一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法及系统

本发明涉及火电机组调频技术领域，特别是涉及一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法及系统。

背景技术：

火电机组的一次调频调节能力是支撑电力系统进行频率调节的重要能力。根据国家标准《火力发电机组一次调频试验及性能验收导则》(gb/t30370-2013)对火电机组应具备的一次调频响应能力进行了规定：火电机组转速不等率应为3％～6％；燃煤机组达到75％目标负荷的响应时间应不大于15s，达到90％目标负荷的时间应不大于30s。由于锅炉的滞后和惯性，当一次调频指令生效后，通常输入能量在1min内都是保持不变的，因此一次调频在锅炉侧实质是短时间利用锅炉蓄能的过程。现阶段主要研究在于量化火电机组最大蓄能以界定机组一次调频能力的极限值。与之相对应的是量化机组实时蓄能以评估机组当前一次调频能力。并以此确定本次机组一次调频初始阶段欠缺的功率与整个过程欠缺的能量。但是由于当前关于机组一次调频实时蓄能评估研究较少，没有准确度实时蓄能评估方法，因此本专利提出一种火电机组一次调频蓄能实时评估量化方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法及系统，以提高火电机组一次调频蓄能实时评估的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法，所述方法包括：

获取火电机组当前运行参数和设计参数；

利用所述当前运行参数和所述设计参数机组对火电机组进行阶跃扰动实验，确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间；各组件包括：过热器、再热器、水冷壁和省煤器；

根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能；

根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能。

可选地，所述根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能，具体包括：

根据过热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算过热器对应的总蓄能；

根据再热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算再热器对应的总蓄能；

根据水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间计算水冷壁对应的总蓄能；

根据省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间计算省煤器对应的总蓄能。

可选地，所述根据过热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算过热器对应的总蓄能，具体包括：

根据计算过热器对应的工质蓄能；其中，δew1为过热器对应的工质蓄能，δvw1为过热器内工质体积膨胀量，hst为主蒸汽焓值，vst为主蒸汽比容，at1为过热器对应的工质蓄能修正系数，t1为过热器能量响应一次调频指令的惯性时间，s为拉普拉斯变换出来的虚变量，*为乘号；

根据计算过热器对应的金属蓄能；其中，δem1为过热器对应的金属蓄能，cm1为过热器对应的金属热比容，mm1为过热器对应的金属质量，δtm1为过热器对应的金属温度下降值，bt1为过热器对应的金属蓄能修正系数；

根据δe1＝δew1+δem1计算过热器对应的总蓄能；其中，δe1为过热器对应的总蓄能。

可选地，所述根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能，具体公式为：

δeh＝δe1+δe2+δe3+δe4；

其中，δeh为火电机组用于一次调频的蓄能，δe1为过热器对应的总蓄能，δe2为再热器对应的总蓄能，δe3为水冷壁对应的总蓄能，δe4为省煤器对应的总蓄能

可选地，所述当前运行参数包括主汽流量、各个点压力、各个点焓值、各个点温度和各个组件内工质体积；所述设计参数包括机组稳态数据、金属质量、金属空间大小和金属管长度。

本发明还提供一种火电机组一次调频蓄能实时评估系统，所述系统包括：

获取模块，用于获取火电机组当前运行参数和设计参数；

惯性时间确定模块，用于利用所述当前运行参数和所述设计参数机组对火电机组进行阶跃扰动实验，确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间；各组件包括：过热器、再热器、水冷壁和省煤器；

各组件总蓄能确定模块，用于根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能；

火电机组调频蓄能确定模块，用于根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能。

可选地，所述各组件总蓄能确定模块，具体包括：

过热器总蓄能确定单元，用于惯性时间确定模块根据过热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算过热器对应的总蓄能；

再热器总蓄能确定单元，用于根据再热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算再热器对应的总蓄能；

水冷壁总蓄能确定单元，用于根据水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间计算水冷壁对应的总蓄能；

省煤器总蓄能确定单元，用于根据省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间计算省煤器对应的总蓄能。

