凝汽器中的凝结水一路经过加热器送至除氧器，及另一路通过上述储热支线送至储水罐，而后，等量冷水由储水罐排出至凝汽器；

所述第五管路流量检测处理装置获取的储热流量为被调量，而第五阀门组中开度为调节量，将需要改变的机组发电功率指令，通过功率与储放热流量的转化函数换算为对应的流量后，和储热流量设定值进行叠加，减去实际储热流量后，作为主调节器的输入，进而调节第五阀门组的开度。

其中：获取除氧器的液位信号为被调量，凝结水泵转速为调节量，维持除氧器液位在设定值;获取储水罐的液位信号为被调量，第六阀门组中调节阀开度为调节量，维持储水罐液位在设定值；第一/二/三阀门组中调节阀及前后关断阀关闭，旁路阀全开；第五/六阀门组中调节阀及前后关断阀全开，旁路阀全关；第四阀门组阀门维持在一定开度；所述增压泵停止，其前后阀门均关闭。

其中，以机组几个典型工况下，不同储热流量对机组发电功率改变的计算数据或工程实测数据为依据，通过对计算数据的分析，对已知数据进行曲线拟合，得出不同工况下，储热流量与机组发电功率改变的对应关系。

其中：所述功率与储放热流量的转化函数采用如下公式：

f(l,p)=（0.0137*l2-2.701*l+194.623）p

其中，变量l代表机组对应tha工况的负荷率（单位：%），p代表需要调节的功率（单位：mw）。

本发明还提供一种蓄热调峰系统放热工况下的功率控制方法，其中蓄热调峰系统包含主调节器及发电机组，其中：所述蓄热调峰系统还包含至少一加热器、除氧器、储水罐、凝汽器、凝结水泵、增压泵及若干阀门组，所述阀门组包含下方主路及上方旁路，所述下方主路包含两端的关断阀及中间的调节阀；

放热工况为：所述凝结水泵将凝汽器中的凝结水送出，一路经过加热器进入除氧器，另一路通过上述冷水管路进入储水罐，而后，等量的热水依靠增压泵由储水罐泵至除氧器；

所述第一管路流量检测处理装置获取的凝结水流量为被调量，而第一阀门组的开度为调节量，将需要改变的机组发电功率指令，通过功率与储放热流量的转化函数换算为对应的流量后，和凝结水流量设定值进行叠加，减去实际凝结水流量后，作为主调节器的输入，进而调节第一阀门组的开度。

其中：获取除氧器的液位信号为被调量，第二阀门组中调节阀开度为调节量，维持储水罐液位在设定值；获取增压泵出口压力信号为被调量，增压泵转速为调节量，维持增压泵出口压力在设定值；获取储水罐的液位信号为被调量，第三阀门组中调节阀开度为调节量，维持储水罐液位在设定值；第五/六阀门组中所有阀门关闭；第一/二/三阀门组中调节阀及前后关断阀全开，旁路阀关闭；凝结水泵至第三阀门组间所有阀门打开；增压泵前后阀门均打开；第四阀门组阀门全开；凝结水泵控制总的凝结水流量，满足除氧器液位变化要求。

其中：以机组几个典型工况下，不同储热流量对机组发电功率改变的计算数据或工程实测数据为依据，通过对计算数据的分析，对已知数据进行曲线拟合，得出不同工况下，储热流量与机组发电功率改变的对应关系。

其中：所述功率与储放热流量的转化函数采用如下公式：

f(l,p)=（0.0137*l2-2.701*l+194.623）p

其中，变量l代表机组对应tha工况的负荷率（单位：%），p代表需要调节的功率（单位：mw）。

本发明的有益效果为：储热方式下，凝结水泵送出的凝结水（冷水）经过加热器后（热水），一路进入除氧器，另一路进入储水罐，等量冷水由储水罐排出至凝汽器。由于进入除氧器的总量相对固定，进入储水罐的流量增大，经过加热器的流量也随之增加，机组发功率降低，反之亦然。放热方式下，凝结水泵送出的凝结水，一路经过加热器进入除氧器，另一路进入储水罐，等量的热水依靠增压泵由储水罐泵至除氧器。由于进入除氧器的总量相对固定，储水罐泵出的流量增大，经过加热器的流量随之减少，机组发电功率升高，反之亦然。申请人提出的利用储水罐蓄热技术，提高机组爬坡速率快速响应电网调度指令，是一种提升机组爬坡速率的新方式。

