一种基于磨煤机变速运行的AGC提速控制方法与流程

一种基于磨煤机变速运行的agc提速控制方法
技术领域
1.本发明涉及火力发电技术领域，更确切地说，它涉及一种基于磨煤机变速运行的agc提速控制方法。


背景技术：

2.制粉系统作为锅炉设备的重要组成部分，主要承担着磨制煤粉、为锅炉燃烧提供燃料等任务。制粉系统主要由原煤仓、给煤机、磨煤机、输送煤粉的风管和粉管，以及其他相关附属设备组成。一台火电机组往往配备多套制粉系统。当前磨煤机多采用工频运行的异步电机驱动，其转速是电厂基建阶段根据设计煤种校核得到的，此后无论煤种如何变化，磨煤机电机均为定频运行。
3.在现有技术下，锅炉在变负荷过程中，需要实时调整制粉系统的出力，制粉系统出力的变化需经历给煤量增减、制粉、出粉、燃烧等几个环节，锅炉出力的响应速度受到这些环节滞后时间的影响。其中，当煤量改变时，制粉系统受到制粉环节实际出粉量变化的滞后影响最大，对锅炉响应的速度有较大影响。
4.为保证电网供电质量的要求，电网调度机构对并网运行的火力发电汽轮机组实行自动发电控制(automatic generation control，agc)，同时对火电机组的agc指令响应速率、响应时间和控制精度等指标提出了控制要求。
5.机组的各系统由分散控制系统(distributed control system，dcs)进行实时控制。dcs将接收到的agc负荷指令进行限幅与限速处理，生成机组负荷指令与主汽压力设定值，再将其与机组实时功率与实时压力比较，调节锅炉燃料量、送风量与给水流量，以此改变锅炉的出力，以满足汽轮机的做功需求；同时，dcs对汽轮机调速汽门开度进行控制，改变汽轮机出力，进而调整机组的发电功率。dcs通过协调锅炉与汽轮机间的能量供需平衡，实时调整机组出力，实现对agc指令的响应。
6.传统制粉系统采用工频运行的异步电机进行驱动，在运行过程中不能调整转速，当给煤量变化时制粉环节存在的惯性特性将导致锅炉实际出力变化的迟缓，系统的惯性时间t较长；同时，在煤量改变初期由于磨煤机转速不变，煤量的改变将造成磨煤机内部风道阻力的变化，煤粉在管道内滞留的时间τ也相对较长，甚至可能出现煤量调节的初期实际出粉量与指令需求的变化方向相反的情况；以上两方面因素的叠加将造成制粉系统实际出粉量变化的滞后，进而导致锅炉侧的整体响应速度缓慢，影响机组整体的agc运行性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种基于磨煤机变速运行的agc提速控制方法。
8.第一方面，提供了一种基于磨煤机变速运行的agc提速控制方法，包括：
9.s1、调度机构下发agc指令，发电机组指令接收装置接收调度机构下发的自动发电控制agc指令；
10.s2、将所述agc指令发送至dcs；dcs根据当前的机组负荷指令及运行需求，计算生成机组的给煤量指令；根据所述给煤量指令生成定转速制粉系统指令和变转速制粉系统指令，并下发给各台给煤机；
11.s3、给煤机收到对应的指令后，改变给煤量，将燃煤送至磨煤机进行煤粉磨制；其中，dcs对变速磨煤机进行变转速控制；
12.s4、变负荷过程结束且煤量稳定后，煤量稳定于新的负荷对应值，变速磨煤机转速重新回到常规值。
13.作为优选，s2中，dcs根据agc指令变化与锅炉主控pid的调整量生成锅炉负荷基准煤量指令；由agc指令经过惯性微分计算和前馈校正生成锅炉动态前馈煤量指令。
14.作为优选，s2中，变转速制粉系统为开环控制，指令对应的给煤量为基准煤量和动态前馈煤量之和，所述基准煤量由带死区的阶梯控制曲线生成，所述动态前馈煤量由锅炉动态前馈煤量指令除以运行的变转速制粉系统套数生成。
15.作为优选，s2中，变转速制粉系统指令的生成回路上设置有手动偏置功能。
