專利名稱：基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法
技術領域：
本發明屬于設備控制技術領域，特別涉及一種整體煤氣化聯合循環電站的協調控制方法。
背景技術：
整體煤氣化聯合循環發電技術是煤氣化技術與燃氣-蒸汽聯合循環技術相結合的新型發電技術，相對于常規燃煤發電機組，具有污染物排放少并且效率高的優點，是具有廣泛應用前景的潔凈煤發電技術。整體煤氣化聯合循環發電技術包括煤氣化工藝過程和燃氣-蒸汽聯合循環工藝過程，整個電站涉及設備數量眾多，工藝過程涉及到多種非常復雜的物理化學過程，時間常數相差大，特別是氣化爐系統，其控制方案的理論研究和工程應用均不成熟。從發展趨勢來看，IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle,整體煤氣化聯合循環發電)電站也 需要承擔電網調峰任務，要求IGCC電站與常規燃煤電站一樣，能夠在進行快速的負荷響應的同時保證機組穩定運行。在IGCC電站中，包含了氣化島和動力島這兩個時間常數差異巨大的子系統，給控制系統的設計造成了很大的困難，設計合理的IGCC電站協調控制系統，保證系統較快的負荷響應速度并維持系統穩定，對于清潔高效的IGCC電站的廣泛推廣應用具有重要意義。目前國內外對整體煤氣化聯合循環電站的協調控制系統的研究較少，基本上只是采用常規的單回路比例積分微分對氣化爐和燃氣輪機進行單獨控制，未實現對動力島和氣化島的解耦控制，對時間常數差異巨大的動力島和氣化島控制的協調性較差，控制效果較差。
發明內容
技術問題本發明針對現有整體煤氣化聯合循環電站控制技術的不足，提出一種基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站的協調控制方法，實現負荷的快速自動調節，且保證電站安全穩定運行。該方法主要基于能量平衡原理，計算氣化爐熱量信號和燃氣輪機能量信號，通過調節氣化爐和燃氣輪機，使整個系統消耗的能量等于輸入的熱量，設置協調控制器和子控制器，可以非常方便地在現有單片機、可編程控制器和分散控制系統等控制平臺上進行工程實施。技術方案本發明提供了一種基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站的協調控制方法，該方法基于能量平衡原理，設置有協調控制器、氣化島子控制器及動力島子控制器，協調控制器采集現場實時信號，分別計算氣化爐的熱量信號和燃氣輪機的能量信號，產生動力島主控指令和氣化島主控指令送至子控制器，子控制器負責本系統內各被控變量的調節，通過分別調節氣化爐和燃氣輪機，使熱量信號跟蹤能量信號，同步地對燃氣輪機功率及調門前壓力進行控制，實現整體煤氣化聯合循環電站的協調控制。
燃氣輪機的能量信號根據進入燃氣輪機的煤氣流量、煤氣熱值、氣化爐壓力通過特定的公式計算得到。氣化爐的熱量信號根據進入燃氣輪機的煤氣流量、煤氣熱值、燃氣輪機前壓力設定值和燃氣輪機前壓力實測值通過特定的公式計算得到。燃氣輪機主要負責調節實發功率跟蹤負荷給定值，其調門控制采用前饋加反饋的控制方法，反饋控制采用比例積分微分控制器，其入口偏差為經過處理的機組負荷指令與實發功率的差值；燃氣輪機前壓力設定值與壓力實測值差值經過折線模塊計算后結果作為前饋信號輸入，可用于極端情況下輔助調壓。動力島子控制器還負責對蒸汽輪機調門的控制。氣化爐主要負責調節燃氣輪機機前燃氣壓力，采用比例積分微分控制器，其入口偏差為燃氣輪機能量信號與氣化爐熱量信號的差值。氣化島子控制器還負責對氣化爐熱值、料位和溫度等參數的控制。上述控制方法均采用常規控制算法模塊，如加法、乘法、除法、一階慣性、折線和比例積分微分等模塊，采用單回路反饋控制算法結合前饋控制算法，可以方便地在現有單片 機、可編程控制器和分散控制系統等平臺實施，易于推廣應用。有益效果采用本發明中公開的整體煤氣化聯合循環電站的協調控制方法對電站進行協調控制，具有以下有益的效果⑴根據能量平衡原理進行調節器結構設計，可以最大程度地實現對動力島和氣化島的解耦控制，協調不同時間常數的設備運行，在保證系統穩定安全的前提下，使電站實發功率快速跟蹤外界負荷指令，提高整體煤氣化聯合循環電站自動投入率和控制品質，可以有效減輕運行人員的勞動強度；⑵整個控制系統基于能量平衡原理，且控制方案的實施均采用常規的比例積分微分控制規律，加以必要的前饋調節器等，電站運行人員和技術人員容易理解和接受，并且可以很方便地在現有控制系統軟硬件平臺上實施、修改和維護，易于推廣應用。
