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大型火电机组变负荷特性及优化控制系统研究∗
发布时间:2011/5/24  阅读次数:4660  字体大小: 【】 【】【
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大型火电机组变负荷特性及优化控制系统研究∗
曹洪涛 张春发 李晓金
曹洪涛 男 1976年生 硕士研究生 研究方向为发电厂热力系统节能理论及应用
张春发 华北电力大学动力系
河北省 保定市 071003
电话 0312-7522496 E-mail hongtao0820@163.com
摘 要 目前,我国大型火电机组经常处于低负荷工况运行,在此状况下机组的能耗特性和控制特性发生显著变化,原有的运行方式及控制系统已不能适应长时间在较低负荷下的变工况安全经济运行的需要。针对这种情况,建立高精确度机组耗差分析模型,有效地解决火电厂热力系统经济性分析中的主要难题,保证各项经济指标在线计算的准确性和机组能耗偏差的找出率。开发出汽轮机最优运行初压计算模型和锅炉经济性分析模型,为实现机组低负荷经济运行奠定理论基础。在机组耗差分析的基础上,针对串级控制系统不确定性模型研究鲁棒整定问题,提出鲁棒性指标应介于3~5之间以取得较好的鲁棒性,实现宽负荷范围内控制的稳定性与快速性。介绍优化控制系统的实现方案。
关键词耗差分析火电机组变工况优化控制鲁棒性
中国图书分类法分类号 TM
Research of Coal-fired Power
Unit off-design Load Capacity and the System for its Optimizing Control
Cao Hongtao Zhang Chunfa Li Xiaojin
Cao Hongtao male born in 1976 Research in Thermal System’s Energy Conservation of Power Plant it’s Application
Zhang Chunfa Dept. of Power Eng., North China Electric Power University
Baoding Hebei 071003
Tel 0312-7522496 E-mail hongtao0820@163.com
Abstract Currently, operating under-loaded widely exists in the power plants. In a result, the quality of energy loss and control has changed
∗ 国家电力公司重大科技项目:火电机组变负荷特性及优化控制系统研究(合同编号:SP11-2001-02-36)
considerably. The original operation method and control system is inadaptable for the consistent running in an under-loaded situation any more because it cannot meet the safety and efficiency requirements under off-design condition. This article aims to solve a few key issues in respect of the economical analysis of power unit by means of creating highly accurate energy loss analytical models. These models guarantee the veracity of economic target on-line calculation and the founding efficiency of energy-loss drift. For instance, the live steam pressure optimizing calculation method for steam turbine and thermo-economics analytical models suggested in this paper will make it possible to realize the effective running on an under-loaded condition, which is widely existing in the