用于鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型制造技術

用于鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型，本發明專利技術涉及一種用于一次調頻分析的鍋爐、汽輪機、電網三方協調控制的超臨界及超超臨界機組協調控制模型，現有技術傳統的機網協調和機爐協調的控制重點是汽輪發電機組與電網，一次調頻控制回路中僅體現了對電網頻差的負反饋控制策略，并未考慮對鍋爐的影響，從而存在安全隱患，本發明專利技術為解決上述問題采取的技術方案是：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，步驟二：建立超臨界及超超臨界直流鍋爐控制器模型，步驟三：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，步驟五：修正汽輪機功率給定信號，本發明專利技術用于鍋爐、汽輪機和電網協調控制領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于一次調頻分析的鍋爐、汽輪機、電網三方協調控制的超臨界及超超臨界機組協調控制模型。
技術介紹
開發清潔能源，提高化石能源轉化效率是當今趨勢。在這種發展趨勢下，小容量火電機組由于發電煤耗高、能源利用率低逐漸退出運行，大容量、高參數的超臨界及超超臨界機組正在推廣運行。然而，超臨界及超超臨界機組中水的狀態參數達到臨界點時(壓力22.129MPa、溫度374.15℃)，汽密度與水密度相等，汽包鍋爐的自然循環在超臨界下不適用，使得直流鍋爐成為超臨界及超超臨界機組的唯一型式。直流鍋爐和汽包鍋爐的結構具有差異。超臨界和超超臨界鍋爐是由受熱管道所組成，沒有大氣包。主汽閥開度在控制汽輪機功率的同時，反過來影響直流爐出口處的阻力特性，由于缺乏汽包的緩沖，動態特性受主汽閥開度的影響遠遠大于汽包爐，因此，直流鍋爐的被控特性與汽包鍋爐完全不同。直流鍋爐由于鍋爐的蓄熱相對較小，對擾動較敏感，使得機、爐之間耦合嚴重，從而使主汽壓力大幅度變化，既降低了控制質量，又增加了直流鍋爐運行的風險。因此，在傳統的一次調頻控制策略下，隨機負荷波動所引起的主蒸汽壓力和溫度的波動會對超臨界及超超臨界機組運行產生非常不利的影響。傳統的機網協調的重點是關注發電機組而較少考慮鍋爐，一方面要求電網各種電氣設備和保護裝置、安全自動裝置或安全自動控制系統，應和發電機的各種調節系統、保護裝置相配合，從而最大限度的保證發電機的安全運行；另一方面要求發電機的各種調節系統、保護裝置與電網的自動裝置相協調，保證電網的安全。嚴格來說單元機組應該包括鍋爐，但是從電網運行角度看，與電網直接互聯的是汽輪機組。所以電網和汽輪發電機組之間的關聯互動在機網協調中備受重視，而忽視了鍋爐的安全和動態特性。傳統的機爐協調控制指的是當外界負荷變化時，將功率變化指令同時發給鍋爐及汽輪機控制系統，對調節閥開度及鍋爐進行同步調整，協調控制。其控制的核心思想是提高機組對電網負荷變化的響應速度，并未充分考慮大容量高參數機組在響應負荷波動時造成的鍋爐氣壓波動。由以上分析可知，傳統的機網協調和機爐協調的控制重點是汽輪發電機組與電網，一次調頻控制回路中僅體現了對電網頻差的負反饋控制策略，并未考慮對鍋爐的影響，從而存在較大的安全隱患。特別是隨著超臨界和超超臨界機組的發展，如果在一次調頻控制中不考慮鍋爐的特性，將會給大容量高參數火電機組參加一次調頻帶來很大阻力，不利于電力系統安全穩定運行。
技術實現思路
現有技術傳統的機網協調和機爐協調的控制重點是汽輪發電機組與電網，一次調頻控制回路中僅體現了對電網頻差的負反饋控制策略，并未考慮對鍋爐的影響，從而存在較大的安全隱患，為了滿足電網安全運行要求的同時，又能夠讓大容量高參數發電機組安全高效的運行，進而提供用于鍋爐、汽輪機和電網一次調頻分析協調控制模型。本專利技術為解決上述問題采取的技術方案是：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，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，Gin為給水流量，單位為kg/s，hin為給水焓值，單位為J/kg，Gjian為水冷壁出口處微過熱點的工質流量，單位為kg/s，hjian為水冷壁出口焓值，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為水冷壁平均焓值，取水冷壁入口焓值hin與水冷壁出口焓值hjian的平均值，水冷壁中工質的平均密度ρ1取水冷壁入口密度ρin與出口密度ρjian的平均值，即：h1＝(hin+hjian)/2(6)ρ1＝(ρin+ρjian)/2(3)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，水冷壁出口處焓值hjian和工質密度ρjian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Pjian和主蒸汽壓力Pt的壓力的差同主蒸汽流量Gt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hin，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，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，Vs為過熱器內蒸汽體積，單位為m3，hs為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρs為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m3，Gj為減溫水流量，單位為kg/s，Gt為主蒸汽流量，單位為kg/s，ht為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Qs為過熱器內蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，Pjian為微過熱點蒸汽壓力，單位為Pa，Pt為主蒸汽壓力，單位為Pa，Ksh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hs為過熱器焓值平均值，取過熱器入口焓值hjian與過熱器出口焓值ht的平均值，過熱器體積Vs是常數，過熱器中工質的平均密度ρs取過熱器入口密度ρjian與過熱器出口密度ρt的平均值，即：hs＝(ht+hjian)/2(17)ρs＝(ρt+ρjian)/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，Tc為燃燒系統慣性時間常數，單位為s，K為常系數，μB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Qs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+Qs，若Q1＝nQ，則Qs＝(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，汽輪機調節閥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Ql，傳遞到過熱器熱量為Qs,依據過熱器動量式(12)，水冷壁出口流量Gjian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Gt的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μB、給水流量Gin、減溫水流量Gj本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，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，Gin為給水流量，單位為kg/s，hin為給水焓值，單位為J/kg，Gjian為水冷壁出口處微過熱點的工質流量，單位為kg/s，hjian為水冷壁出口焓值，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為水冷壁平均焓值，取水冷壁入口焓值hin與水冷壁出口焓值hjian的平均值，水冷壁中工質的平均密度ρ1取水冷壁入口密度ρin與出口密度ρjian的平均值，即：h1＝(hin+hjian)/2??????????????????????????