16.作为优选，s2中，定转速制粉系统为闭环控制，指令为锅炉负荷基准煤量指令和锅炉动态前馈煤量指令合成的总煤量指令。
17.作为优选，所述变转速制粉系统套数的选取方式包括：获得单台变速磨煤机在某类型机组中应用能够实现的锅炉响应速度提升幅度a％，并以机组全部采用定速磨煤机运行能够达到的负荷变动速率为基准，变转速制粉系统套数的计算公式如下：
18.配置的变转速制粉系统套数＝(机组预期实现的负荷变动速率-基准负荷变动速率)/(基准负荷变动速率
×
a％)。
19.作为优选，s3中，所述dcs对变速磨煤机进行变转速控制，包括：
20.s301、在agc指令稳定、机组未变负荷时，dcs按照负荷指令要求控制变速磨煤机，变转速磨煤机的转速保持在常规转速下；
21.s302、在agc指令变化时，dcs对指令变化情况进行限幅、限速处理后将agc指令状态判断为升负荷指令或降负荷指令；针对升负荷指令，dcs控制变转速磨煤机的转速运行于高速档；针对降负荷指令，dcs控制变转速磨煤机的转速运行于低速档。
22.第二方面，提供了一种变转速制粉系统，应用于第一方面任一所述的基于变速运行磨煤机的设备选配及agc提速控制方法，包括：原煤斗、给煤机、磨煤机、电机、变频器、dcs、指令接收装置和调度机构；
23.其中，原煤斗、给煤机、磨煤机、电机和变频器之间依次相连，磨煤机还通过管道与炉膛相连，变频器还依次通过dcs和指令接收装置连接至调度机构。
24.作为优选，所述电机为变速直驱永磁电机。
25.本发明的有益效果是：本发明采用可变转速的磨煤机，利用变频器调整电机转速，实现磨煤机的变转速控制，并通过变速磨煤机台数配置方法以及相应的控制逻辑，在运行过程中充分发挥变转速制粉系统的响应速度优势，合理分配煤量变化并配合实时调整磨煤机转速，减少变负荷过程中制粉环节的响应延迟，提高锅炉响应的速度和机组agc指令的响应能力。
附图说明
26.图1为本技术提供的变转速制粉系统结构示意图；
27.图2为本技术提供的机组配置示意图；
28.图3为本技术提供的机组变负荷煤量控制流程示意图；
29.图4为本技术提供的agc指令处理及变负荷状态判断逻辑示意图；
30.图5为本技术提供的磨煤机转速控制逻辑图；
31.图6为本技术提供的锅炉煤量指令生成逻辑图；
32.图7为本技术提供的变转速制粉系统基准煤量生成曲线示意图；
33.图8为本技术提供的变转速制粉系统指令生成逻辑图；
34.图9为本技术提供的定转速制粉系统指令生成逻辑图；
35.图10为本技术提供的变负荷过程中指令及煤量变化曲线示意图；
36.附图标记说明：原煤斗1、给煤机2、磨煤机3、电机4、变频器5、dcs6、指令接收装置7、调度机构8、炉膛9。
具体实施方式
37.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
38.实施例1：
39.一种变转速制粉系统，如图1所示，包括：原煤斗1、给煤机2、磨煤机3、电机4、变频器5、dcs6、指令接收装置7和调度机构8；
40.其中，原煤斗1、给煤机2、磨煤机3、电机4和变频器5之间依次相连，磨煤机3还通过管道与炉膛9相连，变频器5还依次通过dcs6和指令接收装置7连接至调度机构8，电机4为变速直驱永磁电机。此外，变转速制粉系统还包括输送煤粉的风管和粉管。
41.磨煤机3由变速直驱永磁电机驱动，dcs6可通过变频器5控制电机的转速，进而实现磨煤机转速的实时调节。制粉系统的给煤量由dcs根据调度agc指令和机组状态进行调整。
42.此外，图1中的a表示agc指令，指令接收装置7将该agc指令发往dcs6；b表示给煤量指令，dcs6计算生成给煤量指令；c表示磨煤机转速指令，由dcs6生成并发往变频器5；d表示其他制粉系统控制指令，用于控制制粉系统中的其他装置；e表示风量指令，用于控制输往磨煤机3的风量(如冷一次风g、热一次风h)；f表示机组运行参数测量信号，由机组运行参数测量装备生成，该机组运行参数测量装备与dcs6相连。