major thermal power plants. Based upon above analysis, we further develop the model of undecided series control system into the studies of the robustness wholly measurement concern, and provided our suggestion that the best function can be achieved if its standard falls between 3 and 5. In addition, the introduction of implementation of the system is presented at the end.
Key words energy-loss analysis power unit off-design condition optimizing control robustness
1 引言
随着我国电力工业装机容量的增加和用电侧负荷峰谷差的增大,大型火电机组经常处于低负荷工况下运行。随之而来的问题是:变负荷工况下机组的能耗特性和控制特性发生了显著变化,以机组额定工况条件为主设计的运行及控制系统不能适应长时间在较低负荷下的变工况安全经济运行的需要。当前火电机组的自动控制一般是基于给定的参数定值和跟踪负荷指令运行的,因此机组变负荷运行时不一定处于最优状态。研究机组在当前较宽变工况范围(100%~40%额定负荷)内的能耗特性与节能优化控制方法,设计机组在更宽负荷范围内的在线性能分析系统和节能优化控制系统具有深远的理论意义和应用价值。
为此,我们承担了国家电力公司的重大科技项目“火电机组变负荷特性及优化控制系统研究”的研究任务,项目的意义在于深入揭示火电机组变负荷工况下的内在特性变化规律,并以此为依据,监测其能耗经济性,设计和选择最佳运行方式,确定相应的节能优化控制系统,以达到机组能够在更宽负荷范围内安全经济运行的要求。
2 当前研究现状及存在的问题
随着国内用电市场的变化,各研究机构开始重视火电机组节能耗差及优化控制的研究,但这个领域中仍存在一些问题或需要做进一步的工作:
1)研究都是定性的,还不能定量描述。在实用负荷范围内,运行方式对能耗影响的规律尚无准确的方法确定。
2)机组额定初压不同,运行方式对能耗影响的规律就不同。一般来说超临界机组滑压运行的优势较明显。机组初压越低,定压运行的优势越明显。不同设计参数的机组运行方式对能耗的影响需要定量研究[1]。
3)滑压运行优势的另一方面在于汽轮机的内效率能保持较高的数值,但不同的机组、不同负荷其内效率也不同,这不仅需要理论分析,而且需要实验才能测定。
4)运行方式不同,还会影响再热汽温。再热器欠温、再热器喷水减温对能耗的影响较大。此项能耗偏差仍属运行方式对能耗影响,但是再热汽温特性是锅炉设备的固有特性,理论分析非常困难,只能对具体机组用实验方法解决,在目前的一些分析中该项能耗偏差未计入运行方式对能耗率影响的因素,因此,得出的结论是不全面的。
5)当前机组控制设备性能已经大大提高,广泛使用集散控制系统(DCS),为机组优化控制提供了物质基础[1]。如何将机组能耗分析结果与控制相结合,如提供合理的控制定值等,是节能优化控制的目的之一。
6)当前控制系统还广泛采用PID控制方式,但研究表明,很多控制回路都处于非优化整定状态。如何准确辨识被控对象特性,并进行控制器参数优化整定,是提高控制系统性能的有效途径 [2]。
3 关键问题的研究及处理
3.1 蒸汽初压对热经济影响的原因
在同一负荷下,以较低初压运行方式对热经济性影响为例[3]:
1)选用较低初压,使理论循环热效率降低,热耗率增大。
2)选用较低的初压,调节级压比变化较小,使调节级能保持较高的内效率,使热经济性提高。
3)选用较低的初压,使高压缸排汽温度降低不多,再热器不容易欠温,可使中低压缸保持较高的效率。并由此使汽轮机排汽干度增加,使汽轮机尾部内效率提高。
4)选用较低的初压,使给水泵压升减小,节省泵功。
3.2 高准确度机组耗差分析模型建立
由于传统火电机组节能在线监测系统存在流量参数测量不准、修正曲线准确性差、以静态系统为基础的火电机组节能在线监测不适用宽负荷调峰等不足[4] [5] [6],我们新开发了如下三个数学模型:
1)电厂热经济性状态方程包括三个基本方程[7]:电厂热力系统汽水分布标准方程、系统内部功率输出方程和锅炉吸热量方程,能耗指标是这三个方程联合求解的结果。系统的能耗率只与当前的热力系统结构、运行状态下的热力学参数和辅助系统的小汽水流量份额有关,与主蒸汽流量的绝对值并无直接关系。由于热经济状态方程是解析的,它为系统节能分析提供了新的有力工具。