(6)ρ1＝(ρin+ρjian)/2??????????????????????????(3)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，水冷壁出口處焓值hjian和工質密度ρjian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Pjian和主蒸汽壓力Pt的壓力的差同主蒸汽流量Gt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hin，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，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，Vs為過熱器內蒸汽體積，單位為m3，hs為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρs為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m3，Gj為減溫水流量，單位為kg/s，Gt為主蒸汽流量，單位為kg/s，ht為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Qs為過熱器內蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，Pjian為微過熱點蒸汽壓力，單位為Pa，Pt為主蒸汽壓力，單位為Pa，Ksh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?hs為過熱器焓值平均值，取過熱器入口焓值hjian與過熱器出口焓值ht的平均值，過熱器體積Vs是常數，過熱器中工質的平均密度ρs取過熱器入口密度ρjian與過熱器出口密度ρt的平均值，即：hs＝(ht+hjian)/2?????????????????????????(17)ρs＝(ρt+ρjian)/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，Tc為燃燒系統慣性時間常數，單位為s，K為常系數，μB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Qs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+Qs，若Q1＝nQ，則Qs＝(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，汽輪機調節閥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Ql，傳遞到過熱器熱量為Qs,依據過熱器動量式(12)，水冷壁出口流量Gjian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Gt的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μB、給水流量Gin、減溫水流量Gj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，直流鍋爐機理模型；步驟二...

【技術特征摘要】
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，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，Gin為給水流量，單位為kg/s，hin為給水焓值，單位為J/kg，Gjian為水冷壁出口處微過熱點的工質流量，單位為kg/s，hjian為水冷壁出口焓值，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為水冷壁平均焓值，取水冷壁入口焓值hin與水冷壁出口焓值hjian的平均值，水冷壁中工質的平均密度ρ1取水冷壁入口密度ρin與出口密度ρjian的平均值，即：h1＝(hin+hjian)/2(6)ρ1＝(ρin+ρjian)/2(3)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，水冷壁出口處焓值hjian和工質密度ρjian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Pjian和主蒸汽壓力Pt的壓力的差同主蒸汽流量Gt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hin，在過熱器中噴減溫水，減溫水焓值與給水焓值相同，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，Vs為過熱器內蒸汽體積，單位為m3，hs為過熱器蒸汽平均焓值，單位為J/kg，ρs為過熱器蒸汽平均密度，單位為kg/m3，Gj為減溫水流量，單位為kg/s，Gt為主蒸汽流量，單位為kg/s，ht為主蒸汽焓值，單位為J/kg，Qs為過熱器內蒸汽單位時間的吸熱量，單位為J/s，Pjian為微過熱點蒸汽壓力，單位為Pa，Pt為主蒸汽壓力，單位為Pa，Ksh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hs為過熱器焓值平均值，取過熱器入口焓值hjian與過熱器出口焓值ht的平均值，過熱器體積Vs是常數，過熱器中工質的平均密度ρs取過熱器入口密度ρjian與過熱器出口密度ρt的平均值，即：hs＝(ht+hjian)/2(17)ρs＝(ρt+ρjian)/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，Tc為燃燒系統慣性時間常數，單位為s，K為常系數，μB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Qs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+Qs，若Q1＝nQ，則Qs＝(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，汽輪機調節閥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Ql，傳遞到過熱器熱量為Qs,依據過熱器動量式(12)，水冷壁出口流量Gjian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Gt的信號來自于汽輪機模型，燃燒率指令μB、給水流量Gin、減溫水流量Gj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，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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：黑龍江;23