專利名稱：整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于設(shè)備控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法。
背景技術(shù)：
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)是一種結(jié)合了煤氣化技術(shù)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)的新 型發(fā)電技術(shù)，由于其煤氣化階段設(shè)計的特殊的污染物脫除工藝以及燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)對 能量的梯級利用特性，因此相對于常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電具有污染物 排放少并且發(fā)電效率高的優(yōu)點，是具有廣泛應(yīng)用前景的潔凈煤發(fā)電技術(shù)，目前國內(nèi)外對其相 關(guān)技術(shù)的研究已成為熱點，我國已將IGCC技術(shù)的研究列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計 劃)，在十一五期間完成多個示范工程。
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)結(jié)合了煤氣化技術(shù)和燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術(shù)，因此整個電 站涉及設(shè)備數(shù)量眾多，許多設(shè)備又涉及到多種非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程，時間常數(shù)相差也很 大，而目前大戰(zhàn)中的許多設(shè)備，特別是氣化爐系統(tǒng)，其理論研究和工程應(yīng)用均不成熟。從發(fā) 展趨勢來看，與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組一樣，IGCC電站也需要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，而不是承擔(dān)基 本負(fù)荷，這就要求IGCC電站與常規(guī)燃煤電站一樣，能夠在保證機(jī)組穩(wěn)定運行的條件下進(jìn)行 快速的負(fù)荷響應(yīng)。在IGCC電站中，包含了氣化島和動力島這兩個時間常數(shù)差異巨大的子系 統(tǒng)，給控制系統(tǒng)的設(shè)計造成了很大的困難，設(shè)計合理的IGCC電站協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng) 較快的負(fù)荷響應(yīng)速度并維持系統(tǒng)穩(wěn)定，對于清潔高效的IGCC電站的廣泛推廣應(yīng)用具有重要 意義。目前國內(nèi)外對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究基本沒有報道，更加沒 有形成詳細(xì)的控制方法詳細(xì)介紹以及控制器參數(shù)調(diào)節(jié)等詳細(xì)實施步驟。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對現(xiàn)有整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站控制技術(shù)的不足，提出一種整體煤 氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，在保證電站穩(wěn)定的條件下，實現(xiàn)負(fù)荷的快速自動調(diào)節(jié)， 該方法設(shè)置主控制器和子控制器，控制功能邏輯劃分清楚且貼近實際，可以非常方便地在現(xiàn) 有控制系統(tǒng)軟硬件平臺上進(jìn)行工程實施。
技術(shù)方案該方法針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站設(shè)備繁多且各設(shè)備時間常數(shù)相差巨大的 特點，通過對電站主要被控對象模型的建立以及時間常數(shù)分析，針對性地建立了一種協(xié)調(diào)控 制方法，該方法采用梯級分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置有上層的主控制器即協(xié)調(diào)控制器和下層的 子控制器即包括氣化島子控制器和動力島子控制器，由主控制器進(jìn)行主控指令的運算并傳遞 給下層子控制器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的控制，下層子控制器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各自其他主要被控變量的 調(diào)節(jié)；該控制方法協(xié)調(diào)電站氣化島和動力島各設(shè)備的運行，在保證電站穩(wěn)定和安全的前提下
