本发明属于热能动力系统控制优化，具体涉及一种给水流量有序异步调节的亚临界机组功率的控制方法。
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。火电将由主体能源向基础能源转变，火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、亚临界机组作为火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，机组的功率偏差成为制约亚临界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，功率偏差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功率偏差的超限问题是亚临界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。在工质热力参数变化不大的前提下，机组功率主要与主蒸汽流量和各级抽汽流量有关，给煤量的控制可以调节主蒸汽流量，但主要与锅炉主控有关，难以进行额外调节，而给水流量的调节会直接影响各级抽汽流量，进而调控机组功率。因此在快速变负荷过程中如何合理地调节给水流量是有效抑制机组功率偏差的关键。本发明提出了一种给水流量有序异步调节的亚临界机组功率的控制方法。
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机组功率的控制方法，借助给水流量有序异步调节，改变高压加热器的抽汽流量，配合相应比例的凝结水流量调节，改变低压加热器的抽汽流量，进而改变在汽轮机内做功工质流量，最终实现快速调整机组功率的目的，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机组功率偏差超限问题。
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机组功率的控制方法，亚临界机组由锅炉系统和汽轮机系统构成，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机组功率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加热器的给水流量测量数据mfw和流经低压加热器的凝结水流量mcw；
7、采集锅炉喷水的温度tspw和压力pspw；采集锅炉系统中省煤器进口和出口工质温度teco,in、teco,out，进口和出口压力peco,in、peco,out；锅炉系统中过热器各级喷水减温量mspwi和锅炉系统中汽包的工作压力pdrum；
8、采集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；
9、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；
10、采集亚临界机组功率prt和汽轮机低压缸排汽压力pc，凝结水泵后压力pcp、除氧器压力pdea、给水泵后给水压力pfp和省煤器入口给水压力peco,in；
11、步骤二：数据预处理
12、利用数据降噪算法，数值填充、修正与剔除方法以及热力系统机理数据清洗算法将步骤一采集的参数数据进行数据清洗；
13、步骤三：计算各点工质焓值
14、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；省煤器入口和出口工质焓值heco,in、heco,out；锅炉系统中汽包内饱和水的焓值hdrum,sw和饱和蒸汽的焓值hdrum,ssmf；锅炉系统中过热器喷水减温焓值hspw；
15、步骤四：计算单位给水流量变化时产生的高压加热器抽汽流量变化量和亚临界机组功率变化量
16、单位给水流量变化后的给水流量：
17、mf′w＝mfw+δmfw
18、式中：mf′w是单位给水流量变化后的给水流量，kg/s；mfw是单位给水流量变化前的给水流量，kg/s；δmfw是给水流量变化量，kg/s；
19、首先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：
20、
21、
22、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高压加热器抽汽流量变化量，kg/s；τ1、τ2、τ3和τi分别是no.1、no.2、no.3和no.i高压加热器的给水焓升，kj/kg；q1、q2、q3和qi分别是no.1、no.2、no.3和no.i高压加热器的抽汽焓降，kj/kg；γ2、γ3和γi分别是no.2、no.3和no.i高压加热器的疏水焓降，kj/kg；
23、根据等效热降理论，高压加热器抽汽口排挤以上质量流量的蒸汽返回汽轮机做功，预期引起的亚临界机组功率变化为：
24、δh1＝δmse1h1
25、δh2＝δmse2h2
26、δh3＝δmse3h3
27、δhi＝δmseihi
28、
29、δpfw＝δhfw
