基于燃煤机组热力系统蓄*修正的一次调频优化控制方法与流程

本发明属于火电厂热工控制技术领域，具体涉及一种基于燃煤机组热力系统蓄修正的一次调频优化控制方法。

背景技术：

随着能源短缺、环境污染和气候变迁等问题日益突显，各国可再生能源利用比例逐年攀升，然而可再生能源大都具有间歇性和波动性，易受到环境条件的影响，对电力系统的安全稳定性造成巨大冲击，故需要提升电网灵活性。对于短期的电网调节，主要是指一次调频，即对小范围内频繁变动的负荷进行调整以及在电网出现事故的情况下，快速调整发电机组的出力，抑制电网频率的进一步恶化。燃煤发电机组因为其容量大、功率可控、不受地域的限制等优点，已广泛地参与到电网运行灵活性调节中。从燃煤机组本身出发，凡是能够迅速释放机组蓄热并转化为出力的方法均可以作为一次调频的手段。现有的调节方案包括主汽阀调节、高加抽汽调节、低加抽汽调节、冷却水调节、热网储能调节等。但是机组本身处在瞬态运行过程中，所以直接根据稳态调节能力选取当时的调节方案，易造成调节能力不足现象，且无法实现自动控制。因此，从瞬态过程运行特性的本质出发，为燃煤机组一次调频控制提供策略和数据上的指导，旨在从根本上提高燃煤机组变负荷灵活性。

技术实现要素：

本发明正是解决燃煤机组瞬态过程各类热力系统调整方案无法实现准确且自动参与一次调频控制的问题，提供一种基于燃煤机组热力系统蓄修正的一次调频优化控制方法，该方法可以根据热力系统调节方案作用前后状态的蓄变化量，准确判断各类调节方案的调节能力和经济性，从而有效地选择合理的方案参与到瞬态过程中的一次调频中，迅速有效保证电网频率稳定。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于燃煤机组热力系统蓄修正的一次调频优化控制方法，根据不同瞬态过程燃煤机组热力系统各个热力设备的蓄量大小，确定适合当前状态的最优一次调频控制方案，并对一次调频控制逻辑进行修正；具体步骤如下：

(一)获取燃煤机组热力系统各个热力设备的实时蓄量

通过压力传感器获得燃煤机组热力系统各个热力设备的工质压力，通过温度传感器得到燃煤机组热力系统各个热力设备的工质和金属受热面的温度，进而查水和蒸汽性质计算表求取各个热力设备在任意状态的蓄量，包含工质和金属受热面部分，对于编号i的热力设备：

exs,i＝ms·[u(ps,i,ts,i)-u0-t0·(s(ps,i,ts,i)-s0)]

exm,i＝mm·cm[tm,i-t0-t0·ln(tm,i/t0)]

exw,i＝mw·[u(pw,i,tw,i)-u0-t0·(s(pw,i,tw,i)-s0)]

exi＝exs,i+exm,i+exw,i

式中：exs,i、exm,i和exw,i分别为热力设备i的蒸汽的蓄量、金属受热面的蓄值和给水的蓄量，kj；ms、mm和mw分别为热力设备i内的蒸汽的质量、金属受热面的质量和给水的质量，kg；t0为环境温度，k；u0为环境温度、环境压力对应下的热力学能，kj/kg；s0为环境温度、环境压力对应下的熵值，kj/(kg·k)；u(ps,i,ts,i)为蒸汽压力ps,i和蒸汽温度ts,i计算得到的蒸汽热力学能，kj/kg；s(ps,i,ts,i)为蒸汽压力ps,i和蒸汽温度ts,i计算得到的蒸汽熵值，kj/(kg·k)；cm为加热器金属受热面的比热容，kj/(kg·k)；tm,i为加热器金属受热面的平均温度，k；u(pw,i,tw,i)为给水压力pw,i和给水温度tw,i计算得到的给水热力学能，kj/kg；s(pw,i,tw,i)为给水压力pw,i和给水温度tw,i计算得到的给水熵值，kj/(kg·k)；

