一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法
2023-06-10 01:23:41
專利名稱：一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法
技術領域：
本發明涉及火電機組的自動控制領域，具體地說是一種在火電機組的協調控制中使用的基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法。
背景技術：
在火電機組的協調控制中一般包括鍋爐主控迴路和汽機主控迴路，通過鍋爐主控迴路和汽機主控迴路中的反饋控制來保證機組在正常工況下負荷和汽壓在指定的位置。然而在負荷變動工況下，上述反饋控制將無法滿足負荷和汽壓參數的控制要求，必須通過前饋控制的手段予以改善。前饋控制主要包括兩個部分靜態前饋和動態前饋，靜態前饋可根據各工況的靜態參數得出，本發明中所指前饋皆為動態前饋。其中，作用於汽機主控迴路中的汽機前饋用於釋放機組的蓄熱；作用於鍋爐主控迴路中的鍋爐前饋用於克服燃料環節的滯後。因此鍋爐前饋往往被設計為根據負荷變化的微分生成，並加以適當的限制。當負荷開始改變時，鍋爐前饋產生；當負荷變化結束時，鍋爐前饋消失。鍋爐前饋的形成和調整是火電機組協調控制中比較關鍵的控制迴路，在負荷變動過程中，尤其是在大範圍負荷變動時， 鍋爐前饋和汽機前饋共同作用保證了機組負荷變動的控制效果。然而諸如鍋爐前饋作用的大小、鍋爐前饋發生和復歸的時機、鍋爐前饋和負荷變動速率及變動範圍的關係等問題，則往往需要試驗進行確定和調整，帶有較大的主觀性和不確定性，並耗費了較長時間。鍋爐前饋的形成方式和制定成為了協調控制調試中的關鍵點和難點。因此需要找到一種有效的鍋爐前饋快速確定方法，提高機組協調控制系統的調整效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法，通過該方法可以快速確定鍋爐前饋形成的各主要特性參數，以提高機組協調控制系統的調整效率。為此，本發明採用如下的技術方案一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法，其特徵在於，假設火電機組蓄熱能力滿足負荷變動過程所需要的初期能量為Si，對鍋爐前饋的相關特性進行定量計算，在計算中作如下定義和假設鍋爐指令到負荷響應的滯後時間為t，其單位為min ；負荷和煤量對應關係為B，其單位為t/mw -h ；鍋爐指令所允許的最大變動速率為K，其單位為mw/min ；目標負荷變動速率為R，其單位為mw/min ；目標負荷變化幅度為M，其單位為mw;由上述的定義及假設計算可知負荷變動過程所需要的初期能量Sl = KRt2/2(K-R)，其單位為mw -min ；鍋爐前饋所需要達到的理論最大高度h = RtB [t/h]；鍋爐前饋達到最大高度所需要的時間tl = RtB/K，其單位為min ；鍋爐前饋回頭時的理論時間範圍為M/R-t到M/R之間，其單位為min;鍋爐前饋回頭時的負荷指令和負荷目標之間的偏差範圍為0到Rt之間，其單位為mw。本發明基於能量平衡法對鍋爐前饋的成因和性質進行分析，分析過程如下在不存在擾動的情況下，可以認為燃料量、蒸汽發生量和機組負荷存在確定的對應關係。假設 燃料的化學能到機組負荷的電能之間的轉換是沒有滯後的，那麼當負荷變動時，只需要根 據確定的關係曲線對應調整鍋爐出力即可。然而在實際過程中，燃料的化學能到機組負荷 的電能之間的轉換存在諸多環節的滯後，僅根據目標負荷確定的關係曲線對應調整鍋爐出 力將無法滿足負荷控制的要求。因此需要通過前饋控制的方式來克服上述滯後，滿足控制 要求。本發明僅根據機組響應時間、機組蓄熱利用程度和機組負荷變化速率就可以定量 確定出鍋爐前饋的形成/消失時間和鍋爐前饋的作用高度。本發明計算方法的推導過程為 能量平衡法，不涉及到傳遞函數的分析和推導，沒有複雜的高次方程求解，整個過程簡單、 清晰。本發明計算過程中所需要的計算參數均為已知的參數或易於獲取的參數，無須進行 專項特性試驗，計算應用的門檻較低。下面結合說明書附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
