抽汽式供热机组LV‑EV非线性联合补偿方法与流程

本发明涉及一种抽汽式供热机组lv(汽轮机低压缸进汽调节蝶阀)-ev(供热抽汽调节蝶阀)非线性的联合补偿方法，属于发电
技术领域：
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背景技术：
：随着风电等可再生能源的规模化并网，其发电负荷的随机性波动对电网稳定性产生的影响越来越大，电网需要随时调度水电、燃气、火电等可调性电源的发电负荷来补偿风电扰动。受发电原理的制约，火电机组难以快速调整发电负荷，一般情况下发电负荷变化速率很难超过2％额定发电负荷每分钟。加之若地区火电机组中的供热机组装机容量占据很大比例时，供热季内供热机组发电负荷调节范围和调节速率会进一步降低，而供热季又恰逢风电高负荷运行的时期，电网消纳风电扰动能力不足的矛盾尤其突出，也是造成当前“弃风”现象的重要原因。抽汽式供热机组在一定范围内具有独立调节发电负荷和供热负荷的能力，供热热网具有巨大的蓄热容量，通过优化控制系统设计，供热机组可以利用这部分蓄热提高发电负荷响应速率并且不会对热用户产生可察觉的影响。例如，增加发电负荷时，控制系统可在增加燃料量的同时瞬时减小供热负荷，使原本用于供热的能量转而用于发电，发电负荷迅速增加，待燃料燃烧放热锅炉蒸发量增加后，再逐渐恢复供热负荷，这一过程在几到十几分钟内完成，不会对供热负荷产生实质性影响。通过改进控制系统设计实现利用热网蓄热提高供热机组发电负荷响应速率并瞬时提高发电负荷调节范围，关键在于对汽轮机内蒸汽流动过程实施有效的控制。抽汽式供热机组汽轮机供热部分蒸汽流程如图1所示。蒸汽自汽轮机中压缸引出，进入中压缸与低压缸之间的三通管，一部分经过lv(汽轮机低压缸进汽调节蝶阀)进入汽轮机低压缸，这部分蒸汽称为低压缸进汽，另一部分经过ev(供热抽汽调节蝶阀)进入热网加热器，这部分蒸汽称为供热抽汽。当机组需要单独增加供热负荷时，可以关小lv或开大ev，使部分原本进入汽轮机低压缸作功的蒸汽转变为供热抽汽从而增加供热负荷。但是，由于供热负荷同发电负荷蒸汽流程存在耦合，机组实际调节过程相对复杂。同样增加供热负荷，关小lv开大ev增加供热抽汽流量时，必然导致汽轮机低压缸进汽流量减小，导致机组发电负荷降低。为了维持发电负荷不变，还需要增加汽轮机进汽量，以弥补低压缸作功减少而降低的发电负荷。与此类似，当机组发电负荷增加时，汽轮机中压缸排汽量增加，会同时导致汽轮机低压缸进汽量和供热抽汽流量增加，为了保持供热负荷不变，需要开大lv关小ev。为了利用热网蓄热，需要将供热侧的控制回路纳入到机组协调控制系统中，由机-炉协调控制系统转变为机-炉-热协调控制系统。lv、ev均为调节蝶阀，蝶阀开度与流量之间存在严重的非线性。一般情况下阀门小开度时执行机构增益大，阀门大开度时增益小。如果不对执行机构非线性进行补偿，机-炉-热协调控制系统被控对象将同时具有多变量强耦合、大惯性大迟延、对象系统非线性和执行机构本质非线性等诸多难以控制的特性，使控制系统设计、调试更加困难。对lv、ev进行非线性补偿的困难在于：机组调节供热、发电负荷时，需要lv、ev协同动作。lv开度大小不同时，对ev流量特性的影响也不尽相同；同样ev开度大小不同时，对lv流量特性的影响也并不相同，两者的非线性会产生耦合迭加，形成一个复杂的二维非线性补偿的问题。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种抽汽式供热机组lv-ev非线性联合补偿方法，以避免两个非线性执行机构协同动作导致的非线性耦合迭加的问题，实现供热抽汽流量的线性化调节。