實現(xiàn)電站負(fù)荷自動調(diào)節(jié)；該方法整個過程分為具有如下特征的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制器參數(shù) 調(diào)整兩個階段
3在控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先對電站各主要設(shè)備確定被控量和操縱變量，然后對個設(shè) 備每一個輸入通道進(jìn)行穩(wěn)定工況下的擾動試驗，擬合各個設(shè)備模型，并確定各設(shè)備時間常數(shù)， 根據(jù)設(shè)備模型，設(shè)計子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)；在設(shè)計完成氣化島和動力島的子控制器后，根據(jù)兩 種主控制器協(xié)調(diào)控制方案，選擇相應(yīng)的操縱變量和被控變量配對關(guān)系，設(shè)計上層的協(xié)調(diào)控制 系統(tǒng)，接收外界負(fù)荷指令以及機(jī)組實發(fā)功率、電站煤氣壓力反饋和當(dāng)前電站設(shè)備狀態(tài)信號， 進(jìn)行煤氣壓力設(shè)定，經(jīng)過主控制器的運算，輸出指令至下層的子控制器，協(xié)調(diào)氣化島和動力 島的運行；
在協(xié)調(diào)控制方法參數(shù)調(diào)整過程中，首先根據(jù)氣化島和動力島的數(shù)學(xué)模型(特別是其時間 常數(shù))以及各自子控制器的控制結(jié)構(gòu)，按照工程整定方法進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整，然后將各 控制回路逐一投入閉環(huán)運行，進(jìn)行設(shè)定值階躍擾動試驗，再對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)；在氣化 島和動力島子控制器參數(shù)調(diào)整完成后，進(jìn)行主控制器即協(xié)調(diào)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，將子控制器 投入自動，使用工程整定法進(jìn)行負(fù)荷和壓力主調(diào)節(jié)器參數(shù)以及主控制回路中的前饋控制器參 數(shù)的整定，后將主控制器也投入自動，通過階躍擾動實驗進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)，最終完成整個系統(tǒng) 控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
所述的主控制器兩種不同的協(xié)調(diào)控制方案具體為
① 采用氣化島進(jìn)行電站煤氣壓力戶04S的調(diào)節(jié)，而采用動力島進(jìn)行電站負(fù)荷A^的調(diào)節(jié)， 快速進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，并且在壓力調(diào)節(jié)中加入機(jī)組負(fù)荷指令A(yù)^的比例加微分前饋信號，以保證 煤氣壓力調(diào)節(jié)的快速性，這種方法稱為以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法；
② 采用氣化島進(jìn)行電站負(fù)荷A^的調(diào)節(jié)，而采用動力島進(jìn)行電站煤氣壓力尸o^的調(diào)節(jié)， 快速進(jìn)行煤氣壓力調(diào)節(jié)，并且在電站負(fù)荷調(diào)節(jié)中加入負(fù)荷指令W。的比例加微分前饋信號和電 站煤氣壓力尸G必的比例加微分前饋信號，以保證負(fù)荷調(diào)節(jié)的快速性。這種方法稱為以動力島 跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法；
主控制器中采用的這兩種方法在同一時刻只能有一種投入自動，可以根據(jù)需要進(jìn)行無擾 切換，以滿足不同運行情況下的協(xié)調(diào)控制要求，同時由于手動方式的輸出自動跟蹤自動方式 的輸出，因此兩種方式的切換過程是無擾的。
主控制器和子控制器所采用的基本控制算法均為分散比例積分微分控制方法，采用單回 路控制算法結(jié)合前饋控制，容易被運行和技術(shù)人員所理解和掌握，并且可以方便地在現(xiàn)有控 制系統(tǒng)軟硬件平臺上實施、修改和維護(hù)。
有益效果采用本發(fā)明中公開的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法對電站進(jìn)行協(xié) 調(diào)控制，具有以下有益的效果
(1) 根據(jù)對象特性進(jìn)行的調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)設(shè)計以及參數(shù)整定，可以協(xié)調(diào)不同時間常數(shù)的設(shè)備運 行，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定以及設(shè)備安全的前提下，使得電站實發(fā)功率快速跟蹤外界負(fù)荷指令，使 系統(tǒng)運行更加平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)和安全，由于電站自動化程度的提高，還可以有效減輕運行人員的 操作強(qiáng)度；
