全周进汽汽轮机初压定值的多目标优化方法

摘要

本发明公开了一种针对全周进汽汽轮机初压定值的多目标优化及其DCS实现方法。该方法同时考虑了汽轮机运行工况和单元机组运行模式变化对初压定值的修正，具体是由初始定值模块、定值修正模块、模式选择模块，动态限幅模块，安全限幅模块等五个采用DCS标准算法组态实现的控制逻辑模块组成的；其中定值修正模块又分别由工况校正、调门校正、偏置校正三个部分叠加而成。同时还采用各种非稳态工况的不对称约束提高了优化控制策略的适应性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种热工优化控制方法，尤其涉及一种针对全周进汽汽轮机初压定值 的多目标优化及其DCS实现方法。

背景技术

大型电站汽轮机组可设计为节流调节和喷嘴调节两种不同的配汽型式。而一般喷 嘴调节的汽轮机组推荐采用定-滑-定运行方式，对全周进汽节流调节的汽轮机组多为 定-滑方式，尽量采用滑压运行的方式以减少节流损失，即使在额定负荷下也是如此。

与定压运行比较，单元机组采用滑压运行方式的给水压力较低，因而给水泵的电 耗也较少。但这种运行方式也有缺点，汽轮机调门全开工况虽然经济性好，但单元机 组参与变负荷调峰时的调节能力会受到影响，尤其是加负荷方向的调节能力变差。为 了弥补上述缺点，在汽轮机结构和运行方式上必须加以优化。

如西门子公司生产的汽轮机多采用滑压全周进汽及节流调节方式，其优点是结构 简单，高压缸采用单流程设计，这使同样参数下的叶片级通流面积比双流程大大增加， 叶片端损也大幅度下降。与其他机型的高压缸相比，其效率要高4.5％～7％左右。高压 第一级斜置叶片设计不仅效率高，而且非常成功地解决了大功率汽轮机调节级的强度 及机组的运行可靠性问题。在结构上，西门子公司采用了一种特有的补汽阀设计。该 设计在汽轮机主汽门后、高压调门前还引出了一个管道，接入一个补汽阀，相当于在 主汽门后连接的第三个调节阀。补汽阀的结构与高压调门相同，是一只单阀座的四通 阀门，两进两出，位于高压缸下部。从两侧主汽门后、主调门前各引出一些新蒸汽(额 定进汽量8％)，经补汽阀节流降低参数(蒸汽温度约降低30℃)后，分上下2根管道 进入高压第四、五级动叶后的空间，补汽阀节流进入第五级后，温度低约30度，还可起 到冷却高压汽缸作用，对大于600℃汽机更为有利。补汽阀和高调门受一个指令控制， 正常运行时由高调门节流调节机组负荷，当高压调门开足时，则通过开启补汽阀来继 续提高机组负荷。补汽阀的开启点一般在当功率从TMCR工况增大时开启，可根据电网 频率变化起到调频作用。采用补汽阀使滑压运行机组在额定流量下，进汽压力达到额 定值，避免了全周进汽滑压运行模式没有用足蒸汽压力的能力。对经济工况与最大工 况流量相差大的机组还可提高经济性。机组在实际运行时，不必通过主调门的节流就 具备调频功能，可以避免节流损失，而且调频反应速度快，同时可以减少锅炉的压力 波动。因此，补汽阀与全周进汽、滑压运行相配套是一种提高效率的先进技术。国内 部分西门子或其与上汽合作生产的350MW和1000MW机组都采用了补汽阀设计。

但大多数情况下单元机组及汽轮机的运行条件是不断变化的，如不同循环冷却水 入口温度对应的汽机背压、单元机组当前的电负荷、以及变化的厂用抽汽量等等，要 想真正做到使全周进汽汽轮机始终处于最佳的运行状态，无论是节流调节模式还是补 汽阀模式，对全周进汽汽轮机而言，简单按厂家提供的压力定值曲线进行控制显然是 难以实现的。不同的运行条件下，机组的最优运行压力定值与厂家提供的设计运行曲 线会存在不同程度的偏离。

