一种适用于供热机组负荷调节的控制方法及系统与流程

本发明属于供热机组技术领域，具体涉及一种适用于供热机组负荷调节的控制方法及系统。

背景技术：

随着工业结构调整，越来越多的发电机组参与供热。但是由于供热机组的热电耦合特性、机炉耦合特性，热、电负荷的独立调节仍然是一个难题。热负荷的调整过程会给发电功率带来波动，同时发电负荷的改变也会使供热量波动。而目前针对供热机组还缺乏有效的负荷控制系统，简单的协调控制系统应用于供热机组无法解决热、电负荷独立调节的难题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于供热机组负荷调节的控制方法及系统。

具体方案如下：

一种适用于供热机组负荷调节的控制方法，包括如下步骤

s1)：建立供热机组的数学模型；

s2)：根据非线性数学模型，确定供热机组的负荷控制量、汽轮机机前压力和供热机组调节量，以负荷控制量和机前压力量为供热机组的输出量，以调节量为供热机组的输入量；

s3)：建立供热机组输出量与供热机组输入量之间的传递函数矩阵；

s4)：在供热机组额定工作点通过取增量方程的方法对传递函数矩阵进行线性化，得到线性化后的传递函数；

s5)：根据线性化后的传递函数建立热电负荷调节的控制模型，在所述控制模型中建立解耦器，根据线性后的传递函数得到解耦传递函数；

s6)：控制模型根据解耦传递函数和线性化的传递函数进行供热机组的负荷调节。

所述数学模型为非线性数学模型，所述非线性数学模型为：

制粉系统的纯延迟环节：

qmm＝qmb(t-τ)

磨煤机内物质平衡过程：

锅炉内能量平衡过程：

过热器压差：

pt＝pd-k2(k1qmf)^1.5

汽轮机能量平衡过程：

热网能量平衡过程

供热抽汽质量流量：

qmh＝k6k7qmx(96pz-ti+103)

汽轮机调节级后压力：

p1＝0.01ptμt

式中：

qmb为机组给煤量，t/h；

qmm为磨煤机实际入口煤量，t/h；

qmf为锅炉燃烧速率；

pt为汽轮机机前压力；

pd为锅炉汽包压力；

pz为供热抽汽压力；

ne为汽轮机发电功率；

μt为汽轮机主蒸汽调节阀开度；

μh为汽轮机低压调节阀开度；

qmx为热网循环水流量；

qmh为供热抽汽流量；

ti为热网循环水温度；

p1为汽轮机第一级级前压力；其他动静态参数可由运行数据拟合或系统辨识得到：制粉惯性时间tf、锅炉蓄热系数cb、汽轮机惯性时间tt、热网加热器蓄热系数ch、制粉过程延迟时间τ、额定发电工况下单位燃料量对应机组发电功率k1、压差拟合系数k2、汽轮机增益k3、高压缸、中压缸做功占整个汽轮机做功的比例k4、低压缸增益k5、热网循环水的有效比热容k6、供热抽汽有效热量折合蒸汽流量系数k7。

所述负荷控制量为汽轮机发电功率ne和供热抽汽压力pz，所述供热机组调节量为机组给煤量qmb、汽轮机主蒸汽调节阀开度μt和汽轮机低压调节阀开度μh。

所述传递函数矩阵为：

其中，gij为传递函数，i＝1，2，3；j＝1，2，3；

所述控制器模型包括汽轮机侧控制器、供热侧控制器和锅炉控制器，所述解耦器为四个，在汽轮机侧控制器与给煤量之间解耦器d21,在汽轮机侧控制器至低压调节阀开度之间加入解耦器d23，在供热侧控制器至给煤量之间加入解耦器d31、在供热侧控制器至汽轮机调节阀开度之间设置解耦器d32。

