一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法与流程

本发明涉及火电机组深度调峰(富氧燃烧+协调控制)应用技术，包含亚临界、超(超)临界纯凝及供热机组具有更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度及更好的一次调频性能；机组具有更宽的负荷调节范围，负荷率下限从原来的45％直接控制至15％。

背景技术：

近年来，随着国家对风电、光伏等绿色能源的重视程度的不断升级，新能源接入的增加及电网弃风电现象日益增加，为了电网的稳定运行，增加火电厂的深度调峰能力，正成为一种新常态。为了积极响应电网要求，在确保机组运行安全的前提下，本着不断拓展调峰“深度”和“广度”、减少调峰燃油消耗量、增加深度调峰期间的自动投入率、最大限度地减轻运行人员劳动强度的原则，火电机组在低谷负荷工况下的保证长周期安全稳定运行，实现深度调峰。

火电机组超(超)临界锅炉有两种运行形式，(干)固态就是蒸汽压力超过临界压力后水变成蒸汽一次性通过整个汽水系统；当系统中还有水时就是湿态。启机的时候是湿态的，随着负荷的上升要转换为干态运行，正常时微过热。中间有个干湿态转化过程，汽水混合物经汽水分离器分离，与汽包锅炉的运行方式一样，此时的锅炉负荷一般为25％-35％bmcr，其中水由汽水分离器储水箱，经炉水循环泵打入水冷壁再次加热。火电机组深度调峰时，随着机组负荷下降，当达到切换点时，锅炉运行方式也将经历由干态-干湿态-湿态的转换过程；机组负荷增长后，锅炉运行方式经历反向过程。

富氧燃烧技术由于燃烧温度高、烟气带走的焓少、着火特性及火焰稳定性好等优点广受青睐。该发明结合的富氧燃烧器结合传统燃烧器的分段燃烧技术、内部烟气回流技术、旋流燃烧技术和引射流燃烧技术，能有效提高燃烧效率和降低燃烧污染物的排放。

技术实现要素：

本发明通过机组协调控制模块，依据电网对电厂的需求电负荷数据，并基于协调控制系统调整机组参数，并对锅炉富氧燃烧控制模块下达稳燃指令指令，机组调峰调频幅度加大。利用本发明的系统可以最低成本地实现机组深度调峰调频，而且可以达到任意时间进行电力调峰调频的效果。

为达到本发明的所述的目的，采用以下技术方案：

一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法，其特征在于，机组协调控制调峰调频系统包括机组协调控制模块4和富氧燃烧稳燃装置7，所述机组协调控制模块4包括锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和富氧燃烧控制模块，所述锅炉协调控制模块包括锅炉干湿态转换控制模块、锅炉煤水比优化控制模块、锅炉燃烧优化控制模块，所述汽机协调控制模块包括汽机负荷调节系统、一次调频控制、高低压旁路控制模块、主再热汽温汽压控制模块、汽机抽汽控制及切换模块、辅助蒸汽切换控制模块或小汽机汽源切换模块；所述机组协调控制调峰调频系统集成在火电机组集控室控制机柜内，与机组ccs和agc控制系统及锅炉、汽机、发电机、富氧燃烧设备的各种运行参数传感器和控制器进行通信连接。所述机组协调控制模块能使机组具有更宽的负荷调节范围，负荷率下限从原来的45％直接控制至15％；且具有更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度及更好的一次调频性能。

锅炉富氧燃烧模块，包括富氧燃烧稳燃装置，与机组协调控制模块连接，用于根据机组协调控制模块下达增减负荷操作指令通过控制富氧燃烧稳然装置调节机组负荷。

进一步，所述机组协调控制调峰调频系统根据火电机组接收的电网调度中心下达的增减上网电量负荷指令时，通过控制所述锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块，共同调整机组负荷，达到机组增减负荷的目的。

进一步，所述机组协调控制调峰调频系统的锅炉协调控制模块和汽机协调控制模块，通过控制锅炉及汽机各种运行参数，能够实现锅炉负荷率从100％至15％的动态变动。

进一步，所述锅炉干湿态转换控制模块包括汽水分离器或汽包温度、压力监测控制单元、主再热蒸汽压力温度监测控制单元、锅炉汽机壁温、锅炉汽机热应力监测控制单元。

进一步，所述锅炉煤水比优化控制模块采用煤水比静态配合模型、煤水比动态配合模型、煤水比时间差配合模型、煤水比壁温及热应力配合模型和煤水比综合调节配合模型等任意一种或组合。