可选地，所述过热器总蓄能确定单元，具体包括：

过热器工质蓄能确定子单元，用于根据计算过热器对应的工质蓄能；其中，δew1为过热器对应的工质蓄能，δvw1为过热器内工质体积膨胀量，hst为主蒸汽焓值，vst为主蒸汽比容，at1为过热器对应的工质蓄能修正系数，t1为过热器能量响应一次调频指令的惯性时间，s为拉普拉斯变换出来的虚变量，*为乘号；

过热器金属蓄能确定子单元，用于根据计算过热器对应的金属蓄能；其中，δem1为过热器对应的金属蓄能，cm1为过热器对应的金属热比容，mm1为过热器对应的金属质量，δtm1为过热器对应的金属温度下降值，bt1为过热器对应的金属蓄能修正系数；

过热器总蓄能确定子单元，用于根据δe1＝δew1+δem1计算过热器对应的总蓄能；其中，δe1为过热器对应的总蓄能。

可选地，所述根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能，具体公式为：

δeh＝δe1+δe2+δe3+δe4；

其中，δeh为火电机组用于一次调频的蓄能，δe1为过热器对应的总蓄能，δe2为再热器对应的总蓄能，δe3为水冷壁对应的总蓄能，δe4为省煤器对应的总蓄能

可选地，所述当前运行参数包括主汽流量、各个点压力、各个点焓值、各个点温度和各个组件内工质体积；所述设计参数包括机组稳态数据、金属质量、金属空间大小和金属管长度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明先根据阶跃扰动实验确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间，然后基于各组件能量响应一次调频指令的惯性时间来确定火电机组用于一次调频的蓄能，相比于现有未对时间上进行划分确定电机组用于一次调频的蓄能的方法进一步提高了对电机组用于一次调频的蓄能实时评估的准确性。

附图说明

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明火电机组模型结构图；

图2为本发明只考虑时间惯性的前提下简化的火电机组模型结构图；

图3为本发明火电机组一次调频蓄能实时评估方法流程图；

图4为本发明各组件对应的总蓄能实时响应图；

图5为本发明火电机组一次调频蓄能实时响应对比图；

图6为本发明火电机组一次调频蓄能实时评估系统结构图；

其中，1、过热器，2、再热器，3、水冷壁，4、省煤器，5、汽包，6、制粉系统，7、汽轮机。

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。

本发明的目的是提供一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法及系统，以提高火电机组一次调频蓄能实时评估的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

火电机组模型如图1所示，火电机组模型包括制粉系统6、水冷壁3、汽包5、过热器1、再热器2、省煤器4以及汽轮机7；此部分为现有技术，因此具体工作原理不再论述。火电机组一次调频中的机组蓄能来自过热器1、再热器2、水冷壁3以及省煤器4，因此需要在空间上量化这些组件中的蓄能。由于空间位置不同，当一次调频指令下达，机组阀门动作，每一组件的能量响应时间也不相同，距离汽机越近响应时间也就越短，距离汽机越远，响应时间也就越长。因此又需要从时间尺度上来量化这些组件的迟延时间t。

从能量角度看，火电机组负荷调节主要依靠两个部分的能量：燃料能量充足但调节负荷速度缓慢，锅炉储能能够快速调节负荷但容量小。一次调频，需要全面分析火电机组的储能。燃料量到机前压力反应速度最快也需要500s以上，完全不满足一次调频时间尺度需求，因此在考虑一次调频能量时这组件能量完全需要舍弃。机组蓄能来自过热器1、再热器2、水冷壁3以及省煤器4中的蓄能，可以支撑120s左右。因此其中有很大一部分可以满足一次调频的时间需求。这些机组组件中的蓄能包括两部分：组件工质蓄能与机组组件内部金属蓄能。

对于热力系统而言，能量以热能形式储存在汽水工质或者金属中。因此可以通过能量载体位置的不同划分机组蓄能。能量的空间尺度分析主要是指不同位置储能能量的定量分析，空间指能量的分布，尺度是能量的大小。时间尺度分析是得到不同能量的响应时间。因此需要以空间尺度分析火电机组空间的每一部分蓄能能量，通过时间尺度分析，从中剥离出满足一次调频时间需求的蓄能。