设定电功率负荷指令对汽轮机机前压力pt、供热抽汽压力pz的等效传递函数为零，建立电负荷调节关系式

d21g31+d23g33+g32＝0

d21g11+d23g13+g12＝0

联立求解得到电负荷解耦环节的传递函数：

设定汽轮机低压调节阀开度μh对汽轮机机前压力pt、汽轮机发电功率ne的等效传递函数为零，建立热负荷调节关系式

d31g11+d32g12+g13＝0

d31g21+d32g22+g23＝0

联立求解得到热负荷解耦环节的传递函数：

一种供热机组负荷调节的控制系统，包括供热机组、锅炉控制器、汽轮机侧控制器和供热侧控制器，所述供热机组内设置有给煤输送机、主蒸汽调节阀和低压调节阀，所述锅炉控制器与给煤调输送机电连接，所述汽轮机侧控制器与主蒸汽调节阀电连接，所述供热侧控制器与低压调节阀电连接，所述锅炉控制器、汽轮机侧控制器和供热侧控制器相互通信连接。。

所述供热机组包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机和热网，其中，所述锅炉内设置有再热器，所述主蒸汽调节阀固定在汽轮机高压缸上，所述锅炉通过主蒸汽调节阀与汽轮机高压缸管道连接，所述汽轮机高压缸通过再热器与汽轮机中压缸管道连接，汽轮机中压缸上的排汽口端还设置有抽汽调节阀，所述汽轮机中压缸通过抽汽调节阀与热网管道连接；所述低压调节阀设置在汽轮机中压缸与汽轮机低压缸之间，所述汽轮机中压缸上的排汽口还通过低压调节阀与汽轮机低压缸管道连接。

所述汽轮机低压缸与发电机转动连接；所述供热机组中还设置有凝汽器、给水泵和给水控制阀，所述汽轮机低压缸依次通过凝汽器、给水泵和给水控制阀与锅炉管道连接；所述给煤输送机为传送带。

本发明是一种用于供热机组的负荷调节控制系统，其优越性在于：

(1)在供热机组按照电网指令进行发电功率调整时，d21、d23解耦器的存在能够有效降低供热抽汽流量与汽轮机机前压力的波动，满足供热负荷的要求。

(2)在供热机组根据热用户需求进行供热抽汽流量的调整时，d31、d32解耦器的存在能够有效减弱发电功率与汽轮机机前压力的波动，满足电网对电负荷的调配。

附图说明

图1是供热机组负荷调节的结构模型示意图。

图2是供热机组负荷调节系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施，而不是全部的实施，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种适用于供热机组负荷调节的控制方法，包括如下步骤

s1)：建立供热机组的数学模型；

s2)：根据非线性数学模型，确定供热机组的负荷控制量、汽轮机机前压力和供热机组调节量，以负荷控制量和机前压力量为供热机组的输出量，以调节量为供热机组的输入量；

s3)：建立供热机组输出量与供热机组输入量之间的传递函数矩阵；

s4)：在供热机组额定工作点通过取增量方程的方法对传递函数矩阵进行线性化，得到线性化后的传递函数；

s5)：根据线性化后的传递函数建立热电负荷调节的控制模型，在所述控制模型中建立解耦器，根据线性后的传递函数得到解耦传递函数；

s6)：控制模型根据解耦传递函数和线性化的传递函数进行供热机组的负荷调节。

所述数学模型为非线性数学模型，所述非线性数学模型为：

制粉系统的纯延迟环节：

qmm＝qmb(t-τ)

磨煤机内物质平衡过程：

锅炉内能量平衡过程：

过热器压差：

pt＝pd-k2(k1qmf)^1.5

汽轮机能量平衡过程：

热网能量平衡过程

供热抽汽质量流量：

qmh＝k6k7qmx(96pz-ti+103)