进一步，所述锅炉燃烧优化控制模块包括煤种热值校核计算单元、煤量智能前馈单元、燃料控制单元、风量控制单元、炉膛压力单元、主蒸汽压力控制单元。

进一步，根据电网对电厂响应调峰调频时间、幅度、深度的要求，在机组协调控制模块下达增减负荷指令时，在机组负荷率大于30％时，协调控制系统调节机组负荷，当机组负荷率小于30％时，锅炉富氧燃烧控制模块投入，投入助燃燃料(油或天然气)及氧气，确保机组稳燃，进一步降低机组出力。

进一步，所述的富氧燃烧稳然装置包括氧气和燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统，所述氧气和燃料输送装置中的燃料为燃油、燃气、煤粉中的任意一种。

进一步，所述协调控制深度调峰调频设备包括硬件部分和软件部分，其中所述硬件部分包括工控主机或单片机、通讯模块及电源模块、富氧燃烧设备，所述工控主机或单片机包括cpu、存储器及控制器，所述通讯模块包括各类通讯板卡、与dcs的通讯接口；所述软件部分包括操作系统、组态软件、系统应用程序组成。

一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制调峰调频系统的优化控制方法，其特征在于，所述优化控制方法采用非线性模型控制、预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等控制技术中的任意一种或组合，应用到火电机组的优化控制，实现机组的深度调峰。

进一步，所述优化控制方法包括下列步骤：

所述系统从机组集控系统和设置在锅炉、汽机、发电机及富氧燃烧设备的各种传感器收集相关参数数据，包括电网频率、agc指令、负荷指令、机组实发功率、锅炉燃烧器各层给煤量、给水流量、各级喷水流量、主再热汽流量、主再热汽压力、主再热汽温；

根据下一时段机组发电功率及agc负荷指令，利用锅炉干湿态转换控制模块、锅炉燃烧优化控制模块、锅炉煤水比优化控制模块、富氧燃烧控制模块，控制机组锅炉负荷调节至目标值，进而实现机组发电功率满足agc负荷指令要求；

机组干-湿态切换过程(机组降负荷)包括，主汽温主汽压下降控制、燃料量减少控制、必要时进行给水泵双泵到单泵运行的切换、必要时开给水旁路运行、汽包或分离器温度水位控制；

机组湿-干态切换过程(机组升负荷)包括，主汽温主汽压上升控制、燃料量增加控制、必要时进行给水泵单泵到双泵运行的切换、必要时开主给水管路关给水旁路、汽包或分离器温度水位控制；

机组负荷降低过程中，监测scr入口烟气温度，必要时通过投入烟气再循环、省煤器旁路、顶层燃烧器、零号高压加热器、给水再循环管路或烟道加热装置中的任意一种，保证scr入口烟气温度不低于310℃；

锅炉负荷降低过程中，必要时投入磨煤机低负荷优化系统、锅炉富氧燃烧稳燃系统、锅炉小油枪或等离子稳燃系统中的任意一种，保证锅炉负荷率在低于30％时的稳定燃烧；监测锅炉水冷壁及各种汽水管道壁温，避免热应力超标；

汽机负荷降低过程中，必要时进行供热抽汽汽源切换、工业抽汽汽源切换、小汽机汽源切换、热压机汽源切换、轴封及辅助汽源切换中的任意一种切换操作；监测汽轮机高、中、低压缸壁温及热应力变化，避免热应力超标。

进一步，所述系统中调峰调频降负荷方法包括：

s1、电网调度下达对电厂的负荷需求数据，电厂集控室调峰模块对比实时发电与电网需求负荷量。

s2、判定下一步需要减负荷，如果机组不需要减少发电负荷，则机组维持当前负荷；若机组需要减少发电负荷，机组进行减负荷操作，锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同调整，主要通过agc功能，分别实现锅炉煤水比优化控制、锅炉燃烧优化控制等。

s3、若机组负荷继续下降，当机组负荷率在(30％-40％)区间时，锅炉自动进行干态转湿态转换。

s4、当机组降负荷达到锅炉设计低负荷下限值(机组负荷率<30％)时，协调控制系统跟随agc指令，投入低负荷稳燃技术措施，此时富氧燃烧技术锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块共同作用。