2)凝汽式汽轮机末级流动状态判别定理及弗留格尔公式的改进[8]。用我们课题组研究的“斯陀托拉流量实验部分结论的证明和弗留格尔公式的改进”,可迅速判别末级所处的流动状态,在变工况理论基础上对处于湿蒸汽区末一、末二级进行变工况计算,无需迭代可一次算出处于湿蒸汽区的抽汽焓和排汽焓值(保证误差在0.5%以内)。
3)耗差分析中的顺序扰动解除法[9]。当前运行状态可以看作是系统由设计工况经一系列扰动得到的,因而可以按一定顺序逐渐解除扰动。每解除一个扰动重新进行变工况计算,扰动解除后,计算其能耗率。解除前后能耗率之差即为该项扰动造成的能耗差。该方法保证了能损原因查找率和单项能损偏差准确度。
3.3 汽轮机及热力系统最优运行数学模型建立
在任意负荷下总存在着某一蒸汽初压和调节汽门开度满足当前负荷,即。若机组达到设计要求,在设计工况下,kF)(0kFPfN−=)(0kdddFPfN−=,若机组没有达到设计要求或运行时其它参数偏离设计值,则有。当负荷从额定出力逐渐降低时:若保持蒸汽初压不变,仅改变(减小)调节汽门开度,称为纯定压运行;若保持调节门开度不变,即,称为纯滑压运行。当纯定压运行降低到某一负荷时,设其对应的初压为,从此状态开始,当负荷再降低时,维持初压)('0kdddFPfN−=dPP00='kdF''kdkFF=sP0sPP00=不变,仅改变调节门开度,这种运行方式称为定—滑方式运行。定—滑方式运行还存在从什么负荷开始滑和什么时候又开始定的问题。总之,对应某一负荷,可选择的蒸汽初压在很大范围内可供选择。根据以上的原则,汽轮机的负荷与新蒸汽压力的最优值的关系应该由(1)式来dPP00≤确定,从而动态地确定汽轮机的最优初压与负荷的关系曲线。optP0
),,(min0Χ=PNgfq
s.t. dPPPNgNgNg00min0maxmin≤≤≤≤ (1)
3.4 锅炉部分经济性分析模型建立
传统计算锅炉效率的反平衡方法是从运行结果值出发,测定一系列运行状态参数进而计算得出各项损失,最终得出锅炉热效率。通过传统方法计算得出的最终结果不能定量反映造成各项损失的原因,不利于在线耗差分析与优化控制。我们通过对燃烧理论及锅炉运行原理的认真研究推理,综合考虑煤质特性及运行工况变化对锅炉效率的影响,推导出以下解析评估模型:
1)锅炉机械不完全燃烧损失解析评估模型; 4q
2)锅炉排烟温度应达值解析评估模型;
3)运用规划数学原理确定最佳炉膛出口过量空气系数;
4)结合正、反平衡计算原理,经过推导验证,提出一套新的计算锅炉效率的计算方法,该方法只需根据DAS所采集的数据进行处理计算,从而实现了锅炉效率在线计算。
3.5 300MW机组控制用数学模型建立
我们采用机理法建立了常用热力设备及系统的通用动态数学模型,编制相应的Matlab自定义函数,在Simulink中建立了一套通用的热工过程动态模型算法库,包括汽机系统简化模型、汽机本体数学模型、除氧器数学模型、给水回热加热系统数学模型、锅炉系统蒸发区模型、炉膛换热模型等。由于模型是采用机理法建立的,从本质上反映了机组的非线性,较当前控制系统设计中常用的传递函数模型更接近机组实际,为先进控制算法的设计仿真提供了一个通用平台。为了使模型适用于特定机组,我们研究开发了通过现场运行数据对数据进行修正的方法。模型建好后,应根据设计参数计算各热力设备及系统动态模型的系数,逐步组态出各子系统的模型,并进一步连接成更大的模型,最终形成火电机组整体动态模型。
3.6 控制系统鲁棒性分析和参数整定
由于模型的不精确性,所以要求所设计的控制系统应具有一定的鲁棒性[10]。为此,我们定义了一个表示鲁棒性的指标ε,它能够反映串级控制系统内环和外环的相互作用并清楚地表明每个环路的鲁棒性。与常规先内环后外环的整定方法不同,这里每个回路可以分别整定,因此更加灵活[10]。
在串级系统设计或整定中,给定一个鲁棒性限制条件mγ,解决式(2)的最优化问题: ∫∞0)(min21dttedy
••ts mMγμ<Δ)( (2)
式(2)中是对象输出由于内环扰动而产生的偏差,21dye1y2d)(MΔμ为鲁棒性指标。
鲁棒性指标)(MΔμ曲线可以作为串级控制整定的一个评价指标:如果高频峰值太大则调低内环的鲁棒性,反之则调高内环的鲁棒性;类似的,如果低频峰值太大则调低外环的鲁棒性,反之调高外环的鲁棒性。与传统反馈控制相似,鲁棒性指标应介于3和5之间以取得较好的鲁棒性。
4 系统实现方案
本系统需要实时获取机组运行数据,这些数据主要包括过程参数(流量、压力、温度等)、辅机功率及离线分析数据(如煤发热量等)。如何将这些数据准确可靠地传送到计算机系统中进行分析运算,是需要首先考虑的问题。