圖I是整體煤氣化聯合循環電站的協調控制系統整體結構圖；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是基于能量平衡的協調控制策略示意圖。
具體實施例方式為了使得本發明的技術方案實施方法和優點更加清楚，以下結合實施方式和附圖，對具體實施方法進行詳細說明。本發明的示意性實施方式及其說明用于解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。本發明提出的控制方法主要分為兩個方面一是根據能量平衡原理的協調控制系統結構設計，保證控制方法的合理性和有效性；二是根據設備實際運行特性的控制器參數調整，以保證各設備運行平穩性和對負荷的快速響應能力。下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步描述。以圖I所示的某整體煤氣化聯合循環電站為一實施例，采用空氣氣化氣流床氣化爐及其配套燃氣蒸汽聯合循環系統。氣化島結構示意圖如圖2所示，氣化島主要被控變量為出口煤氣熱值、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，系統主要擾動為入爐煤煤質變化以及下游用氣量變化所引起的煤氣壓力變動。動力島結構示意圖如圖3所示，其中，燃氣蒸汽聯合循環采用重型單軸燃氣輪機(燃機)和無補燃的余熱鍋爐及其配套蒸汽輪機。燃氣輪機采用轉速/負荷控制、加速度控制和溫度控制取小的燃料控制方法，為保證進入余熱鍋爐煙氣溫度，采用可調節的入口導葉進行燃氣輪機排氣溫度調節。氣化島子控制器操縱變量和被控變量之間的搭配關系采用一種比較常規的方案，具體為(I)由氣化爐給煤量調節出口煤氣熱值；(2)由排渣量來調節床料量；(3)由空氣量調節煤氣壓力； (4)由蒸汽量調節氣化爐溫度。(5)同時，為保證運行中碳/氧比基本穩定，設置有空氣量對給煤量的前饋控制器。根據以上配對關系和前饋控制方案，確定氣化島子控制器結構，在各個通道采用單回路比例積分微分控制，便于實施和參數調整。對于動力島而言，最主要的設備為燃氣輪機，燃氣輪機模型和基本控制系統如圖3所示，相對于氣化島而言，燃氣輪機被控過程時間常數很小(一般都在10秒以內)，其子控制器結構也基本固定，燃料量的調節采用經典的負荷/轉速控制、溫度控制以及加速度控制取小的方式生產控制指令，設置可調節的入口導葉對排氣進行控制，需要注意的是為維持零負荷下的空載運行，燃料量指令有低限保護。對于能量平衡協調控制器的設計，為保證負荷的快速響應同時兼顧煤氣壓力的穩定性，最大可能對氣化島和動力島被控對象進行解耦，以及滿足不同運行條件下的協調控制系統投入要求，本發明的協調控制系統主要根據能量平衡原理設計，相應的協調控制器結構示意圖如圖4所示，表示了氣化爐(氣化島)主控指令和燃氣輪機(動力島)主控指令的形成。基于能量平衡的協調控制器主要輸入量為外界對燃氣蒸汽聯合循環電站的負荷指令N。、機前煤氣壓力Pt、煤氣熱值Hgas、煤氣流量Fgas、氣化爐壓力Pgas、電站實發功率Ne、當前電站設備狀態信號和煤氣壓力設定P。，輸出為氣化爐負荷指令GD和燃氣輪機負荷指令TD，分別送入相應的下層子控制器中，再由子控制器產生對應的各種控制指令，協調子系統內部設備的運行，以保證系統穩定運行并對外界負荷指令做出快速響應。根據機組特點及電廠運行習慣，基于能量平衡的協調控制器的負荷指令Ntl和煤氣壓力設定Ptl都可以采用自動設置(處理后的機組功率指令的函數)或者由運行人員進行手動設定。