基于模型的组合循环发电厂负载控制的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请总体上涉及对发电设备的控制，并且具体来说，涉及基于模型的控制的实 施方式，该基于模型的控制将用于减小具有多种类型的发电设备的工厂(例如，组合循环发 电厂)的响应时间。
【背景技术】
[0002] 多种工业应用和非工业应用使用燃料燃烧锅炉，该燃料燃烧锅炉通常运行以通过 燃烧多种类型的燃料(诸如煤、燃气、油、废弃材料等等）中的一种燃料来将化学能转换成热 能。燃料燃烧锅炉的示范性使用可以在热力发电机中，其中，燃料燃烧炉从通过锅炉内的多 个管材和管道的水来产生蒸汽，并且所产生的蒸汽随后可用于运行一个或多个蒸汽涡轮机 来产生电力。热力发电机的电气输出或电力输出可以是锅炉中所产生的热量的函数，其中， 热量可以直接由例如每小时所消耗(例如，所燃烧的）的燃料的量来确定。
[0003] 在发电厂中所使用的典型的蒸汽产生系统可以包括具有过热器部分(具有一个或 多个子部分）的锅炉(在组合循环工厂中被称为热回收蒸汽发生器(HRSG))，在过热器部分 中可以产生蒸汽并随后向第一(通常是高压强的）蒸汽涡轮机提供该蒸汽并在第一蒸汽涡 轮机中使用该蒸汽。为了提高系统的效率，离开此第一蒸汽涡轮机的蒸汽随后可以在锅炉 的再热器部分中进行再热，锅炉的再热器部分可以包括一个或多个子部分，并且随后可以 向第二(通常是低压强的）蒸汽涡轮机提供经再热的蒸汽。然而，必须以协调的方式来控制 发电系统的炉/锅炉部分以及发电系统的涡轮机部分，以产生期望的功率量。
[0004] 此外，发电厂的蒸汽涡轮机通常在不同时间以不同的运行等级来运行，以基于向 发电厂提供的可变能量或负载需求来产生不同的电量或功率量。例如，在许多情形下，发电 厂可以连接到电力分配网络(有时被称为电力网）中，并向电力网提供指定的功率量。在这 种情形下，电力网管理者或控制机构(control authority)通常对电力网进行管理，以使得 电力网上的电压水平保持在恒定水平或接近恒定的水平(可以位于额定水平内），并且以基 于电力用户对设置于电力网上的电力（功率）的电流需求来提供持续的功率供应。当然，电 网管理者通常计划在每天的某些时间期间比其它时间较多地使用并因此具有较大的功率 需求，以及在一周和一年的某些天期间比其它天较多地使用并因此具有较大的功率需求， 并且可以运行一个或多个优化例程来确定需要在任何特定时间由连接到电力网的各个发 电厂所产生的最佳功率量和功率类型，以满足电力网上的电流需求或者期望的整体功率需 求。
[0005] 作为该过程的部分，电网管理者通常向提供功率给电力网的发电厂中的每个发电 厂发送功率需求要求或负载需求要求(也被称为负载需求设定点），其中，功率需求要求或 负载需求设定点指定了在任何特定时间每个特定的发电厂可以被分派的以提供在电力网 上的功率量。当然，为了实现对电力网的适当的控制，电网管理者可以在任何时间针对连接 到电力网的不同发电厂发送新的负载需求设定点，以考虑被供应到电力网的或者从电力网 消耗的功率的期望的和/或意外的变化。例如，电网管理者可以响应于需求(其通常在正常 营业时间期间和工作日比在晚上和周末更高）的期望的或意外的变化来针对特定的发电厂 改变负载需求设定点。同样地，电网管理者可以响应于电网上功率供应的意外的或期望的 减小(诸如，由意外地发生故障或者被脱线以便进行正常维护或排定维护的特定的发电厂 处的一个或多个功率单元所造成的减小)来针对特定的发电厂改变负载需求设定点。
