一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.燃气蒸汽联合循环的发电方式具有启停快、排放低、效率高的特点，近年来得到迅速发展。燃气蒸汽联合循环机组一般配有一台燃气轮机、一台蒸汽轮机以及一台余热锅炉(“一拖一”机组)。燃气轮机利用燃料燃烧产生的高温高压燃气在透平中做功，余热锅炉吸收燃气轮机排气中的热量产生过热蒸汽进入蒸汽轮机做功。在发电过程中，电网调度只规定整个联合循环机组的发电负荷，机组协调控制系统需将电网调度的负荷指令分配给燃机(燃气轮机)与汽机(蒸汽轮机)。由于汽机在完成暖机后主调门全开，开始滑压运行，不再控制汽机发电负荷，此时汽机负荷直接受燃机排气温度与排气流量影响。归根结底，机组协调控制系统需将电网调度指令转化为燃机负荷设定值。
3.燃气轮机的负荷响应时间很短，输出负荷很快即可达到设定值，相较之下，汽机负荷变化则有一定的迟延。这是因为燃机负荷改变后引起排气温度与排气流量发生变化，余热锅炉吸收的热量也随之改变，从而引起主蒸汽压力发生变化，最终反映在汽机发电负荷的改变。因此当电网调度发出变负荷指令后，协调控制系统需合理安排燃机负荷设定值，既要使机组发电负荷尽快跟踪电网负荷指令，又要避免超调导致机组参数来回波动。
4.目前燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值的计算通常将总负荷指令p与汽机实际负荷p
s0
做差得到燃机负荷设定值，为了缓解汽机迟延特性造成的影响，对燃机负荷设定值pg进行微调，如对pg施加偏置或改变pg变化率等。但由于汽机侧本身具有迟延性，利用汽机侧的参数调节燃机负荷设定值容易造成超调，导致机组参数波动，影响设备使用寿命，因此，需要设计一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，使机组在变负荷过程中能够平稳过渡，减小参数的波动。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，以解决现有燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值容易导致机组参数波动，影响设备使用寿命的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，包括：
7.基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；
8.基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；
9.利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；
10.将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。
11.优选地，所述第一传递函数计算公式为：
[0012][0013]
其中，s为拉普拉斯算子，gg(s)为第一传递函数，p
g0
为燃机实际负荷值，pg为燃机负荷值设定值，tg为与燃机变负荷特性相关的惯性时间常数。
[0014]
优选地，所述第二传递函数计算公式为：
[0015][0016]
其中，gs(s)为第二传递函数，p
s0
为汽机实际负荷值，p
g0
为燃机实际负荷值，ks为增益系数，ts为与汽机变负荷特性相关的惯性时间常数，τ为与余热锅炉热量吸收过程相关的纯迟延时间系数。
[0017]
优选地，所述第三传递函数计算方式为：
[0018][0019]
其中，g(s)为第三传递函数，p0为机组实际负荷。
[0020]
优选地，将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理包括：
[0021]
将机组负荷指令设定为所述反馈控制器的设定值，将机组实际负荷值设定为被控参数，将所述燃机负荷设定值设定为控制量，对所述第三传递函数进行反馈控制处理及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。
[0022]
优选地，所述smith预估前馈处理包括：
[0023]
将smith预估控制量乘以系数k作为所述反馈控制的前馈量，利用反馈控制的前馈量对纯迟延特性进行补偿，由所述反馈控制器维持控制系统稳定，完成所述smith预估前馈处理。
[0024]
本发明还提供一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置，包括：
[0025]
第一传递函数模块，基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；
[0026]
第二传递函数模块，基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；
[0027]
第三传递函数模块，利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；
[0028]
优化燃机负荷设定值模块，将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。
[0029]
本发明还提供燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定设备，包括：
[0030]
存储器，用于存储计算机程序；
[0031]
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述所述燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的步骤。
[0032]
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的步骤。
[0033]
本发明所提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数，基于燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数，利用第一传递函数与第二传递函数获取第三传递函数，将第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值，能够使机组平稳准确快速地跟踪负荷指令，同时减小超调量，避免参数来回波动。在pid控制的基础上引入smith预估的前馈，对汽机的纯迟延特性进行补偿，使机组在变负荷过程中能够更快地恢复稳定。将smith预估控制量乘以系数k作为pid的前馈控制量，在机组特性发生改变后减小对控制系统的影响。
附图说明
[0034]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0035]
图1为本发明所提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的第一种具体实施例的流程图；
[0036]
图2为本发明提供的燃机负荷设定值确定方法的燃气蒸汽联合循环机组协调控制系统结构图；
[0037]
图3为燃气蒸汽联合循环机组燃机与汽机负荷传递函数模型；
[0038]
图4为传统燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值计算逻辑图；
[0039]
图5为本发明提供的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值计算逻辑图；
[0040]
图6为不同种燃机负荷设定值计算方法下的机组变负荷曲线图；
[0041]
图7为机组特性变化后的变负荷曲线图；
[0042]