由于動力島是一個快過程，如圖4所示，協調控制器中燃氣輪機負荷指令TD形成采用了簡單的比例積分微分的單回路控制，結合輔助調壓前饋即可實現較好的控制效果，實發功率Ne經過慣性環節#4LAG濾波后，與負荷指令Ntl相減，送入比例積分微分調節器PID2;為了兼顧極端情況，還設計了輔助調壓前饋，煤氣壓力設定Ptl值和機前煤氣壓力&的差值經過一個折線模塊函數F (X)后，送入比例積分微分調節器PID2作為前饋，可以在壓力設定值和實際值偏差過大 時，由燃氣輪機協助快速調壓，前饋的大小可以根據實際情況調整函數F(X)來改變。氣化島是一個滯后和慣性較大的過程，本實施例中協調控制器中燃氣輪機負荷指令形成采用如圖4所示的基于能量平衡的控制方案，形成氣化爐負荷指令GD的比例積分微分調節器PIDl輸入端為燃氣輪機能量信號與氣化爐熱量信號的差值。氣化爐熱量信號的構造方法為氣化爐壓力Pgas的實際微分加上代表氣化爐產氣負荷的能量流量(其中實際微分采用信號本身減去信號的一階慣性環節#2LAG濾波后的值實現)，而能量流量為煤氣流量Fgas與煤氣熱值Hgas的乘積。熱量信號形成的具體算法為
權利要求
1.一種基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，采集煤氣化聯合循環電站現場實時信號，分別計算氣化爐的熱量信號和燃氣輪機的能量信號，分別調節氣化爐和燃氣輪機，使熱量信號跟蹤能量信號，同步地對燃氣輪機功率及調門前壓力進行控制，實現整體煤氣化聯合循環電站的協調控制。
2.根據權利要求I所述的基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，設置協調控制器、氣化島子控制器及動力島子控制器，由所述協調控制器采集現場實時信號，分別計算氣化爐的熱量信號和燃氣輪機的能量信號，產生動力島主控指令和氣化島主控指令送至氣化島子控制器和動力島子控制器，每個子控制器對應負責氣化島系統和動力島系統內各被控變量的調節，通過分別調節氣化爐和燃氣輪機，使熱量信號跟蹤能量信號，同步地對燃氣輪機功率及調門前壓力進行控制。
3.根據權利要求I或2所述的基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，根據進入燃氣輪機的煤氣流量、煤氣熱值、氣化爐壓力的實測值計算得到燃氣輪機的基礎能量信號，并對該基礎能量信號進行動態補償得到燃氣輪機的能量信號。
4.根據權利要求3所述的基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，氣化爐的熱量信號根據進入燃氣輪機的煤氣流量、煤氣熱值、燃氣輪機機前壓力設定值和燃氣輪機機前壓力實測值計算得到。
5.根據權利要求3所述的基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，燃氣輪機機前煤氣壓力由氣化爐調節，采用比例積分微分控制器，控制器入口偏差為所述燃氣輪機的能量信號與所述氣化爐的熱量信號的差值。
6.根據權利要求3所述的基于能量平衡的整體煤氣化聯合循環電站協調控制方法，其特征在于，燃氣輪機調節實發功率跟蹤負荷給定值，其調門控制采用前饋加反饋的控制方法，反饋控制采用比例積分微分控制器，其入口偏差為經過處理的機組負荷指令與實發功率的差值；前饋信號為燃氣輪機機前壓力設定值與壓力實測值差值經過計算后的結果。
全文摘要
本發明提供一種整體煤氣化聯合循環電站的協調控制方法，該方法針對整體煤氣化聯合循環電站被控對象各設備間時間常數相差巨大的特性，提出了一種基于能量平衡的協調控制方法。該方法采集現場信號，通過計算氣化爐熱量信號和燃氣輪機能量信號，調節氣化爐和燃氣輪機，實現對動力島和氣化島的解耦控制，同步地對燃氣輪機功率及調門前煤氣壓力進行控制，使熱量信號跟蹤能量信號，實現整體煤氣化聯合循環電站的協調控制。該控制方法經過控制系統結構設計和參數調整投運后，可以有效協調電站氣化島和動力島各設備的運行，實現電站負荷快速自動調節，并保證電站運行的穩定，是一種具有良好穩定性和變負荷性能的燃氣蒸汽聯合循環電站協調控制系統。
文檔編號G05B19/418GK102778880SQ20121027278
公開日2012年11月14日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者吳科, 朱能飛 申請人:國電南京自動化股份有限公司