供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统
技术领域
本实用新型涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统。
背景技术
近年来，我国风电、光伏、水电等新能源电力装机容量持续快速增长，在役及在建装机容量均已位居世界第一。风电和光伏等新能源为我们提供了大量清洁电力，但另一方面，其发电出力的随机性和不稳定性也给电力系统的安全运行和电力供应保障带来了巨大挑战。电力系统调节能力需要适应新能源大规模发展和消纳的要求，尤其在我过三北地区，冬季大量火电机组承担居民供热任务，但同时当地冬季风电功率普遍高企，而用电负荷并无明显增加，导致部分地区一度出现了较为严重的弃风、弃光和弃水问题。为提高新能源的消纳能力，挖掘火电机组调峰调频潜力，提升火电机组负荷调节灵活性至关重要，其中低压缸切缸运行 (或低压缸零出力运行)是热电解耦的重要手段，既能保障居民供热的需求，又能显著降低电负荷，提高风、光等清洁能源的消纳能力。
然而电网对于发电机组的灵活运行需求除需要热电解耦、降低最低发电负荷以消纳清洁能源外，还需要能够快速灵活的进行发电负荷的调节以适应风、光等清洁能源的间歇波动性，从而维护整个电网的功率平衡和稳定。为此自动发电控制(AGC)是电网不可缺少的重要技术，是保证电网安全、经济运行的重要措施之一，也是电网调度自动化系统的重要功能之一。为了对自动发电控制机组进行鼓励和补偿，各电网“两个细则”中对于自动发电控制提出了补偿考核度量办法，定义了对发电机组灵活调节的性能指标要求。
当前各电网“两个细则”中对于自动发电控制考核原则主要为，自动发电控制考核指标包括可用率指标KA、调节性能指标K1(调节速率)，K2(调节精度)， K3(响应时间)。
近年来，供热切缸技术是对原有供热运行模式的重大突破，与高背压供热、“光轴”供热改造等技术相比，供热切缸技术能够实现供热机组在抽汽凝汽式运行方式与高背压运行方式的不停机灵活切换。技术的核心是仅保留少量冷却蒸汽进入低压缸，实现低压转子“零”出力运行，降低电负荷；更多的蒸汽进入供热系统，提高供热能力。
虽然供热切缸机组能使深度调峰与热电解耦问题得到很好的解决，但其负荷调节过程由于少了低压缸出力变化的参与，按低压缸功率占比20％--30％计算，使同等阀位指令对应的实际机组负荷变化仅相当于纯凝工况的70％--80％。此外，供热切缸时，供热辅助负荷调节能力为0，这样供热切缸机组响应自动发电控制的速度、幅度和稳态调节时间都相应大幅下降。另外，现有常规机组跟随自动发电控制指令主要依赖短时间的锅炉蓄热支持汽轮机快速增加流量和功率。而供热切缸机组为确保供热流量和负荷需求，均长时间运行在汽轮机调门开度接近上限的位置，这就造成当自动发电控制指令来一个向上的动作时，汽轮机无法向上开启调门来增加流量和功率，导致机组无法响应自动发电控制指令，实际负荷增长缓慢。目前，该类型供热切缸机组冬季供热期运行时均存在自动发电控制考核现象严重，K1、K2、K3值无法达标的问题。针对此情况，急需采取措施对其控制系统进行优化改造。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提出供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统，使得供热切缸机组在供热运行期间，保证供热的前提下，也可以满足电网对自动发电控制的考核要求。
为达到以上目的，本实用新型采用如下技术方案：
供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统，包括安装在汽轮机高压缸 2入口的高压缸进汽调节阀1及与其相连的PID控制器13，安装于汽轮机中压缸 4和汽轮机低压缸6之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀5及与其相连的函数发生器14和PI控制器15，安装于汽轮机中压缸4抽汽管道上至供热母管的供热母管压力调节蝶阀16和供热母管压力测点17；所述PID控制器13的两路输入信号分别是自动发电控制指令信号12和安装于发电机输出端的电功率传感器 10的发电实际负荷信号；所述函数发生器14的输入信号是自动发电控制指令信号12；PI控制器15的两路输入信号分别是位于汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸 6之间的低压联通管上中压缸排汽压力测点9的排气压力测量值以及汽轮机中压缸排汽压力设定值11。
