热电联产机组电、热负荷调节的协调控制方法及系统与流程

本发明属于热电联产火力发电机组的控制领域，特别是涉及热电联产机组电、热负荷调节协调控制方法系统。

背景技术：

现今，热电联产发电机组的规模一步步扩大，热负荷需求采暖供汽与工业用汽也逐渐增加。但是针对热电联产机组目前还没有适用的控制系统，传统的单元机组协调控制系统是针对纯发电机组进行设计的，其对于热电联产机组适用性差，整个控制系统不但缺乏供热抽汽负荷的调节手段，而且锅炉控制系统接受的燃料量指令b仅是基于电负荷发出的，锅炉的快速适应性不好。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供热电联产机组电、热负荷调节协调控制方法系统。

具体方案如下：

热电联产机组电、热负荷调节的协调控制方法，

s1）：设置控制热电联产机组的协调控制系统，所述控制系统包括单元机组控制系统，锅炉控制系统和供热蒸汽控制系统；

s2）：在不同的控制系统中设置不同的被控参数，以被控参数作为反馈调节量；同时在不同的控制系统中设置不同的调节信号，以调节信号作为前馈补偿量；

s3）:单元机组控制系统根据热负荷和电负荷指令计算总负荷指令g0，同时单元机组控制系统以反馈调节量和前馈补偿量调节热电联产机组的电负荷量；

s4）：锅炉控制系统接收总负荷指令计算出锅炉第一次燃料调节量，同时锅炉控制系统以反馈调节量和前馈补偿量调节锅炉第二次燃料调节量；

s5）：供热蒸汽控制系统根据反馈调节量和前馈补偿量调节热电联产机组的热负荷量。

所述协调控制方法为机跟炉协调控制方法。

所述单元机组控制系统中存储有热工况图运算回路和汽轮机主汽阀运算回路，其中，

所述热工况图运算回路以热负荷指令和电负荷指令计算出总负荷指令；

所述汽轮机主汽阀运算回路以热负荷差值△q和电功率差值△n作为前馈补偿量，同时，以热电联产机组中主蒸汽压力差值△p为被控量进行反馈调节，控制热电联产机组的电负荷调节；

所述热负荷差值△q为热电联产机组中汽轮机抽气供热实际负荷q与汽轮机抽气供热负荷给定值q0的差值；

所述电功率差值△n为热电联产机组实际发电功率ne与热电联产机组发电功率给定值n0的差值；

所述主蒸汽压力差值△p为热电联产机组中汽轮机入口蒸汽实际压力值pt与热电联产机组中汽轮机入口蒸汽压力给定值p0的差值。

所述热工况图运算回路根据负荷运算函数计算出总负荷指令g0，所述负荷运算函数为：

其中，d为总负荷，为纯凝工况线斜率为发电功率，为常数，且是关于供热量的函数，所述供热量函数为：

其中,为供热量；供热量函数可通过不同组（，b）数值拟合得到。

所述锅炉控制系统中存储有锅炉指令运算回路，锅炉指令运算回路接收总负荷指令g0，并根据总负荷指令g0进行锅炉燃料量b的一次调节；

同时，锅炉指令运算回路以热负荷差值△q和主蒸汽压力差值△p作为前馈补偿量，以电功率差值△n为被控量进行反馈调节，控制锅炉燃料量b的二次调节。

所述供热蒸汽控制系统中存储有供热运算回路，所述供热运算回路以电功率差值△n和主蒸汽压力差值△p作为前馈补偿量，同时，以热负荷差值△q为被控量进行反馈调节，控制热电联产机组的热负荷调节。

一种热电联产机组电、热负荷调节的协调控制系统，包括单元机组控制系统，锅炉控制系统、供热蒸汽控制系统和热电联产机组；其中，所述单元机组控制系统包括第一处理单元、第二处理单元和负荷指令输入单元，所述锅炉控制系统包括锅炉控制器和锅炉调节单元，所述供热蒸汽控制系统包括供热控制器，其中，所述负荷指令输入单元与第一处理单元电连接，所述第二处理单元、锅炉控制器与第一处理单元电连接，所述锅炉控制器与锅炉调节单元电连接，所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均与热电联产机组电连接，所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均设置有加法器，所述第二处理单元和供热控制器均通过加法器与第一处理单元电连接，所述锅炉控制器通过加法器与热电联产机组电连接。