根据项目依托工程单位300MW机组现状,其控制系统采用Siemens的Telemerm Me集散控制系统和ABB的Symphony,大部分机组参数已经进入DCS,部分新加参数无法直接进入DCS的,如主要辅机功率信号等,则通过多功能电能变送器ZD405CT采集,经RS485通信线路送往耗差分析计算机。
实现方案如图1所示。该方案分别通过WinIS及ZD405CT获得机组实时数据,这些数据一方面供耗差分析与优化控制系统使用,另一方面上传至耗差分析服务器,以便在MIS网上显示耗差分析结果并提供查询。本系统中由于增加了独立的耗差分析服务器,有效地实现了实时数据与MIS系统的隔离,办公室中的PC机上单独安装耗差分析客户端程序。
耗差分析系统与WinIS通过SIS(监控信息系统)网络相连,并通过SIS网络将分析计算结果及操作指导信息提供给系统维护工程师及运行操作员。
对于管理人员来说,耗差分析系统分析结果可以通过MIS网络,以浏览器的方式观察。该方案的特点是:
1)网络结构合理。在控制网络与MIS网络之间增加监控网络SIS,既满足了耗差分析系统数据采集实时性的要求,又避免了MIS网络稳定性差对系统的影响;
2)便于为不同的使用者提供相应的显示操作界面。如工程师站、操作员站要求显示界面内容详实、实时性好、可靠性高,管理人员要求显示界面操作简洁、便于使用;
3)将厂级自动化系统划分为SIS(监控信息系统)与MIS(管理信息系统)是当前被普遍认可的方式,SIS主要处理全厂实时数据,完成厂级生产过程的监控和管理,厂级故障诊断和分析,厂级性能计算、分析和经济负荷调度等。
5 结论
1)高精确度机组耗差分析模型的建立,有效地解决了火电厂热力系统经济性在线监测中的几个主要难题,保证了各项经济指标在线计算的准确性和机组能耗偏差的找出率。
2)在火电机组变负荷特性研究中,分析了蒸汽初压对热经济性影响的原因,建立了汽轮机及热力系统最优运行模型和锅炉部分经济性分析模型,为实现机组优化运行奠定了理论基础。
3)采用机理法建立的300MW机组控制用数学模型,充分反映了热工过程的各种非线性关系,具备宽负荷范围内的正确性。
4)针对串级控制系统不确定性模型研究了鲁棒整定问题,提出鲁棒性指标应介于3和5之间以取得较好的鲁棒性,最终实现宽负荷范围内控制的稳定性与快速性。
5)通过火电机组变负荷特性及优化控制系统研究,针对依托工程机组,提出了节能优化控制系统的实施方案,实现了机组耗差节能分析与优化控制的有力结合,这对满足火电机组在宽负荷范围内依据电网需求运行、提高发电厂经济性能和电力生产自动化水平、减轻运行人员劳动强度等方面具有深远的理论意义和应用价值。
致谢 本论文是在导师张春发教授的悉心指导下完成的,在此对张教授表示衷心的感谢;同时感谢张家口电厂节能专工刘宜诚工程师对我的大力支持。
参考文献
1Zhang Chunfa. A steam-water distribution matrix equation of the whole thermal system for coal-fired power plant and its general construction regulation. PWR-Vol.34, 1999 Joint Power Generation Conference Volume 2
2.谭 文,刘吉臻. 典型工业过程的H∞控制.控制理论与工程,1999,16(5):682~686
3.崔映红,王惠杰,马晓芳. 汽轮机变负荷运行时经济运行方式的探讨.能源研究与利用,2002(4):4~8
4.张春发,张 宝,孙 伟等. 基于C/S模式的火电机组耗差分析系统.汽轮机技术,2002(4):193~195
5.郑体宽. 热力发电厂. 北京:中国电力出版社. 1997.
6.林万超.火电厂热力系统节能理论.西安:西安交通大学出版社,1994.
7.张春发,张素香,崔映红. 现行电力系统热经济性方程. 工程热物理学报,2001(6):665~667
8.杨文滨.大型机组热经济性在线监测及其诊断:[硕士学位论文].保定:华北电力大学,2001.
9.曹先常.火电机组热力系统能损分析与在线监测及指导系统:[硕士学位论文].保定:华北电力大学,2000.
10. 谭文,牛玉广,刘吉臻. 非线性锅炉-汽轮机系统的鲁棒控制. 控制理论与应用,1999,16(6):863~867
办公室用PC办公室用PCWinISPlant Bus SystemAutomationSystemZD405ZD405辅机功率辅机功率MIS网络MIS服务器TELEPERM ME过程参数(温度、压力、流量等)耗差分析与优化控制计算机操作员站
SIS网络
图1 系统方案
6大型火电机组变负荷特性及优化控制系统研究.pdf
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