附图说明

图1为本发明蓄热调峰系统的整体结构图。

图2为发明蓄热调峰系统的储热工况。

图3为发明蓄热调峰系统的放热工况。

图4为本发明蓄热调峰系统的储热工况下的具体实施案例。

图5为本发明蓄热调峰系统的放热工况下的具体实施案例。

图6为本发明中储热方式功率调节回路原理框图。

图7为本发明中放热方式功率调节回路原理框图。

图8为阀门组的具体结构示意图。

具体实施方式

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。

首先介绍一下本发明中的相关术语：

机组调节速率：机组每分钟内能够提高或降低的功率，单位mw/min。

机组协调控制系统：以机组的锅炉、汽轮机为被控对象，使两者协调配合控制机组发电功率变化。

负荷指令：机组协调控制系统发出的，控制对象响应的目标设定值。

调节回路:具有负反馈的闭环回路，控制执行机构使目标参数维持在设定值。

pid控制器：控制器的一种，由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成。

tha工况：热耗率验收工况，是汽轮机运行工况的一种，指汽轮机在额定进气参数下、额定背压、回热系统正常投运，补水率为0，能连续运行发出的功率。

该方法在机组现有分散控制系统（以下简称“dcs”）中编程组态实现，通过与机组现有控制策略配合，实现对机组的控制。具体包括储热方式功率调节回路、放热方式功率调节回路、功率与储放热流量的转化函数，以及不同运行方式下系统的控制方法。根据不同运行方式，任意时刻两个功率调节回路中仅有一个回路投入使用。当调节回路接收到机组协调控制系统发来的负荷指令后，控制蓄热系统储热/放热流量的改变，使机组发电功率变化。

目前，申请人提出的利用储水罐蓄热技术，提高机组爬坡速率快速响应电网调度指令，是一种提升机组爬坡速率的新方式。由于该工艺系统属于国内首创，尚无配套的控制策略，实现其控制过程的自动化，是该技术完善及落地的重要条件，同时能提高自动化水平，降低运行人员操作强度，为保障机组安全运行提供支撑。

储水罐蓄热技术的主要原理是，汽轮机依靠蒸汽推动转子旋转，带动发电机发电。汽轮机中有一部分蒸汽通过抽汽进入加热器，为通过的凝结水加热。当通过加热器的凝结水量增加时，抽汽量增加，推动汽轮机发电的蒸汽减少，发电功率降低；反之当通过加热器的凝结水量减少时，抽汽量减少，推动汽轮机发电的蒸汽增加，发电功率升高。系统运行分为储热方式和放热方式。

如图1至图3所示，尤其是图1所示，本发明中蓄热调峰系统中至少包含由发电机1和汽轮机2构成的汽轮发电机组，还包含加热器3、除氧器4、储水罐5、凝汽器6、凝结水泵7、增压泵8、若干阀门组s（s1、s2、s3、s4、s5、s6）及若干管路流量检测处理装置f，所述凝结水泵7与凝汽器6相连。

其中，所述凝结水泵7连接至加热器3形成蓄热调峰系统的供水调整管路100，所述加热器3连接至除氧器4，所述供水调整管路100上设置有第一阀门组s1及第一管路流量检测处理装置f1，所述加热器3连接汽轮机2抽汽，与凝结水泵7送至除氧器4的凝结水进行换热。

其中，所述储水罐5至除氧器4之间形成蓄热调峰系统的热水管路，所述储水罐5连接一增压泵8形成热水管路的放热支线200-1。此外，所述放热支线还并联一储热支线200-2，所述热水管路连接至除氧器4，该热水管路上设置有第二阀门组s2及第二管路流量检测处理装置f2。

其中，所述凝结水泵7连接至储水罐5形成蓄热调峰系统的冷水管路300，所述冷水管路300上设置有第三阀门组s3。所述凝结水泵7、凝汽器6及所述储水罐5相互连通，其可以通过一第三阀门组s3相互连接，即：所述凝结水泵7连接凝汽器6，所述凝结水泵7连接储水罐5，所述凝汽器6连接储水罐5。

储热方式如图2所示，请看箭头方向，凝结水泵7送出的凝结水（冷水），水量为w0，经过加热器3后（热水），一路进入除氧器4，水量为w1，另一路通过上述储热支线200-2进入储水罐5，水量为w2，相应的，等量冷水w2由储水罐5排出至凝汽器6，其中w0=w1+w2。由于进入除氧器4的总量（设定值）相对固定，即w1相对固定，进入储水罐的流量w2增大，经过加热器的流量w0也随之增加，发电机组发功率降低。反之，即：由于进入除氧器的总量（设定值）相对固定，即w1相对固定，进入储水罐的流量w2减少，经过加热器的流量w0也随之减少，发电机组发功率升高。