(2) 整個控制系統(tǒng)不管是主控制器還是各個子控制器，均采用常規(guī)的比例積分微分控制規(guī) 律，加以必要的前饋調(diào)節(jié)器等，電站運行人員和技術(shù)人員容易理解和接受，并且可以很方便 地在現(xiàn)有控制系統(tǒng)軟硬件平臺上實施、修改和維護(hù)。同時，由于比例積分微分控制是各種高 級控制策略分級控制結(jié)構(gòu)的底層和后備方案，本發(fā)明提出的協(xié)調(diào)控制方法的實施可以方便未 來高級控制策略的實施。


圖1是整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是氣化島子控制器控制策略示意圖。
圖3是動力島子控制器控制策略示意圖。
圖4是主控制器中以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的控制方法示意圖。
圖5是主控制器中以動力島跟隨為基礎(chǔ)的控制方法示意圖。
圖6是實施例中對某整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站進(jìn)行變負(fù)荷試驗的被控量的輸出曲線。 圖7是實施例中對某整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站進(jìn)行變負(fù)荷試驗的操縱變量變化曲線。
具體實施例方式
該方法針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站被控對象中的氣化島與動力島設(shè)備的不同特性，設(shè) 計出一種可以有效協(xié)調(diào)不同時間常數(shù)設(shè)備運行的協(xié)調(diào)控制方法。該方法包含兩種控制策略 一種是采用氣化島對電站煤氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持壓力以及整個電站的穩(wěn)定，而采用動力 島對電站實發(fā)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證機(jī)組實發(fā)功率能夠快速跟蹤外界負(fù)荷指令的變化的控制方 法，稱為以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法；另一種是采用動力島對電站煤氣壓力進(jìn)行調(diào) 節(jié)，以保持壓力以及整個電站的穩(wěn)定，而采用氣化島對電站實發(fā)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證機(jī)組實 發(fā)功率快速跟蹤外界負(fù)荷指令的變化的控制方法，稱為以動力島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法， 這兩種方法可以根據(jù)需要進(jìn)行無擾切換。本發(fā)明所提出的協(xié)調(diào)控制方法可以保證電站安全經(jīng) 濟(jì)運行，并降低運行人員的勞動強(qiáng)度，同時，該方法可以非常方便地實施。
該協(xié)調(diào)控制方法主要分為以下兩個階段
① 在協(xié)調(diào)控制方法設(shè)計過程中，首先對電站各主要設(shè)備確定被控量和操縱變量，然后對 個設(shè)備每一個輸入通道進(jìn)行穩(wěn)定工況下的擾動試驗，擬合各個設(shè)備模型，并確定各設(shè)備時間 常數(shù)，根據(jù)設(shè)備模型，設(shè)計子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，為方便實施和調(diào)試， 一般采用分散比例積分 微分控制。氣化島和動力島的子控制器設(shè)計完成后，可以設(shè)計上層的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，接收外 界負(fù)荷指令和當(dāng)前電站設(shè)備狀態(tài)信號，進(jìn)行煤氣壓力設(shè)定，經(jīng)過運算，輸出指令至下層的子 控制器，協(xié)調(diào)氣化島和動力島的運行。
② 在協(xié)調(diào)控制方法參數(shù)調(diào)整過程中，首先根據(jù)氣化島和動力島的數(shù)學(xué)模型(特別是其時 間常數(shù))以及各自子控制器的控制結(jié)構(gòu)，按照工程整定方法進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整，然后將 各控制回路逐一投入閉環(huán)運行，進(jìn)行設(shè)定值階躍擾動試驗，再對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)。