基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法及系统与流程

技术领域：

本发明涉及火力发电机组协调控制技术领域，尤其涉及一种基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法及系统。

背景技术：
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协调控制系统(ccs：coordinationcontrolsystem)是机、炉闭环控制系统的总称，其工作原理是同时给锅炉控制系统和汽轮机控制系统发出指令，一方面用以稳定机组运行参数，另一方面通过快速响应负荷变化，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力。

生产实践中因锅炉和汽轮发电机的动态特性存在着很大差异，即汽轮发电机对负荷请求响应快，锅炉对负荷请求相应慢，造成机组内外两个能量供求平衡关系相互间受到制约，外部负荷响应性能与内部运行参数稳定性之间存在着固有的矛盾，这也是燃煤火力发电机组固有的设备特性。

为平衡锅炉、汽机对负荷响应能力之间的矛盾，目前普遍采用锅炉动态微分前馈指令(bir)作为锅炉变负荷过程中的能量前馈补充，即在锅炉变负荷时利用微分指令，提前使锅炉多增加或减少一部分燃料、风、水，达到缩短锅炉燃烧率改变的时间、提高锅炉对负荷的响应能力的目的。具体实现方式见图1。

锅炉动态微分前馈指令(bir)计算结果如图2所示，当机组负荷指令ldc发生变化时，燃料bir、风量bir、给水bir作为前馈信号分别进入燃烧、风烟、给水子控制回路，以提前改变锅炉的燃烧率，快速响应机组负荷指令ldc的要求，减小锅炉同汽轮发电机之间对于负荷响应能力的偏差，在维持机组运行参数相对安全稳定的前提下，实现机组的快速变负荷。

典型锅炉动态微分前馈指令(bir)结构简单、易于实现，因此大部分机组都配置了该控制策略以提高锅炉变负荷过程中对负荷的响应能力，但是随着电网对机组agc负荷跟踪能力的要求越来越高，机组在运行过程中变负荷越来越频繁，典型锅炉动态微分前馈指令(bir)的不足也愈发明显，具体表现在几点：

(1)对于供热机组，仅采用负荷指令作为输入进行锅炉动态微分前馈指令(bir)的计算，违背了机组能量平衡的基本原理，影响锅炉动态微分前馈指令(bir)计算的精确度，削弱了其作用；

(2)根据机组实际运行特点，在机组变负荷过程中随着负荷指令逐渐接近负荷设定值，为防止锅炉应快速变化燃烧率出现的超调现象，此时锅炉动态微分前馈指令(bir)应及时返回至0，但是典型锅炉动态微分前馈指令(bir)并无此功能，容易造成机组锅炉燃烧率超调；

(3)机组变负荷过程是按照电网的负荷指令随机变化的，在不同的运行工况、气候工况时，机组对于锅炉动态微分前馈指令(bir)的需求在量值上有一定的不同，典型锅炉动态微分前馈指令(bir)中无相关工况条件对其进行修正。

综合以上三点原因，结合多年来现场实际工作中积累的宝贵经验，有必要将机组供热流量、主蒸汽压力和凝汽器真空作为参考量对锅炉动态微分前馈指令(bir)进行修正，同时将电网负荷设定值同机组负荷指令之间的偏差量作为锅炉动态微分前馈指令(bir)调节幅度的修正量，以大幅提高典型锅炉动态微分前馈指令(bir)的应用效果。

技术实现要素：
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本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法及系统，以提高火力发电机组协调控制系统的负荷响应能力和调节品质，具体由以下技术方案实现：

基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法，包括如下步骤：

1)采集系统基本参数，所述基本参数包括负荷目标值lt、负荷设定值ls、变负荷速率、供热流量h、主汽压力设定值ps、主汽压力实际值pt、凝汽器真空值v以及实际负荷值l；

2)将负荷设定值ls通过微分计算公式进行计算，得到负荷设定值瞬时微分量；

3)根据设定的非线性函数对变负荷速率进行计算，得到负荷设定值瞬时微分量修正系数vk1，将所述负荷设定值瞬时微分量与负荷设定值瞬时微分量修正系数vk1求积，得到锅炉动态微分前馈基础量δn；

4)根据设定的非线性函数与总负荷需求n的值判断出锅炉所处的负荷点，并分别计算出锅炉增、减负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk、fdk，增、减负荷给水动态微分前馈修正系数wuk、wdk，增、减负荷风量动态微分前馈修正系数auk、adk；