本发明所述问题是以下述技术方案实现的：一种抽汽式供热机组lv-ev非线性联合补偿方法，所述方法将机-炉-热协调控制系统给出的调节蝶阀的自动开度指令偏置值分为两路，一路乘以ev实际开度指令经过多点折线函数运算所生成的信号，再经过高低限幅后与ev开度指令基本值求和，得到ev实际开度指令信号；另一路经过增益修正后先乘以lv实际开度指令经过多点折线函数运算所生成的信号，再经过高低限幅后与lv开度指令基本值求和，得到lv实际开度指令信号。上述抽汽式供热机组lv-ev非线性联合补偿方法，所述多点折线函数为调节蝶阀开度与流量之间相对增益函数的倒数，所述调节蝶阀开度与流量之间相对增益函数通过以下方法获取：首先对调节蝶阀流量特性曲线进行多项式拟合，得到调节蝶阀流量特性函数，然后对调节蝶阀流量特性函数求导数，得到不同开度位置下的调节蝶阀开度与流量之间相对增益函数。上述抽汽式供热机组lv-ev非线性联合补偿方法，对自动开度指令偏置值进行增益修正时，增益系数代表lv与ev自动开度指令偏置值的变化量之比，设置为ev、lv线性化后的阀门系数之比kle，kle通过lv、ev开度扰动实验确定，具体方法为：在一个稳定的负荷工作点，分别进行一次lv、ev开度扰动实验，记录汽轮机低压缸进汽流量变化δql0，lv线性化开度变化δul0，供热抽汽流量变化δqe0，ev线性化开度变化δue0，则：本发明的有益效果是：(1)补偿效果好。本发明给出的抽汽式供热机组lv、ev非线性联合补偿方法，避免了两个非线性执行机构协同动作导致的非线性耦合迭加的问题，实现了供热抽汽流量的线性化调节，为实现供热机组的机-炉-热协调控制提供了保障。(2)组态简单、不需调试。本发明组态简单，可以在任何dcs中实现，没有需要调试的参数，便于现场使用。附图说明图1是抽汽式供热机组汽轮机供热部分蒸汽流程图；图2是蝶阀流量特曲线；图3是lv、ev非线性联合补偿逻辑示意图。图中和文中各符号清单为：“sum”为加法计算模块；“×”为乘法计算模块；“h//l”为高低限幅模块，限制输入信号变化范围；“f(x)”为多点折线函数模块；“k”为增益模块，q为额定百分流量，％；v为阀门开度，％；ql为汽轮机低压缸进汽流量，t/h；kl为lv线性化后的阀门系数，(t/h)/％；ul为lv线性化开度，％；pe为汽轮机中压缸排汽压力(lv阀前压力)，mpa；pl为汽轮机低压缸进汽压力(lv阀后压力)，mpa；fl(pe-pl)为描述lv前后差压对流量的影响因子，无量纲；qe为供热抽汽汽流量，t/h；ke为ev线性化后的阀门系数，(t/h)/％；ue为ev线性化开度，％；ph为热网加热器进汽压力(ev阀后压力)，mpa；fe(pe-ph)为描述ev前后差压对流量的影响因子，无量纲；δql0为汽轮机低压缸进汽流量变化，t/h；δul0为lv线性化开度变化，％；δqe0为供热抽汽流量变化，t/h；δue0为ev线性化开度变化，％。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步详述。本发明针对抽汽式供热机组lv(汽轮机低压缸进汽调节蝶阀)、ev(供热抽汽调节蝶阀)开度与流量之间存在强非线性，并且机组调节供热负荷时需要两者协同动作的问题，提出了一种lv-ev非线性的联合补偿方法。该方法首先对调节蝶阀的流量特性曲线进行多项式拟合，对拟合得到的函数求导数后得到蝶阀开度变化与流量变化之间的相对增益函数，用此函数的倒数修正lv、ev开度指令的偏置值，使修正后lv、ev各自的开度指令偏置值变化量与流量变化量之间呈线性关系。然后按照调整供热抽汽流量时中压缸排汽压力不变的原则，确定lv与ev的开度指令偏置值变化比kle。在调整供热抽汽流量时，只要满足线性化后的lv与ev开度指令的偏置值变化量之比等于kle，即可实现供热抽汽流量的线性化调节。