CN102787870A - 一种提高供热机组一次调频能力的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高供热机组一次调频能力的方法，它采用非线性滤波器将机组负荷指令分解为缓慢变化的稳态负荷指令和快速变化的暂态负荷指令两部分，稳态负荷指令送入原机组协调控制系统，暂态负荷指令分成两路，一路经过一阶惯性环节后迭加到供热抽汽调节蝶阀开度指令上，另一路经过调节蝶阀开度对机组发电负荷的传递函数环节后，反向迭加到机组发电负荷信号上，再将迭加后的信号作为原协调控制系统发电负荷反馈信号。本方法不仅不会对热用户产生影响，而且具有机组负荷响应速度快、调节范围大、调节方式安全可靠等优点，可有效缓解北方电网冬季调频能力不足的矛盾。

Description

一种提高供热机组一次调频能力的方法

技术领域

本发明涉及一种利用热网管道蓄热提高供热机组一次调频能力的方法，属发电技术领域。

背景技术

电力难以大规模存储，电网调度中心需要时刻维持网内发电负荷同用电负荷相等。当电网中发电负荷大于用电负荷时电网频率升高，相反则降低。因此电网根据用电负荷量调节发电负荷量的过程也被称为“调频”。目前，电力系统中采用一次、二次、三次调频相结合的方式来调节发电负荷。一次调频是指电网频率变化时，发电机组自动改变一定量的发电负荷补偿电网频率变化，为快速有差调节；二次调频是电网调度中心根据实际用电量和电网频率，在线计算并调整各个机组发电负荷，将电网频率维持到额定频率的过程，调节过程相对缓慢但精度高；三次调频是电网根据各机组发电经济性自动分配网中不同机组发电负荷，使整体效率达到最优。

随着用电负荷日益复杂化，用电侧的负荷扰动日渐增加；同时由于风力发电机组等不可靠发电电源大规模并网，发电侧的负荷扰动也出现日益增加的趋势。为了保证供电质量，需要利用电网中火力发电机组等可靠发电电源补偿电网负荷扰动，因此对火电机组一次调频性能的要求越来越高。

通过改变燃料量改变机组发电负荷是火电机组控制发电负荷的基本方式，但由于被控对象具有很大的迟延和惯性，单纯依靠此方法将使机组发电负荷响应负荷指令的速度十分缓慢，不能满足电网自动发电控制和一次调频的要求。而利用机组热力过程中的蓄热，能够瞬时改变发电负荷，从而提高机组负荷响应速率。火电机组机炉协调控制系统采用炉跟机方式时，就可以利用锅炉汽水系统蓄热，提高负荷响应速率；一些机组采用的凝结水节流方案，也是通过利用汽轮机热力系统中原本用于加热给水的热量瞬时改变发电负荷。这些方法发挥过非常有效的作用，但随着电网要求的逐步提高，受蓄热总量的限制这些方法的潜力已经发挥到了极限。炉跟机协调方案利用锅炉汽水系统蓄热将导致锅炉主蒸汽压力大幅度变化，引起汽水循环的不稳定和金属管道应力变化；凝结水节流方案会导致除氧器水箱、凝汽器水箱水位大幅度波动，使给水泵、凝结水泵跳闸风险增加。

理论以及实验研究表明，火电机组热力系统中蓄热量越大，对提高机组负荷瞬时响应速率越有利。由于目前普通火电机组的蓄热利用已经接近极限，因此寻找或制造更大的蓄热环节成为能否进一步提高火电机组负荷响应能力的关键，也是摆在有关技术人员面前的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足、提供一种利用热网管道蓄热提高供热机组一次调频能力的方法。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种提高供热机组一次调频能力的方法，它采用非线性滤波器将机组负荷指令分解为缓慢变化的稳态负荷指令和快速变化的暂态负荷指令两部分，稳态负荷指令送入原机组协调控制系统，暂态负荷指令分成两路，一路经过一阶惯性环节后迭加到供热抽汽调节蝶阀开度指令上，另一路经过调节蝶阀开度对机组发电负荷的传递函数环节后，反向迭加到机组发电负荷信号上，再将迭加后的信号作为原协调控制系统发电负荷反馈信号。