圖1-1為無鍋爐前饋下負荷變動過程。圖1-2為理想鍋爐前饋下負荷變動過程。圖1-3為實際鍋爐前饋下負荷變動過程(蓄熱足夠)。圖1-4為實際鍋爐前饋下負荷變動過程(蓄熱不足)。圖2-1為負荷變動過程的對比工況。圖2-2為滯後時間較長的工況。圖2-3為負荷變動速率較慢的工況。圖2-4為負荷變動幅度較小的工況。圖2-5為圖2-1、2-2、2-3、2-4情況下的鍋爐前饋高度對比示意圖。圖3為鍋爐前饋的理論計算高度和實際高度對比示意圖。
具體實施例方式以某機組的負荷上升過程曲線為例，通過能量平衡法對鍋爐前饋的作用原理進行 分析，圖1-1、1-2、1-3、1-4中所示為該過程中鍋爐前饋的作用原理及對比分析示意圖。從圖1-1中可以看出，在負荷上升過程中，當鍋爐指令完全按照負荷目標相對應 基準指令曲線變化時，由於鍋爐指令轉換為實際負荷存在滯後時間，實際負荷將滯後於負 荷目標。因此實際負荷和負荷目標之間的負荷偏差需要鍋爐指令的前饋控制予以修正。在圖1-2中，將鍋爐指令前饋控制需要修正的負荷偏差理解為一種能量，該能量 可視為負荷變動過程中所需要的超前能量。考慮到鍋爐指令轉換為實際負荷存在滯後時 間，在負荷變動的初期將依靠機組蓄熱滿足該階段的能量需求。因此將上述超前能量劃分 為Sl和S2兩個部分，其中Sl為機組蓄熱應滿足的部分，32為鍋爐前饋應滿足的部分。將 S2按照滯後關係對應至鍋爐指令中的S2』，將Sl按照相似關係對應至鍋爐指令中的Si，，可 以得出疊加理想鍋爐前饋後的鍋爐指令。由於鍋爐指令的變化速率受到了制粉系統、爐膛壓力等諸多因素的限制，在負荷變化的起始階段，鍋爐指令不可能以垂直上升的方式予以改變，而是按照允許的斜率完成變化，變化過程如圖1-3中所示。可以看出，當降低鍋爐指令的變化速率後，超前能量需求中的Sl部分增加，即需要更大的機組蓄熱來完成負荷變動。當機組蓄熱無法滿足超前能量需求中Sl的增加部分時，實際負荷將不可能完全按照負荷目標曲線進行改變，圖1-4中所示的實際負荷曲線表徵了這種情況。在這種蓄熱利用不足的情況下，很容易出現由於協調控制系統中PID控制器對負荷和汽壓的修正導致實際負荷線的波動。假設機組蓄熱足以滿足負荷變動過程所需要的初期能量Sl對可能影響鍋爐前饋的因素進行定性分析，分析的因素包括鍋爐指令的滯後時間、負荷變動速率和負荷變動幅度，分析過程如圖2-1、2-2、2-3、2-4、2-5中所示。圖2-1為影響因素分析的對比工況，對鍋爐前饋影響因素的分析均對比該工況進行，在分析過程中認為鍋爐指令的初期變化速率保持不變，其鍋爐前饋的形狀如圖2-5中的負荷變動過程的對比工況曲線A所示。1)鍋爐指令的滯後時間圖2-2中所示為鍋爐指令滯後時間延長後的鍋爐前饋情況，從圖中可以看出負荷變動過程所需要的初期能量Sl增加，機組蓄熱的要求增大；鍋爐前饋的最大高度增加， 前饋形狀如圖2-5中的滯後時間較長的工況曲線B所示。2)負荷變動速率圖2-3中所示為負荷變動速率降低後的鍋爐前饋情況，從圖中可以看出負荷變動過程所需要的初期能量Sl減小，機組蓄熱的要求減小；鍋爐前饋的最大高度降低，前饋形狀如圖2-5中的負荷變動速率較慢的工況曲線C所示。