在氣 化島和動力島子控制器參數(shù)調(diào)整完成后，進(jìn)行主控制器(協(xié)調(diào)控制器)參數(shù)的調(diào)節(jié)，將子控 制器投入自動，使用工程整定法進(jìn)行負(fù)荷和壓力主調(diào)節(jié)器參數(shù)以及主控制回路中的前饋控制 器參數(shù)的的整定，后將主控制器也投入自動，通過階躍擾動實驗進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)，最終完成整 個系統(tǒng)控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，采用主控制器和氣化島和動力島子控制器分 層結(jié)合的方法對整個電站進(jìn)行自動控制，在保證電站設(shè)備安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)負(fù)荷的快 速跟蹤，有效減輕運行人員的操作強(qiáng)度。本發(fā)明所提出的協(xié)調(diào)控制方法的整體結(jié)構(gòu)以及整體 煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站主要設(shè)備和流程示意圖如圖1所示。從圖中可以很清楚地看到整個電站 設(shè)備可以劃分為氣化島和動力島兩部分，其中氣化島主要包括氣化爐系統(tǒng)、空分裝置(只針 對氧氣氣化工藝)以及煤氣凈化除塵裝置等；動力島即為常規(guī)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，主
5要包括燃?xì)廨啓C(jī)即其配套發(fā)電機(jī)、余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)等設(shè)備。本發(fā)明說提 出的協(xié)調(diào)控制方法涉及的控制器分為兩個層次，即上層的主控制器(也稱為協(xié)調(diào)控制器)和 下層的子控制器，主控制器接收負(fù)荷調(diào)度指令、煤氣壓力設(shè)定值、煤氣壓力反饋和機(jī)組實發(fā) 功率反饋等信號，根據(jù)機(jī)組目前運行狀態(tài)通過一定的算法計算出氣化島的給料指令和動力島 燃?xì)廨啓C(jī)的調(diào)門開度指令，分別送入下層各子控制器，各子控制器將接收的指令經(jīng)過處理后， 送入各自執(zhí)行器對所屬設(shè)備進(jìn)行控制，同時，子控制器還需要完成各系統(tǒng)所包含設(shè)備本身被 控變量的調(diào)節(jié)任務(wù)，如氣化島的煤氣熱值、氣化爐溫度等控制，動力島的燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度 控制等。
本發(fā)明提出的控制方法主要分為兩個方面 一是根據(jù)設(shè)備特性的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證 控制方法的合理性和有效性；二是根據(jù)設(shè)備實際運行特性的控制器參數(shù)調(diào)整，以保證各設(shè)備 運行平穩(wěn)性和對負(fù)荷的快速響應(yīng)能力。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步 描述。
實施例某整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)示范電站，采用額定負(fù)荷87MW的空氣氣化氣流床氣化 爐及其配套燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)，氣化爐主要被調(diào)量包括出口煤氣熱值、煤氣壓力、氣 化爐溫度以及氣化爐床料量，主要操縱變量包括氣化爐給煤量、氣化爐入爐石灰石量、氣 化爐空氣量、氣化爐排渣量和氣化爐入爐蒸汽量等，系統(tǒng)主要擾動為入爐煤煤質(zhì)變化以及下 游用氣量變化所引起的煤氣壓力變動，氣化島結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)采 用重型單軸燃?xì)廨啓C(jī)和無補(bǔ)燃的余熱鍋爐及其配套蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)采用轉(zhuǎn)速/負(fù)荷控制、 加速度控制和溫度控制取小的燃料控制方法，為保證進(jìn)入余熱鍋爐煙氣溫度，采用可調(diào)節(jié)的 入口導(dǎo)葉進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度調(diào)節(jié)，動力島結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
在控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，首先對系統(tǒng)進(jìn)行了建模，具體過程如下
采用系統(tǒng)辨識方法針對氣化爐進(jìn)行了建模，其在100%和50%工況點上離散狀態(tài)空間模型
為
100%工況點上的基準(zhǔn)模型
<formula>formula see original document page 6</formula>"&娜464082 A腳-25.柳03073 Q22 5 17.鄉(xiāng)-57 0 Ol00BO 3Q11163Q鄉(xiāng)-1485792 II.抑I227S5 31.咖-13.4318