所述热电联产机组包括锅炉、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸和发电机，所述锅炉与汽轮机高压缸之间设置有主蒸汽调节阀，所述锅炉通过主蒸汽调节阀与汽轮机高压缸管道连接，所述锅炉内设置有再热器，所述汽轮机高压缸通过再热器与汽轮机中压缸管道连接；所述汽轮机中压缸上设置有供气调节阀，所述汽轮机低压缸上设置有低压调节阀，所述汽轮机中压缸通过供气调节阀进行抽气，所述汽轮机中压缸通过低压调节阀与汽轮机低压缸管道连接，所述发电机与汽轮机低压缸转动连接，所述汽轮机低压缸与锅炉之间设置有凝汽器、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。

所述所述主蒸汽调节阀与第二处理单元电连接，所述低压调节阀与供热控制器电连接。所述所述锅炉上设置有管道压力传感器，所述抽汽调节阀上设置有热量表，所述发电机上设置有电功率传感器，

所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均通过加法器与管道压力传感器电连接；

所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均通过加法器与热量表电连接；

所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均通过加法器与管道电功率传感器电连接，

所述锅炉控制器、第二处理单元和供热控制器均通过加法器与负荷指令输入单元电连接。

所述负荷指令输入单元包括电负荷指令输入单元、热负荷指令输入单元和压力指令输入单元，所述电负荷指令输入单元和热负荷指令输入单元均与第一处理单元电连接，所述电负荷指令输入单元、热负荷指令输入单元和压力指令输入单元为触摸屏。

本发明公开了一种热电联产机组电、热负荷调节协调控制方法系统，相对传统的单元机组协调控制系统，本控制系统优越性在于：

（1）锅炉给煤量指令是基于热工况图计算出的总负荷，而不是传统协调控制系统的电负荷，相比之下，可实现锅炉侧精准一次调节；

（2）引入供热调节系统，供热调节控制采用供热抽汽流量被调量的反馈调节；

（3）机组多变量的前馈设计。

供热系统控制器采用pid控制器输入端特别引入电功率差值△n、主蒸汽压力差值△p信号，以此来实现对供热控制系统的补偿，即当锅炉燃烧工况发生扰动变化或者汽轮机主蒸汽调节阀开度发生扰动时，尽可能保证供热负荷，即供热抽汽流量不变。

锅炉控制除采用电功率n为被调量的反馈调节之外，控制器采用pid控制器输入端格外引入热负荷差值△q、主蒸汽压力差值△p信号，以此来实现对锅炉控制系统的补偿，当汽轮机主蒸汽调节阀开度或低压调节阀开度发生扰动时，使锅炉工况实现快速适应。

汽轮机控制除采用主蒸汽压力p为被调量的反馈调节之外，控制器采用pid控制器输入端格外引入电功率差值△n、热负荷差值△q信号，以此来实现对汽轮机控制系统的补偿，当锅炉燃烧工况或低压调节阀开度发生扰动时，使汽轮机调节阀动作实现对电功率的快速调节。

附图说明

图1是为热电联产发电机组协调控制原理系统图。

图2为热电联产发电机组协调控制系统结构示意图。

图3为热工况图。

其中，g0为锅炉总负荷指令、b为燃料量、μ1为主蒸汽调节阀开度、μ2为主蒸汽调节阀开度、ne为机组实际发电功率、n0为机组发电功率给定值、pt为汽轮机入口蒸汽实际压力、p0为汽轮机入口蒸汽压力给定值、q为汽轮机抽汽供热实际负荷、q0为汽轮机抽汽供热负荷给定值。