汽轮机调节级后压力：

p1＝0.01ptμt

式中：

qmb为机组给煤量，t/h；

qmm为磨煤机实际入口煤量，t/h；

qmf为锅炉燃烧速率；

pt为汽轮机机前压力；

pd为锅炉汽包压力；

pz为供热抽汽压力；

ne为汽轮机发电功率；

μt为汽轮机主蒸汽调节阀开度；

μh为汽轮机低压调节阀开度；

qmx为热网循环水流量；

qmh为供热抽汽流量；

ti为热网循环水温度；

p1为汽轮机第一级级前压力；其他动静态参数可由运行数据拟合或系统辨识得到：制粉惯性时间tf、锅炉蓄热系数cb、汽轮机惯性时间tt、热网加热器蓄热系数ch、制粉过程延迟时间τ、额定发电工况下单位燃料量对应机组发电功率k1、压差拟合系数k2、汽轮机增益k3、高压缸、中压缸做功占整个汽轮机做功的比例k4、低压缸增益k5、热网循环水的有效比热容k6、供热抽汽有效热量折合蒸汽流量系数k7。

所述负荷控制量为汽轮机发电功率ne和供热抽汽压力pz，所述供热机组调节量为机组给煤量qmb、汽轮机主蒸汽调节阀开度μt和汽轮机低压调节阀开度μh。

所述传递函数矩阵为：

其中，gij为传递函数，i＝1，2，3；j＝1，2，3；

将微分方程进行拉普拉斯变换，并在供热机组额定工作点通过取增量方程的方法对其进行线性化。得到线性化后的传递函数：

式中：n1＝1.5cbk2(k1qmf)^0.5，n2＝96k6qmx+k5mh,n3＝96k6qmx，n4＝96k3k4k6mtqmx。供热调节阀开度对汽轮机机前压力无影响，因此g13＝0。

如图1所示，所述控制器模型包括汽轮机侧控制器g2、供热侧控制器g3和锅炉控制器g1，所述解耦器为四个，在汽轮机侧控制器g2与给煤量之间解耦器d21,在汽轮机侧控制器g2至低压调节阀开度之间加入解耦器d23，在供热侧控制器g3至给煤量之间加入解耦器d31、在供热侧控制器g3至汽轮机调节阀开度之间设置解耦器d32。

设定电功率负荷指令对汽轮机机前压力pt、供热抽汽压力pz的等效传递函数为零，建立电负荷调节关系式：

d21g31+d23g33+g32＝0

d21g11+d23g13+g12＝0

联立求解得到电负荷解耦环节的传递函数：

设定汽轮机低压调节阀开度μh对汽轮机机前压力pt、汽轮机发电功率ne的等效传递函数为零，建立热负荷调节关系式

d31g11+d32g12+g13＝0

d31g21+d32g22+g23＝0

联立求解得到热负荷解耦环节的传递函数：

如图2所示，一种适用于供热机组负荷调节的控制系统，包括供热机组、锅炉控制器1、汽轮机侧控制器17和供热侧控制器13，所述供热机组内设置有给煤输送机4、主蒸汽调节阀16和低压调节阀11，所述锅炉控制器1与给煤调输送机4电连接，所述汽轮机侧控制器17与主蒸汽调节阀(16电连接，所述供热侧控制器13与低压调节阀11电连接，锅炉控制器1、汽轮机侧控制器17和供热侧控制器13相互通信连接。

所述供热机组包括锅炉2、汽轮机高压缸7、汽轮机中压缸8、汽轮机低压缸9、发电机10和热网14，其中，所述锅炉2内设置有再热器3，所述主蒸汽调节阀16固定在汽轮机高压缸7上，所述锅炉2通过主蒸汽调节阀16与汽轮机高压缸7管道连接，所述汽轮机高压缸7通过再热器3与汽轮机中压缸8管道连接。