5)将锅炉动态微分前馈基础量δn分别与锅炉增、减负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk、fdk，增、减负荷给水动态微分前馈修正系数wuk、wdk以及增、减负荷风量动态微分前馈修正系数auk、adk求积，得到锅炉增、减负荷燃料动态微分前馈量fu、fd，增、减负荷给水动态微分前馈量wu、wd以及增、减负荷风量动态微分前馈量au、ad；

6)通过设定的非线性函数对锅炉压力偏差值δp进行计算，得到锅炉增、减负荷过程中燃料、给水、风量动态微分前馈量压力修正系数pu、pd；

7)凝汽器真空值v通过非线性函数计算得到机组真空修正系数zk1,机组实际负荷l通过设定的非线性函数计算得到机组真空修正系数zk2，对zk1与zk2求积得到机组实际真空修正系数zk，将zk分别与锅炉增、减负荷过程中的压力修正系数pu、pd求积，得到锅炉动态微分前馈二次修正系数cu、cd，实现锅炉主汽压力、真空等运行工况参考量对锅炉增、减负荷过程中的燃料、给水、风量动态微分前馈量fu、fd、wu、wd、au、ad的二次修正；

8)实时判断锅炉负荷变化的方向，将cu、cd分别对应与相同变化方向的fu、fd、wu、wd、au、ad相乘得到燃料动态微分前馈指令fbir、给水动态微分前馈指令wbir以及风量动态微分前馈指令abir，并将fbir、wbir以及abir输出；

9)结合所述fbir、wbir以及abir，分别计算出锅炉燃料量指令β、锅炉给水量指令ω、锅炉风量指令μ，驱动锅炉燃料机、给水泵、送风机设备，改变锅炉燃烧率，使锅炉负荷同机组负荷指令要求相匹配。

所述的基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法的进一步设计在于，每一次锅炉调节负荷过程中，当机组负荷设定值ls达到负荷目标值lt时，燃料、给水、风量动态微分前馈fbir、wbir、abir衰减至0，锅炉调节负荷过程结束。

所述的基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法的进一步设计在于，所述步骤2)中微分计算公式惯性滞后时间t推导得出为ts/(1+ts)，其中s代表传递函数中的复参数，惯性滞后时间t由负荷目标值lt同负荷设定值ls的差值经设定的非线性函数计算得到，负荷设定值瞬时微分量dn/dt，计算关系式为dn/dt＝[ts/(1+ts)]·ls。

所述的基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法的进一步设计在于，所述步骤4)中对负荷设定值ls和供热流量h进行求和计算，得到锅炉总负荷需求n。

如所述的基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法的锅炉动态微分前馈指令系统，包括主机设备与bir计算单元，所述主机设备主要由机组负荷指令计算单元、汽轮机调阀开度计算单元、汽轮机deh电液调节计算单元、汽轮机调节阀组、锅炉燃料量指令计算单元、燃料机电机、锅炉给水量指令计算单元、锅炉给水泵、锅炉送风量指令计算单元以及送风机电机组成，尤其还包括动态微分前馈指令计算模块，所述动态微分前馈指令计算模块分别与锅炉燃料量指令计算单元、锅炉给水量指令计算单元以及锅炉送风量指令计算单元通过独立的前馈指令通信连接，实现协调控制系统中的锅炉动态变负荷控制。

所述的锅炉动态微分前馈指令系统的进一步设计在于，所述动态微分前馈指令计算模块包括微分计算单元与若干非线性函数计算单元；

所述微分计算单元与非线性函数计算单元依次交互，实现锅炉动态微分前馈基础量的计算；

所述非线性函数计算单元分为：

滞后时间计算单元，对负荷目标值同负荷设定值的差值进行计算，得到微分计算单元的惯性滞后时间；

负荷设定值修正计算单元，对变负荷速率进行计算，得到负荷设定值瞬时微分量修正系数；

锅炉补给前馈修正计算单元，通过对负荷设定值和供热流量之和进行计算，判断出锅炉所处的负荷点，计算得出锅炉增、减负荷过程中的燃料、给水、送风动态微分前馈修正系数；

锅炉补给前馈量压力修正计算单元，对锅炉运行压力偏差值进行计算，得到锅炉增、减负荷过程中燃料、给水、风量动态微分前馈量压力修正系数；

机组实际真空修正计算单元，对凝汽器真空和机组实际负荷进行计算，得到机组实际真空修正系数。

本发明的有益效果：

(1)对于供热机组，机组瞬时供热流量参与锅炉动态微分前馈bir的计算符合机组能量平衡的基本原理，提高了bir的计算精度。同时，供热流量的补偿作用从内回路提前消除了影响锅炉燃烧的内扰因素，提高了锅炉燃烧率的响应速度；