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。

发明设计了一种用于热电联产火力发电机组的协调控制系统，改善了传统的协调控制系统应用于热电联产火力发电机组存在的诸多问题锅炉给煤量指令仅仅基于电负荷、缺乏供热蒸汽侧的调节手段、热电耦合导致热电负荷无法独立调节等，保证了单元机组对于电、热负荷的供应。为达到此目的，本发明在分别设计锅炉控制系统、汽轮机控制系统、供热控制系统的基础上增加各控制系统的前馈设计，建立了一种用于热电联产火力发电机组的协调控制系统。

热电联产机组电、热负荷调节的协调控制方法，

s1）：设置控制热电联产机组的协调控制系统，所述控制系统包括单元机组控制系统，锅炉控制系统和供热蒸汽控制系统；

s2）：在不同的控制系统中设置不同的被控参数，以被控参数作为反馈调节量；同时在不同的控制系统中设置不同的调节信号，以调节信号作为前馈补偿量；

s3）:单元机组控制系统根据热负荷和电负荷指令计算总负荷指令g0，同时单元机组控制系统以反馈调节量和前馈补偿量调节热电联产机组的电负荷量；

s4）：锅炉控制系统接收总负荷指令计算出锅炉第一次燃料调节量，同时锅炉控制系统以反馈调节量和前馈补偿量调节锅炉第二次燃料调节量；

s5）：供热蒸汽控制系统根据反馈调节量和前馈补偿量调节热电联产机组的热负荷量。

所述协调控制方法为机跟炉协调控制方法。

所述单元机组控制系统中存储有热工况图运算回路和汽轮机主汽阀运算回路，其中，

所述热工况图运算回路以热负荷指令和电负荷指令计算出总负荷指令；

所述汽轮机主汽阀运算回路以热负荷差值△q和电功率差值△n作为前馈补偿量，同时，以热电联产机组中主蒸汽压力差值△p为被控量进行反馈调节，控制热电联产机组的电负荷调节；

所述热负荷差值△q为热电联产机组中汽轮机抽气供热实际负荷q与汽轮机抽气供热负荷给定值q0的差值；

所述电功率差值△n为热电联产机组实际发电功率ne与热电联产机组发电功率给定值n0的差值；

所述主蒸汽压力差值△p为热电联产机组中汽轮机入口蒸汽实际压力值pt与热电联产机组中汽轮机入口蒸汽压力给定值p0的差值。

所述热工况图运算回路根据负荷运算函数计算出总负荷指令g0，所述负荷运算函数

为：

其中，d为总负荷，为纯凝工况线斜率为发电功率，为常数，且是关于供热量的函数，所述供热量函数为：

其中,为供热量；供热量函数可通过不同组（，b）数值拟合得到。热工况图如图3所示。

所述锅炉控制系统中存储有锅炉指令运算回路，锅炉指令运算回路接收总负荷指令g0，并根据总负荷指令g0进行锅炉燃料量b的一次调节；

同时，锅炉指令运算回路以热负荷差值△q和主蒸汽压力差值△p作为前馈补偿量，以电功率差值△n为被控量进行反馈调节，控制锅炉燃料量b的二次调节。

所述供热蒸汽控制系统中存储有供热运算回路，所述供热运算回路以电功率差值△n和主蒸汽压力差值△p作为前馈补偿量，同时，以热负荷差值△q为被控量进行反馈调节，控制热电联产机组的热负荷调节。

如图1所示，根据所述方法建立热电联产发电机组协调控制原理系统图。

所述控制原理图中设置有锅炉控制器8、第二处理单元7，所述第二处理单元7相当于汽轮机控制器、供热控制器12和热电联产机组25，所述热电联产机组的被控量分别为实际发电功率ne，汽轮机入口蒸汽实际压力pt和汽轮机抽气供热实际负荷值q；输入量为汽轮机入口蒸汽给定压力值p0，热电联产机组给定发电功率n0和汽轮机抽汽供热负荷给定值q0。

所述第二处理单元7设置有反馈调节量和前馈调节量，所述反馈调节量为主蒸汽压力值△p，所述△p=p0-pt；所述前馈，调节量分别为电功率差值△n和热负荷差值△q，所述△n=n0-n0；所述△q=q0-q；