上述提高供热机组一次调频能力的方法，它包括以下步骤：

a. 控制方案组态：

① 采用非线性滤波器将机组负荷指令分解为缓慢变化的稳态负荷指令和快速变化的暂态负荷指令两部分，具体方法是：

输入负荷指令信号经过速率变化限制非线性滤波器，滤除掉信号中快速变化部分后得到稳态负荷指令信号，输入负荷指令信号减去稳态负荷指令信号后得到暂态负荷指令信号；

② 将稳态负荷指令送入机组原协调控制系统，暂态负荷指令分成两路，一路经过一阶惯性环节G ₁(s)与原供热抽汽调节蝶阀开度指令相加后对蝶阀开度实施控制，所述惯性环节G ₁(s)的结构为：                                                

，式中K ₁为增益，T ₁为惯性时间；另一路经过蝶阀开度对发电负荷的传递函数环节后反向与发电负荷信号相加，替代原来发电负荷反馈信号进入原协调控制系统；

b.参数调试：

在机组工作于供热模式后，逐步将非线性滤波器速率限制值调至推荐值，对于采用正压直吹式制粉系统的锅炉推荐值取机组额定发电负荷的1%每分钟；对于采用中间仓储式制粉系统的锅炉推荐值取机组额定发电负荷的1.5%每分钟；然后通过负荷指令扰动实验逐渐调节惯性环节的增益和惯性时间，直到负荷响应曲线无“超调”或“欠调”及“回调”现象，系统可投入正常运行。

上述提高供热机组一次调频能力的方法，所述蝶阀开度对发电负荷的传递函数通过供热抽汽调节蝶阀开度扰动实验确定，具体方法为：

在机组额定供热负荷工况下，保持机组协调控制系统投入运行，待机组发电负荷、机前压力稳定后，手动阶跃增加供热抽汽调节蝶阀开度，使机组发电负荷增加而供热抽汽流量减小，待发电负荷在协调控制系统的作用下恢复到初始值后，记录机组抽汽调节蝶阀开度信号和机组发电负荷信号变化曲线，然后通过曲线辩识供热抽汽调节蝶阀开度对发电负荷的传递函数。

本发明利用热网管道蓄热提高供热机组一次调频能力，由于供热热网管道具有非常大的热惯性，本方法具有机组负荷响应速度快、调节范围大、调节方式安全可靠等优点，而且不会对热用户产生影响，可有效缓解北方电网冬季调频能力不足的矛盾。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是原供热机组控制系统示意图；

图2是本发明供热机组控制系统示意图。

图中和文中各符号为：G ₁(s)、惯性环节；K ₁、增益；T ₁、惯性时间。

具体实施方式

为了提高效率、减少污染，我国北方地区大量建设供热机组以实现集中供暖，供热机组通过热网管道同一定区域内的热用户相连接，热网管道具有巨大的蓄热容量。事实上，当热源端热网循环水出水温度在几分钟到十几分钟的时间范围内波动时，用户端根本察觉不到这种变化，而这一特性能够为供热机组提高一次调频能力提供关键的支持。

我国大型供热机组以抽汽式供热机组为主，其主要热力系统结构是在机组汽轮机中压缸至低压缸连通管道内低压缸侧安装供热抽汽调节蝶阀，在蝶阀前通过三通管道将一部分汽轮机中压缸排汽引至热网加热器，蒸汽在热网加热器内同热网循环水交换热量后冷却为热网疏水，再由热网疏水泵送至除氧器。热网循环水经过热网循环泵升压后进入热网加热器，吸收热量后提供供热热源。运行人员通过改变供热抽汽调节蝶阀开度改变供热抽汽流量，进而改变供热负荷与发电负荷的分配比例，蝶阀开度增加时，中压缸排汽压力降低，供热抽汽流量减小从而供热负荷减小，更多蒸汽进入汽轮机低压缸内做功发电负荷增加。