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■0.4771-7細(xì)■6.95340.10720.0030■0.0069000745.0861-1.6963 633264.2149■0.3806 029600.5887-3.6192-3.3128■4.4521
禍
0.1218 "0.2647 0.1711 0.75%
o郷-l艦1.9488 0.2770-1.3075 "0.05650.0982 "0.0091
0.0976■0.16650.41397.8519-2.8201 -31.9888 10.2214力9361■0.29790.3436德3645.5201-13.2953 47.粉542.^72 -3.8746
0.01670.0352■0.0768■8.75142柳1 21.4970-10.6J54 0.9563
■0.9344 -1.2374 1.0881 "Q21粉0.0319 -U1926 17.4166 18.4455 65.7868 -96.8185 0.5644 -16.2725 -23.3534 11.6735 4.7419
0000_
0000
0
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2t幼125730 -l.柳03523 0.0051力咖1 "Q鵬571啦-19.1450 47柳3Q柳-2%13 2!艦"80*175及3572 L柳7t.糊
"Q01T6棚l QDm "Q鵬Q咖心0833 QOlTt《1172 "Q0B7 0.CM7 "Q啦"Q15S9 QC6 25QS 4Z08E 41溯06282 ^Q0S6 Q1398 "Q4ffl8 34.柳-11.6S77-39.效1 27ffi86 -2柳1.1518 122X ;Q咖"QQS6《鵬Q00Q5 Q咖"Q咖Cl咖(KE47 "QO0E "Q鵬Qffill柳19 Q0069《0078 "Q01T5 "Q(219 40277
這是一個四輸入四輸出的多變量系統(tǒng)，所采用的輸入為排渣量、給煤量、空氣量和蒸 汽量，而輸出為煤氣熱值、煤氣壓力、床料量和氣化爐溫度。為設(shè)計合理的氣化島子控制器， 對系統(tǒng)進(jìn)行相對增益矩陣分析，相對增益矩陣A的計算可以按照如下的簡便方法進(jìn)行
/ i、T
其中/:表示系統(tǒng)開環(huán)增益矩陣，可以通過穩(wěn)定工況下的階躍擾動試驗方便地獲得，*表示
矩陣對應(yīng)元素的相乘，即矩陣的/fo&附aW乘積。
在100%工況下，對系統(tǒng)四個輸入分別做10%指令階躍增試驗，通過系統(tǒng)響應(yīng)曲線分析，
可以得到系統(tǒng)開環(huán)增益矩陣/:
.14328 -46238 22239 -54097 — -5743.9 —1388.4 4692 —692.55
《-
-671.8 13664 1406.3 7562.9 -2.283 20.695 -18.503 -44.876
利用上式，可以計算在100%工況下系統(tǒng)的RGA如表1所示:
7表1 100%工況下相對增益矩陣分析
排渣量空氣量給煤量蒸汽量
煤氣熱值0.2471-0.14540.46390.4343
床料量0.77160.00520.21370細(xì)5
煤氣壓力-0.03910.96700.1281-0.05卯
氣化爐溫度0扁30.17030.19420.6152
根據(jù)相對增益矩陣分析的結(jié)果，可以得到所需操縱變量和被控變量之間的搭配關(guān)系，艮卩
(1) 煤氣熱值由氣化爐給煤量調(diào)節(jié)，煤量的改變影響產(chǎn)物可燃物質(zhì)的成分，從而影響煤 氣的焓值；
(2) 床料由排渣量來調(diào)節(jié)，排渣量的變化影響到總的物料平衡；
(3) 煤氣壓力由空氣量調(diào)節(jié)，空氣量的變化可以快速改變煤氣壓力；
(4) 氣化爐溫度由蒸汽量調(diào)節(jié)，蒸汽量的變化可以快速改變氣化爐系統(tǒng)的溫度。 根據(jù)以上配對關(guān)系，可以初步確定氣化島子控制器結(jié)構(gòu)，在各個通道采用單回路比例積
分微分控制，便于實施和參數(shù)調(diào)整。
對于動力島而言，最主要的設(shè)備為燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)模型和基本控制系統(tǒng)如圖3所示， 相對于氣化島而言，通過對燃?xì)廨啓C(jī)建模可以發(fā)現(xiàn)，其模型時間常數(shù)很小(一般都在10秒以
內(nèi))，其子控制器結(jié)構(gòu)也基本固定，燃料量的調(diào)節(jié)采用經(jīng)典的負(fù)荷/轉(zhuǎn)速控制、溫度控制以及加 速度控制取小的方式生產(chǎn)控制指令，設(shè)置可調(diào)節(jié)的入口導(dǎo)葉對排氣進(jìn)行控制，需要注意的是
