一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法

本发明属于热能动力系统控制优化，具体涉及给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法。

背景技术：

1、进入21世纪以来，世界能源结构向着清洁、低碳、高效、多元的方向持续发展转型。但由于风能、太阳能等可再生能源强烈的时变特性，造成我国可再生能源发电消纳困难，弃风、弃光问题严重。提高常规热能动力系统的运行灵活性，为可再生能源发电提供消纳服务，是重要的技术方向。燃煤发电将由主体能源向基础能源转变，燃煤发电机组的变负荷幅度和变负荷频率将逐渐提高。因此，热能动力系统将长期处于频繁变负荷的瞬态工况。

2、亚临界机组作为燃煤发电机组的重要组成部分，将要承担起越来越重要的调峰任务，对于其快速变负荷能力的要求越来越高。在模型仿真和电厂实际运行中，发现再热蒸汽温度的控制品质成为制约亚临界燃煤发电机组进一步提升变负荷能力的重要瓶颈。在亚临界机组快速变负荷时，再热蒸汽温度极易出现超限的问题，限制了机组灵活性的提升。如何快速有效地抑制快速变负荷过程中的再热蒸汽温度的超限问题是亚临界燃煤发电机组机炉协调控制系统优化的重要内容。

3、亚临界机组最大的特点之一是具有汽包这一重要的蓄工质和蓄能设备，使得其实现了给水流量和饱和蒸汽温度的部分解耦，还体现出有别于超临界直流机组的特征，也就意味着对于给水流量的调节不再强依赖于负荷升降和给煤量大小，而是可以在一定范围内有序适时异步的调整。而再热蒸汽温度和机组给煤量、烟气挡板开度以及再热蒸汽流量有关，给煤量的控制主要与锅炉主控信号有关，烟气挡板的调整是机组机炉协调系统中原有的再热汽温控制策略，因此在快速变负荷过程中如何快速有效地调整再热蒸汽流量成为有效控制再热蒸汽温度的关键。因此本发明提出了一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法，借助给水流量有序异步调节，改变高压加热器的抽汽流量，进而改变再热蒸汽流量，通过调整锅炉再热器内吸热的工质流量，最终实现快速调整再热蒸汽温度的目的，本发明可以大幅改善亚临界机组快速变负荷过程中出现的再热蒸汽温度超温问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法，亚临界燃煤发电机组由亚临界锅炉系统和汽轮机系统构成，亚临界锅炉系统和汽轮机系统之间通过m个工质进、出口相连；

4、所述给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法包括如下步骤：

5、步骤一：数据采集

6、采集汽轮机系统流经高压回热加热器的给水流量测量数据mfw；

7、采集亚临界锅炉系统和汽轮机系统之间的m个工质进、出口热力参数，包括m个工质流进入锅炉的温度和压力tin,i、pin,i、工质流离开锅炉的温度和压力tout,i、pout,i，其中i＝1—m；

8、采集汽轮机系统的z级回热加热器的热力参数，包括给水侧各级回热加热器前后的温度tw,in,i、tw,out,i；抽汽侧各级抽汽的温度ts,i、ps,i与各级回热加热器疏水的温度td,i，其中i＝1—z；

9、采集汽轮机系统的给水泵后给水压力pfp和亚临界锅炉系统的省煤器入口给水压力peco,in；

10、步骤二：数据预处理

11、将步骤一采集的数据进行数据清洗；

12、步骤三：计算各点工质焓值

13、利用温度和压力数据，通过热物性计算得到各点工质焓值，包括锅炉m个工质流进、出口的焓值hin,i和hout,i，其中i＝1—m；给水侧各级回热加热器进口水的焓值hw,in,i和出口水的焓值hw,out,i；抽汽侧各级抽汽的焓值hs,i；各级加热器疏水的焓值hd,i，其中i＝1—z；