对于抽汽式供热机组，当改变供热抽汽调节蝶阀开度时可以迅速改变汽轮机低压缸进汽量，从而可以快速改变机组发电负荷。这样，当机组发电负荷指令增加时，可以先开大供热抽汽调节蝶阀开度，将原本用于供热的蒸汽引入汽轮机低压缸内做功，迅速提高机组发电功率。然后机组在协调控制系统作用下，依靠增加燃料量使机组总功率缓慢增加后，再逐渐关小供热抽汽调节蝶阀开度，恢复供热热源的稳定。由于供热热网管道具有非常大的热惯性，这一过程导致的供热热源不稳定不会反映到用户端。这是本发明的基本理论依据。

本发明通过改进供热机组发电负荷、汽轮机前压力、供热抽汽流量控制系统来实现。改进前供热机组控制系统结构如图1所示，协调控制系统控制机组发电负荷和汽轮机机前压力，通过改变供热抽汽调节蝶阀开度控制供热抽汽流量。改进后供热机组控制系统结构如图2所示，其中发电负荷指令进入非线性滤波器，被分解为稳态负荷指令和暂态负荷指令两部分。稳态负荷指令进入机组原协调控制系统，暂态负荷指令一方面经过惯性环节与原供热抽汽调节蝶阀开度指令相加后对蝶阀开度实施控制，另一方面经过蝶阀开度对发电负荷的传递函数后反向与发电负荷信号相加，替代原来发电负荷反馈信号进入原协调控制系统。

其中非线性滤波器采用以下方法设计：输入负荷指令信号经过速率变化限制后得到稳态负荷指令信号，输入负荷指令信号减去稳态负荷指令信号后得到暂态负荷指令信号。这样，非线性滤波器将负荷指令分解为缓慢变化的低频部分和快速变化的高频部分，并且分解是可逆的，即将稳态负荷指令信号和暂态负荷指令信号求和后，可以得到原负荷指令信号。将缓慢变化的稳态负荷指令送入协调控制系统，能够减少燃料量和汽轮机高压缸进汽调节门的扰动，有利于机组安全稳定运行；将快速变化的暂态负荷指令迭加到供热抽汽调节蝶阀开度指令上，可以快速改变汽轮机低压缸进汽量从而快速改变机组发电负荷，提高机组响应一次调频指令的能力。采用非线性滤波器的优势在于：当负荷指令变化量较小时，稳态负荷指令包含较多高频分量，虽然会造成燃料量和汽轮机高调门扰动，但由于指令变化量很小，所以扰动幅度不是很大，但可以减少供热抽汽调节蝶阀动作幅度以减少磨损；当负荷指令大幅度变化时，大部分高频分量进入暂态负荷指令，调节蝶阀迅速大幅度动作提高机组发电负荷响应能力。

其中惯性环节G ₁(s)的结构如下：

                       （1）

式（1）中：K ₁为增益，调整K ₁大小可改变单位暂态负荷指令变化所对应的供热抽汽调节蝶阀开度变化。K ₁越大，单位暂态负荷指令变化所对应供热抽汽调节蝶阀开度的变化也越大，导致发电负荷的变化量也越大；T ₁为惯性时间，调整T ₁大小可改变供热抽汽蝶阀动作的速度，调节供热抽汽蝶阀动作导致发电功率变化与协调控制系统动作导致发电功率变化的衔接时间，T ₁越大，供热抽汽蝶阀动作导致发电功率变化的滞后也越大。

