[發明專利]用于鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型

有效

• 申請號: 201610975324.6
• 申請日: 2016-10-27
• 公開（公告）號: CN106527131B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發明（設計）人: 郭鈺鋒;陳潤欣;石建國;王琦;張冬蕊;馬欣彤;張童童
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 孟憲會

1.用于鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型，其特征在于：所述模型是通過以下步驟實現的：

步驟一：建立反映超臨界及超超臨界機組中直流鍋爐機理模型:直流鍋爐動態考慮燃燒系統、水冷壁和過熱器，依據工質能量平衡方程、工質質量平衡方程、工質動量平衡方程建立直流鍋爐機理模型，

工質從省煤器流出后，進入水冷壁，經過水冷壁后，工質由水變成蒸汽，水冷壁出口為微過熱點；水冷壁內工質在運行中，滿足能量平衡方程、質量平衡方程，

水冷壁內工質能量平衡方程：

水冷壁內工質質量平衡方程：

式中，V₁為直流鍋爐水冷壁的容積，單位為m³，h₁為水冷壁中工質的平均焓值，單位為J/kg，ρ₁為水冷壁中工質的平均密度，單位為kg/m³，G_in為給水流量，單位為kg/s，h_in為水冷壁入口焓值，單位為J/kg，G_jian為水冷壁出口處微過熱點的工質流量，單位為kg/s，h_jian為過熱器入口焓值，單位為J/kg，Q₁為水冷壁工質單位時間的吸熱量，單位為J/s，

解水冷壁方程，由式(2)可得

對式(1)展開可得

式(4)移項可得

h₁為水冷壁中工質的平均焓值，取水冷壁入口焓值h_in與過熱器入口焓值h_jian的平均值，水冷壁中工質的平均密度ρ₁取水冷壁入口密度ρ_in與工質密度ρ_jian的平均值，即：

h₁＝(h_in+h_jian)/2 (6)

ρ₁＝(ρ_in+ρ_jian)/2 (7)

在直流鍋爐的運行中，雖然水冷壁軸向各點工質的焓值不同，但在動態中，各點的變化率相等，平均值的變化率可以用任意一點的變化率來表征，過熱器入口焓值h_jian和工質密度ρ_jian的變化率等于平均值h₁和ρ₁的變化率，即：

由水冷壁方程式(1～9)，求解出水冷壁方程，建立水冷壁模型；

鍋爐的過熱器入口壓力P_jian和主蒸汽壓力P_t的壓力的差同主蒸汽流量G_t之間存在平方根關系，過熱器溫度控制中，減溫水取自鍋爐給水，所以噴入過熱器的減溫水焓值為h_in，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與水冷壁入口焓值相同，進而控制主蒸汽溫度，過熱器內工質滿足質量平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程，

過熱器內工質能量平衡方程：

過熱器內工質質量平衡方程：

過熱器內工質動量平衡方程：

式中，V_s為過熱器內蒸汽體積，單位為m³，h_s為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρ_s為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m³，G_j為減溫水流量，單位為kg/s，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，h_t為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Q_s為過熱器內蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，P_jian工質密度，單位為Pa，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，K_sh為過熱器管道的阻力系數，單位為N·s²/(kg²·m²)，

解過熱器方程，由式(2)可得

對式(10)展開可得

式(15)移項可得

h_s為過熱器蒸汽平均焓值，取過熱器入口焓值h_jian與主蒸汽焓值h_t的平均值，過熱器體積V_s是常數，過熱器蒸汽平均密度ρ_s取 工質密度ρ_jian與過熱器出口密度ρ_t的平均值，即：

h_s＝(h_t+h_jian)/2 (17)

ρ_s＝(ρ_t+ρ_jian)/2 (18)

由過熱器方程式(10～18)，求解出過熱器方程，建立過熱器模型，

燃燒系統有一定的延時和慣性，煤量指令下達后，磨煤機開始動作，經過一定的延時和慣性，才會變成煤量的實際值，電廠實際控制中，有專門控制單元協調燃煤量與給風量，將燃煤量作為變量，鍋爐燃燒放出的熱量用傳遞函數可以表示為：

式中，Q為燃燒系統放熱量，單位為J，τ為燃燒系統延遲時間常數，單位為s，T_c為燃燒系統慣性時間常數，單位為s，K為常系數，μ_B為燃燒率指令，單位為p.u.，

煤燃燒所釋放出的熱量Q，一部分熱量Q₁用于加熱鍋爐水冷壁內的水，使之變成蒸汽，另一部分熱量Q_s用于加熱過熱器中的工質，使微過熱蒸汽變成過熱蒸汽，因此，Q＝Q₁+Q_s，若Q₁＝nQ，則Q_s＝(1-n)Q，運行中Q會發生波動，水冷壁與過熱器吸熱的比例保持恒定，比例系數n恒定，

直流鍋爐整體輸入為燃燒率指令、給水流量、減溫水流量，此外，主蒸汽流量與鍋爐入口焓值也會影響鍋爐動態，直流鍋爐整體輸入出為主蒸汽壓力、主蒸汽溫度及微過熱點焓值，

直流鍋爐模型包括鍋爐燃燒系統、水冷壁、過熱器，燃燒系統釋放總熱量為Q，傳遞到水冷壁熱量為Q_l，傳遞到過熱器熱量為Q_s,依據過熱器動量式(12)，水冷壁出口處微過熱點的工質流量G_jian由壓力差決定，水冷壁的出口焓值即為過熱器的入口焓值，主蒸汽流量G_t的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μ_B、給水流量G_in、減溫水流量G_j由鍋爐控制器給出，輸出信號反映單元機組的狀態通過鍋爐控制器的輸入得到直流鍋爐機理模型；