[0006]尽管电网管理者可以在任何时间针对特定的发电厂提供或改变负载需求设定点， 但基于蒸汽涡轮机的发电厂自身通常不能同时增加或减少被供应到电力网的功率量，因为 蒸汽涡轮发电设备通常显示出由于这些系统的物理特性而引起的响应时间（例如，两分钟 或四分钟）的显著滞后。如公知的，本文中的响应时间是蒸汽发生器达到需求的阶跃变化的 大约百分之66.6所花费的时间量。例如，为了增加基于蒸汽涡轮机的发电系统的功率输出， 可能需要改变系统内所花费的燃料量，以由此增加系统的锅炉内的蒸汽压强或水温，蒸汽 压强和水温需要有限的而不少的时间量。因此，总的来说，基于蒸汽涡轮机的发电厂只能以 特定的并且相对慢的速率来使得供应给电网的功率倾斜上升或倾斜下降，其可以基于工厂 内的发电设备的特性。
[0007]试图克服或减少该问题，一些发电厂(通常被称为组合循环发电厂)执行了蒸汽涡 轮发电设备和燃气涡轮发电设备两者。具体来说，由于通过燃气涡轮机的热流与在燃气涡 轮机的上游即刻燃烧的燃气量相关，因此能较容易并且较快地改变燃气涡轮发电设备的发 电能力。事实上，大多数燃气涡轮发电设备的响应时间为五到30秒的数量级。不管怎样，在 组合循环发电厂中，运行燃气涡轮机设备，以使得工厂的负载输出以较快的方式倾斜上升 (或下降）。此外，在典型的组合循环发电厂中，蒸汽涡轮机使用由燃气涡轮机的排气装置产 生的蒸汽来运行，并且主要从燃气涡轮发电设备的废热产生功率。
[0008] 然而，传统的组合循环公共工厂（即，发电厂）运行具有"阀敞开"的蒸汽涡轮机 (ST)设备来使得通过蒸汽涡轮机控制阀的节流损失最小化。因此，这些工厂不能够对蒸汽 涡轮机设备进行调制以提供兆瓦(MW)或功率调节。因而，大多数组合循环发电厂上的负载 控制倾向于为开环系统，在该开环系统中，单位MW的需求的变化直接被发送到蒸汽涡轮机 控制器，而不需要考虑归因于蒸汽涡轮机的潜在的兆瓦变化。随后从燃气涡轮机的需求或 控制点中减去蒸汽涡轮机上最终的兆瓦(功率)变化(在与使蒸汽涡轮机设备倾斜上升或下 降相关联的滞后时间之后），以获得所需要的最终稳定状态的单位MW功率。
[0009] 对于循环发电单元或渐变发电单元，由于跨越燃气涡轮机排气装置内热回收蒸汽 发生器(HRSG)的长的热传递时间常数以及蒸汽涡轮机处于阀敞开模式并且不能提供负载 调节的事实，因此此运行方法可能意味着燃气涡轮机超过需求或低于需求的不必要的周 期。
【发明内容】
[0010] 控制方案在传统的闭环反馈控制方案内使用了归因于燃气涡轮机需求变化的经 建模的蒸汽涡轮机MW(功率)变化(即，蒸汽涡轮机比燃气涡轮机(ST/GT)的转移函数），以便 以较有效的方式来执行对组合循环发电厂的控制。此控制系统(处于内模控制（MC)的形式 的基础层级(basic level))被认为提供了较好的单位MW设定点跟踪和干扰变量抑制，以便 对组合循环发电厂进行总体上较鲁棒的控制。此外，此控制方案优化了燃气涡轮机运行并 提供了时间上的成本节约。此控制方案还可以适用于其它类型的多设备类型功率单元(包 括例如具有管道燃烧器的组合循环单元)或者具有多种类型的发电设备的任何发电系统， 该多种类型的发电设备具有显著不同的响应时间。此外，例如，当受控制的多个过程或工厂 设备的输出受到发送至该多个设备中的一个设备的控制信号影响时，此控制方案可以适用 于控制过程或工厂硬件而不是控制发电硬件的控制系统中。