发明技术原理蝶阀基本结构是在截面为圆形的管道内安装一圆形的蝶板，蝶板围绕自身轴线转动时，蝶板与管道之间的流通面积会发生变化，蝶板与管道横截面夹角为0°时处于完全关闭状态，90°时处于完全开启状态。调节蝶阀具有结构简单、操作方便等优点。当调节蝶阀完全开启时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此流体通过阀门时所产生的压降很小，特别适合低压大口径管道流量调节。阀门流量特性曲线描述阀门开度与流过阀门流体的流量之间的函数关系，因为机械结构大致相同，所以不同的调节蝶阀有着大致相同的流量特性曲线，如图2所示。蝶阀生产厂家会给出精确的流量特性计算公式和流量特性曲线。流量计算公式结构复杂、各种补偿、修正系数多，直接利用流量计算公式进行非线性补偿比较困难。而流量特性曲线仅描述阀门开度与流量之间的对应关系，虽然精度较低，但足够满足非线性补偿的要求。对调节蝶阀流量特性曲线进行多项式拟合，得到调节蝶阀流量特性函数为：其中：q为额定百分流量，％；v为阀门开度，％。对调节蝶阀流量特性函数求导数，可得到不同开度位置下的开度变化与流量变化之间的相对增益函数，其物理意义为阀门处于某一个开度位置时的流量变化量与开度变化量之比。现场lv、ev实际开度指令由两部分相加后构成：一部分为开度指令基本值，由运行人员根据机组实际运行状态手动给出，一般不做大的调整并且不需要进行非线性补偿；另外一部分为开度指令偏置值，由机-炉-热协调控制系统给出，需要根据发电负荷指令变化等因素频繁自动调整并且需要进行非线性补偿。用相对增益函数的倒数以乘积的形式修正开度指令偏置值，再与开度指令基本值相加构成lv、ev实际开度指令，可以分别保证机-炉-热协调控制系统输出的lv开度指令偏置值变化量与低压缸进汽流量之间呈线性关系、ev开度指令偏置值变化量与供热抽汽流量变化量之间呈线性关系。经过非线性补偿后的汽轮机低压缸进汽流量和供热抽汽流量可分别采用下式计算：ql＝klulfl(pe-pl)(2)qe＝keuefe(pe-ph)(3)其中，ql为汽轮机低压缸进汽流量，t/h；kl为lv线性化后的阀门系数，(t/h)/％；ul为lv线性化开度，％；pe为汽轮机中压缸排汽压力(lv阀前压力)，mpa；pl为汽轮机低压缸进汽压力(lv阀后压力)，mpa；fl(pe-pl)为描述lv前后差压对流量的影响因子，无量纲；qe为供热抽汽汽流量，t/h；ke为ev线性化后的阀门系数，(t/h)/％；ue为ev线性化开度，％；ph为热网加热器进汽压力(ev阀后压力)，mpa；fe(pe-ph)为描述ev前后差压对流量的影响因子，无量纲。通过调整lv、ev开度改变供热抽汽流量，lv、ev开度变化的排列组合理论上有无穷多种，必须增加新的约束条件才能确定唯一的lv、ev开度变化。lv、ev协同动作时最佳的约束条件是保持供热抽汽压力不变。为了满足这一条件，要求lv、ev动作时整个蒸汽管道的阻力特性保持不变。例如，当lv开度减小时，蒸汽由中压缸排汽侧进入低压缸的阻力增加，则需要ev开度增加，ev开度增加时减小的阻力恰好等于lv开度减小时增加的阻力。进一步分析可得，这一要求等效为lv、ev动作时整个蒸汽管道流量特性保持不变。根据机组实际运行情况，lv、ev侧都满足阀门前压力远大于阀门后压力的条件，即：pe＞＞pl(4)pe＞＞ph(5)则阀门非线性补偿后流量公式可简化为：ql＝klulfl(pe)(6)qe＝keuefe(pe)(7)根据质量守恒定律，lv侧减小的流量一定等于ev侧增加的流量：δql＝δqe(8)klδulfl(pe)＝keδuefe(pe)(9)由于lv、ev均为调节蝶阀，差压对流量的影响因子大致相同，工程上可以近似认为两者相等，即：fl(pe)＝fe(pe)(10)则可以得到：其中，kle为ev、lv线性化后的阀门系数之比，即ev开度变化单位量时lv开度的变化量，无量纲。