14、步骤四：计算初始状态各次再热蒸汽流量

15、计算单位给水流量变化前的亚临界机组各次再热蒸汽流量，使用以下两种方法进行计算，一是采用弗留格尔公式实时计算各次再热蒸汽流量；二是采用达西-魏斯巴赫公式，结合各次再热蒸汽热段管道特性，计算得到亚临界燃煤发电机组各次再热蒸汽流量；

16、步骤五：计算单位给水流量变化时产生的抽汽流量变化量和单位给水流量变化后的各次再热蒸汽流量；

17、首先计算在单位给水流量变化前的各级高压加热器抽汽流量：

18、

19、

20、

21、

22、式中：mse1、mse2、mse3、mse(i-1)和msei分别是no.1、no.2、no.3、no.i-1和no.i加热器抽汽流量，kg/s；mfw是未经过调节的给水流量，kg/s；τ1、τ2、τ3和τi分别是no.1、no.2、no.3和no.i加热器的给水焓升，kj/kg；q1、q2、q3和qi分别是no.1、no.2、no.3和no.i加热器的抽汽焓降，kj/kg；γ2、γ3和γi分别是no.2、no.3和no.i加热器的疏水焓降，kj/kg；

23、然后计算单位给水流量变化后的各级高压加热器抽汽流量：

24、

25、

26、

27、

28、式中：m′se1、m′se2、m′se3、m′se(i-1)和m′sei分别是单位给水流量变化后的no.1、no.2、no.3、no.i-1和no.i加热器抽汽流量，kg/s；

29、各级加热器的给水吸热量τi、抽汽放热量qi和疏水放热量γi采用能量平衡方法计算。

30、再计算单位给水流量变化后的各级高压加热器抽汽流量的变化量：

31、

32、

33、

34、

35、式中：δmse1、δmse2、δmse3、δmse(i-1)和δmsei分别是单位给水流量变化前后no.1、no.2、no.3、no.i-1和no.i加热器抽汽流量变化量，kg/s；

36、随后计算单位给水流量变化后的各次再热蒸汽流量：

37、

38、m′rs,j＝mrs,j+δmrs,j

39、式中：δmrs,j是单位给水流量变化前后第j次再热蒸汽流量变化量，kg/s；n为影响第j次再热蒸汽流量的高压加热器数量；m′rs,j是单位给水流量变化后的第j次再热蒸汽流量，kg/s；

40、步骤六：结合上述计算过程中得到的单位给水流量变化前后的各次再热蒸汽流量，借助亚临界燃煤发电机组各次再热蒸汽在锅炉再热器中的能量平衡方程，计算单位给水流量变化前后的各次再热蒸汽出口温度变化预测值：

41、qrh,j＝crs,jmrs,j(trhout,j-trhin,j)

42、

43、δtrhout,j＝t′rhout,j-trhout,j

44、式中：qrh,j是第j次再热蒸汽在锅炉再热器中的总吸热量，kj/s；crs,j是第j次再热蒸汽在锅炉再热器中的平均比热容，kj/(kg·k)；trhout,j是单位给水流量变化前的第j次再热蒸汽出口温度，℃；t′rhout,j是单位给水流量变化后的第j次再热蒸汽出口温度，℃；trhin,j是第j次再热蒸汽入口温度，℃；δtrhout,j是单位给水流量变化前后的第j次再热蒸汽出口温度变化预测值，℃；

45、步骤七：

46、借助实时采集的各次再热蒸汽出口温度，计算得到其与设定值之间的偏差，结合步骤六计算得到的单位给水流量变化前后的各次再热蒸汽出口温度变化预测值，通过下述预设函数计算得到对给水流量的调节量，作为机炉协调控制系统中给水流量控制的前馈量，从而建立给水流量调节控制各次再热蒸汽温度的控制逻辑；

47、δtrhout,dev,j＝trhout,set,j-trhout,rt,j

48、

49、式中：δtrhout,dev,j为实时采集并计算得到的第j次再热蒸汽出口温度与设定温度之间的偏差，℃；trhout,set,j为第j次再热蒸汽出口温度设定值，℃；trhout,rt,j为第j次再热蒸汽出口温度实时值，℃；δmfw,j为第j次再热蒸汽温度偏差对锅炉给水流量调节的前馈值，kg/s；krs,fwr,j为第j次再热蒸汽温度偏差对给水流量调节前馈调节系数；