图8为本发明实施例提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置的结构框图。
具体实施方式
[0043]
本发明的核心是提供一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法、装置、设备及存储介质，使燃气蒸汽联合循环机组在变负荷过程中，能够平稳准确快速地跟踪负荷指令，同时减小超调量，避免参数来回波动。
[0044]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
下面参考附图描述本发明实施例的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法。
[0046]
请参考图1，图1为本发明所提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的第一种具体实施例的流程图；具体操作步骤如下：
[0047]
步骤s101：基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；
[0048]
所述第一传递函数计算公式为：
[0049][0050]
其中，s为拉普拉斯算子，gg(s)为第一传递函数，p
g0
为燃机实际负荷值，pg为燃机负荷值设定值，tg为与燃机变负荷特性相关的惯性时间常数。
[0051]
步骤s102：基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；
[0052]
所述第二传递函数计算公式为：
[0053][0054]
其中，gs(s)为第二传递函数，p
s0
为汽机实际负荷值，p
g0
为燃机实际负荷值，ks为增益系数，ts为与汽机变负荷特性相关的惯性时间常数，τ为与余热锅炉热量吸收过程相关的纯迟延时间系数。
[0055]
步骤s103：利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；
[0056]
所述第三传递函数计算方式为：
[0057][0058]
其中，g(s)为第三传递函数，p0为机组实际负荷。
[0059]
步骤s104：将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值；
[0060]
将机组负荷指令设定为所述反馈控制器的设定值，将机组实际负荷值设定为被控参数，将所述燃机负荷设定值设定为控制量，对所述第三传递函数进行反馈控制处理及smith预估前馈处理，将smith预估控制量乘以系数k作为所述反馈控制的前馈量，利用反馈控制的前馈量对汽机纯迟延特性进行补偿，由所述反馈控制器维持控制系统稳定，完成所述smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。采用本发明提供的燃机负荷设定值确定方法的燃气蒸汽联合循环机组协调控制系统结构如图2所示。其中pid1为反馈控制器，pid2为smith预估控制中的控制器，反馈控制的燃机负荷设定值为p
g1
，smith预估前馈的燃机负荷设定值为p
g2
，两者之和经限速后得到燃机负荷设定值pg。将计算得到的燃机负荷设定值pg用于调节燃机负荷p
g0
，燃机负荷的变化影响汽机负荷p
s0
，进而使整个联合循环机组的实际发电负荷p0平稳快速准确地跟踪负荷指令p，同时减小超调量，避免参数来回波动。
[0061]
本实施例提供一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，结合辨识得到的传递函数模型，设计反馈控制器，引入smith预估控制克服了余热锅炉吸收热量过程的纯迟延特性，对纯迟延特性具有良好的补偿效果，只利用smith预估控制的前馈对纯迟延特性进行补偿，仍由反馈控制器维持控制系统稳定性，使机组平稳准确快速地跟踪负荷指令，同时减小超调量，避免参数来回波动。将smith预估控制量乘以一定的系数k作为反馈控制的前馈，在机组特性发生改变后减小对控制系统的影响。
[0062]
基于上述实施例，本实施例利用两个仿真实施例对所述燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法展开描述，具体如下：
[0063]
基于某燃气蒸汽联合循环机组的历史运行数据，辨识gg(s)与gs(s)中tg、ks、ts、以及τ的值。采取穷举寻优的方式，以辨识结果与运行数据的itae(误差绝对值与时间的积分)
为指标，得到辨识结果为：
[0064][0065][0066]
如图3所示，结合上述两式，可以得到燃气蒸汽联合循环机组燃机与汽机负荷传递函数模型。
[0067]
如图4所示，传统燃机负荷设定值pg的计算方法为：直接将总负荷指令p与汽机实际负荷p
s0
做差得到e
ps
，引入主蒸汽压力p
t
的微分与系数k
t
相乘得到的v
t
、机组负荷指令p与机组实际负荷p0的偏差e
p0
，利用v
t
与e
p0
配合改变e
ps
的限制速率最终得到pg。限速功能主要在负荷调节末期e
p0
较小时，根据主蒸汽压力p
t
的变化速率对e
ps
进行限速。
[0068]
如图5所示，本发明提供的燃机负荷设定值pg的计算主要分为两部分，主控制方式为pid的反馈控制，将机组负荷指令p与机组实际负荷做差p0经pid反馈控制得到p
g1
。在反馈控制的基础上，引入smith预估的控制量乘以系数k得到p
g2
作为前馈控制量。由于该联合循环机组燃机与汽机变负荷速率均限制在15mw/min，故将p
g1
与p
g2
求和经限速环节后得到最终的燃机负荷指令pg。值得说明的是，pid应带抗积分饱和功能，当燃机负荷设定值变化率达到速率限制上限时应停止积分。变负荷速率的限制会使机组花费较长时间才能跟踪电网负荷指令，若无抗积分饱和会使pid控制的积分项非常大，出现积分饱和，影响控制效果。
[0069]
仿真验证：
[0070]
如图6所示，机组初始负荷为300mw，在第10s时机组负荷指令p由300mw阶跃降至290mw，分别用传统方法与本发明提供的方法计算燃机负荷设定值pg，进行变负荷仿真试验。在变负荷中期两者均以负荷变化速率上限15mw/min变负荷，在机组负荷降至目标负荷附近时，使用本发明提供的燃机负荷设定值确定方法能及时回调，超调量明显减小，对机组变负荷时参数的稳定以及提升机组agc(automatic generation control)考核性能具有积极意义。
[0071]
由于smith预估依赖对象模型尤其是纯迟延时间的准确度，当机组特性发生改变后，smith预估控制的性能会下降，而本发明提供的燃机负荷设定值pg的确定方法中仅将smith预估乘以系数k(取0.1)作为前馈控制量，对控制效果影响较小，下面进行仿真验证。
[0072]
若机组特性发生改变，有：
[0073][0074][0075]
如图7所示，此时smith预估器参数不变，smith预估控制出现模型失配。假设机组初始负荷为300mw，在第10s时机组负荷指令p由300mw阶跃升至320mw，分别用传统方法与本发明提供的方法确定燃机负荷设定值pg，进行变负荷仿真试验。结果表明，即使对象特性发生变化，本发明提供的燃机负荷设定值pg依然能够使机组在变负荷过程中的参数保持平稳，减小超调，提升调节速度。
[0076]
本发明实施例提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，将
pid反馈控制与smith预估前馈控制相结合。在变负荷过程中，能够确定燃机负荷设定值，将此设定值用于控制燃机负荷时可以使机组发电负荷能够快速跟踪电网负荷指令，同时保证机组在变负荷过程中参数平稳过渡，减小超调。即使对象特性发生变化，该方法依然能够保证机组在变负荷过程中平稳快速地过渡到目标负荷，通过两个仿真实施例验证了该方法的有效性。