30、式中：δh1、δh2、δh3和δhi分别是单位给水流量变化前后no.1、no.2、no.3和no.i高压加热器抽汽流量变化导致的亚临界机组做功量变化，kw；h1、h2、h3和hi分别是no.1、no.2、no.3和no.i高压加热器抽汽等效热降，kj/kg；δhfw是单位给水流量变化影响高压加热器抽汽导致的亚临界机组做功量变化，kw；δpfw是单位给水流量变化导致的亚临界机组功率变化，kw；
31、步骤五：计算跟随单位给水流量变化的凝结水流量变化产生的低压加热器抽汽流量变化量和亚临界机组功率变化量
32、首先计算除氧器抽汽流量的变化：
33、
34、式中：δmsek是单位给水流量变化前后除氧器抽汽流量变化量，kg/s；τk是除氧器的给水焓升，kj/kg；qk是除氧器的抽汽焓降，kj/kg；γk是除氧器的疏水焓降，kj/kg；
35、为了维持除氧器水位的稳定，计算凝结水流量的变化量：
36、mcw+msek+mdw(k-1)＝mfw
37、δmcw＝δmfw-δmsek-δmdw(k-1)
38、式中：mcw是凝结水流量，kg/s；msek是除氧器的抽汽，kg/s；mdw(k-1)是除氧器上一级高压加热器疏水流量，kg/s；δmcw是凝结水流量变化量，kg/s；δmdw(k-1)是除氧器上一级高压加热器疏水流量变化，kg/s；
39、相应的凝结水变化所引起的低压加热器抽汽流量变化为：
40、
41、式中：δmse(k+1)、δmse(k+2)、δmse(k+3)和δmsej分别是凝结水流量变化前后no.k+1、no.k+2、no.k+3和no.j低压加热器抽汽流量变化量，kg/s；τk+1、τk+2和τk+3分别是no.k+1、no.k+2和no.k+3低压加热器的水侧焓升，kj/kg；qk+1、qk+2和qk+3分别是no.k+1、no.k+2和no.k+3低压加热器的抽汽焓降，kj/kg；γk+2和γk+3分别是no.k+2和no.k+3低压加热器的疏水焓降，kj/kg；
42、根据等效热降理论，除氧器和低压加热器抽汽口排挤以上质量流量的蒸汽返回汽轮机做功，预期引起的亚临界机组功率变化为：
43、δhk＝δmsekhk
44、δhk+1＝δmse(k+1)hk+1
45、δhk+2＝δmse(k+2)hk+2
46、δhk+3＝δmse(k+3)hk+3
47、δhj＝δmsejhj
48、
49、δpdcw＝δhdcw
50、式中：δhk、δhk+1、δhk+2、δhk+3和δhj分别凝结水流量变化前后no.k除氧器、no.k+1、no.k+2、no.k+3和no.j低压加热器抽汽流量变化导致的机组做功量变化，kw；hk、hk+1、hk+2、δhk+3和hj分别为no.k除氧器、no.k+1、no.k+2、no.k+3和no.j低压加热器抽汽等效热降，kj/kg；δhdcw是凝结水流量变化影响除氧器和低压加热器抽汽导致的机组做功量变化，kw；δpdcw是凝结水流量变化导致的亚临界机组功率变化，kw；
51、步骤六：计算单位给水流量变化影响主蒸汽流量导致的亚临界机组功率变化
52、首先计算锅炉系统中的汽包入口工质总热量变化：
53、δqdrum,fw＝δqeco,fw+δqeco
54、式中：δqdrum,fw为锅炉系统中的汽包入口总热量变化量，kj/s；δqeco,fw为进入锅炉系统中省煤器的给水总热量的变化量，kj/s；δqeco是锅炉系统中省煤器内工质的总吸热量变化量，kj/s；
55、再进一步计算锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽流量变化：
56、锅炉系统中汽包和水冷壁的质量平衡方程如下：
57、mfw-mdrum,ssmf＝mdrum,sw
58、式中：mdrum,ssmf为锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽流量，kg/s；mdrum,sw为锅炉系统中汽包内饱和水质量的变化速度，kg/s；
59、锅炉系统中汽包和水冷壁的能量平衡方程如下：
60、qdrum,fw+qdrum,wall-qdrum,ss＝qdrum,change
61、式中：qdrum,wall是锅炉水冷壁内工质的总吸热量，kj/s；qdrum,ss为锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽带走的热量，kj/s；qdrum,change为锅炉系统中汽包和水冷壁的内部蓄热的释放速率，kj/s；
62、由于锅炉系统中汽包内饱和水的蓄热量远大于饱和蒸汽，因此只计算汽包内饱和水的蓄热变化：
63、qdrum,change＝mdrum,swhdrum,sw
64、式中：hdrum,sw为锅炉系统中汽包内饱和水的焓值，kj/kg；
65、同时，锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽流量与qdrum,ss的关系为：
66、qdrum,ss＝mdrum,ssmfhdrum,ssmf
67、式中：hdrum,ssmf为锅炉系统中汽包产生饱和蒸汽的焓值，kj/kg；
68、由以上方程可得，当单位给水流量变化时，锅炉系统汽包和水冷壁内能量平衡方程为：