s5、依靠低负荷稳燃技术继续下调锅炉负荷，最终达到锅炉低负荷稳燃下限值，此时机组维持当前负荷。

进一步，所述系统中调峰调频降负荷方法包括：

s1、电网调度下达对电厂的负荷需求数据，电厂集控室调峰模块对比实时发电与电网需求负荷量。

s2、判定下一步需要增负荷，如果机组不需要增加发电负荷，则机组维持当前负荷；若机组需要增加发电负荷(当前锅炉处于低稳燃下限值)，机组进行升负荷操作，锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块共同作用。

s3、机组继续增加发电负荷，当机组负荷率需求大于30％时，退出低负荷稳燃技术措施——富氧燃烧技术，退出锅炉富氧燃烧控制模块，改由锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同作用。

s4、当机组负荷率处于30％-40％阶段，锅炉自动进行湿态转干态转换。

s5、当锅炉完成湿态转干态转换后，机组再依据agc指令进行增负荷操作时，此时锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同调整，分别实现锅炉煤水比优化控制、锅炉燃烧优化控制等。

本发明的有益效果包括：

本发明的调峰调频系统，通过设置机组协调控制模块和锅炉富氧燃烧模块，从而达到最大深度调峰调频的效果。根据机组协调控制模块下达增减负荷操作指令，通过锅炉富氧燃烧模块调节机组的负荷，做到最大深度调峰调频幅度。此系统不但可增强锅炉本身的减负荷能力，而且利用锅炉富氧燃烧控制模块，可以使得机组一年四季可以随时进行深度调峰调频操作，从而极大地增加火电机组的灵活性，广泛适用于热电联产机组或纯凝机组。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法，结构示意图；

图2是本发明第一实施例提供机组协调控制模块的结构示意图；

图3是本发明第一实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合辅助调峰调频设备的系统的调峰调频方法的流程图(降负荷阶段)；

图4是本发明第一实施例提供的一种锅炉富氧燃烧结合辅助调峰调频设备的系统的调峰调频方法的流程图(升负荷阶段)；

附图标记：

1为锅炉、2为汽轮机、3为发电机、4为机组协调控制模块、5为凝汽器、6为除氧器、7为富氧燃烧稳然装置、8为电网。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例一

协调控制系统-ccs系统是英文coordinationcontrolsystem的缩写。协调控制系统，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷变化的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数，其结构组成包括汽机、锅炉闭环控制系统的总体，也包括各子系统。

原电力部热工自动化标委会推荐采用模拟量控制系统(modulatingcontrolsystem，mcs)来代替闭环控制系统、协调控制系统、自动调节系统等名称，但习惯上仍沿用协调控制系统。

火电机组干湿态概念：火电机组超(超)临界锅炉有两种运行形式，(干)固态就是蒸汽压力超过临界压力后水变成蒸汽一次性通过整个汽水系统；当系统中还有水时就是湿态。启机的时候是湿态的，随着负荷的上升要转换为干态运行，正常时微过热。中间有个干湿态转化过程，汽水混合物经汽水分离器分离，与汽包锅炉的运行方式一样，此时的锅炉负荷一般为25％-35％bmcr，其中水由汽水分离器储水箱，经炉水循环泵打入水冷壁再次加热。火电机组深度调峰时，随着机组负荷下降，当达到切换点时，锅炉运行方式也将经历由干态-干湿态-湿态的转换过程；机组负荷增长后，锅炉运行方式经历反向过程。

一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法，其特征在于，机组协调控制调峰调频系统包括机组协调控制模块4和富氧燃烧稳燃装置7，所述机组协调控制模块4包括锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和富氧燃烧控制模块，所述锅炉协调控制模块包括锅炉干湿态转换控制模块、锅炉煤水比优化控制模块、锅炉燃烧优化控制模块，所述汽机协调控制模块包括汽机负荷调节系统、一次调频控制、高低压旁路控制模块、主再热汽温汽压控制模块、汽机抽汽控制及切换模块、辅助蒸汽切换控制模块或小汽机汽源切换模块；所述机组协调控制调峰调频系统集成在火电机组集控室控制机柜内，与机组ccs和agc控制系统及锅炉、汽机、发电机、富氧燃烧设备的各种运行参数传感器和控制器进行通信连接。所述机组协调控制模块能使机组具有更宽的负荷调节范围，负荷率下限从原来的45％直接控制至15％；且具有更快的变负荷速率、更高的负荷调节精度及更好的一次调频性能。