(2)本发明在典型锅炉动态微分前馈bir的基础上，随着负荷指令逐渐接近负荷设定值，增加了bir计算的灵活性，克服了机组锅炉燃烧率超调的现象；

(3)本发明能够根据机组的运行压力偏差、气候工况，对锅炉变负荷过程中所需的bir量进行修正，提高变负荷过程中的调节精度。

附图说明：

图1是原典型锅炉动态微分前馈指令(bir)的结构框图。

图2是本锅炉动态微分前馈指令系统(bir)的结构框图。

图3是本锅炉动态微分前馈指令系统的结构框图(详图)。

图4是软件实时运算处理模块流程图。

图5是典型的锅炉动态微分前馈指令(bir)计算方法的示意图。

图6典型的锅炉动态微分前馈指令(bir)计算结果示意图。

图中：

001—机组负荷目标值采集单元；

100—机组负荷指令计算单元；

002—负荷设定值采集单元；

003—变负荷速率采集单元；

004—供热流量采集单元；

005—主汽压力设定值采集单元；

006—主汽压力实际值采集单元；

007—凝汽器真空采集单元；

008—实际负荷采集单元；

200—锅炉动态微分前馈指令计算单元；

2001—原典型锅炉动态微分前馈指令计算单元；

300—汽轮机调阀开度计算单元；

400—汽轮机deh电液调节计算单元，401—汽轮机调节阀组；

500—锅炉燃料量指令计算单元，501—燃料机电机；

600—锅炉给水量指令计算单元，601—锅炉给水泵；

700—锅炉送风量指令计算单元，701—送风机电机。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，本实施例的基于锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法包括下列步骤：

(1)负荷目标值lt同负荷设定值ls的差值经非线性函数1计算后，得到微分计算单元的惯性滞后时间t，进而确定微分计算单元的计算公式ts/(1+ts)；

(2)将负荷设定值ls通过微分计算单元进行计算，得到负荷设定值瞬时微分量dn/dt，计算关系是dn/dt＝[ts/(1+ts)]·ls；

(3)利用非线性函数2对变负荷速率进行计算，得到负荷设定值瞬时微分量修正系数vk1，将负荷设定值瞬时微分量dn/dt同负荷设定值瞬时微分量修正系数vk1求积，得到锅炉动态微分前馈基础量δn，实现锅炉动态微分前馈基础量的计算，其计算关系是δn＝vk1×dn/dt；

(4)对负荷设定值ls和供热流量h进行求和计算，得到锅炉总负荷需求n。非线性函数3、非线性函数4根据锅炉总负荷需求n的值判断出锅炉所处的负荷点，并分别计算出锅炉增负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk、减负荷燃料动态微分前馈修正系数fdk；

(5)对负荷设定值和供热流量进行求和计算，得到锅炉总负荷需求n。非线性函数5、非线性函数6根据锅炉总负荷需求n的值判断出锅炉所处的负荷点，并分别计算出锅炉增负荷给水动态微分前馈修正系数wuk、减负荷给水动态微分前馈修正系数wdk；

(6)对负荷设定值和供热流量进行求和计算，得到锅炉总负荷需求n。非线性函数7、非线性函数8根据锅炉总负荷需求n的值判断出锅炉所处的负荷点，并分别计算出锅炉增负荷风量动态微分前馈修正系数auk、减负荷风量动态微分前馈修正系数adk；

(7)锅炉动态微分前馈基础量δn同锅炉增负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk、减负荷燃料动态微分前馈修正系数fdk求积，得到锅炉增负荷燃料动态微分前馈量fu、减负荷燃料动态微分前馈量fd，其计算关系是fu＝δn×fuk、fd＝δn×fdk；

(8)锅炉动态微分前馈基础量δn同锅炉增负荷给水动态微分前馈修正系数wuk、减负荷给水动态微分前馈修正系数wdk求积，得到锅炉增负荷给水动态微分前馈量wu、减负荷给水动态微分前馈量wd，其计算关系是wu＝δn×wuk、wd＝δn×wdk；