所述锅炉控制器8设置有反馈调节量和前馈调节量，所述反馈调节量为电功率差值△n，所述前馈调节量分别为主蒸汽压力值△p和热负荷差值△q；

所述供热控制器12设置有反馈调节量和前馈调节量，所述反馈调节量为热负荷差值△q，所述前馈调节量分别为电功率差值△n和主蒸汽压力值△p。

根据热电联产发电机组协调控制原理系统图建立热电联产机组电、热负荷调节的协调控制系统。

如图2所示，一种热电联产机组电、热负荷调节的协调控制系统，包括单元机组控制系统，锅炉控制系统、供热蒸汽控制系统和热电联产机组；其中，所述单元机组控制系统包括第一处理单元9、第二处理单元8和负荷指令输入单元，所述锅炉控制系统包括锅炉控制器7和锅炉调节单元，所述供热蒸汽控制系统包括供热控制器12，其中，所述负荷指令输入单元与第一处理单元9电连接，所述第二处理单元8、锅炉控制器7与第一处理单元9电连接，所述锅炉控制器7与锅炉调节单元电连接，所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均与热电联产机组电连接。

所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均设置有加法器23，所述第二处理单元8和供热控制器12均通过加法器23与第一处理单元9电连接，所述锅炉控制器7通过加法器23与热电联产机组电连接。

所述热电联产机组包括锅炉1、汽轮机高压缸16、汽轮机中压缸17、汽轮机低压缸18和发电机13，所述锅炉与汽轮机高压缸16之间设置有主蒸汽调节阀20，所述锅炉通过主蒸汽调节阀20与汽轮机高压缸16管道连接，所述锅炉1内设置有再热器3，所述汽轮机高压缸16通过再热器3与汽轮机中压缸17管道连接。

所述汽轮机中压缸17上设置有供气调节阀14，所述汽轮机低压缸18上设置有低压调节阀14，所述汽轮机中压缸17通过供气调节阀14进行抽气，所述汽轮机中压缸17通过低压调节阀14与汽轮机低压缸18管道连接，所述发电机13与汽轮机低压缸18转动连接。

所述汽轮机低压缸18与锅炉1之间设置有凝汽器19、给水泵15和给水控制阀3，所述汽轮机低压缸18依次通过凝汽器19、给水泵15和给水控制阀3与锅炉1管道连接。

所述锅炉调节单元包括皮带输送机4、风机5和水泵6，所述皮带输送机4、风机5和水泵6均与锅炉1管道连接。

所述所述主蒸汽调节阀20与第二处理单元8电连接，所述低压调节阀14与供热控制器12电连接。

所述所述锅炉1上设置有管道压力传感器，所述抽汽调节阀上设置有热量表，所述发电机13上设置有电功率传感器，

所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均通过加法器23与管道压力传感器电连接；

所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均通过加法器23与热量表电连接；

所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均通过加法器23与管道电功率传感器电连接，

所述锅炉控制器7、第二处理单元8和供热控制器12均通过加法器23与负荷指令输入单元电连接。

所述负荷指令输入单元包括电负荷指令输入单元10、热负荷指令输入单元11和压力指令输入单元24，所述电负荷指令输入单元10和热负荷指令输入单元11均与第一处理单元9电连接，所述电负荷指令输入单元10、热负荷指令输入单元11和压力指令输入单元24为触摸屏。

所述第一处理单元9、第二处理单元8和锅炉1控制器7和供热控制器12均为plc控制器。

所述热电联产机组电、热负荷调节的协调控制系统具体工作过程如下：

锅炉1产生的蒸汽通过主蒸汽调节阀20输送至汽轮机高压缸16中，所述汽轮机高压缸16将蒸汽进行压缩成高压，然后通过再热器2加热成高温高压蒸汽被输送至汽轮机中压缸17中，所述汽轮机中压缸17的蒸汽通过供气调节阀14被输送至热网22中，调节低压调节阀14可以调节进入热网中的蒸汽量，并且汽轮机中压缸17中的蒸汽通过低压调节阀14被输送至汽轮机低压缸18中，汽轮机低压缸18转动驱动电动机13做功。