為維持零負(fù)荷下的空載運行，燃料量指令有低限保護(hù)，即燃料量最低為0.23(歸一化后數(shù)值)。 對于主控制器設(shè)計的設(shè)計，為保證負(fù)荷的快速響應(yīng)同時兼顧煤氣壓力的穩(wěn)定性，以及滿 足不同運行條件下的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入要求，本發(fā)明在主控制器中設(shè)計了兩種可以根據(jù)需要 進(jìn)行無擾切換的協(xié)調(diào)控制方法 一種稱為以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法，相應(yīng)的主控 制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，采用氣化島對煤氣壓力進(jìn)行控制，采用動力島對電站發(fā)電功率進(jìn) 行控制；另一種稱為以動力島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法，相應(yīng)的主控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示，采用動力島對煤氣壓力進(jìn)行控制，采用氣化島對電站發(fā)電功率進(jìn)行控制。
主控制器主要輸入量為外界負(fù)荷調(diào)度指令、煤氣壓力反饋、電站實發(fā)功率反饋和當(dāng)前電 站設(shè)備狀態(tài)信號，輸出為氣化島指令和動力島指令，分別送入相應(yīng)的下層子控制器中，再由 子控制器具體發(fā)出操作指令，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備的運行，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行并改變實發(fā) 功率對外界負(fù)荷指令做出快速響應(yīng)。主控制器的功率和壓力設(shè)定都可以采用自動設(shè)置(電網(wǎng)
中調(diào)指令經(jīng)過處理后的機(jī)組功率指令的函數(shù))或者根據(jù)需要由運行人員進(jìn)行手動設(shè)定。由于 動力島是一個快過程，因此采用了簡單的比例積分微分的單回路控制；而氣化島是一個慢過 程，采用簡單的單回路比例積分微分控制難以取得令人滿意的控制效果，因此設(shè)計了如圖4所 示的反饋與前饋相結(jié)合的控制方案，其中前饋調(diào)節(jié)(比例加實際微分調(diào)節(jié)器)起主導(dǎo)作用， 可以根據(jù)負(fù)荷指令的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，反饋調(diào)節(jié)(比例積分微分調(diào)節(jié)器)起輔助作用，可 以保證穩(wěn)態(tài)情況下系統(tǒng)沒有靜差。至此，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主控制器 與子控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)束。
在控制器參數(shù)調(diào)整過程中，同樣需要獲得系統(tǒng)模型，然后根據(jù)系統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù) 設(shè)置和調(diào)整，最終將各回路投入自動進(jìn)行參數(shù)的細(xì)調(diào)直至將最上層的協(xié)調(diào)控制投入自動運行 (以下設(shè)計過程以氣化爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法為例，動力爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方
8法設(shè)計過程與該方法類似)。
針對如圖2所示的氣化爐控制結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)行控制器參數(shù)調(diào)節(jié)，對相應(yīng)的通道進(jìn)行了模型辨識，得到如下的四個傳遞函數(shù)模型
由響應(yīng)曲線得到的傳遞函數(shù)如下-
0.04
空氣量對煤氣壓力
排渣量對床料量蒸汽量對氣化爐溫度
『W ("=
(200s+ 1)2 (2000s+ 1)一6.5
(s + l)(I5(^ + l)(250(Xs + l)
—0.05
-+ -
0.09
『,
0 + l)'(500(^ + 1) Cs + iy(1200;y + l)—0.35
+ 0.1
CT一Co/
給煤量對煤氣熱值:
(s + l)(150s + l)(250(Xy + l)0.2
Cs + l)(15(Xy + l)(250(^ + l)
根據(jù)以上傳遞函數(shù)模型時間常數(shù)，并且經(jīng)過在線調(diào)整，確定控制器參數(shù)如表2所示，需要注意的是，主控制器的煤氣壓力調(diào)節(jié)器也需要在這個階段進(jìn)行初步調(diào)整
表2氣化島的調(diào)節(jié)器參數(shù)
通道
熱值控制器cvc0.000420.120.00
床料控制器MC-0.0291-4.9600.00
壓力控制器PC0扁637.720.00
溫度控制器TC-2.42-246.30.00
空氣量對給煤量前饋控制器A2CFWC0.49500
排渣量對給煤量前饋控制器CH2CFWC1.33200