推导式(11)所表达的物理意义是：在分别对lv、ev进行线性化补偿后，在lv、ev开度小幅变化时，只要满足lv、ev开度变化量指令之比等于ev、lv线性化后的阀门系数之比，就可以保持中压缸排汽压力不变。通过lv、ev开度扰动实验确定kle。实验过程是，在一个稳定的负荷工作点，分别进行一次lv、ev开度扰动实验。记录蒸汽流量变化和线性化后的lv、ev蝶阀开度变化。δql0＝klδul0fl(pe)(12)δqe0＝keδue0fe(pe)(13)其中，δql0为汽轮机低压缸进汽流量变化，t/h；δul0为lv线性化开度变化，％；δqe0为供热抽汽流量变化，t/h；δue0为ev线性化开度变化，％。联立式(12)和(13)后可以求得kle：发明技术方案参考附图3说明lv、ev非线性联合补偿的技术方案。其中，ev开度指令基本值和lv开度指令基本值由运行人员根据机组运行情况手动给出，只在发电负荷或供热负荷需要大幅度调整时才会改变，自动开度指令偏置值由机-炉-热协调控制系统给出，因参与自动调节，会频繁正负变化，lv、ev非线性联合补偿在于保证自动开度指令偏置值的变化量与供热抽汽流量的变化量呈线性关系。自动开度指令偏置值分为两路，一路乘以ev实际开度指令经过多点折线函数的输出，经过高低限幅后，再与ev开度指令基本值求和，输出ev实际开度指令信号；另外一路经过增益修正后，再乘以lv实际开度指令经过多点折线函数的输出，经过高低限幅后，再与lv开度指令基本值求和，输出lv实际开度指令信号。附图3中，多点折线函数f(x)为调节蝶阀开度与流量之间相对增益函数的倒数，是实现单个调节蝶阀非线性补偿的关键。例如，当蝶阀在某一开度位置下相对增益比较大时，开度指令偏置值小幅变化就会导致流量产生大幅变化，而相对增益函数的倒数比较小，两者相乘后恰好将开度指令偏置值的作用等量缩小，从而实现非线性补偿。ev、lv对应多点折线函数f(x)的设置值相同，如表1所示，表中x代表输入点，y代表输出点。高低限幅模块的作用是限制指令变化范围，是防止ev、lv实际开度指令超限。现场lv存在最小开度限制，ev存在最大开度限制。表1多点折线函数模块f(x)设置序号1234567891011x0149162536496481100y0.6020.4420.2550.1620.1210.1090.1240.1980.5922.8313.389附图3中增益模块“k”的增益值设置为kle，即为ev、lv线性化后的阀门系数之比，是实现lv、ev非线性联合补偿的关键。通过lv、ev开度扰动实验确定kle。实验过程是，在一个稳定的负荷工作点，分别进行一次lv、ev开度扰动实验。记录蒸汽流量变化和线性化后的lv、ev蝶阀开度变化，然后依据式14计算kle。附图3中，“sum”为加法计算模块；“×”为乘法计算模块；“h//l”为高低限幅模块，限制输入信号变化范围；“f(x)”为多点折线函数模块；“k”为增益模块。本发明实施步骤(1)实施条件确认本发明适用于200mw、300mw、600mw级抽汽式供热机组利用热网蓄热快速响应发电负荷控制时补偿lv、ev执行机构非线性。要求机组供热负荷处于手动控制工况下。并且要求lv、ev执行机构能够正常工作，lv、ev位置反馈信号正常。(2)补偿逻辑组态依据附图3，在机组dcs(分散控制系统)中实现补偿逻辑组态。其中多点折线函数f(x)的设置值如表1。其中增益模块“k”的增益值设置为kle。通过lv、ev开度扰动实验确定kle。实验过程是，在一个稳定的负荷工作点，分别进行一次lv、ev开度扰动实验。记录蒸汽流量变化和线性化后的lv、ev蝶阀开度变化，依据式14计算kle。参数设置好后补偿逻辑即可正常工作。当前第1页12