锅炉富氧燃烧模块，包括富氧燃烧稳燃装置，与机组协调控制模块连接，用于根据机组协调控制模块下达增减负荷操作指令通过控制富氧燃烧稳然装置调节机组负荷。

本实施例中，所述机组协调控制调峰调频系统根据火电机组接收的电网调度中心下达的增减上网电量负荷指令时，通过控制所述锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块，共同调整机组负荷，达到机组增减负荷的目的。

本实施例中，所述机组协调控制调峰调频系统的锅炉协调控制模块和汽机协调控制模块，通过控制锅炉及汽机各种运行参数，能够实现锅炉负荷率从100％至15％的动态变动。

本实施例中，所述锅炉干湿态转换控制模块包括汽水分离器或汽包温度、压力监测控制单元、主再热蒸汽压力温度监测控制单元、锅炉汽机壁温、锅炉汽机热应力监测控制单元。

本实施例中，所述锅炉煤水比优化控制模块采用煤水比静态配合模型、煤水比动态配合模型、煤水比时间差配合模型、煤水比壁温及热应力配合模型和煤水比综合调节配合模型等任意一种或组合。

本实施例中，所述锅炉燃烧优化控制模块包括煤种热值校核计算单元、煤量智能前馈单元、燃料控制单元、风量控制单元、炉膛压力单元、主蒸汽压力控制单元。

本实施例中，根据电网对电厂响应调峰调频时间、幅度、深度的要求，在机组协调控制模块下达增减负荷指令时，在机组负荷率大于30％时，协调控制系统调节机组负荷，当机组负荷率小于30％时，锅炉富氧燃烧控制模块投入，投入助燃燃料(油或天然气)及氧气，确保机组稳燃，进一步降低机组出力。

上述一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法，在机组调峰调频降负荷阶段包括以下步骤：

步骤s1、电网调度下达对电厂的负荷需求数据，电厂集控室调峰模块对比实时发电与电网需求负荷量。

步骤s2、判定下一步需要减负荷，如果机组不需要减少发电负荷，则机组维持当前负荷；若机组需要减少发电负荷，机组进行减负荷操作，锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同调整，主要通过agc功能，分别实现锅炉煤水比优化控制、锅炉燃烧优化控制等。

步骤s3、若机组负荷继续下降，当机组负荷率在(30％-40％)区间时，锅炉自动进行干态转湿态转换。

步骤s4、当机组降负荷达到锅炉设计低负荷下限值(机组负荷率<30％)时，协调控制系统跟随agc指令，投入低负荷稳燃技术措施，此时富氧燃烧技术锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块共同作用。

步骤s5、依靠低负荷稳燃技术继续下调锅炉负荷，最终达到锅炉低负荷稳燃下限值，此时机组维持当前负荷。

上述一种锅炉富氧燃烧结合机组协调控制的调峰调频系统和方法，在机组调峰调频升负荷阶段包括以下步骤：

步骤s1、电网调度下达对电厂的负荷需求数据，电厂集控室调峰模块对比实时发电与电网需求负荷量。

步骤s2、判定下一步需要增负荷，如果机组不需要增加发电负荷，则机组维持当前负荷；若机组需要增加发电负荷(当前锅炉处于低稳燃下限值)，机组进行升负荷操作，锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块和锅炉富氧燃烧控制模块共同作用。

步骤s3、机组继续增加发电负荷，当机组负荷率需求大于30％时，退出低负荷稳燃技术措施——富氧燃烧技术，退出锅炉富氧燃烧控制模块，改由锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同作用。

步骤s4、当机组负荷率处于30％-40％阶段，锅炉自动进行湿态转干态转换。

步骤s5、当锅炉完成湿态转干态转换后，机组再依据agc指令进行增负荷操作时，此时锅炉协调控制模块、汽机协调控制模块共同调整，分别实现锅炉煤水比优化控制、锅炉燃烧优化控制等。

本实施例中，所述的富氧燃烧稳然装置包括氧气和燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统，所述氧气和燃料输送装置中的燃料为燃油、燃气、煤粉中的任意一种。

本实施例中，所述协调控制深度调峰调频设备包括硬件部分和软件部分，其中所述硬件部分包括工控主机或单片机、通讯模块及电源模块、富氧燃烧设备，所述工控主机或单片机包括cpu、存储器及控制器，所述通讯模块包括各类通讯板卡、与dcs的通讯接口；所述软件部分包括操作系统、组态软件、系统应用程序组成。