汽轮机中压缸8上的排汽口端还设置有抽汽调节阀15，所述汽轮机中压缸8通过抽汽调节阀15与热网14管道连接。

所述低压调节阀11设置在汽轮机中压缸8与汽轮机低压缸9之间，所述汽轮机中压缸8上的排汽口还通过低压调节阀11与汽轮机低压缸9管道连接。

所述汽轮机低压缸9与发电机10转动连接。

所述供热机组中还设置有凝汽器12、给水泵6和给水控制阀5，所述汽轮机低压缸9依次通过凝汽器12、给水泵6和给水控制阀5与锅炉2管道连接。

所述给煤输送机4为传送带。

所述锅炉控制器1、汽轮机侧控制器17和供热侧控制器13为plc、单片机或工控机。

所述适用于供热机组负荷调节的控制系统具体工作过程如下：

锅炉2将产生的高温蒸汽通过管道输送至主蒸汽调节阀16，所述汽轮机侧控制器17调节主蒸汽调节阀16的开合度，使得高温蒸汽进入到汽轮机高压缸7中，在汽轮机高压缸7内蒸汽被压缩至高压高温蒸汽，而后汽轮机高压缸7将高温高压蒸汽排出至再热器3中，通过再热器3对蒸汽进行进一步加热，加热后的蒸汽进入到汽轮机中压缸8中，蒸汽推动汽轮机中压缸7做功后，分两路输出，一路通过抽汽调节阀15被输送至热网中，为热网用户供热，另一路通过低压调节阀11，进入至汽轮机低压缸9中，在汽轮机低压缸9中，蒸汽推动汽轮机低压缸9做功，汽轮机低压缸9带动发电机10转动，将机械能转换为电能。

做功后的蒸汽从汽轮机低压缸9中排出，汽轮机低压缸9中排出的蒸汽在凝汽器12中被冷凝成水，冷凝后的水通过给水泵6和给水控制阀5被再次输送至锅炉2中，至此完成了一次工作循环。

所述供热机组中分别设置有锅炉控制器1来控制锅炉的给煤量，汽轮机侧控制器17来控制主蒸汽调节阀16的开度大小，所述供热控制器13用于调节低压调节阀11的开度大小。

所述给煤量决定了汽轮机的产生的蒸汽量，所述主蒸汽调节阀16的开度大小决定了进入汽轮机高压缸中的蒸汽压力大小，依次来决定发电功率的大小，所述低压调节阀11开度的大小，决定了汽轮机中压缸7排出蒸汽量，依次来决定给热网的供热量。当热负荷、电负荷发生改变时，也就是供热量和发电量需求有变化时，所述锅炉控制器1、汽轮机侧控制器17和供热侧控制器13进行协调控制，锅炉控制器1调整给煤量、汽轮机侧控制器17调节主蒸汽调节阀16的开度大小，供热侧控制器13调节低压调节阀11的开度大小，使得供热机组在热负荷和电负荷发生改变后，波动变化最小。

本实施例中所述的一种适用于供热机组的负荷控制系统，改善了电负荷调整过程中供热机组的热负荷与汽轮机机前压力的波动、热负荷调整过程中供热机组的电负荷与汽轮机机前压力的波动，为供热机组的热、电负荷供应提供有利保障。

本实施例中以电、热负荷的变化均以增加情形为例进行说明：

(1)发电功率按照电网指令增加

当供热机组按照电网指令以一定的变负荷速率增加发电功率时，因热电耦合特性与机炉耦合特性，此时供热抽汽流量随之增加、汽轮机机前压力随之降低。在本发明的控制系统作用下，由于解耦器d21、d23的补偿作用，当发电功率变化时，供热抽汽流量、汽轮机机前压力能够保持基本不变，保证了供热侧的稳定供应。

(2)供热抽汽流量按照热用户需求增加

当供热机组热用户需求增加，供热抽汽流量增加，因热电耦合特性与机炉耦合特性，此时发电功率随之降低。在本发明的控制系统作用下，由于解耦器d31、d32的作用，当供热抽汽流量变化时，汽轮机发电功率保持基本不变，满足了电网对供热机组的要求。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。