本发明只考虑时间惯性的前提下简化的火电机组模型，如图2所示，由于离汽轮机位置的远近不同，各组件能量响应一次调频指令的惯性时间也不同，空间上离汽轮机越近，在时间尺度上响应一次调频指令的惯性时间t也就越短。t为机组空间尺度分布的能量在一次调频指令下达后能量到达汽机迟延，e为机组空间分布的能量大小。图2中，t1为过热器能量响应一次调频的时间惯性，t2为再热器能量响应一次调频的时间惯性，t3为水冷壁能量响应一次调频的时间惯性，t4为省煤器能量响应一次调频的时间惯性。e过热器为过热器中的蓄能，e再热器为再热器中的蓄能，e水冷壁为水冷壁中的蓄能，e省煤器为省煤器中的蓄能，δp为主蒸汽压力变化量；对于空间分布能量到达汽机惯性时间有：0＜t1＜t2＜t3＜t4。

实施例1

如图3所示，本发明公开一种火电机组一次调频蓄能实时评估方法，所述方法包括：

步骤s1：获取火电机组当前运行参数和设计参数。

步骤s2：利用所述当前运行参数和所述设计参数机组对火电机组进行阶跃扰动实验，确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间；各组件包括：过热器、再热器、水冷壁和省煤器。

步骤s3：根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能。

步骤s4：根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能。

下面对各个步骤进行详细论述：

本发明是通过火电机组现场分散控制系统(dcs)及机组设计手册获取火电机组当前运行参数和设计参数；所述当前运行参数包括主汽流量、各个点压力、各个点焓值、各个点温度和各个组件内工质体积；所述设计参数包括机组稳态数据、金属质量、金属空间大小和金属管长度。

步骤s2：利用所述当前运行参数和所述设计参数机组对火电机组进行阶跃扰动实验，确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间；具体包括四个惯性时间，分别为t1为过热器能量响应一次调频指令的惯性时间，t2为再热器能量响应一次调频指令的惯性时间，t3为水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间，t4为省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间。

各组件能量响应一次调频指令的惯性时间ti的获取是需要对火电机组做阶跃扰动实验，然后通过实验数据去拟合获得的，拟合的方法都是通用的辨识方法。

本发明中ati为当前组件工质蓄热修正系数，ati根据惯性时间拟合情况而定；bti为当前组件金属蓄热修正系数，根据设计参数修订；其中，i＝1为过热器，i＝2为再热器，i＝3为水冷壁，i＝4为省煤器。

本发明忽略组件内部能量传递时间，将其当作一个整体在时间上连续时，具体求得火电机组用于一次调频蓄能的步骤如下：

步骤s3：根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能，具体包括：

步骤s31：根据过热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算过热器对应的总蓄能，具体包括：

步骤s311：根据计算过热器对应的工质蓄能；其中，δew1为过热器对应的工质蓄能，δvw1为过热器内工质体积膨胀量，hst为主蒸汽焓值，vst为主蒸汽比容，at1为过热器对应的工质蓄能修正系数，t1为过热器能量响应一次调频指令的惯性时间，s为拉普拉斯变换出来的虚变量，*为乘号。

步骤s312：根据计算过热器对应的金属蓄能；其中，δem1为过热器对应的金属蓄能，cm1为过热器对应的金属热比容，mm1为过热器对应的金属质量，δtm1为过热器对应的金属温度下降值，bt1为过热器对应的金属蓄能修正系数。

步骤s313：根据δe1＝δew1+δem1计算过热器对应的总蓄能；其中，δe1为过热器对应的总蓄能。

步骤s32：根据再热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算再热器对应的总蓄能，具体包括：

步骤s321：根据计算再热器对应的工质蓄能；其中，δew2为再热器对应的工质蓄能，δvw2为再热器内工质体积膨胀量，at2为再热器对应的工质蓄能修正系数，t2为再热器能量响应一次调频指令的惯性时间。