本实用新型所述供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统的控制方法，在供热切缸机组自动发电控制指令变化时，自动发电控制指令信号12快速变化，与来自电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器13输出动作，对高压缸进汽调节阀1进行调节；与此同时，由于自动发电控制指令信号12的变化，使函数发生器14的输出也随之动作，对低压缸进汽调节蝶阀5进行调节；两路信号共同动作，来满足供热切缸机组负荷变化的需求。
具体控制方法为：高压缸进汽调节阀1采用PID控制器13的调节，PID控制器13包括比例(P)作用、积分(I)作用和微分(D)作用；当自动发电控制指令信号12给一个升负荷指令时，PID控制器13的微分(D)作用会直接给高压缸进汽调节阀1一个开调阀的指令，同时，由于自动发电控制指令信号12同电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现正偏差，使PID控制器13的比例(P) 作用和积分(I)作用开始动作，发出开调阀的指令，来满足供热切缸机组升负荷的需求；同样，当自动发电控制指令信号12给一个降负荷指令时，PID控制器13的微分(D)作用会直接给高压缸进汽调节阀1一个关调阀的指令，同时，由于自动发电控制指令信号12同电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现负偏差，使PID控制器13的比例(P)作用和积分(I)作用开始动作，发出关调阀的指令，来满足供热切缸机组降负荷的需求；
低压缸进汽调节蝶阀5的调节采用两路调节共同作用，分为自动发电控制指令稳定工况和自动发电控制指令变化工况；
自动发电控制指令稳定时，正常供热期间，需确保汽轮机中压缸排汽压力维持在允许范围内，因为该压力过高会使汽轮机出现危险，触发跳机的极限值；该压力过低又无法维持正常供热所需要的供热母管压力，所以当自动发电控制指令稳定时，需要通过PI控制器15来实现该目标，通过比例(P)作用和积分(I) 作用来满足来自中压缸排汽压力设定值11的需求信号，当中压缸排汽压力测点9 的排汽压力测量值高于中压缸排汽压力设定值11时，比例(P)作用和积分(I) 作用动作使得低压缸进汽调节蝶阀5进行关闭；当中压缸排汽压力测点9的排气压力测量值低于中压缸排汽压力设定值11时，比例(P)作用和积分(I)作用使得低压缸进汽调节蝶阀5进行开启，使中压缸排汽压力测点9的排汽压力测量值满足运行要求；
自动发电控制指令变化时，函数发生器14来对低压缸进汽调节蝶阀5直接进行预测调节，由于供热切缸机组低压缸进汽调节蝶阀过快和过大的开启，都会对供热压力造成影响，因此首先要结合供热机组运行实际情况在函数发生器14 中设定好输出值的上下限，确保机组的安全性；函数中间段按线性化处理即可；
由于高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5同时动作，会对中压缸排汽压力测点9的排汽压力测量值及供热母管压力测点17的压力测量值产生影响，中压缸排汽压力测点9排汽压力测量值的控制由PI控制器15完成，控制方法与自动发电控制指令稳定时的控制方法相同；供热母管压力测点17的压力变化范围需维持在正常范围内，当供热母管压力测点17的压力测量值过低时，需手动开大供热母管压力调节蝶阀16；当供热母管压力测点17的压力测量值过高时，需手动关小供热母管压力调节蝶阀16，来保证供热的安全。
所述函数发生器14中设定的输出值上限为25，下限为5；将冬季供热期的最低稳燃负荷(40％额定负荷)所对应的值设为5，所能达到的最高负荷(80％额定负荷)所对应的值设为25。