43.实施例2：
44.为了减小制粉环节滞后对锅炉变负荷能力的影响，提高火力发电机组对电网agc指令的响应能力，本发明提供了一种基于变速运行磨煤机的设备选配及agc提速控制方法，采用可变转速的磨煤机，利用变频器调整电机转速，实现磨煤机的变转速控制，通过变速磨煤机台数配置方法以及相应的控制逻辑，在运行过程中充分发挥变转速制粉系统的响应速度优势，合理分配煤量变化并配合实时调整磨煤机转速，减少变负荷过程中制粉环节的响应延迟，提高锅炉响应的速度和机组agc指令的响应能力，如图3所示，包括：
45.s1、调度机构下发agc指令，发电机组指令接收装置接收调度机构下发的自动发电控制agc指令；
46.s2、将agc指令发送至分散控制系统dcs；dcs根据当前的机组负荷指令及运行需求，计算生成机组的给煤量指令；根据给煤量指令生成定转速制粉系统指令和变转速制粉系统指令，并下发给各台给煤机；
47.s3、各台给煤机收到对应的指令后，改变给煤量，将燃煤送至磨煤机进行煤粉磨制；其中，dcs对变速磨煤机进行变转速控制；也就是说，在变煤量过程中同时改变磨煤机转速控制，加快制粉出力的响应速度，变速磨煤机的转速具有常规档、低速档和高速档；
48.s4、变负荷过程结束且煤量稳定后，煤量稳定于新的负荷对应值，变速磨煤机转速重新回到常规值。
49.s3中，dcs对变速磨煤机进行变转速控制，包括：
50.s301、在agc指令稳定、机组未变负荷时，dcs按照负荷指令要求控制变速磨煤机，变转速磨煤机的转速保持在常规转速下；
51.s302、在agc指令变化时，dcs对指令变化情况进行限幅、限速处理后将agc指令状态判断为升负荷指令或降负荷指令。示例地，指令处理及判断的逻辑示意图如图4所示，acg指令通过减法功能和高限判断，得到加负荷指令；acg指令通过减法功能和低限判断，得到减负荷指令；agc指令通过限幅功能和限速功能，得到处理后的agc指令。针对升负荷指令，dcs控制变转速磨煤机的转速运行于高速档(最大转速)；针对降负荷指令，dcs控制变转速磨煤机的转速运行于低速档(最小转速)，由于磨煤机的转速变化会影响制粉系统的最大出力，因此设置了一条根据给煤机煤量生成的磨煤机的最低转速曲线f(x)，防止出现制粉系统出力不足的情况。具体转速控制逻辑如图5所示，其中，＞表示低限功能，m/a表示手操器站，a表示本套制粉系统给煤量，b表示磨煤机转速控制信号，图中t为切换功能标志，即虚线表示的开关量信号为1时，切换功能模块输出为yes端输入，反之开关量为0时，切换功能模块输出为no端输入。
52.s2中，dcs根据agc指令变化与锅炉主控pid的调整量生成锅炉负荷基准煤量指令；由agc指令经过惯性微分计算和前馈校正生成锅炉动态前馈煤量指令，煤量指令生成逻辑如图6所示，其中，f(x)表示煤量曲线，c为锅炉主控pid调节量，d为限幅限速后的agc指令，e为变负荷校正系数，f为锅炉负荷基准煤量指令，g为锅炉动态前馈煤量指令，lag为惯性滞后环节。
53.s2中，变转速制粉系统指令对应的给煤量为基准煤量和动态前馈煤量之和，其控制策略设计为开环，基准煤量由带死区的阶梯控制曲线(如图7所示)生成，其函数为：变转速制粉系统基准煤量＝f((锅炉负荷基准煤量指令-手动运行制粉系统煤量)/投运自动制粉系统台数)，动态前馈煤量由锅炉动态前馈煤量指令除以运行的变转速制粉系统套数生成。此外，如图8所示，变转速制粉系统指令的生成回路上可以设置有手动偏置功能m/a(该m/a可以为制粉系统给煤量控制手操器)，方便运行人员根据实际工况调整制粉系统出力。图8中，a表示煤量偏置，f1表示定转速制粉系统基准煤量指令，g为锅炉动态前馈煤量指令，m为运行变速制粉系统套数，≯≮表示煤量限值，f(x)表示煤量-给煤机曲线，h为变转速制粉系统指令。需要说明的是，本方法中变转速制粉系统指令h是定转速制粉系统指令f1加上动态前馈煤量指令得到的。