步骤s322：根据计算再热器对应的金属蓄能；其中，δem2为再热器对应的金属蓄能，cm2为再热器对应的金属热比容，mm2为再热器对应的金属质量，δtm2为再热器对应的金属温度下降值，bt2为再热器对应的金属蓄能修正系数。

步骤s323：根据δe2＝δew2+δem2计算再热器对应的总蓄能；其中，δe2为再热器对应的总蓄能。

步骤s33：根据水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间计算水冷壁对应的总蓄能，具体包括：

步骤s331：根据计算水冷壁对应的工质蓄能；其中，δew3为水冷壁对应的工质蓄能，δvw3为水冷壁内工质体积膨胀量，at3为水冷壁对应的工质蓄能修正系数，t3为水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间。

步骤s332：根据计算水冷壁对应的金属蓄能；其中，δem3为水冷壁对应的金属蓄能，cm3为水冷壁对应的金属热比容，mm3为水冷壁对应的金属质量，δtm3为水冷壁对应的金属温度下降值，bt3为水冷壁对应的金属蓄能修正系数。

步骤s333：根据δe3＝δew3+δem3计算水冷壁对应的总蓄能；其中，δe3为水冷壁对应的总蓄能。

步骤s34：根据省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间计算省煤器对应的总蓄能，具体包括：

步骤s341：根据计算省煤器对应的工质蓄能；其中，δew4为省煤器对应的工质蓄能，δvw4为省煤器内工质体积膨胀量，at4为省煤器对应的工质蓄能修正系数，t4为省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间。

步骤s342：根据计算省煤器对应的金属蓄能；其中，δem4为省煤器对应的金属蓄能，cm4为省煤器对应的金属热比容，mm4为省煤器对应的金属质量，δtm4为省煤器对应的金属温度下降值，bt4为省煤器对应的金属蓄能修正系数。

步骤s343：根据δe4＝δew4+δem4计算省煤器对应的总蓄能；其中，δe4为省煤器对应的总蓄能。

如图4所示，(a)为过热器对应的总蓄能实时响应图，(b)为再热器对应的总蓄能实时响应图，(c)为水冷壁对应的总蓄能实时响应图，(d)为省煤器对应的总蓄能实时响应图。

步骤s4：根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能，具体公式为：

δeh＝δe1+δe2+δe3+δe4；

其中，δeh为火电机组用于一次调频的蓄能，δe1为过热器对应的总蓄能，δe2为再热器对应的总蓄能，δe3为水冷壁对应的总蓄能，δe4为省煤器对应的总蓄能。

如图5所示，虚线为采用时间上未进行划分获得的火电机组用于一次调频蓄能的实时响应曲线，实线为采用本发明时间上已进行划分获得的火电机组用于一次调频蓄能的实时响应曲线，由图5可知，采用本发明公开的方法对火电机组用于一次调频蓄能描述的更加准确。

实施例2

如图6所示，本发明提供一种火电机组一次调频蓄能实时评估系统，所述系统包括：

获取模块601，用于获取火电机组当前运行参数和设计参数；所述当前运行参数包括主汽流量、各个点压力、各个点焓值、各个点温度和各个组件内工质体积；所述设计参数包括机组稳态数据、金属质量、金属空间大小和金属管长度。

惯性时间确定模块602，用于利用所述当前运行参数和所述设计参数机组对火电机组进行阶跃扰动实验，确定各组件能量响应一次调频指令的惯性时间；各组件包括：过热器、再热器、水冷壁和省煤器。

各组件总蓄能确定模块603，用于根据各组件能量响应一次调频指令的惯性时间分别计算各组件对应的总蓄能。

火电机组调频蓄能确定模块604，用于根据各组件对应的总蓄能确定火电机组用于一次调频的蓄能。

下面对各个模块进行详细论述：

作为一种可选的实施方式，本发明所述各组件总蓄能确定模块603，具体包括：

过热器总蓄能确定单元，用于惯性时间确定模块根据过热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算过热器对应的总蓄能。