(二)获得燃煤机组各类热力系统调节方案的最大功率输出量

燃煤机组热力系统构型调节用于一次调频的方案包括：高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；瞬态运行过程中，各类调节方案参与一次调频初始状态的蓄量为各对应子系统所含热力设备的蓄量之和：

初始状态a时j类热力系统调节方案对应子系统的总蓄量exj,a为其中j＝1,2,3,4；分别对应高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；

式中：exj,i,a为初始状态a时j类热力系统调节方案对应子系统第i个热力设备的蓄量，kj；n为j类热力系统调节方案对应子系统所含热力设备数；

不同热力系统调节方案中，根据如下原则获得一次调频结束状态时的各热力设备温度和压力值：

针对高加抽汽节流方案即j＝1，一次调频结束时刻各高压加热器内蒸汽压力为除氧器进口疏水压力，蒸汽温度为除氧器进口疏水压力对应饱和蒸汽温度，给水温度为给水泵出口温度，给水压力为给水泵出口压力，金属受热面温度与蒸汽温度一致；

针对高加给水旁路方案即j＝2，一次调频结束时刻各高压加热器内蒸汽压力为对应抽汽口压力，蒸汽温度为对应抽汽口压力对应饱和蒸汽温度，给水温度为给水泵出口温度，给水压力为给水泵出口压力，金属受热面温度与蒸汽温度一致；

针对低加抽汽节流方案即j＝3，一次调频结束时刻各低压加热器内蒸汽压力为凝汽器进口疏水压力，蒸汽温度为凝汽器进口疏水压力对应饱和蒸汽温度，凝结水温度为凝结水泵出口温度，凝结水压力为凝结水泵出口压力，金属受热面温度与蒸汽温度一致；

针对低加凝结水节流方案即j＝4，一次调频结束时刻各低压加热器内蒸汽压力为对应抽汽口压力，蒸汽温度为对应抽汽口压力对应饱和蒸汽温度，凝结水温度为凝结水泵出口温度，凝结水压力为凝结水泵出口压力，金属受热面温度与蒸汽温度一致；

之后，即得到经过j类热力系统调节方案作用后最终对应子系统能达到的总蓄量exj,b为：

其中j＝1,2,3,4；分别对应高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；

式中：exj,i,b为结束状态b时j类热力系统调节方案对应子系统第i个热力设备的蓄量，kj；n为j类热力系统调节方案对应子系统所含热力设备数；

则j类热力系统调节方案作用时的蓄变化量δexj为：

δexj＝|exj,a-exj,b|,其中j＝1,2,3,4；分别对应高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；

进而，j类热力系统调节方案作用时的平均蓄变化率为：

其中j＝1,2,3,4；分别对应高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；

式中：tj为一次调频所需时间，按照电网考核要求，取60s；

j类热力系统调节方案的平均蓄变化率与最大功率输出量存在一一对应关系：

其中j＝1,2,3,4；分别对应高加抽汽节流方案、高加给水旁路方案、低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案；

式中：δpj为j类热力系统调节方案的最大功率输出量，kw；为j类热力系统调节方案作用时的平均蓄变化率，kw；ηj为j类热力系统调节方案的蓄转化效率；

(三)产生适应当前运行状态的最优一次调频控制方案

根据当前状态的电网频率偏差δf和当前燃煤机组的调速不等率δ获取当前频率调节所需的最大功率调节量δp：

δp＝f1(δf)＝δf/δ

将四种调节方案作用时的最大功率输出量δpj与当前频率调节所需的最大功率调节量δp进行对比，需要满足如下条件：

δpj≥δp，其中j从1,2,3,4中选择；

在满足上述条件的调节方案中，产生适应当前状态且最优一次调频控制方案为k，其对应的蓄转化效率ηk应取四种热力系统调节方案的蓄转化效率的最大值，即满足如下条件：

ηk＝max{η1,η2,η3,η4}；

(四)产生对应最优一次调频方案的一次调频控制逻辑

将上述确定的最优一次调频方案投入到一次调频控制逻辑中，其中高加抽汽调节方案是将高压加热器抽汽管道阀门参与到一次调频控制中，高加给水旁路方案是将高压加热器旁路管道阀门参与到一次调频控制中，低加抽汽节流方案是将低压加热器抽汽管道阀门参与到一次调频控制中，低加凝结水节流方案是将低压加热器管道阀门参与到一次调频控制中；