54.s2中，定转速制粉系统指令生成逻辑如图9所示，针对定转速制粉系统，其主要控制目标是随负荷变化逐步调整自身出力，同时补充由于变转速制粉系统开环调节而导致的调节量偏差，最终确保实际总煤量反馈与总煤量指令相等。因此，其控制策略为闭环控制，指令为“锅炉负荷基准煤量指令”与“锅炉动态前馈煤量指令”合成的总煤量指令，反馈为各套制粉系统的实际给煤量，采用pid控制，调整各台定转速制粉系统的出力。示例地，图9中，f为锅炉负荷基准煤量指令，g为锅炉动态前馈煤量指令，两者合成为锅炉总煤量指令，并结合总煤量反馈依次通过pid控制器和燃料主控手操器m/a形成定转速制粉系统指令i。此外，图9中总煤量反馈为a制粉系统给煤量n1、b制粉系统给煤量n2
…
f制粉系统给煤量n6之和，定转速制粉系统指令i包括与各定转速制粉系统其对应的指令i1、i2..i6。
55.变转速制粉系统套数的选取方式包括：首先通过开展变速磨煤机锅炉响应特性试验，获得单台变速磨煤机在某类型机组中应用能够实现的锅炉响应速度提升幅度a％，并以机组全部采用定速磨煤机运行能够达到的负荷变动速率为基准，或参考电力行业标准dl/t657-2015《火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》及区域电网并网管理规定的变负荷速率为基准，计算需要配置的变速磨煤机台数，变转速制粉系统套数的计算公式如下：
56.配置的变转速制粉系统套数＝(机组预期实现的负荷变动速率-基准负荷变动速率)/(基准负荷变动速率
×
a％)。示例地，机组配置如图2所示，其中，制粉系统c和制粉系统d为变速制粉系统，其余为定速制粉系统。
57.实施例3：
58.当机组收到调度agc指令后，锅炉需要根据需求改变出力，dcs经过指令处理和运算后调整制粉系统的出力。而制粉系统出力的改变需经历给煤量调整、磨煤机磨制煤粉、煤粉输送和燃烧等一系列过程后才能实现。根据机理模型的建模分析，制粉系统的动态过程可以描述为带纯滞后的一阶惯性环节，具体如下式所示：
[0059][0060]
式中，τ为系统的纯滞后时间，t为系统的惯性时间，k为系统的增益系数。其中，系统的纯滞后时间τ主要包含了给煤机的调节纯滞后时间以及煤粉在管道内滞留的时间，而系统惯性时间t则是磨煤机研磨的惯性时间，增益系数k则表示煤量变化与最终锅炉出力变化的比值。
[0061]
根据制粉系统的数学模型，如在制粉系统煤量改变的过程中，利用变转速磨煤机的特性调节磨煤机转速对于系统的纯滞后时间τ和惯性时间t都将产生有利的影响。在增加出力的初期，由于给煤机的滞后，在初始阶段磨煤机内燃煤存量并未改变。此时，通过提速磨煤机转速，将磨煤机内的存煤快速研磨成煤粉，同步利用一次风量的提升，可将存煤快速转化为煤粉吹入炉膛，减少系统的纯滞后时间τ；待实际进入磨煤机的给煤量增加后，由于转速调节后磨煤机的转速有所提升，则其研磨煤粉的效率将有所提高，因此整体的制粉系统惯性时间t也将被缩短。在减出力过程中采用同样的手段则将有类似效果。在某660mw机组上的试验结果表明，在增加5t/h给煤量的条件下，磨煤机同步调节转速由24r/min升至31r/min比定转速工况下纯滞后时间减少60s，约下降50％；系统惯性时间减少约40s，约下降20％；整体的响应时间可下降约30％左右。表明采用该方案提升机组的负荷响应速率是可行的。
[0062]
实施例4：
[0063]