从提高机组运行经济性角度着眼，国内外已有许多文献对汽轮机初压定值的优化 问题进行了研究(如参考文献[1]～[13])，研究表明最优的压力定值并不是负荷的单 值曲线，同时这些文献也对压力定值的问题给出了一些优化解决方案。这其中既包括 了对喷嘴调节机组复合滑压方式的优化研究，也包括了对采用补汽阀方式提高调频能 力的分析(参考文献2)；参考文献3～6则给出了根据汽轮机背压(真空)和供热等参 数的变化进行滑压定值修正的方法。

参考文献7、8还考虑了AGC方式运行时滑压定值的稳定性等问题。这也从侧面反 映出除了汽轮机本身热力工况的变化之外，作为单元机组的一部分，全周进汽汽轮机 初压定值的优化在考虑不同运行模式影响时，同样具有一定的特殊性。但现有的机组 控制策略中大都还没充分考虑到这些因素。

由于国内以往的亚临界和超临界参数的汽轮机组大多数都采用的是西屋公司 (Westinghouse)技术，超超临界汽轮机除上汽西门子生产的全周进汽汽轮机之外， 东汽和哈汽引进日立、东芝技术生产的超超临界机组均源于美国GE公司技术，也采用 的是双流调节级喷嘴配汽结构，因此，研究文献给出的汽轮机初压优化的实现方法大 多数针对的还是喷嘴调节型式的汽轮机，对全周进汽汽轮机的初压定值优化方法还有 进一步完善和优化的必要和可能。

由于西门子汽轮机一般均采用其自身配套的汽轮机控制系统TCS，与单元机组的 分散控制系统DCS通过接口实现协调控制。而初压定值回路则一般设计在单元机组的 分散控制系统DCS中。因此，本发明申请人在所承担的上海市科委科技创新专项中， 针对目前电厂按照电网“两个细则”参与AGC和一次调频，以及机组节能优化的实际 需求，提出了一种针对全周进汽汽轮机滑压定值实现多目标优化的DCS工程实现方法， 该方法包括两个部分，第一是实现了变负荷滑压工况下初压定值的基准函数在线修正， 以形成一个更为精准和合理的初始定值，该方法采用了本发明人提出的一种分散控制 系统特性函数在线拟合方法(公开号CN101520644A)；第二是根据不同的汽轮机运行参 数和单元机组运行控制模式对初始定值进行多目标优化，从而得到一个更为合理和经 济的初压定值。

参考资料：

[1]张春发，王惠杰，宋之平，李兴旺，李永玲.火电厂单元机组最优运行初压的定量研究 [J].中国电机工程学报，2006，26(04)：36-40

[2]冯伟忠.1000MW超超临界汽轮机蒸汽参数的优化及讨论[J].动力工 程，2007，27(03)：305-309

[3]孙永平，童小忠，樊印龙.600MW机组滑压运行方式优化的试验研究[J].热力发 电，2007，36(8)：66-68.

[4]李秀云，严俊杰，林万超.滑压机组背压变化对经济性影响的两种新计算方法[J].中 国电机工程学报，1999，19(9)：22-26.

[5]范海东，罗志浩，陈波.真空变化对火电机组协调控制策略修正方法的研究及实现 [J].自动化博览，2009，(07)：77-79

[6]浙江省电力试验研究院.一种大型汽轮机滑压优化的修正方法[P].中国专 利：CN101864994A.2010-10-20.

[7]山东电力研究院.滑压运行机组AGC方式下寻优控制方法[P].中国专 利：CN102176176A.2011-09-07

[8]山东电力研究院.滑压运行机组AGC方式下压力定值优化控制方法[P].中国专 利：CN102278150A.2011-12-14.

[9]Westinghouse Electric Corp.，System for minimizing valve throttling losses  in a steam turbine power plant[P].美国专利：US4178763.24 Mar 1978.

[10]Hitachi，Ltd.，Method and system for effecting control governing of a  steam turbine[P].美国专利：US4187685.10Feb 1978.