储热方式下，凝结水泵7控制总的凝结水流量，满足除氧器液位变化要求，第一阀门组s1控制除氧器4液位在设定值；第二阀门组s2控制加热器3的储热流量，该储热流量通过第二管路流量检测处理装置f2获取，改变机组发电功率，第三阀门组s3控制排出储水罐5冷水流量，维持储水罐水位在设定值。储热方式功率调节回路原理框图如图6所示，该调节回路以第二管路流量检测处理装置f2获取的储热流量为被调量，以第二阀门组s2为调节量。在一个单回路控制系统的基础上，将需要改变的机组发电功率指令，通过函数f(x)换算为对应的流量后，和储热流量设定值进行叠加，减去实际储热流量后，作为主调节器的输入。主调节器采用pid控制器，控制第二阀门组s2中相应控制阀门的开度，从而改变储热流量。当功率指令变化时，该调节回路控制储热流量跟随增减变化，当功率指令为零时，储热流量恢复至正常运行时流量的设定值。

放热方式如图3所示，请看箭头方向，凝结水泵7送出的凝结水，一路经过加热器3进入除氧器4，水量为w1’，另一路经过冷管路300进入储水罐5，水量为w2’，其中w0’=w1’+w2’。等量的热水w2’依靠增压泵8由储水罐5通过上述热水管路的热支线200-1泵至除氧器4。由于进入除氧器的总量（设定值）相对固定，储水罐泵出的流量w2’增大，经过加热器的流量w1’随之减少，机组发电功率升高。反之，即：由于进入除氧器的总量（设定值）相对固定，储水罐泵出的流量w2’减少，经过加热器的流量w1’随之增加，机组发电功率降低。

放热方式下，第二阀门组s2控制除氧器4液位在设定值，第三阀门组s3控制进入储水罐5冷水流量，维持储水罐5水位在设定值，凝结水泵7控制总的凝结水流量，满足除氧器液位变化要求，第一阀门组s1控制凝结水流入加热器的流量，其通过第一管路流量检测处理装置f1获取，从而改变机组发电功率。放热方式功率调节回路原理框图如图7所示，该调节回路以第一管路流量检测处理装置f1获取的凝结水流量为被调量，以第一阀门组s1为调节量。在一个单回路控制系统的基础上，将需要改变的机组发电功率指令，通过函数f(x)换算为对应的流量后，和凝结水流量设定值进行叠加，减去实际凝结水流量后，作为主调节器的输入。主调节器采用pid控制器，控制第一阀门组s1中相应控制阀门的开度，从而改变凝结水流量。当功率指令变化时，该调节回路控制凝结水流量跟随增减变化，当功率指令为零时，凝结水流量恢复至正常运行时流量的设定值。

请参阅图4和图5所示，其分别为储热工况和放热工况下的具体实施案例，其中，各阀门组包含若干各个功能的阀门，所述各管路流量检测处理装置可采用不同的流量检测原理及装置，实现管路流量的检测及流量信号的远传。其中，阀门组是多个阀门通过串并联组成的阀门组，实现管路的关断、调节、隔离作用，并可通过现场操作或远方控制，具体来讲，本实施例中包含并列的两条支路，下方主路及上方支路，下方主路上设置有两侧的关断阀10、11及中间的调节阀12，上方支路上设置旁路关断阀13，下方主支的关断阀包含一侧的手动关断阀10，另一侧的电动关断阀11，旁路关断阀13一般为电动关断阀。液体一般的路径为自下方主路的手动关断阀10至中间的调节阀12，再至电动关断阀11，也可以通过与上方支路的切换，经过旁路关断阀13走上方支路。

于图4和图5中，所述凝结水泵7依次连接第一管路流量检测处理装置f1、第一阀门组s1、及加热器3，形成蓄热调峰系统的供水调整管路100，所述加热器3连接至除氧器总线400上，该除氧器总线400上设置第四阀门组s4、第四管路流量检测处理装置f4及除氧器4。第一阀门组s1与上述标准阀门组结构相同，第四阀门组s4为一电动关断阀。

所述凝结水泵7通过第三阀门组s3及第三管路流量检测处理装置f3连接至储水罐5，所述凝结水泵7通过第六阀门组s6连接至凝汽器6，所述储水罐5通过第三阀门组s3、第三管路流量检测处理装置f3及第六阀门组s6连接至凝汽器6。所述储水罐5通过增压泵8、第二阀门组s2及第二管路流量检测处理装置f2连接至除氧器总线400上。所述增压泵8的两端分别设置有电动关断阀，且所述增压泵8线路还并联一备用增压泵81，所述备用增压泵81两侧设置有电动关断阀。所述增压泵8线路并联第五阀门组s5及第五管路流量检测处理装置f5，其中第二阀门组s2的组成如上述标准的阀门组，第五阀门组s5中为了形成至储水罐5的逆流，s5的下方主路是按照液体逆行设置的电动关断阀，调节阀及手动关断阀的设置方式。热水管路的放热支线200-1为储水罐5、增压泵8、第二管路流量检测处理装置f2及第二阀门组s2的下方主路形成的。热水管路的储热支线200-2为第二阀门组s2的上方支路、第二管路流量检测处理装置f2、第五管路流量检测处理装置f5及第五阀门组s5形成的。所述供水调整管路100及热水管路200汇总至除氧器总线400均连接至除氧器4。上述方案蓄热调峰系统的储热工况为：所述凝结水泵7将凝汽器6中的凝结水一路经过加热器3送至除氧器4，及另一路通过上述储热支线200-2送至储水罐5，而后，等量冷水由储水罐5排出至凝汽器6；