具体的，所述的富氧燃烧稳然装置7包括氧气和燃料输送装置、富氧燃烧器、自动控制系统。氧气和燃料输送装置和富氧燃烧器分别与自动控制系统连接，在自动控制系统的调控下输出能量。所述氧气和燃料输送装置中的燃料为燃油、燃气、煤粉中的任意一种。

本发明的有益效果包括：

本发明的调峰调频系统，通过设置机组协调控制模块4、锅炉富氧燃烧模块7，从而达到最大深度调峰调频的效果。根据机组协调控制模块下达增减负荷操作指令，通过锅炉富氧燃烧模块和/或协调优化系统调节机组的负荷。此系统不但可增强锅炉本身的减负荷能力，而且利用锅炉富氧燃烧模块和协调优化，可以使得机组一年四季可以随时进行深度调峰调频操作，从而极大地增加火电机组的灵活性，广泛适用于热电联产机组或纯凝机组。

实施例二

本实施例中，一种火电机组协调控制调峰调频系统的优化控制方法，其特征在于，所述优化控制方法采用非线性模型控制、预测控制、神经网络控制、自适应控制、模糊控制等控制技术中的任意一种或组合，应用到火电机组的优化控制，实现机组的深度调峰。

所述优化控制方法包括下列步骤：

所述火电机组协调控制调峰调频系统从机组集控系统和设置在锅炉、汽机、发电机及富氧燃烧设备的各种传感器收集相关参数数据，包括电网频率、agc指令、负荷指令、机组实发功率、锅炉燃烧器各层给煤量、给水流量、各级喷水流量、主再热汽流量、主再热汽压力、主再热汽温；

根据下一时段机组发电功率及agc负荷指令，利用锅炉干湿态转换控制模块、锅炉燃烧优化控制模块、锅炉煤水比优化控制模块、富氧燃烧控制模块，控制机组锅炉负荷调节至目标值，进而实现机组发电功率满足agc负荷指令要求；

机组干-湿态切换过程(机组降负荷)包括，主汽温主汽压下降控制、燃料量减少控制、必要时进行给水泵双泵到单泵运行的切换、必要时开给水旁路运行、汽包或分离器温度水位控制；

机组湿-干态切换过程(机组升负荷)包括，主汽温主汽压上升控制、燃料量增加控制、必要时进行给水泵单泵到双泵运行的切换、必要时开主给水管路关给水旁路、汽包或分离器温度水位控制；

机组负荷降低过程中，监测scr入口烟气温度，必要时通过投入烟气再循环、省煤器旁路、顶层燃烧器、零号高压加热器、给水再循环管路或烟道加热装置中的任意一种，保证scr入口烟气温度不低于310℃；

锅炉负荷降低过程中，必要时投入磨煤机低负荷优化系统、锅炉富氧燃烧稳燃系统、锅炉小油枪或等离子稳燃系统中的任意一种，保证锅炉负荷率在低于30％时的稳定燃烧；监测锅炉水冷壁及各种汽水管道壁温，避免热应力超标；

汽机负荷降低过程中，必要时进行供热抽汽汽源切换、工业抽汽汽源切换、小汽机汽源切换、热压机汽源切换、轴封及辅助汽源切换中的任意一种切换操作；监测汽轮机高、中、低压缸壁温及热应力变化，避免热应力超标。

实施例三

本实施例以火电机组减负荷为例，在电网用电量较低时，需要机组进行减负荷调整。在机组协调控制模块下达减负荷指令时，优先通过机组协调指令调节机组负荷，当机组负荷率需求小于30％时，通过投入富氧燃烧稳然装置7，来达到稳燃及机组减负荷的目的，从而实现深度调峰。

实施例四

类似于实施例三，本实施例以火电机组增负荷为例，在电厂需要进行增负荷时，在机组协调控制模块下达增负荷指令时，通过控制富氧燃烧稳然装置7切除和协调优化功能两者结合深入调峰调频。

实施例五

本实施例以火电机组减负荷为例，在电网用电量较低时，需要机组进行减负荷调整。在机组协调控制模块下达减负荷指令时，优先通过机组协调指令调节机组负荷，当机组负荷率达到锅炉低负荷稳燃下限值时，仅通过投入富氧燃烧稳然装置7，来达到稳燃及机组减负荷的目的，还无法满足深度调峰需求时，可以投入电厂外部调峰设备：电蓄热锅炉(含固体蓄热锅炉、电极锅炉等)，进一步参与深度调峰。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。