步驟二：建立超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型：

超臨界直流鍋爐控制量主要是燃燒率、給水、減溫水，高壓缸出口處蒸汽壓力P_tj與主蒸汽壓力P_t的比值準確反映鍋爐的能量需求，它是燃燒控制、給水控制主要的信號，

燃燒率控制時依據鍋爐能量需求信號P_tj/P_t，另外，主蒸汽壓力是鍋爐能量的代表，反映鍋爐能量高低，因此，主蒸汽壓力偏差也作為鍋爐燃燒率控制所依據的信號，經過PID控制后與鍋爐能量需求信號共同調節燃燒率的大小，

鍋爐給水最主要的控制信號是P_tj/P_t，同時受主蒸汽溫度偏差值、微過熱點焓值信號偏差值影響，

依據主蒸汽溫度偏差值進行減溫水控制，使得主蒸汽溫度保持在規定范圍內，進而完成超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型的建立；

步驟三：建立汽輪機一次調頻模型：

用于一次調頻分析的汽輪機模型為線性模型，動態特性用傳遞函數來表示，在汽輪機與直流鍋爐耦合的環節為主蒸汽流量調節閥門，即為主蒸汽閥門開度及主蒸汽壓力，汽輪機模型包含主蒸汽流量及主蒸汽壓力，

一次調頻通道:

功率給定值R_t與閥門開度S_z之間的傳遞函數為一階慣性，主蒸汽流量G_t與汽輪機機械功率P_M之間的傳遞函數為一階慣性，P_L為電功率，機械功率、電功率之差(P_M-P_L)與轉差之間的傳遞函數為一階慣性，即軸的慣性，

主蒸汽流量:

依據氣體流過主汽閥流體力學原理，主蒸汽流量與主蒸汽壓力和主汽閥開度的乘積成正比，

G_t＝k_vP_tS_z (20)

式(20)中，G_t為主蒸汽流量，單位為kg/s，P_t為主蒸汽壓力，單位為Pa，S_z為閥門開度，單位為p.u.，k_v為常系數，

在機爐耦合關系中，主蒸汽壓力影響流過主汽閥的流量，進而影響汽輪機功率，同時，汽輪機主汽閥流量會影響鍋爐動態，即鍋爐與汽輪機的相互耦合關系，

汽輪機一次調頻模型的輸入為主蒸汽壓力、主汽閥開度指令和電機的電功率，輸出為轉差及汽機調節閥流量，建立汽輪機一次調頻模型，

步驟四：建立包含不同類型機組的電力系統調頻模型：

若系統中的超臨界及超超臨界機組均采用鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型，則驗證鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型的效果，即對調頻的改善效果，建立包含不同類型機組的電力系統調頻模型，

用于一次調頻分析的模型采用剛性集結模型，電力系統一次調頻時間尺度為秒級，在該時間尺度下，機組轉速與電網是同步的，各個點的電力系統頻率一致，電網頻率決定于系統內所有機組的功率之和及電力系統總負荷，即電力系統是剛性集結的，

在系統中，不同類型的發電機組一次調頻模型不同，針對一次調頻的功率通道，將模型分為以下5種模型：純轉速調節汽輪機、中間再熱式汽輪機、功頻調節汽輪機、水輪機、鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制汽輪機，

純轉速調節汽輪機

純轉速調節方式下，汽輪機頻率偏差信號通過一次調頻控制通道反饋到閥門，控制通道的比例系數為1/δ，與給定值求和后作為蒸汽閥門的指令信號，進而通過執行機構控制閥門的開度，閥門控制信號經過執行機構、容積效應環節后，與擾動相疊加作為轉子慣量環節的輸入，轉子慣量環節輸出頻率偏差信號，純轉速調節的功率沒有閉環，功率并非可控，

功頻調節汽輪機

為了使汽輪機的功率跟蹤功率給定，將電功率反饋到控制回路中，在純轉速調節的基礎上，測量發電機輸出的電功率，進而反饋到輸入給定處，與給定、一次調頻量求和后作為汽輪機的閥門控制信號，閥門控制信號經過PI環節、執行結構、容積效應環節后，與擾動相疊加作為轉子慣量環節的輸入，轉子慣量環節輸出頻率偏差信號，

中間再熱式汽輪機

中間再熱式汽輪機中的蒸汽經過高壓缸做功后會返回到鍋爐中再熱，隨后進入中壓缸、低壓缸做功，其中執行機構特性為較小時間常數的慣性環節，經過高壓調節閥的工質經過容積后進入高壓缸，蒸汽要經過再熱器容積后再進入中壓缸、低壓缸，再熱器容積效應也等效為慣性環節

水輪機

采用機械液壓調節系統，采用并聯型PID調速器，PID參數K_p＝5.185、K_i＝0.988、K_d＝3.333，T_a為軸慣性時間常數，T_b為負荷的慣性時間常數，工程實際中，T_b范圍為T_b＝(0.24～0.30)T_a，取T_b＝0.27T_a，

步驟五：修正汽輪機功率給定信號:

在鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型中加入一個控制器，其輸入為主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t和頻差信號Δf，其輸出與汽輪機功率給定信號相疊加，根據模型使用者設置和調節該控制器的參數，實現保證電網頻率穩定的前提下，充分利用鍋爐的能量的目標，既使火電機組充分參與調頻，又使超臨界直流鍋爐主蒸汽壓力趨于平穩，

頻率偏差信號Δf信號反映電網能量大小，使鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型應對電網側功率頻繁變動，主蒸汽壓力偏差信號ΔP_t信號反映直流鍋爐能量高低，且便于測量，相當于在原來的功率給定值R_t之上增加了一個修正量，該修正量既能反映鍋爐能量的高低，又能體現電網能量的高低，進而完成鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型。