50、最终再热蒸汽温度偏差对锅炉给水流量调节的总前馈值等于各次再热蒸汽温度偏差对给水流量调节的前馈量之和：

51、

52、式中：δmfw为再热蒸汽温度偏差对锅炉给水流量调节的总前馈值，kg/s；

53、亚临界机组机炉协调控制系统中对于给水流量的控制是借助汽包实时水位与设定水位的偏差实现的，在给水流量控制逻辑中引入再热蒸汽温度偏差前馈，借助各次再热蒸汽实时温度偏差，通过实时计算得到的单位给水流量变化时各次再热蒸汽温度变化预测值，结合各次再热蒸汽偏差对给水流量的前馈调节系数，最终得到再热蒸汽温度偏差对给水流量调节的总前馈量，从而形成通过给水流量前馈调节控制再热蒸汽温度的优化控制逻辑；

54、配合亚临界机组自动控制系统原有再热蒸汽温度控制逻辑，能够在快速变负荷时更有效的控制再热蒸汽温度，以提高亚临界机组变负荷速率，对于亚临界运行灵活性的提高具有重要意义。

55、优选的，所述步骤二中关于数据清洗的具体方法包括：

56、(1)数据降噪方法采用均值滤波、中值滤波、小波变换、连通图法、支持向量机和卡尔曼滤波方法，对原始运行数据进行降噪处理；

57、(2)对数据空缺值进行填充，对数据异常值进行修正，对数据错误值进行剔除；

58、(3)结合热能动力系统实际运行过程中的变化规律与物理机理，分析热能动力系统中不可或缺的重要基础参数的大小及变化趋势，对多测点的数据选择更为精确的测点，对于与热能动力系统基础数据变化相悖的数据点进行数据修正或舍去，最终完成整个运行数据库的数据清洗工作。

59、优选的，所述步骤三中通过热物性计算各级加热器疏水的焓值hd,i，但各级加热器的疏水压力pd,i缺少测点，因此按照各级抽汽压力ps,i的95％进行计算，即

60、pd,i＝0.95ps,i

61、步骤三中需要通过热物性计算给水侧各级回热加热器进口水的焓值hw,in,i和出口水的焓值hw,out,i，但各级回热加热器进口水的压力pw,in,i和出口水的压力pw,out,i，缺少测点，则采用给水泵后给水压力pfp和省煤器入口给水压力peco,in来计算获得，即给水调节影响高压加热器，

62、

63、

64、其中，i＝1—k-1。

65、优选的，所述步骤四中关于亚临界燃煤发电机组运行过程中采用弗留格尔公式实时计算机组各次再热蒸汽流量的具体方式如下：

66、当使用弗留格尔公式进行计算时，需要使用亚临界燃煤发电机组dcs系统采集的汽轮机第j级再热蒸汽进口实时压力prs,j、温度trs,j和汽轮机低于第j级再热蒸汽进口压力的最近一级抽汽实时压力prs2,j。借助机组设计工况下的汽轮机第j级再热蒸汽进口压力prs0,j、温度trs0,j和汽轮机低于第j级再热蒸汽进口压力的最近一级抽汽压力prs20,j，结合机组设计工况下的第j级再热蒸汽流量mrs0,j，利用以下公式即可得到机组实时的第j级再热蒸汽流量mrs,j。

67、

68、式中：mrs,j和mrs0,j分别为亚临界燃煤发电机组第j次再热蒸汽实时流量和设计工况下的第j次再热蒸汽流量，kg/s；prs,j和prs0,j分别是汽轮机第j次再热蒸汽进口实时压力和设计工况下的汽轮机第j次再热蒸汽进口压力，mpa；prs2,j和prs20,j分别是汽轮机低于第j次再热蒸汽进口压力的最近一级抽汽实时压力和设计工况下的汽轮机低于第j次再热蒸汽进口压力的最近一级抽汽压力，mpa；trs,j和trs0,j分别是汽轮机第j次再热蒸汽进口实时温度和设计工况下的汽轮机第j次再热蒸汽进口温度，℃。