對于動力島，主要需要進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)節(jié)，燃?xì)廨啓C(jī)主要環(huán)節(jié)的傳遞
函數(shù)為
燃料閥定位器P^(S) = _L_;燃料系統(tǒng)=
燃?xì)廨啓C(jī)特性『Gr(4-^^x(^-0.23)+ 0.5x(l-Q),其中^為燃料量，Q為燃
氣輪機(jī)轉(zhuǎn)速； + ' 5
熱輻射遮蔽特性》^(5) = 0.8 + 1;
熱電偶特性『CT (J) = ~^— ； 1 + ^
c尸、,l + 24s入口導(dǎo)葉特性『("=_^
至于余熱鍋爐和配套蒸汽輪機(jī).在整個系統(tǒng)發(fā)電量中所占比重較小，且運行工況相對較穩(wěn)定'其模型可P進(jìn)行簡^^^^型FS用；芬來表示^ T0",、
其中^為蒸汽或者排氣流量；
A^( "為余熱鍋爐中蒸汽焓增；
J^^^^余熱鍋爐效率；
Ti， ^y^f氣進(jìn)出余熱鍋爐的定壓比熱容；Mg^' "gM排氣進(jìn)出余熱鍋爐的溫度。
利用上式可以計算出余熱鍋爐的產(chǎn)氣量，蒸汽輪機(jī)的特性用常數(shù)來簡化，用于將余熱鍋爐的蒸汽量轉(zhuǎn)換成發(fā)電量。針對余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)的子控制器也采用獨立的常規(guī)比例積分微分控制規(guī)律，主要對蒸汽壓力進(jìn)行控制。
根據(jù)以上動力島模型時間常數(shù)，并且經(jīng)過在線調(diào)整，確定控制器參數(shù)如表3所示，需要注意的是，主控制器的機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)器也需要在這個階段進(jìn)行初步的調(diào)整
表3動力島的調(diào)節(jié)器參數(shù)
通道
負(fù)荷控制器LDC0.15.120.00
煤氣壓力控制器TC-0.030-5.200.00
入口導(dǎo)葉控制器IGVC251.2楊
汽輪機(jī)壓力控制器PC0.56.50,00
主控制器中，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)器為簡單的單回路比例積分為調(diào)節(jié)器，參數(shù)需要在這個階段
進(jìn)行在線細(xì)調(diào)，即將自動投入，通過階躍改變設(shè)定值觀察響應(yīng)曲線進(jìn)行調(diào)整；煤氣壓力比例積分微分調(diào)節(jié)器參數(shù)用同樣方法整定，前饋控制器(比例加微分)中的比例作用可以通過負(fù)荷增量與給煤量增量的靜態(tài)配比關(guān)系確定，而微分作用則通過設(shè)置超調(diào)量的大小來確定，經(jīng)過整定的參數(shù)如表4所示
表4主調(diào)節(jié)器參數(shù)(以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法為例)
通道r,
負(fù)荷控制器LDC0.125.50.00
煤氣壓力控制器TC-0.035-5.300.00
負(fù)荷指令前饋控制器LDFFC0.0705.20
至此，本發(fā)明所提出的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法實施
完畢，利用此方法，對實施例進(jìn)行了雙向變負(fù)荷試驗，得到的試驗結(jié)果如圖5所示。從結(jié)果中可以看到，機(jī)組負(fù)荷跟蹤很快，且壓力波動很小，各其他被控變量也在允許的變化范圍內(nèi)波動。
10
權(quán)利要求
1. 一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于該方法采用梯級分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置有上層的主控制器即協(xié)調(diào)控制器和下層的子控制器即包括氣化島子控制器和動力島子控制器，由主控制器進(jìn)行主控指令的運算并傳遞給下層子控制器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的控制，下層子控制器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各自其他主要被控變量的調(diào)節(jié)；該控制方法協(xié)調(diào)電站氣化島和動力島各設(shè)備的運行，在保證電站穩(wěn)定和安全的前提下實現(xiàn)電站負(fù)荷自動調(diào)節(jié)；該方法整個過程分為具有如下特征的控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制器參數(shù)調(diào)整兩個階段在控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先對電站各主要設(shè)備確定被控量和操縱變量，然后對個設(shè)備每一個輸入通道進(jìn)行穩(wěn)定工況下的擾動試驗，擬合各個設(shè)備模型，并確定各設(shè)備時間常數(shù)，根據(jù)設(shè)備模型，設(shè)計子系統(tǒng)的控制系統