制粉系统整体结构示意图如图1所示，该装置主要由变频器、直驱永磁电机、磨煤机、原煤斗、给煤机、输送煤粉的风管和粉管、分散控制系统(dcs)、接收调度agc指令的设备、以及相关调节阀及测量设备组成。其中，定速磨煤机改造为可调速磨煤机，dcs通过变频器控制永磁电机的转速，进而实现磨煤机转速的动态调节。制粉系统的给煤量由dcs根据调度agc指令、机组状态、及制粉系统不同特性进行调节。
[0064]
实施机组为660mw超临界火电机组，配有六套制粉系统，预实现agc提速。在改造前，该机组的变负荷速率约为8mw/min，改造后希望达到12mw/min的机组变负荷速率，单台变速磨煤机在该类型机组上应用锅炉响应能力可提升约25％。根据本发明中的设备选配方法，计算可得所需的变转速制粉系统套数为：(12mw/min-8mw/min)/(8mw/min
×
25％)＝2。故最终选取2套制粉系统改造为变速磨煤机，示意图如图2所示(c、d制粉系统选用变速磨煤机)。在变负荷过程中这2台磨煤机转速将配合煤量的变化调整，以加快制粉系统和锅炉的响应速度。同时，为了利用变速磨煤机的快速响应特性，在变负荷时合理分配常规制粉系统与变速制粉系统间的煤量，实现磨煤机负荷响应能力的整体提升。
[0065]
下面结合图10说明本发明的工作原理。上述机组将c、d套制粉系统改造为变速磨煤机，其他4套制粉系统为定速磨煤机。某日机组于500mw负荷运行，a、b、c、d、e共5套制粉系统运行，机组总给煤量为196t/h，各套制粉系统出力均为39.4t/h，变转速磨煤机的常规转速为24r/min，最高转速为31r/min，最低转速为18r/min；各套制粉系统出力上限为52t/h。某时刻起，机组接收到agc指令由500mw变为550mw，变负荷速率为12mw/min。dcs采用本发明所提出的控制策略对煤量、磨煤机转速进行控制。在变负荷过程中，机组负荷指令、总煤量指令、各套制粉系统煤量指令变化如图10所示。
[0066]
如图10所示，机组在t0时刻收到agc指令后(曲线1)，dcs根据相关逻辑对指令进行了处理，生成限幅限速后agc指令(曲线2)，同时判断得到升负荷信号对变速磨煤机的转速进行调整(曲线8)，由常规24r/min调整至最大转速31r/min；在负荷指令上升过程中，根据变负荷的幅度、速率及机组运行参数，计算生成了动态前馈煤量指令(曲线5，峰值约为19.5t/h)和负荷基准煤量指令(曲线4，由196t/h上升至216.6t/h)，二者合并共同组成变负荷过程中的煤量总指令(曲线3)。变速制粉系统由基础煤量叠加前馈动态煤量后，不再进行调整(曲线6)，配合磨煤机转速的上升能够更快的调节系统的实际出粉量，加快锅炉响应。变负荷过程中静态煤量的变化及燃料量的闭环控制完全由定转速制粉系统承担,其随着负荷基准煤量指令逐步上升(曲线7)。在t1时刻，随着基础煤量指令的上升，变转速制粉系统的基础煤量指令到达下一个阶梯值，因此其煤量以一定速率增加至新的煤量值后保持不变。定转速制粉系统为保证煤量的无差调节，其出力有所下降。后续的煤量调整继续以定速制粉系统为主。定转速制粉系统根据煤量控制pid的计算结果保证所有制粉系统的总煤量反馈与指令保持无差。在t2时刻，机组负荷指令到达目标agc指令，机组变负荷过程结束，负荷基准煤量保持在新的稳定值不变，动态前馈煤量指令逐渐恢复至0。变负荷结束后，变速磨煤机转速本应快速恢复至常规，但由于动态前馈根据计算结果以一定速率下降至0，变转速制粉系统的煤量下降相对较缓，磨煤机转速下降受到煤量变化的限制，在煤量下降后才逐步恢复至常规转速。
[0067]
综上所述，本发明利用变速直驱永磁电机驱动磨煤机代替传统的工频异步电机驱
动磨煤机，突破现有磨煤机系统的转速限制，并设计相关控制逻辑采用发挥变转速制粉系统快响应的优势，合理分配agc变负荷过程中的煤量，并配合调整磨煤机的转速，减少变出力过程中制粉环节的滞后时间，提高机组的整体响应速率。