所述供热母管压力测点17的压力变化范围维持的正常范围为：当供热水侧循环泵为汽动的机组时，供热母管压力测点17的压力变化范围需维持在 0.2-0.3MPa，当供热水侧循环泵为电动的机组时，供热母管压力测点17的压力变化范围需维持在0.03-0.05MPa。
和现有技术相比较，本实用新型具备如下优点：
1)本实用新型控制系统可有效提高供热切缸机组的自动发电控制性能，其优点是增加了低压缸进汽调节蝶阀5的调节作用后，当供热切缸机组自动发电控制指令变化时，除了汽轮机高压缸输出功率会随之变化外。汽轮机中压缸及汽轮机低压缸的输出功率会随之变化外，使供热切缸机组的高压缸、中压缸和低压缸都可以在自动发电控制指令增加时有效快速响应，从而提高机组的快速负荷响应能力。
2)本实用新型所述控制方法可满足供热切缸机组运行时对自动发电控制指令的快速、准确响应的要求。同时又维持中排压力的稳定和供热流量及压力的稳定，为电厂经济、安全运行提供更进一步的保障。
附图说明
图1是本实用新型系统结构示意图。
图中：1——高压缸进汽调节阀；2——汽轮机高压缸；3——再热器；4——汽轮机中压缸；5——低压缸进汽调节蝶阀；6汽轮机低压缸；7——发电机组转子；8——发电机；9——中压缸排汽压力测点；10——电功率传感器；11——中压缸排汽压力设定值；12——自动发电控制指令信号；13——PID控制器；14 ——函数发生器；15——PI控制器；16——供热母管压力调节蝶阀；17——供热母管压力测点。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型为供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统，包括安装在汽轮机高压缸2入口的高压缸进汽调节阀1及与其相连的PID控制器 13，安装于汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6之间的低压联通管上的低压缸进汽调节蝶阀5及与其相连的函数发生器14和PI控制器15，安装于汽轮机中压缸4 抽汽管道上至供热母管的供热母管压力调节蝶阀16和供热母管压力测点17；所述PID控制器13的两路输入信号分别是自动发电控制指令信号12和安装于发电机输出端的电功率传感器10的发电实际负荷信号；所述函数发生器14的输入信号是自动发电控制指令信号12；PI控制器15的两路输入信号分别是位于汽轮机中压缸4和汽轮机低压缸6之间的低压联通管上中压缸排汽压力测点9的排气压力测量值以及汽轮机中压缸排汽压力设定值11。
如图1所示，本实用新型所述供热切缸机组运行时快速响应自动发电控制系统的控制方法，在供热切缸机组自动发电控制指令变化时，自动发电控制指令信号12快速变化，与来自电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现偏差，激活PID控制器13输出动作，对高压缸进汽调节阀1进行调节；与此同时，由于自动发电控制指令信号12的变化，使函数发生器14的输出也随之动作，对低压缸进汽调节蝶阀5进行调节；两路信号共同动作，来满足供热切缸机组负荷变化的需求。
具体工作原理为：供热切缸机组在自动发电控制指令变化时，由高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5共同作用。
具体控制方法为：高压缸进汽调节阀1采用PID控制器13的调节，PID控制器13包括比例(P)作用、积分(I)作用和微分(D)作用。当自动发电控制指令信号12给一个升负荷指令时，PID控制器13的微分(D)作用会直接给高压缸进汽调节阀1一个开调阀的指令，同时，由于自动发电控制指令信号12同电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现正偏差，使PID控制器13的比例(P) 作用和积分(I)作用开始动作，发出开调阀的指令，来满足供热切缸机组升负荷的需求。同样，当自动发电控制指令信号12给一个降负荷指令时，PID控制器13的微分(D)作用会直接给高压缸进汽调节阀1一个关调阀的指令，同时，由于自动发电控制指令信号12同电功率传感器10的发电实际负荷信号之间出现负偏差，使PID控制器13的比例(P)作用和积分(I)作用开始动作，发出关调阀的指令，来满足供热切缸机组降负荷的需求。