[11]General Electric Company.Turbine control system for sliding or constant  pressure boilers.[P].美国专利：US4253308.8Jun 1979.

[12]Westinghouse Electric Corp.Method for predicting the optimum transition  between constant and sliding pressure operation.[P].美国专利：US5136848.7 Oct 1991.

[13]Westinghouse Electric Corp.0peration between valve points of a  partial-arc admission turbine.[P].美国专利：US5333457.9May 1992.

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，针对全周进汽滑压运行的汽轮机组， 提出一种可以同时兼顾整个单元机组经济运行和参与电网调节能力等各方面需要的初 压定值多目标优化的DCS工程实现方法。

该方法由初始定值模块(01)、定值修正模块(02)、模式选择模块(03)，动态 限幅模块(04)，安全限幅模块(05)等五个采用DCS标准算法组态实现的控制逻辑 模块组成，其中定值修正模块(02)又分别由工况校正(201)、调门校正(202)、偏 置校正(203)三个部分叠加而成，具体是按以下方法和步骤实现的：

步骤(1).初始定值计算：该模块的功能是根据机组设计和运行试验数据设定一个与机组 负荷指令ULD相关的初压定值的滑压基准函数f(ULD)；同时，该滑压基准函数还可 以采用现有的技术进行在线校正(101)，即：

初始定值P_S0＝f(ULD)+ADP

其中ADP为采用现有的DCS特性函数在线修正方法拟合计算得到的修正数值；

步骤(2).定值修正计算：该模块的功能是根据汽轮机主要运行参数和单元机组运行模式 对初始定值P_S0进行多目标优化，该模块的多目标优化算法分别由工况校正(201)、调 门校正(202)、偏置校正(203)三个部分组成，最终通过定值修正模块(02)组合形 成优化后的初压定值P_S，即：

P_S＝P_S0+ΔP_S

$\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{\Delta P}}_S=f(P_C,\mathrm{GV},\underset{i=0}{\overset{n}{\Sigma }}{K}_i\times P_i,{\mathrm{\Delta P}}_T,{\mathrm{\Delta N}}_T)& 0\le n\le 4\end{array}\right)$

其中：ΔP_S为多目标优化算法输出，P_C为汽轮机背压参数(9)，GV为汽机高压调 节阀门开度(10)，P_i为其它可选的运行补偿参数(11)，K_i为其对应的可调整补偿系 数(12)，ΔP_T、ΔN_T分别是机组负荷指令ULD与机组实发功率N_T、初压定值P_S与 实际机前压力P_T的偏差，即ΔN_T＝ULD-N_T，ΔP_T＝P_S-P_T；

其中模式选择(03)中的单元机组运行模式包括：机组控制模式是否处于滑压模 式、协调模式；是否参与电网自动发电控制AGC及一次调频；以及汽轮机补汽阀是否 开启和是否提供蒸汽供热，上述参数可由DCS控制逻辑中获得，并根据组态实时改变 定值修正模块(02)中三个部分对应的输出分量。偏置校正(203)的输出可设计成为 调门开度的偏置量，其度量单位为％，也可设计为初压定值的偏置量，其度量单位为 MPa，并分别作用于调门校正(202)或工况校正(201)，同时，偏置校正(203)还 可由操作人员在DCS的人机接口站上进行人工设定。

根据汽轮机型式和设计的单元机组热力系统的差异，可选的补偿参数(11)可包括 汽轮机再热参数、汽轮机抽汽参数，包括压力、温度、流量，这些参数可由DCS测量 而得，经过计算后形成补偿参数(11)的输入。

步骤(3).动态限幅：该模块设计为一个非线性高通滤波器，并可以宏模块的形式分别组 态作用于P_C、P_S或P_i，以实现当其输入变化超过设定阈值时，其输出才变化，即：

