一种基于能量平衡的锅炉前馈定量简捷计算方法技术

锅炉前馈的形成和调整是火电机组协调控制中比较关键的控制回路，在负荷变动过程中，尤其是在大范围负荷变动时，锅炉前馈和汽机前馈共同作用保证了机组负荷变动的控制效果。然而在实际的机组调试和生产过程中，锅炉前馈的形成方式和制定往往是通过有经验的热工人员试验得出，带有较大的主观性和不确定性。本发明专利技术提出了一种基于能量平衡的锅炉前馈定量简捷计算方法，该计算方法认为在火电机组负荷变动过程中锅炉前馈的生成/消失速率、锅炉前馈的最终高度和持续时间等制约锅炉前馈作用形状的参数和机组响应时间、机组蓄热利用程度、机组负荷变化速率相关。利用本发明专利技术可以快速整定锅炉前馈的特性参数，大大提高了机组协调控制系统的调整效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及火电机组的自动控制领域，具体地说是一种在火电机组的协调控制中使用的基于能量平衡的锅炉前馈定量简捷计算方法。
技术介绍
在火电机组的协调控制中一般包括锅炉主控回路和汽机主控回路，通过锅炉主控回路和汽机主控回路中的反馈控制来保证机组在正常工况下负荷和汽压在指定的位置。然而在负荷变动工况下，上述反馈控制将无法满足负荷和汽压参数的控制要求，必须通过前馈控制的手段予以改善。前馈控制主要包括两个部分静态前馈和动态前馈，静态前馈可根据各工况的静态参数得出，本专利技术中所指前馈皆为动态前馈。其中，作用于汽机主控回路中的汽机前馈用于释放机组的蓄热；作用于锅炉主控回路中的锅炉前馈用于克服燃料环节的滞后。因此锅炉前馈往往被设计为根据负荷变化的微分生成，并加以适当的限制。当负荷开始改变时，锅炉前馈产生；当负荷变化结束时，锅炉前馈消失。锅炉前馈的形成和调整是火电机组协调控制中比较关键的控制回路，在负荷变动过程中，尤其是在大范围负荷变动时， 锅炉前馈和汽机前馈共同作用保证了机组负荷变动的控制效果。然而诸如锅炉前馈作用的大小、锅炉前馈发生和复归的时机、锅炉前馈和负荷变动速率及变动范围的关系等问题，则往往需要试验进行确定和调整，带有较大的主观性和不确定性，并耗费了较长时间。锅炉前馈的形成方式和制定成为了协调控制调试中的关键点和难点。因此需要找到一种有效的锅炉前馈快速确定方法，提高机组协调控制系统的调整效率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供，通过该方法可以快速确定锅炉前馈形成的各主要特性参数，以提高机组协调控制系统的调整效率。为此，本专利技术采用如下的技术方案，其特征在于，假设火电机组蓄热能力满足负荷变动过程所需要的初期能量为Si，对锅炉前馈的相关特性进行定量计算，在计算中作如下定义和假设锅炉指令到负荷响应的滞后时间为t，其单位为min ；负荷和煤量对应关系为B，其单位为t/mw -h ；锅炉指令所允许的最大变动速率为K，其单位为mw/min ；目标负荷变动速率为R，其单位为mw/min ；目标负荷变化幅度为M，其单位为mw;由上述的定义及假设计算可知负荷变动过程所需要的初期能量Sl = KRt2/2(K-R)，其单位为mw -min ；锅炉前馈所需要达到的理论最大高度h = RtB ；锅炉前馈达到最大高度所需要的时间tl = RtB/K，其单位为min ；锅炉前馈回头时的理论时间范围为M/R-t到M/R之间，其单位为min;锅炉前馈回头时的负荷指令和负荷目标之间的偏差范围为0到Rt之间，其单位为mw。本专利技术基于能量平衡法对锅炉前馈的成因和性质进行分析，分析过程如下在不存在扰动的情况下，可以认为燃料量、蒸汽发生量和机组负荷存在确定的对应关系。假设 燃料的化学能到机组负荷的电能之间的转换是没有滞后的，那么当负荷变动时，只需要根 据确定的关系曲线对应调整锅炉出力即可。然而在实际过程中，燃料的化学能到机组负荷 的电能之间的转换存在诸多环节的滞后，仅根据目标负荷确定的关系曲线对应调整锅炉出 力将无法满足负荷控制的要求。因此需要通过前馈控制的方式来克服上述滞后，满足控制 要求。本专利技术仅根据机组响应时间、机组蓄热利用程度和机组负荷变化速率就可以定量 确定出锅炉前馈的形成/消失时间和锅炉前馈的作用高度。本专利技术计算方法的推导过程为 能量平衡法，不涉及到传递函数的分析和推导，没有复杂的高次方程求解，整个过程简单、 清晰。本专利技术计算过程中所需要的计算參数均为已知的參数或易于获取的參数，无须进行 专项特性试验，计算应用的门槛较低。下面结合说明书附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。 附图说明图1-1为无锅炉前馈下负荷变动过程。图1-2为理想锅炉前馈下负荷变动过程。