3)負荷變動幅度圖2-4中所示為負荷變動速率降低後的鍋爐前饋情況，從圖中可以看出負荷變動過程所需要的初期能量Sl不變，機組蓄熱的要求不變；鍋爐前饋的最大高度相同，前饋形狀如圖2-5中的負荷變動幅度較小的工況曲線D所示，前饋作用時間縮短。綜上所述，鍋爐前饋的最大高度和機組的蓄熱能力、負荷變動速率有關。鍋爐前饋的作用時間和負荷變動幅度、機組蓄熱的回補過程有關。根據本發明的推導結論，本發明得出鍋爐前饋的簡捷計算方法如下考慮機組蓄熱能力滿足負荷變動過程所需要的初期能量Si，以圖1-3中的過程為例，對鍋爐前饋的相關特性進行定量計算。在計算中作如下定義和假設鍋爐指令到負荷響應的滯後時間為t[min]；負荷和煤量對應關係為B[t/mwh]；鍋爐指令所允許的最大變動速率為K[mw/ min]；目標負荷變動速率為R[mw/min]；目標負荷變化幅度為M[mw]。由上述推導結論和假設計算可知負荷變動過程所需要的初期能量Sl = KRt2/2 (K-R) [mw · min]；鍋爐前饋所需要達到的理論最大高度h = RtB[t/h]；鍋爐前饋達到最大高度所需要的時間tl = RtB/K[min]；鍋爐前饋回頭時的理論時間範圍(M/R_t，M/R) [min]；鍋爐前饋回頭時的負荷指令和負荷目標之間的偏差範圍(0，Rt) [mw]。應用本發明，可以使協調控制中鍋爐前饋的整定工作快速完成，提高了機組協調控制系統的調整效率。在某600MW超臨界機組調試中，採用了本發明完成了鍋爐前饋的快速整定。過程如下首先根據該機組特性和試驗結果，近似認為Imw的發電能力對應了 0. 42t/h的燃煤消耗量，鍋爐滯後時間約為2. 5min-3min，將其帶入上述計算公式，折算為燃料量的表徵方式，計算結果如表1中所示
權利要求
1. 一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法，其特徵在於，假設火電機組蓄熱能力滿足負荷變動過程所需要的初期能量為Si，對鍋爐前饋的相關特性進行定量計算，在計算中作如下定義和假設鍋爐指令到負荷響應的滯後時間為t，其單位為min ；負荷和煤量對應關係為B，其單位為t/mw · h ；鍋爐指令所允許的最大變動速率為K，其單位為mw/ min ；目標負荷變動速率為R，其單位為mw/min ；目標負荷變化幅度為M，其單位為mw ；由上述的定義及假設計算得知負荷變動過程所需要的初期能量Sl = KRt2/2 (K-R), 其單位為mw · min ；鍋爐前饋所需要達到的理論最大高度h = RtB[t/h]；鍋爐前饋達到最大高度所需要的時間tl = RtB/K，其單位為min ；鍋爐前饋回頭時的理論時間範圍為M/R_t 到M/R之間，其單位為min;鍋爐前饋回頭時的負荷指令和負荷目標之間的偏差範圍為0到 Rt之間，其單位為mw。
全文摘要
鍋爐前饋的形成和調整是火電機組協調控制中比較關鍵的控制迴路，在負荷變動過程中，尤其是在大範圍負荷變動時，鍋爐前饋和汽機前饋共同作用保證了機組負荷變動的控制效果。然而在實際的機組調試和生產過程中，鍋爐前饋的形成方式和制定往往是通過有經驗的熱工人員試驗得出，帶有較大的主觀性和不確定性。本發明提出了一種基於能量平衡的鍋爐前饋定量簡捷計算方法，該計算方法認為在火電機組負荷變動過程中鍋爐前饋的生成/消失速率、鍋爐前饋的最終高度和持續時間等制約鍋爐前饋作用形狀的參數和機組響應時間、機組蓄熱利用程度、機組負荷變化速率相關。利用本發明可以快速整定鍋爐前饋的特性參數，大大提高了機組協調控制系統的調整效率。
文檔編號F22B35/00GK102278738SQ201110136449
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月25日 優先權日2011年5月25日
發明者尹峰, 張永軍, 羅志浩, 陳波 申請人:浙江省電力試驗研究院