这种只靠高压缸进汽调节阀1工作的策略，优点是简单易操作，并可满足大部分供热机组的要求。但缺点是应用于供热切缸机组时，是无法满足运行要求的。因为单独快速开启或关闭高压缸进汽调节阀1，蒸汽需通过汽轮机高压缸—锅炉再热器—汽轮机中压缸来依次做功，短时间(10-13s)内并不会明显改变进入汽轮机中压缸的做功蒸汽流量，而且增加或减少的蒸汽量并不能进入汽轮机低压缸继续做功，而是经供热母管压力调节蝶阀16直接进入供热母管，导致自动发电控制响应较非供热切缸机组来说相对滞后。因此，本实用新型控制系统在此常规方法基础上，增加了低压缸进汽调节蝶阀5的辅助控制策略。
低压缸进汽调节蝶阀5的调节采用两路调节共同作用，分为自动发电控制指令稳定工况和自动发电控制指令变化工况。
自动发电控制指令稳定时，由于本实用新型仅针对供热切缸机组，所以保证供热的稳定性就显得极为重要。正常供热期间，需确保汽轮机中压缸排汽压力维持在允许范围内(正常情况保持在0.3-0.4MPa)，因为该压力过高会使汽轮机出现危险，触发跳机的极限值；该压力过低又无法维持正常供热所需要的供热母管压力。所以当自动发电控制指令稳定时，需要通过PI控制器15来实现该目标，通过比例(P)作用和积分(I)作用来满足来自中压缸排汽压力设定值11的需求信号，当中压缸排汽压力测点9的排汽压力测量值高于中压缸排汽压力设定值 11时，比例(P)作用和积分(I)作用动作使得低压缸进汽调节蝶阀5进行关闭；当中压缸排汽压力测点9的排气压力测量值低于中压缸排汽压力设定值11时，比例(P)作用和积分(I)作用使得低压缸进汽调节蝶阀5进行开启，使中压缸排汽压力测点9的排汽压力测量值满足运行要求。
自动发电控制指令变化时，函数发生器14来对低压缸进汽调节蝶阀5直接进行预测调节，由于供热切缸机组低压缸进汽调节蝶阀过快和过大的开启，都会对供热压力造成影响，因此首先要结合供热机组运行实际情况在函数发生器14 中设定好输出值的上下限，确保机组的安全性(正常情况，上下限建议设定在 5-25，低于5的工作过程会使供热汽侧压力产生波动，高于25又会使汽轮机发电量增加，导致供热能力会下降)。对于供热切缸机组来说，函数发生器14的参数设定可按照，将冬季供热期的最低稳燃负荷(40％额定负荷)所对应的值设为5，所能达到的最高负荷(80％额定负荷)所对应的值设为25。函数中间段按线性化处理即可。具体参数见下表：
表：函数发生器14参数设定值表
由于高压缸进汽调节阀1和低压缸进汽调节蝶阀5同时动作，会对中压缸排汽压力测点9的排汽压力测量值及供热母管压力测点17的压力测量值产生影响，中压缸排汽压力测点9排汽压力测量值的控制由PI控制器15完成，控制方法同自动发电控制指令稳定时的控制方法相同。供热母管压力测点17的压力变化范围通常需维持在0.2-0.3MPa(适用于供热水侧循环泵为汽动的机组)，或 0.03-0.05MPa(适用于供热水侧循环泵为电动的机组)。当供热母管压力测点17 的压力测量值过低时，需手动开大供热母管压力调节蝶阀16；当供热母管压力测点17的压力测量值过高时，需手动关小供热母管压力调节蝶阀16，来保证供热的安全。该供热母管压力调节蝶阀16正常运行时很少操作，所以采用手动控制即可。
上述控制系统可有效提高供热切缸机组的自动发电控制性能，其优点是增加了低压缸进汽调节蝶阀5的调节作用后，当供热切缸机组自动发电控制指令变化时，除了汽轮机高压缸输出功率会随之变化外。汽轮机中压缸及汽轮机低压缸的输出功率会随之变化外，使供热切缸机组的高压缸、中压缸和低压缸都可以在自动发电控制指令增加时有效快速响应，从而提高机组的快速负荷响应能力。
综上，本实用新型所述控制方法可满足供热切缸机组运行时对自动发电控制指令的快速、准确响应的要求。同时又维持中排压力的稳定和供热流量及压力的稳定，为电厂经济、安全运行提供更进一步的保障。