[0011]在一种情形下，一种发电系统包括多个互连的或者互相关联的发电设备，该发电 系统包括燃气涡轮发电单元和蒸汽涡轮发电单元。燃气涡轮发电单元可具有燃气进口、耦 合到燃气进口以产生经燃烧的燃气的燃气燃烧器、耦合到燃气燃烧器并通过燃气燃烧器中 燃气的燃烧来提供动力的燃气涡轮机、以及经燃烧的燃气的排放装置。此外，蒸汽涡轮发电 单元可具有蒸汽进口系统、耦合到蒸汽进口系统并且由来自蒸汽进口系统的蒸汽提供动力 的蒸汽涡轮机、以及蒸汽出口。在这种情形下，燃气涡轮发电单元和蒸汽涡轮发电单元进行 互连，以使得蒸汽进口系统耦合到经燃烧的燃气的排放装置，以便吸收来自经燃烧的燃气 的排放装置中的经燃烧的燃气的热量，以在蒸汽进口系统中产生经加热的蒸汽。发电系统 还包括电能产生单元，该电能产生单元机械地親合到燃气祸轮机并親合到蒸汽祸轮机，以 基于燃气涡轮机和蒸汽涡轮机的运动来产生电能。
[0012] 此外，发电系统包括控制系统，该控制系统产生燃气涡轮机控制信号来控制燃气 燃烧器内燃气的燃烧，以由此控制由电能产生单元产生的电能。控制系统可以包括控制器、 过程模型、以及控制器输入信号发生单元，其中，过程模型的输入耦合到控制器的输出来产 生预测的蒸汽涡轮机输出。此外，控制器输入信号发生单元可以通过将预测的蒸汽涡轮机 输出、负载设定点、测量到的燃气涡轮机输出以及测量到的蒸汽涡轮机输出进行组合来产 生用于控制器的控制器输入信号。
[0013] 如果期望的话，控制器输入信号发生单元将测量到的燃气涡轮机输出与测量到的 蒸汽涡轮机输出进行组合，以产生当前单元输出，并且还产生作为当前单元输出与负载设 定点之间的差分的差分信号。控制器输入信号发生单元还可以通过将由过程模型产生的预 测的蒸汽涡轮机输出与测量到的燃气涡轮机输出进行组合来产生预测的单元输出，并可以 通过对差分信号与预测的单元输出求和来产生控制器输入信号。
[0014] 发电系统的控制系统可以包括调整过程模型的模型调整单元，并且该模型调整单 元可以耦合到负载设定点，并且运行以基于负载设定点的值来调整过程模型。控制系统还 可以包括增益调度单元(诸如自适应增益调度单元），该增益调度单元耦合到控制器来调整 在控制器中使用的一个或多个增益值，以产生控制器的输出。增益调度单元还可以耦合到 负载设定点，并且运行以基于负载设定点的值来调整由控制器使用的一个或多个增益。更 进一步，控制系统可以包括误差积分器(诸如可切换的误差积分器），该误差积分器耦合到 控制器的输出并可以包括对误差积分器的输出与控制器的输出求和以产生燃气涡轮机控 制信号的求和单元。再进一步，控制器输入信号发生单元可以产生作为测量到的燃气涡轮 机输出和测量到的蒸汽涡轮机输出之和与负载设定点之间的差分的单位误差，并且误差积 分器可以被耦合为接收该单位误差。
[0015] 如果期望的话，过程模型可以响应于燃气涡轮机控制信号而基于燃气涡轮发电单 元的运行来对蒸汽涡轮机的输出进行建模。此外，在某些情形下，蒸汽涡轮发电单元还可以 包括另外的燃烧器系统，该另外的燃烧器系统燃烧燃料来对蒸汽进口系统内的蒸汽进一步 加热。在这种情形下，控制系统还可以包括第二过程控制器以及第二过程模型，该第二过程 控制器耦合到控制器输入信号发生单元来产生用于控制该另外的燃烧器系统的第二过程 控制信号，该第二过程模型被耦合为接收第二过程控制器的输出，以