69、优选的，所述步骤四中关于亚临界燃煤发电机组运行过程中采用达西-魏斯巴赫公式实时计算亚临界燃煤发电机组各次再热蒸汽流量的具体方式如下：

70、首先按照达西-魏斯巴赫公式的基本形式进行推导，根据管道流动特性，得到管道前后压差与管内流体流速的关系如下：

71、

72、式中：λ为沿程阻力系数即达西摩擦因子；l为管道长度，m；d为管道直径，m；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体流速，m/s；

73、因此能够计算得到各次再热蒸汽体积流量与再热蒸汽热段管道前后压差的关系：

74、

75、式中：drsv,j为第j级再热蒸汽体积流量，m3/s；rrsp,j为第j次再热蒸汽热段管道内部半径，m；λrsp,j为第j次再热蒸汽热段管道沿程阻力系数(达西摩擦因子)；lrsp,j为第j次再热蒸汽热段管道长度，m；

76、最后计算得到再热蒸汽质量流量：

77、

78、借助亚临界燃煤发电机组设计工况下的第j级再热蒸汽热段管道前后压差δprsp0,j、第j级再热蒸汽热段的密度ρrsp0,j，结合设计工况下的第j级再热蒸汽流量mrs0,j，利用下式计算得到机组第j级再热蒸汽实时流量mrs,j：

79、

80、式中：δprsp,j和δprsp0,j分别是亚临界燃煤发电机组第j次再热蒸汽热段管道实时压降和设计工况下的第j次再热蒸汽热段管道压降，mpa；ρrsp,j和ρrsp0,j分别是亚临界燃煤发电机组第j次再热蒸汽实时密度和机组设计工况下的第j次再热蒸汽密度，kg/m3。

81、优选的，所述步骤五中各级加热器的给水吸热量τi、抽汽放热量qi和疏水放热量γi的具体计算方法如下：

82、根据能量平衡的原则，可以得到高压回热加热器的给水吸热量τr、抽汽放热量qr和疏水放热量γr，计算方法如下：

83、1)对于疏水放流式加热器：

84、τr＝hw,out,r-hw,in,r

85、qr＝hs,r-hd,r

86、γr＝hd,r-1-hd,r

87、2)对于汇集式加热器：

88、τr＝hw,out,r-hw,in,r

89、qr＝hs,r-hw,in,r

90、γr＝hd,r-1-hw,in,i

91、式中：hw,out,r为第r级回热加热器出口给水焓值，kj/kg；hw,in,r为第r级回热加热器进口给水焓值，kj/kg；hs,r为第r级回热加热器抽汽焓值，kj/kg；hd,r为第r级回热加热器疏水焓值，kj/kg；hd,r-1为第r-1级回热加热器疏水焓值，kj/kg；

92、接下来借助回热加热器能量平衡分别得到单位给水流量变化前后的各级抽汽流量，从而计算得出各次再热蒸汽流量变化量；再借助此时各次再热蒸汽实时流量，计算得到单位给水流量变化后的亚临界机组各次再热蒸汽流量；

93、优选的，所述步骤七中使用前述步骤计算得到的单位给水流量变化前后的各次再热蒸汽温度变化预测值和机组实时采集并计算的各次再热蒸汽温度偏差对给水流量的具体控制方法：

94、使用此时单位给水流量变化时各次再热蒸汽温度变化预测值和各次再热蒸汽实时温度与设定温度的偏差值，通过预设函数计算得到各次再热蒸汽温度偏差对给水流量的前馈量；

95、

96、最终再热蒸汽偏差对锅炉给水调节的总前馈值等于各次再热蒸汽偏差对给水流量调节的前馈量之和：

97、

98、亚临界机组机炉协调控制系统中对于给水流量的控制是借助汽包实时水位与设定水位的偏差实现的，在给水流量控制逻辑中引入再热蒸汽温度偏差前馈，借助各次再热蒸汽实时温度偏差，通过实时计算得到的单位给水流量变化时各次再热蒸汽温度变化预测值，结合适当的各次再热蒸汽偏差对给水流量的前馈调节系数，最终得到再热蒸汽温度偏差对给水流量调节的总前馈量，从而形成通过给水流量前馈调节控制再热蒸汽温度的优化控制逻辑。