(tǒng)；在設(shè)計完成氣化島和動力島的子控制器后，根據(jù)兩種主控制器協(xié)調(diào)控制方法，選擇相應(yīng)的操縱變量和被控變量配對關(guān)系，設(shè)計上層的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，接收外界負(fù)荷指令以及機(jī)組實發(fā)功率、電站煤氣壓力反饋和當(dāng)前電站設(shè)備狀態(tài)信號，進(jìn)行煤氣壓力設(shè)定，經(jīng)過主控制器的運算，輸出指令至下層的子控制器，協(xié)調(diào)氣化島和動力島的運行；在協(xié)調(diào)控制方法參數(shù)調(diào)整過程中，首先根據(jù)氣化島和動力島的數(shù)學(xué)模型以及各自子控制器的控制結(jié)構(gòu)，按照工程整定方法進(jìn)行控制器參數(shù)的調(diào)整，然后將各控制回路逐一投入閉環(huán)運行，進(jìn)行設(shè)定值階躍擾動試驗，再對調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行細(xì)調(diào)；在氣化島和動力島子控制器參數(shù)調(diào)整完成后，進(jìn)行主控制器即協(xié)調(diào)控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，將子控制器投入自動，使用工程整定法進(jìn)行負(fù)荷和壓力主調(diào)節(jié)器參數(shù)以及主控制回路中的前饋控制器參數(shù)的整定，后將主控制器也投入自動，通過階躍擾動實驗進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)，最終完成整個系統(tǒng)控制系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于所 述的兩種主控制器協(xié)調(diào)控制方法具體為① 以氣化島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法；采用氣化島進(jìn)行電站煤氣壓力尸o^的調(diào)節(jié)，而 采用動力島進(jìn)行電站負(fù)荷A^的調(diào)節(jié)，快速進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，并且在壓力調(diào)節(jié)中加入機(jī)組負(fù)荷指 令的比例加微分前饋信號，以保證煤氣壓力調(diào)節(jié)的快速性，② 以動力島跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方法；采用氣化島進(jìn)行電站負(fù)荷W￡的調(diào)節(jié)，而采用 動力島進(jìn)行電站煤氣壓力尸g4s的調(diào)節(jié)，快速進(jìn)行煤氣壓力調(diào)節(jié)，并且在電站負(fù)荷調(diào)節(jié)中加入 負(fù)荷指令iVc的比例加微分前饋信號和電站煤氣壓力尸cms的比例加微分前饋信號，以保證負(fù)荷 調(diào)節(jié)的快速性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于主 控制器和子控制器所采用的基本控制算法均為分散比例積分微分控制方法，采用單回路控制 算法結(jié)合前饋控制。
全文摘要
整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站被控對象各設(shè)備間時間常數(shù)相差巨大的特性，提出了一種針對整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站的協(xié)調(diào)控制方法，該方法采用梯級分層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)置有上層的主控制器即協(xié)調(diào)控制器和下層的子控制器即包括氣化島子控制器和動力島子控制器，由主控制器進(jìn)行主控指令的運算并傳遞給下層子控制器進(jìn)行相應(yīng)設(shè)備的控制，下層子控制器還負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)各自其他主要被控變量的調(diào)節(jié)；該控制方法協(xié)調(diào)電站氣化島和動力島各設(shè)備的運行，在保證電站穩(wěn)定和安全的前提下實現(xiàn)電站負(fù)荷自動調(diào)節(jié)；應(yīng)用該方法，可以方便地針對不同類型的整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，設(shè)計出具有良好穩(wěn)定性和變負(fù)荷性能的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。
文檔編號G05B19/418GK101498934SQ20091002800
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月5日
發(fā)明者向文國, 呂劍虹, 科 吳, 亮 趙 申請人:東南大學(xué)