(9)锅炉动态微分前馈基础量δn同锅炉增负荷风量动态微分前馈修正系数auk、减负荷风量动态微分前馈修正系数adk求积，得到锅炉增负荷风量动态微分前馈量au、减负荷风量动态微分前馈量ad，其计算关系是au＝δn×auk、ad＝δn×adk；

(10)主汽压力设定值ps同主汽压力实际值pt进行求差运算得到锅炉压力偏差值δp，计算关系是δp＝ps-pt；

(11)非线性函数9、非线性函数10对锅炉压力偏差值δp进行计算，得到锅炉增、减负荷过程中燃料、给水、风量动态微分前馈量压力修正系数pu、pd，

(12)凝汽器真空v通过非线性函数11计算得到机组真空修正系数zk1,机组实际负荷l通过非线性函数12计算得到机组真空修正系数zk2，zk1×zk2得到机组实际真空修正系数zk；

(13)锅炉增、减负荷过程中的压力修正系数pu、pd分别同机组实际真空修正系数zk求积，得到锅炉动态微分前馈二次修正系数cu、cd，计算关系是cu＝pu×zk，cd＝pd×zk，从而实现锅炉主汽压力、真空等运行工况参考量对锅炉增、减负荷过程中的燃料、给水、风量动态微分前馈量fu、fd、wu、wd、au、ad的二次修正；

(14)燃料动态微分前馈输出单元214实时判断锅炉负荷变化的方向，若实时锅炉增负荷，则选择将cu×fu作为计算输出值，此时fbir＝cu×fu；若实时锅炉减负荷，则选择将cd×fd作为计算输出值，此时fbir＝cd×fd；

(15)给水动态微分前馈输出单元215实时判断锅炉负荷变化的方向，若实时锅炉增负荷，则选择将cu×wu作为计算输出值，此时wbir＝cu×wu；若实时锅炉减负荷，则选择将cd×wd作为计算输出值，此时wbir＝cd×wd；

(16)风量动态微分前馈输出单元216实时判断锅炉负荷变化的方向，若实时锅炉增负荷，则选择将cu×au作为计算输出值，此时abir＝cu×au；若实时锅炉减负荷，则选择将cd×ad作为计算输出值，此时abir＝cd×ad；

(17)通过机组负荷指令计算单元、锅炉燃料机指令计算单元、锅炉给水泵指令计算单元、锅炉送风机指令计算单元，分别计算出锅炉燃料量指令β、锅炉给水量指令ω、锅炉风量指令μ，驱动锅炉燃料机、给水泵、送风机设备，改变锅炉燃烧率，使锅炉负荷同机组负荷指令要求相匹配。

根据上述方法本实施例还提供了锅炉动态微分前馈指令系统，该系统包括

设置有锅炉动态微分前馈指令计算单元(200)；

本锅炉动态微分前馈指令计算单元(200)分别与汽轮机调阀开度计算单元(300)、锅炉燃料量指令计算单元(500)、锅炉给水量指令计算单元(600)和锅炉送风量指令计算单元(700)连接，实现协调控制系统中的锅炉动态变负荷控制功能；

本锅炉动态微分前馈指令计算单元(200)以工业控制服务器为核心并配置相应外围通讯端口，其软件控制模块包括微分计算单元(201)、非线性函数计算单元(202)-(213)、燃料微分前馈量输出单元(214)、燃料微分前馈量输出单元(215)、燃料微分前馈量输出单元(216)；

其交互关系是：

微分计算单元(201)、非线性函数1(202)、非线性函数2(203)依次交互，实现锅炉动态微分前馈基础量的计算；

负荷设定值信号、供热流量信号同非线性函数3(204)、非线性函数4(205)交互，通过判断锅炉所处的负荷点，实现不同工况下锅炉增、减负荷过程中的燃料微分前馈量自适应修正系数的计算；

负荷设定值信号、供热流量信号同非线性函数5(206)、非线性函数6(207)交互，通过判断锅炉所处的负荷点，实现不同工况下锅炉增、减负荷过程中的给水微分前馈量自适应修正系数的计算；

负荷设定值信号、供热流量信号同非线性函数7(208)、非线性函数8(209)交互，通过判断锅炉所处的负荷点，实现不同工况下锅炉增、减负荷过程中的风量微分前馈量自适应修正系数的计算；

主汽压力设定值同主汽压力实际值进行求差运算后，同非线性函数9(210)、非线性函数10(211)交互，实现锅炉主汽压力偏差时对锅炉增、减负荷过程中的燃料、给水、风量微分前馈量修正系数的二次修正；