进而，根据一次调频频率差在pid控制器中获得的调节输出量δμpid，叠加到上述最优方案对应的控制阀门上，产生阀门的最新开度μnew：

μnew＝μold+δμpid

式中：μold为初始时刻对应的阀门开度；

最终，形成将最优一次调频方案投入一次调频的闭环优化控制逻辑。

优选的，四种热力系统调节方案中，高加抽汽节流方案和高加给水旁路方案在一次调频中利用高加子系统的蓄高加子系统包括所有的高压加热器、高压缸、中压缸和连接管道；低加抽汽节流方案和低加凝结水节流方案在一次调频中利用低加子系统的蓄低加子系统包括所有的低加加热器、低压缸、除氧器和连接管道。

优选的，高加抽汽节流方案和低加抽汽节流方案中抽汽管道上采用电动调节阀，而高加给水旁路方案和低加凝结水节流方案中加热器管道上采用汽动调节阀。

优选的，各类热力系统调节方案中蓄转换系数ηj的取值如下表所列；

优选的，适用于各类热力系统调节方案的调速不等率δ取值为1％-4％。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明从功率快速响应的本质原因出发，动态跟踪燃煤机组各热力系统的蓄变化量，提高了各类热力系统调整方案实际效果的预测准确性，适应不同瞬态过程的一次调频控制，可以大幅度地提高燃煤发电机组瞬态过程的运行灵活性。

2、本发明可实现自动控制，简单易操作，投资低。

附图说明

图1为各类热力系统调整方案参与一次调频的控制逻辑图。

图2为四种热力系统调整方案参与一次调频的附加功率输出量和蓄变化率变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

当燃煤机组一次调频投入运行时，常规基本控制逻辑为，如图1所示，过程1：电网频率偏差信号被测量设备检测到并完成数模转化，之后将处理后的信号传输到达调速器；过程2：调速器中将频率信号转化为功率调节信号(包括调频死区和调速不等率等参数设置)，并将信号送到pid控制器中；过程3：pid控制器中将输入偏差信号转化为阀门调节信号，送到阀门执行单元；过程4：阀门执行单元产生阀门位移变化信号，作用于对应阀门。

本发明引入新的控制逻辑包括，如图1所示，过程5：将频率偏差信号送到处理单元f1(x)；过程6：在f1(x)中将最大频率信号转化为最大功率调节量信号，送至比较选择器中；过程7：将热力系统各处的压力传感器测量得到的压力信号送入处理单元f2(x)；过程8：将热力系统各处的温度传感器测量得到的温度信号送入处理单元f2(x)；过程9：在f2(x)中，通过热力系统各处温度和压力数据，获得实时状态下不同设备的蓄量，其中水工质的物性查询可以通过嵌入数据表或者拟合公式加载到处理单元f2(x)；过程10：在f3(x)中，根据实时不同设备的蓄量，计算热力系统调节方案作用前后各热力子系统的蓄变化量，再转化为各类热力系统调节方案的最大功率输出量，将结果送到比较选择器中；过程11：通过过程6得到的所需最大功率调节量信号与过程10得到的各调节方案的最大功率输出量在比较选择器中进行选择判断，最终产生符合当前运行状态的最优一次调频控制方案信号，送到阀门执行单元中，并将选择好的一次调频控制方案信号转化为对应方案的阀门控制信号。

如图2所示为四种热力系统调节过程中的附加功率输出量和蓄变化率的变化曲线，在30s时，四种调节方案开始执行。可以看出：蓄变化率降低与输出功率增加量实时保持一致，且数据变化存在一一对应关系，这也是本发明能够实现的理论依据。