汽轮机低压缸18做功后的蒸汽排出后通过凝汽器19被冷凝成水，而后通过给水泵16和给水控制阀3将水输送至锅炉1中进行再次蒸发成蒸汽。

所述第一处单元9接收热负荷指令、电负荷指令和压力指令，并与热电联产机组中实际的供热量、实际发电功率和实际的蒸汽压力进行比较，得打相应的热负荷差值△q、电负荷差值△n和主蒸汽压力差值△p，所述热负荷差值△q、电负荷差值△n和主蒸汽压力差值△p分别作用于第二处理单元8、锅炉控制器7和供热控制器12上；

所述锅炉控制器7根据第一处理器9发送的锅炉总负荷指令g0调节锅炉燃料量b，根据锅炉燃料量b所述皮带输送机4、风机5和水泵6分别调节送煤量、风量大小和供水量，依次来调节锅炉1输出的蒸汽量。

第二处理单元8根据热负荷差值△q、电负荷差值△n和主蒸汽压力差值△p，发出调节指令μ1至主蒸汽调节阀20来调节汽轮机高压缸16的进汽量；

所述供热控制器12根据根据热负荷差值△q、电负荷差值△n和主蒸汽压力差值△p，发出调节指令μ2来调节低压调节阀14的开度大小，依次来调节进入热网的供热量。

本发明所述的用于热电联产发电机组的协调控制系统，旨在电、热负荷分别变化时达到理想的调节效果，下面就电负荷变化和热负荷变化两种情况进行说明：

（1）电负荷增加

当电负荷需求增加、热负荷不变时，电、热负荷指令输送至主控系统计算得出总负荷指令，总负荷指令输出至锅炉增加燃料量，此为负荷的一次快速调节，准确的总负荷指令能够确保锅炉对负荷的快速响应。

锅炉控制系统给定值升高，锅炉根据电功率差值△n完成锅炉侧的二次调节，即完成电功率的无差调节。但由于锅炉本身的大延迟大惯性的特性，锅炉侧对电功率的变化存在迟延。本发明的解决方案是电功率差值信号△n以前馈形式接入到汽轮机控制器入口，此时汽轮机控制器入口参数为△n+△p，增加主蒸汽调节阀开度完成电功率的快速响应。

由于热电耦合关系，电功率值n的增加会带来供热抽汽流量的增加，导致热负荷的增加。本发明采用功率差值信号△n以前馈形式输入到供热控制器入口的形式进行补偿，供热控制器入口信号为△q-△n，即增大低压调节阀开度保证供热抽汽流量基本不变。

（2）热负荷增加

当热负荷需求增加、电负荷不变时，电、热负荷指令输送至主控系统计算得出总负荷指令，总负荷指令输出至锅炉增加燃料量，此为负荷的一次快速调节，准确的总负荷指令能够确保锅炉对负荷的快速响应。

供热控制系统给定值升高，根据热负荷差值△q信号减小低压调节阀开度，完成供热量的无差调节。同时热负荷差值△q以前馈信号的形式输入至锅炉控制器，锅炉控制器入口信号为△q+△n，实现锅炉对负荷的快速响应;为了加快变电负荷速率，本发明采用热负荷差值信号△q以前馈形式输入到汽轮机控制器入口的形式进行补偿，即汽轮机控制器入口信号为△q+△p，增大主蒸汽调节阀开度完成电功率的快速调节。

高压缸、中压缸和低压缸的区别就在内部压力的不同，在汽轮机中它们一般相互连接；高压缸是主蒸汽进入汽缸的最初阶段，此时蒸汽压力大，温度高，汽缸是汽轮机的外壳，其作用是将汽轮机的通流部分与大气隔开，形成封闭的汽室，保证蒸汽在汽轮机内部完成能量转换。

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。