凝汽器真空信号、实际负荷信号同非线性函数11(212)、非线性函数12(213)交互，实现环境温度对燃料、给水、风量微分前馈量修正系数的三次修正；

燃料微分前馈量输出单元(214)将三次修正后的锅炉动态微分前馈基础量输出至锅炉燃料控制系统；

给水微分前馈量输出单元(215)将三次修正后的锅炉动态微分前馈基础量输出至锅炉给水控制系统；

风量微分前馈量输出单元(214)将三次修正后的锅炉动态微分前馈基础量输出至锅炉风量控制系统。

非线性函数计算单元的输入、输出分别如表1、表2、表3、表4所示。非线性函数计算单元原理是：非线性函数计算单元由若干个线性函数(202)-(212)组成，表中的序号代表非线性函数计算的分界点，分界点处的输入对应该分界点处的输出值；对于相邻两个分界点之间的输入，输出值按照分界点之间的线性函数进行计算。

表1

表2

表3

表4

以下给出锅炉动态微分前馈指令计算单元200的软件实施方式，软件运算按照以下步骤进行：

第0：本周期运算开始；

第1：计算微分计算单元惯性滞后时间t；(对应方法步骤(1))

第2：计算负荷设定值瞬时微分量dn/dt；

第3：计算负荷设定值瞬时微分量修正系数vk1；

第4：计算锅炉动态微分前馈基础量δn＝vk1×dn/dt；

第5：计算锅炉总负荷需求n；

第6：计算锅炉增负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk；

第7：计算锅炉增负荷燃料动态微分前馈量fu，其中fu＝δn×fuk；

第8：计算锅炉减负荷燃料动态微分前馈修正系数fuk；

第9：计算锅炉减负荷燃料动态微分前馈量fd，其中fd＝δn×fdk；

第10：计算锅炉增负荷给水动态微分前馈修正系数wuk；

第11：计算锅炉增负荷给水动态微分前馈量wu，其中wu＝δn×wuk；

第12：计算锅炉减负荷给水动态微分前馈修正系数wdk；

第13：计算锅炉减负荷给水动态微分前馈量wd，其中wd＝δn×wdk；

第14：计算锅炉增负荷风量动态微分前馈修正系数auk；

第15：计算锅炉增负荷风量动态微分前馈量au，其中au＝δn×auk；

第16：计算锅炉减负荷风量动态微分前馈修正系数adk；

第17：计算锅炉减负荷风量动态微分前馈量ad，其中ad＝δn×adk；

第18：锅炉压力偏差值δp＝ps-pt；

第19：计算锅炉增负荷压力修正系数pu；

第20：计算锅炉减负荷压力修正系数pd；

第21：计算机组真空修正系数zk1；

第22：计算机组真空修正系数zk2；

第23：机组实际真空修正系数zk＝zk1×zk2；

第24：计算增负荷过程锅炉动态微分前馈二次修正系数cu＝pu×zk，

第25：计算减负荷过程锅炉动态微分前馈二次修正系数cd＝pd×zk，

第26：判断锅炉是否处于增负荷状态。如果是，则执行第27步；如果否，则继续执行第28步；

第27：输出fbir＝cu×fu、wbir＝cu×wu、abir＝cu×au，跳转至第31步，本运算周期结束；

第28：判断锅炉是否处于减负荷状态。如果是，则执行第29步；如果否，则继续执行第30步；

第29：输出fbir＝cd×fd、wbir＝cd×wd、abir＝cd×ad，跳转至第31步，本运算周期结束；

第30：输出fbir＝0、wbir＝0、abir＝0；

第31：本周期运算结束。

本实施例的锅炉动态微分前馈指令的机组协调控制方法及系统对于供热机组，机组瞬时供热流量参与锅炉动态微分前馈bir的计算符合机组能量平衡的基本原理，提高了bir的计算精度。同时，供热流量的补偿作用从内回路提前消除了影响锅炉燃烧的内扰因素，提高了锅炉燃烧率的响应速度。本发明在典型锅炉动态微分前馈bir的基础上，随着负荷指令逐渐接近负荷设定值，增加了bir计算的灵活性，克服了机组锅炉燃烧率超调的现象。本发明能够根据机组的运行压力偏差、气候工况，对锅炉变负荷过程中所需的bir量进行修正，提高变负荷过程中的调节精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。