[0077]
请参考图8，图8为本发明实施例提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置的结构框图；具体装置可以包括：
[0078]
第一传递函数模块100，基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；
[0079]
第二传递函数模块200，基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；
[0080]
第三传递函数模块300，利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；
[0081]
优化燃机负荷设定值模块400，将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。
[0082]
本实施例的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置用于实现前述的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，因此一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置中的具体实施方式可见前文中的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的实施例部分，例如，第一传递函数模块100，第二传递函数模块200，第三传递函数模块300，优化燃机负荷设定值模块400，分别用于实现上述一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法中步骤s101，s102，s103和s104。所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
[0083]
本发明具体实施例还提供了一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的步骤。
[0084]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0085]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0086]
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺
序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
[0087]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0088]
以上对本发明所提供的一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法、装置、设备及存储介质进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0089]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0090]
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
[0091]
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

技术特征：
1.一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，包括：基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。2.如权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，所述第一传递函数计算公式为：其中，s为拉普拉斯算子，g
g
(s)为第一传递函数，p
g0
为燃机实际负荷值，p
g
为燃机负荷值设定值，t
g
为与燃机变负荷特性相关的惯性时间常数。3.如权利要求2所述的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，所述第二传递函数计算公式为：其中，g
s
(s)为第二传递函数，p
s0
为汽机实际负荷值，p
g0
为燃机实际负荷值，k
s
为增益系数，t
s
为与汽机变负荷特性相关的惯性时间常数，τ为与余热锅炉热量吸收过程相关的纯迟延时间系数。4.如权利要求3所述的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，所述第三传递函数计算方式为：其中，g(s)为第三传递函数，p0为机组实际负荷。5.如权利要求1所述的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理包括：将机组负荷指令设定为所述反馈控制器的设定值，将机组实际负荷值设定为被控参数，将所述燃机负荷设定值设定为控制量，对所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。6.如权利要求5所述的燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，其特征在于，所述smith预估前馈处理包括：将smith预估控制量乘以系数k作为所述反馈控制的前馈量，利用反馈控制的前馈量对纯迟延特性进行补偿，由所述反馈控制器维持控制系统稳定，完成所述smith预估前馈处理。7.一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定装置，其特征在于，包括：第一传递函数模块，基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数；第二传递函数模块，基于所述燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数；第三传递函数模块，利用所述第一传递函数与所述第二传递函数获取第三传递函数；
优化燃机负荷设定值模块，将所述第三传递函数进行反馈控制及smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值。8.一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定设备，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法的步骤。

技术总结
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气蒸汽联合循环机组燃机负荷设定值确定方法，包括：基于燃机负荷设定值与燃机实际负荷值获取第一传递函数，基于燃机实际负荷值与汽机实际负荷值获取第二传递函数，利用第一传递函数与第二传递函数获取第三传递函数，将第三传递函数进行反馈控制及Smith预估前馈处理，得到优化后的燃机负荷设定值，使机组准确快速地跟踪负荷指令，减小参数波动。在反馈控制的基础上引入Smith预估前馈，对汽机的纯迟延特性补偿，使机组在变负荷过程中能更快恢复稳定。将Smith预估控制量乘以系数K作为PID的前馈控制量，在机组特性发生改变后减小对控制系统的影响。系统的影响。系统的影响。


技术研发人员：肖俊峰 卫星光 胡孟起 王玮 夏林 连小龙 王一丰 姜世杰 田新平
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.05.05
技术公布日：2023/8/9