99、本发明的有益效果在于：本发明采用给水流量有序异步调节的方法来调控亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度，首先采集亚临界燃煤发电机组分布式控制系统中的热力参数实时数据，使用包括数据降噪、错误值删除、异常值修正和空白值填充以及机理分析数据辨识等在内的数据处理方法进行机组采集运行数据清洗；而后通过高压加热器能量平衡，计算单位给水流量变化时各级高加抽汽量的变化，随即得到机组各次再热蒸汽流量的变化量，借助计算得到的再热蒸汽吸热量，再运用锅炉再热器能量平衡分析方法，最终得到单位给水流量变化时各次再热蒸汽温度的变化预测值。同时机组采集并计算各次再热蒸汽温度的实时偏差，获得亚临界机组再热蒸汽温度偏差对于锅炉给水控制的前馈量。借助亚临界机组汽包这一重要蓄工质和蓄能设备，解放给水流量的调节范围，可以实现在升降负荷时的给水流量的有序异步调节。通过给水流量有序异步调节补充优化亚临界机组再热蒸汽温度自动控制逻辑，可以在机组快速变负荷时有效防止再热蒸汽温度超限的问题，消除再热汽温超限这一限制机组变负荷速率进一步提高的瓶颈，进而提高机组运行灵活性。

100、本发明的优点

101、1)本发明提供了一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法，其优点体现在对于机组各次再热蒸汽实时流量的计算方法上：本发明提供了两种再热蒸汽流量计算方法，分别是使用弗留格尔公式实时计算机组各次再热蒸汽流量和使用达西-魏斯巴赫公式实时计算机组各次再热蒸汽流量，借助这两种再热蒸汽流量计算方法，可以在机组瞬态过程中实现对蒸汽流量的迅速高效计算，对于后续计算各次再热蒸汽温度变化预测值提供数据支撑；

102、2)本发明提供了一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法，其优点体现在对于给水流量变化时再热蒸汽流量变化预测值的计算方法上：本发明首先借助高压回热加热器能量平衡，计算了单位给水流量变化时的各次再热蒸汽的流量变化，又通过锅炉再热器能量平衡分析方法，计算得到各次再热蒸汽流量变化对于其出口温度的影响，最终计算得到单位给水流量调节对应的再热蒸汽温度变化预测值，对于后续温度偏差对给水流量前馈量的计算具有重要意义；

103、3)本发明提供了一种给水流量有序异步调节的亚临界燃煤发电机组再热蒸汽温度的控制方法，通过机组分布式控制系统采集的热力参数实时数据，分析了给水流量变化时对于机组再热蒸汽温度的影响机理，并公开了单位给水流量变化亚临界机组再热蒸汽温度变化预测值的计算方法，同时采集并计算机组再热蒸汽温度偏差，经过修正最终得到再热蒸汽温度偏差对亚临界机组给水流量调节的前馈量，实现依靠给水流量有序异步调节对再热蒸汽温度的调控。当再热蒸汽温度偏差迅速增大时，根据温度实时偏差与温度变化预测值的比例关系，有序适时的同给煤量变化异步地增加或减少给水流量，以抑制再热汽温偏差的增大；且当再热蒸汽温度偏差减小时，再根据偏差与预测值的比例关系，依次有序地减少温度偏差的前馈量；通过以上再热蒸汽温度前馈给水流量调节方案，对应不同的再热蒸汽温度偏差可以合理适时的进行不同程度的给水流量调节，从而更科学的调度各个能流在热能动力系统内部合理流动，最终提升再热蒸汽温度控制效果。