If P_C(t)-P_C(t-1)≥ξ_C then P_C(t)＝P_C(t)else P_C(t)＝P_C(t-1)；

If P_S(t)-P_S(t-1)≥ξ_S then P_S(t)＝P_S(t)else P_S(t)＝P_S(t-1)；

If P_i(t)-P_i(t-1)≥ξ_i then P_i(t)＝P_i(t)else P_i(t)＝P_i(t-1)；

其中：t和t-1分别为P_C、P_S和P_i当前时刻和前一时刻的采样值，ξ_C、ξ_S、ξ_i分 别为动态限幅的设定阈值；该模块的输出还可根据稳态判据(200)进行限幅，即当机 组处于变负荷或ΔP_T、ΔN_T偏差大时，保持其输出不变或进行方向闭锁；

步骤(4).模式选择计算：该模块的功能是根据不同的单元机组运行模式相应改变定值修 正模块(02)中各个部分的实时输出分量，从而满足不同运行模式下初压定值的要求；

步骤(5).安全限幅计算：该模块功能是根据汽轮机设计规定的安全限值和初始定值函 数、以及ΔP_T的动态偏差对优化后的初压定值进行即时限制，确保机组运行在安全的 初压定值工况下。

本发明的有益效果是与现有的技术相比，给出了一种采用DCS标准算法组态实现 的全周进汽汽轮机初压定值的多目标优化方法，同时考虑了不同的汽轮机运行工况和 单元机组运行模式变化对初压定值的修正，并且通过各种工况的不对称约束提高了优 化控制策略的适应性和安全性。

附图说明

附图1是本发明的控制逻辑方框图；

附图2是采用本发明方法的组态示意图。

具体实施方式

下面结合附图1、图2来对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技 术方案为前提下进行实施并给出了具体的实施方式和系统结构，但本发明的保护范围 不限于下述的实施例。

采用本发明的方法分别在一台350MW亚临界机组和1000MW超超临界机组上进行了 具体实施，其中350MW亚临界机组的锅炉为国内首台全燃烧低热值煤气塔式直流锅炉， 1000MW超超临界机组的锅炉为东方锅炉厂采用日立巴布科克技术设计制造的超超临界 参数锅炉。两台机组的汽轮机均为上汽-西门子公司生产的全周进汽、一次中间再热 凝汽式汽轮机，其中1000MW机组还在国内首次设计了供热功能。两个具体实施例的单 元机组分散控制系统DCS和汽轮机控制系统TCS均分别采用美国艾默生公司的Ovation 系统和西门子公司T-3000系统。

现采用本发明方法在Ovation系统中对原设计的机前压力设定点(即本发明所述 的初压定值)控制逻辑进行了优化修改，其控制逻辑方框图和组态示意图分别见附图1、 图2。其中，背压参数9取凝汽器真空，补偿参数11为机组供热蒸汽流量。定值修正 模块02为工况校正201、调门校正202和偏置校正203的加权加法器，其权值和输出 可根据模式选择输出和稳态判据进行限定。即当机组加减负荷时，将限制初压的修正， 并且当机组退出协调控制模式和滑压模式时，或补汽阀开启时，初压定值处于跟踪实 际压力状态。

通过对机组历史数据离线学习得到的初始定值修正值102可通过接口101对初始 定值函数(01)进行修正。

当机组处于变负荷情况下，动态限幅DLR模块14还通过一个闭锁逻辑407实现了 初压定值的保持功能或方向闭锁功能，具体是当机组变负荷，压力偏差超过设定的死 区时，DLR将暂时闭锁初压定值的变化，以防止定值变化对整个单元机组动态过程的影 响，以有效地减少压力超调量和缩短过渡过程的持续时间。

在本实施例中，机组供热参数对初压定值的影响折算为一个汽轮机调门最大限值 的偏置，单元机组在参与AGC或一次调频情况下的偏置修正也同样折算为调门最大限 值的偏置量，当单元机组退出协调控制模式或机组处于定压运行方式时，调门限值回 路将通过一个抗积分饱和回路限定调门修正(202)的输出，运行人员还可通过DCS人 机接口站对偏置修正值进行修改。