图1-3为实际锅炉前馈下负荷变动过程(蓄热足够)。图1-4为实际锅炉前馈下负荷变动过程(蓄热不足)。图2-1为负荷变动过程的对比工况。图2-2为滞后时间较长的工况。图2-3为负荷变动速率较慢的工况。图2-4为负荷变动幅度较小的工况。图2-5为图2-1、2-2、2-3、2-4情况下的锅炉前馈高度对比示意图。图3为锅炉前馈的理论计算高度和实际高度对比示意图。 具体实施例方式以某机组的负荷上升过程曲线为例，通过能量平衡法对锅炉前馈的作用原理进行 分析，图1-1、1-2、1-3、1-4中所示为该过程中锅炉前馈的作用原理及对比分析示意图。从图1-1中可以看出，在负荷上升过程中，当锅炉指令完全按照负荷目标相对应 基准指令曲线变化时，由于锅炉指令转换为实际负荷存在滞后时间，实际负荷将滞后于负 荷目标。因此实际负荷和负荷目标之间的负荷偏差需要锅炉指令的前馈控制予以修正。在图1-2中，将锅炉指令前馈控制需要修正的负荷偏差理解为一种能量，该能量 可视为负荷变动过程中所需要的超前能量。考虑到锅炉指令转换为实际负荷存在滞后时 间，在负荷变动的初期将依靠机组蓄热满足该阶段的能量需求。因此将上述超前能量划分 为Sl和S2两个部分，其中Sl为机组蓄热应满足的部分，32为锅炉前馈应满足的部分。将 S2按照滞后关系对应至锅炉指令中的S2’，将Sl按照相似关系对应至锅炉指令中的Si，，可 以得出叠加理想锅炉前馈后的锅炉指令。由于锅炉指令的变化速率受到了制粉系统、炉膛压力等诸多因素的限制，在负荷变化的起始阶段，锅炉指令不可能以垂直上升的方式予以改变，而是按照允许的斜率完成变化，变化过程如图1-3中所示。可以看出，当降低锅炉指令的变化速率后，超前能量需求中的Sl部分增加，即需要更大的机组蓄热来完成负荷变动。当机组蓄热无法满足超前能量需求中Sl的增加部分时，实际负荷将不可能完全按照负荷目标曲线进行改变，图1-4中所示的实际负荷曲线表征了这种情况。在这种蓄热利用不足的情况下，很容易出现由于协调控制系统中PID控制器对负荷和汽压的修正导致实际负荷线的波动。假设机组蓄热足以满足负荷变动过程所需要的初期能量Sl对可能影响锅炉前馈的因素进行定性分析，分析的因素包括锅炉指令的滞后时间、负荷变动速率和负荷变动幅度，分析过程如图2-1、2-2、2-3、2-4、2-5中所示。图2-1为影响因素分析的对比工况，对锅炉前馈影响因素的分析均对比该工况进行，在分析过程中认为锅炉指令的初期变化速率保持不变，其锅炉前馈的形状如图2-5中的负荷变动过程的对比工况曲线A所示。1)锅炉指令的滞后时间图2-2中所示为锅炉指令滞后时间延长后的锅炉前馈情况，从图中可以看出负荷变动过程所需要的初期能量Sl增加，机组蓄热的要求增大；锅炉前馈的最大高度增加， 前馈形状如图2-5中的滞后时间较长的工况曲线B所示。2)负荷变动速率图2-3中所示为负荷变动速率降低后的锅炉前馈情况，从图中可以看出负荷变动过程所需要的初期能量Sl减小，机组蓄热的要求减小；锅炉前馈的最大高度降低，前馈形状如图2-5中的负荷变动速率较慢的工况曲线C所示。3)负荷变动幅度图2-4中所示为负荷变动速率降低后的锅炉前馈情况，从图中可以看出负荷变动过程所需要的初期能量Sl不变，机组蓄热的要求不变；锅炉前馈的最大高度相同，前馈形状如图2-5中的负荷变动幅度较小的工况曲线D所示，前馈作用时间缩短。综上所述，锅炉前馈的最大高度和机组的蓄热能力、负荷变动速率有关。锅炉前馈的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于能量平衡的锅炉前馈定量简捷计算方法，其特征在于，假设火电机组蓄热能力满足负荷变动过程所需要的初期能量为Ｓ１，对锅炉前馈的相关特性进行定量计算，在计算中作如下定义和假设：锅炉指令到负荷响应的滞后时间为ｔ，其单位为ｍｉｎ；负荷和煤量对应关系为Ｂ，其单位为ｔ／ｍｗ·ｈ；锅炉指令所允许的最大变动速率为Ｋ，其单位为ｍｗ／ｍｉｎ；目标负荷变动速率为Ｒ，其单位为ｍｗ／ｍｉｎ；目标负荷变化幅度为Ｍ，其单位为ｍｗ；由上述的定义及假设计算得知：负荷变动过程所需要的初期能量Ｓ１＝ＫＲｔ２／２（Ｋ－Ｒ），其单位为ｍｗ·ｍｉｎ；锅炉前馈所需要达到的理论最大高度ｈ＝ＲｔＢ［ｔ／ｈ］；锅炉前馈达到最大高度所需要的时间ｔ１＝ＲｔＢ／Ｋ，其单位为ｍｉｎ；锅炉前馈回头时的理论时间范围为Ｍ／Ｒ－ｔ到Ｍ／Ｒ之间，其单位为ｍｉｎ；锅炉前馈回头时的负荷指令和负荷目标之间的偏差范围为０到Ｒｔ之间，其单位为ｍｗ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张永军，陈波，罗志浩，尹峰，
申请(专利权)人：浙江省电力试验研究院，
类型：发明
国别省市：86