其中蝶阀开度对发电负荷的传递函数通过供热抽汽调节蝶阀开度阶跃扰动实验获得。具体方法如下，在机组额定供热负荷工况下，保持机组协调控制系统投入运行，待机组发电负荷、机前压力稳定后，手动阶跃增加供热抽汽调节蝶阀开度。这时机组发电负荷增加而供热抽汽流量减小，随着协调控制系统动作，发电负荷会缓慢恢复到初始值，待发电负荷稳定后，分析发电负荷对蝶阀开度扰动的响应曲线，辨识得到对象传递函数。

其中将发电负荷减去蝶阀开度对发电负荷的传递函数输出后，再作为协调控制系统反馈的目的在于：机组发电负荷信号包含两部分，一部分是协调控制系统在稳态负荷指令作用下产生的基本发电负荷，另一部分是供热抽汽蝶阀在暂态负荷指令作用下产生的波动发电负荷。而波动发电负荷迭加到基本发电负荷上对协调控制系统是一种扰动，因此通过增加蝶阀开度对发电负荷的传递函数环节，以前馈方式消除这种扰动。

改进后的控制系统增加3个需要整定的参数，一个是非线性滤波器速率限制功能的速率限制值，对于采用正压直吹式制粉系统的锅炉可取机组额定发电负荷的1%每分钟，对于采用中间仓储式制粉系统的锅炉可取机组额定发电负荷的1.5%每分钟；另外两个是惯性增益K ₁和惯性时间T ₁，通过负荷指令扰动实验整定，保证供热抽汽蝶阀动作导致发电功率变化与协调控制系统动作导致发电功率变化相衔接，使负荷指令变化时，实际负荷响应曲线无“超调”或“欠调”以及“回调”现象。

实施本方案，需要加强对机组三个参数的监测。一是机组发电负荷，短时间内发电负荷可以超过汽轮机标称功率（TRL功率），但不得超过汽轮机最大连续运行功率（TMCR功率）；二是汽轮机中压缸排汽压力，防止其过高引起中压缸末级叶片“鼓风”、缸体及管道膨胀现象；三是汽轮机低压缸进汽压力，防止其过低引起低压缸“闷缸”现象。

本发明分以下三个步骤实施：

（1）供热抽汽调节蝶阀开度扰动实验。在机组额定供热工况下，进行供热抽汽调节蝶阀开度扰动实验。将机组协调控制系统投入闭环，待机组发电负荷和汽轮机机前压力稳定后，手动阶跃增加供热抽汽调节蝶阀开度，这时机组发电功率将迅速增加，然后在协调控制系统作用下恢复到初始值，记录机组抽汽调节蝶阀开度信号和机组发电负荷信号变化曲线，然后通过曲线辩识供热抽汽调节蝶阀开度对发电负荷的传递函数。

（2）控制方案组态。依据图2所示控制逻辑在机组分散控制系统中实施组态。组态完成后，将非线性滤波器速率限制值设置到机组额定发电负荷的5%每分钟，惯性环节增益设置为0，惯性时间设置为100秒。这时机组发电负荷指令可以不受限制的通过非线性滤波器，而暂态负荷指令为0，相当于没有投入蓄热利用功能，系统工作于原协调控制方式下。

（3）蓄热利用功能投入及参数调试。在机组工作于供热模式后，逐步将非线性滤波器速率限制值调小至推荐值，这时暂态负荷指令将有输出。然后通过负荷指令扰动实验，逐渐增加惯性环节的增益并减小惯性时间，直到负荷响应曲线无“超调”或“欠调”及“回调”现象。系统可投入正常运行。当机组工作于非供热模式，将非线性滤波器速率限制值调大至机组额定发电负荷的5%每分钟即可。

本发明具有以下优点：

（1）机组负荷响应能力提升明显。由于供热抽汽调节蝶阀直接控制进入汽轮机低压缸蒸汽流量，而蒸汽在汽轮机内流动做功的过程非常迅速，所以系统能够获得很快的负荷响应速率；供热机组供热负荷占机组额定发电负荷的20%~40%，这意味着短时间内通过调整供热可以获得机组额定发电负荷±10%~±20%的额外发电负荷，调节范围非常大。