再热器总蓄能确定单元，用于根据再热器能量响应一次调频指令的惯性时间计算再热器对应的总蓄能。

水冷壁总蓄能确定单元，用于根据水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间计算水冷壁对应的总蓄能。

省煤器总蓄能确定单元，用于根据省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间计算省煤器对应的总蓄能。

作为一种可选的实施方式，本发明所述过热器总蓄能确定单元，具体包括：

过热器工质蓄能确定子单元，用于根据计算过热器对应的工质蓄能；其中，δew1为过热器对应的工质蓄能，δvw1为过热器内工质体积膨胀量，hst为主蒸汽焓值，vst为主蒸汽比容，at1为过热器对应的工质蓄能修正系数，t1为过热器能量响应一次调频指令的惯性时间，s为拉普拉斯变换出来的虚变量，*为乘号。

过热器金属蓄能确定子单元，用于根据计算过热器对应的金属蓄能；其中，δem1为过热器对应的金属蓄能，cm1为过热器对应的金属热比容，mm1为过热器对应的金属质量，δtm1为过热器对应的金属温度下降值，bt1为过热器对应的金属蓄能修正系数。

过热器总蓄能确定子单元，用于根据δe1＝δew1+δem1计算过热器对应的总蓄能；其中，δe1为过热器对应的总蓄能。

作为一种可选的实施方式，本发明再热器总蓄能确定单元，具体包括：

再热器工质蓄能确定子单元，用于根据计算再热器对应的工质蓄能；其中，δew2为再热器对应的工质蓄能，δvw2为再热器内工质体积膨胀量，at2为再热器对应的工质蓄能修正系数，t2为再热器能量响应一次调频指令的惯性时间。

再热器金属蓄能确定子单元，用于根据计算再热器对应的金属蓄能；其中，δem2为再热器对应的金属蓄能，cm2为再热器对应的金属热比容，mm2为再热器对应的金属质量，δtm2为再热器对应的金属温度下降值，bt2为再热器对应的金属蓄能修正系数。

再热器总蓄能确定子单元，用于根据δe2＝δew2+δem2计算再热器对应的总蓄能；其中，δe2为再热器对应的总蓄能。

作为一种可选的实施方式，本发明水冷壁总蓄能确定单元，具体包括：

水冷壁工质蓄能确定子单元，用于根据计算水冷壁对应的工质蓄能；其中，δew3为水冷壁对应的工质蓄能，δvw3为水冷壁内工质体积膨胀量，at3为水冷壁对应的工质蓄能修正系数，t3为水冷壁能量响应一次调频指令的惯性时间。

水冷壁金属蓄能确定子单元，用于根据计算水冷壁对应的金属蓄能；其中，δem3为水冷壁对应的金属蓄能，cm3为水冷壁对应的金属热比容，mm3为水冷壁对应的金属质量，δtm3为水冷壁对应的金属温度下降值，bt3为水冷壁对应的金属蓄能修正系数。

水冷壁总蓄能确定子单元，用于根据δe3＝δew3+δem3计算水冷壁对应的总蓄能；其中，δe3为水冷壁对应的总蓄能。

作为一种可选的实施方式，本发明省煤器总蓄能确定单元，具体包括：

省煤器工质蓄能确定子单元，用于根据计算省煤器对应的工质蓄能；其中，δew4为省煤器对应的工质蓄能，δvw4为省煤器内工质体积膨胀量，at4为省煤器对应的工质蓄能修正系数，t4为省煤器能量响应一次调频指令的惯性时间。

省煤器金属蓄能确定子单元，用于根据计算省煤器对应的金属蓄能；其中，δem4为省煤器对应的金属蓄能，cm4为省煤器对应的金属热比容，mm4为省煤器对应的金属质量，δtm4为省煤器对应的金属温度下降值，bt4为省煤器对应的金属蓄能修正系数。

省煤器总蓄能确定子单元，用于根据δe4＝δew4+δem4计算省煤器对应的总蓄能；其中，δe4为省煤器对应的总蓄能。

与实施例1相同的部分不再逐一论述，具体详见实施例1。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。