所述第五管路流量检测处理装置f5获取的储热流量为被调量，而第五阀门组s5中开度为调节量，将需要改变的机组发电功率指令，通过功率与储放热流量的转化函数换算为对应的流量后，和储热流量设定值进行叠加，减去实际储热流量后，作为主调节器的输入，进而调节第五阀门组s5的开度获取除氧器4的液位信号为被调量，凝结水泵7转速为调节量，维持除氧器4液位在设定值;获取储水罐5的液位信号为被调量，第六阀门组s6中调节阀开度为调节量，维持储水罐5液位在设定值；第一/二/三阀门组s1/s2/s3中调节阀及前后关断阀关闭，旁路阀全开；第五/六阀门组s5/s6中调节阀及前后关断阀全开，旁路阀全关；第四阀门组s4阀门维持在一定开度；所述增压泵8/81停止，其前后阀门均关闭。

上述方案的放热工况为：所述凝结水泵7将凝汽器6中的凝结水送出，一路经过加热器3进入除氧器4，另一路通过上述冷水管路300进入储水罐5，而后，等量的热水依靠增压泵8由储水罐5泵至除氧器4；

所述第一管路流量检测处理装置f1获取的凝结水流量为被调量，而第一阀门组s1的开度为调节量，将需要改变的机组发电功率指令，通过功率与储放热流量的转化函数换算为对应的流量后，和凝结水流量设定值进行叠加，减去实际凝结水流量后，作为主调节器的输入，进而调节第一阀门组（s1）的开度。

获取除氧器4的液位信号为被调量，第二阀门组s2中调节阀开度为调节量，维持储水罐5液位在设定值；获取增压泵8/81出口压力信号为被调量，增压泵8/81转速为调节量，维持增压泵8/81出口压力在设定值；获取储水罐5的液位信号为被调量，第三阀门组s3中调节阀开度为调节量，维持储水罐5液位在设定值；第五/六阀门组s5/s6中所有阀门关闭；第一/二/三阀门组s1/s2/s3中调节阀及前后关断阀全开，旁路阀关闭；凝结水泵7至第三阀门组s3间所有阀门打开；增压泵8/81前后阀门均打开；第四阀门组s4阀门全开；凝结水泵7控制总的凝结水流量，满足除氧器液位变化要求。

功率指令与储热流量的换算十分复杂，受到诸多运行工况及参数的影响，本发明以机组40%tha工况、50%tha工况、75%tha工况、100%tha工况下，不同储热流量对机组发电功率改变的计算数据为依据。通过对计算数据的分析，利用最小二乘法，对已知数据进行曲线拟合，得出不同工况下，储热流量与机组发电功率改变的对应关系：

f(l,p)=（0.0137*l2-2.701*l+194.623）p（1）

其中变量l代表机组对应tha工况的负荷率（单位：%），p代表需要调节的功率（单位：mw）。由于不同机组工程情况各不相同，可采用本发明介绍的方法，采用机组的实际工程数据拟合得到。

以上所述函数仅为期中一个工程实例，不同工况、选取不同数据点、不同数学拟合方法的结果都不相同，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，均属于本条权利要求范围。

通过该函数系统可以：

（1）已知当前对应的tha工况负荷率、当前储放热流量，计算出当前蓄热系统调节的功率。

（2）已知当前对应的tha工况负荷率、当前储放热流量，计算出蓄热系统还可以调节的功率范围。

（3）已知当前对应的tha工况负荷率、需要调节的功率，计算出需要改变的储放热流量。

该控制方法可以实现蓄热系统与原有机组的配合运行，包括储热方式功率调节回路、放热方式功率调节回路、功率与储放热流量的转化函数，以及不同运行方式下系统的控制方法，控制功能完善；在机组现有dcs中编程组态实现，兼容性好；机组发电功率调节，根据功率指令可以自动换算出对的应储、放热流量，实现了调节过程的自动控制，降低运行人员操作强度，为保障机组安全运行提供支撑。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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