（2）调节方式安全可靠。利用蓄热提高负荷响应速率的调节时间在几分钟最大十几分钟范围内完成，不会对热用户产生影响；供热抽汽调节蝶阀工作压力较低，执行机构简单，调节过程不会导致厚壁金属产生热应力；本方法不会造成锅炉燃烧状态大幅度变化，对维持炉膛压力、烟气氧量、汽包水位（或中间点温度）、过热蒸汽温度、再热蒸汽温度的稳定性有利，能够有效提高机组运行安全性和经济性。

（3）有效缓解北方电网冬季调频能力不足的矛盾。冬季北方地区水电站、抽水蓄能电站停发或少发，而风电高发，电网一次调频能力不足的矛盾非常突出。供热机组利用蓄热提高一次调频能力，恰好能够有效缓解这一矛盾。供热机组提高一次调频能力，无疑减小了电网中其它火电机组参与一次调频的压力，对整个电网安全运行有利。

Claims (3)

1.一种提高供热机组一次调频能力的方法，其特征是，它采用非线性滤波器将机组负荷指令分解为缓慢变化的稳态负荷指令和快速变化的暂态负荷指令两部分，稳态负荷指令送入原机组协调控制系统，暂态负荷指令分成两路，一路经过一阶惯性环节后迭加到供热抽汽调节蝶阀开度指令上，另一路经过调节蝶阀开度对机组发电负荷的传递函数环节后，反向迭加到机组发电负荷信号上，再将迭加后的信号作为原协调控制系统发电负荷反馈信号。

2.根据权利要求1所述提高供热机组一次调频能力的方法，其特征是，它包括以下步骤：

a. 控制方案组态：

① 采用非线性滤波器将机组负荷指令分解为缓慢变化的稳态负荷指令和快速变化的暂态负荷指令两部分，具体方法是：

输入负荷指令信号经过速率变化限制非线性滤波器，滤除掉信号中快速变化部分后得到稳态负荷指令信号，输入负荷指令信号减去稳态负荷指令信号后得到暂态负荷指令信号；

② 将稳态负荷指令送入机组原协调控制系统，暂态负荷指令分成两路，一路经过一阶惯性环节G ₁(s)与原供热抽汽调节蝶阀开度指令相加后对蝶阀开度实施控制，所述惯性环节G ₁(s)的结构为：                                                

，式中K ₁为增益，T ₁为惯性时间；另一路经过蝶阀开度对发电负荷的传递函数环节后反向与发电负荷信号相加，然后替代原来发电负荷反馈信号进入原协调控制系统；

b.参数调试：

在机组工作于供热模式后，逐步将非线性滤波器速率限制值调至推荐值，对于采用正压直吹式制粉系统的锅炉推荐值取机组额定发电负荷的1%每分钟；对于采用中间仓储式制粉系统的锅炉推荐值取机组额定发电负荷的1.5%每分钟；然后通过负荷指令扰动实验逐渐调节惯性环节的增益和惯性时间，直到负荷响应曲线无“超调”或“欠调”及“回调”现象，系统可投入正常运行。

3.根据权利要求1或2所述提高供热机组一次调频能力的方法，其特征是，所述蝶阀开度对发电负荷的传递函数通过供热抽汽调节蝶阀开度扰动实验确定，具体方法为：

在机组额定供热负荷工况下，保持机组协调控制系统投入运行，待机组发电负荷、机前压力稳定后，手动阶跃增加供热抽汽调节蝶阀开度，使机组发电负荷增加而供热抽汽流量减小，待发电负荷在协调控制系统的作用下恢复到初始值后，记录机组抽汽调节蝶阀开度信号和机组发电负荷信号变化曲线，然后通过曲线辩识供热抽汽调节蝶阀开度对发电负荷的传递函数。

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