69、δqdrum,fw-δqdrum,ss＝δqdrum,change
70、式中：δqdrum,ss为锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽带走热量的变化量，kj/s；δqdrum,change为锅炉系统中汽包和水冷壁的内部蓄热的释放速率变化量，kj/s；
71、因为汽包内工质储存量巨大，因此忽略此过程的汽包工作压力变化，得到单位给水流量变化时锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽流量的变化为：
72、
73、式中：δmls为主蒸汽流量变化量，kg/s；δmdrum,ssmf为锅炉系统中汽包产生的饱和蒸汽流量变化量，kg/s；
74、由于主蒸汽流量的变化响应时间要明显大于回热加热器抽汽流量变化的响应时间，因此，主蒸汽流量变化时单位质量新蒸汽等效热降为高压加热器、除氧器和低压加热器抽汽流量变化后的等效热降：
75、
76、式中：δpls为主蒸汽流量变化引起的亚临界机组功率变化，kw；h为给水流量变化前的新蒸汽等效热降，kj/kg；
77、其中主蒸汽流量mls使用伏流格尔公式计算得到；
78、步骤七：综合计算单位给水流量变化时亚临界机组总体功率变化预测值
79、当单位给水流量变化时，亚临界机组总功率变化主要由三部分组成：给水流量变化影响高压加热器抽汽导致的亚临界机组功率变化、凝结水流量变化影响除氧器和低压加热器抽汽导致的亚临界机组功率变化和主蒸汽流量变化所引起的亚临界机组功率变化；亚临界机组总功率变化为：
80、δp＝δpfw+δpdcw+δpls
81、步骤八：借助亚临界机组实时功率偏差和单位给水流量变化时亚临界机组功率变化预测值，计算亚临界机组功率偏差对于给水流量的前馈值
82、借助实时采集的亚临界机组功率，计算得到其与设定值之间的偏差，结合单位给水流量变化时的亚临界机组功率变化预测值，计算得到对给水流量调节值，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亚临界机组功率的控制逻辑；
83、δpdev＝pset-prt
84、
85、式中：δpdev为实时采集并计算得到的机组功率与设定功率之间的偏差，kw；pset为机组功率设定值，kw；prt为机组功率实时值，kw；δmpower,fwr为机组功率偏差对锅炉给水调节的前馈值，kg/s；kpower,fwr为机组功率偏差对给水流量调节前馈调节系数；
86、配合亚临界机组机炉协调控制系统原有机组功率控制逻辑，能够在快速变负荷时更有效的跟随目标负荷，以提高亚临界机组变负荷速率，对于亚临界机组运行灵活性的提高具有重要意义。
87、所述步骤二中关于数据清洗的具体方法包括：
88、(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；
89、(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；
90、(3)结合亚临界机组实际运行过程中的变化规律与物理机理，分析亚临界机组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，对于与亚临界机组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。
91、步骤三中通过热物性计算各级加热器疏水焓值hd,i所必需的但无测点的各级加热器的疏水压力pd,i按照各级抽汽压力ps,i的95％进行计算，即
92、pd,i＝0.95ps,i
93、步骤三中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所必需的但无测点的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，其中i＝1—z；
94、当加热器为高压加热器时，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
95、
96、其中,i＝1—k-1；
97、当加热器为低压加热器时，采用凝结水泵后给水压力pcp和除氧器压力pdea来计算获得，即
98、
99、其中,i＝k+1—z；
100、所述步骤四、五中关于各级高压加热器和低压加热器抽汽等效热降和所述步骤六中关于给水流量变化前的新蒸汽等效热降的具体计算方法：
101、给水流量变化前的新蒸汽等效热降计算方法如下：
102、
103、式中：hin,1为锅炉系统主蒸汽的焓，kj/kg；σj为单位质量再热蒸汽在锅炉系统中每一次再热中的吸热量，kj/kg；hc为汽轮机低压缸排汽焓，kj/kg；τr为第r级高压加热器和低压加热器的给水焓升，kj/kg；hr为第r级高压加热器和低压加热器的抽汽等效热降，kj/kg；qr为第r级高压加热器和低压加热器单位质量抽汽的放热量，kj/kg；σπ为各种损失造成的单位工质做功下降量，kj/kg；
104、其中，各级高压加热器和低压加热器的抽汽等效热降计算方法如下：
105、1)所有再热以后的抽汽等效热降为：
106、
107、2)最后一次再热之前的回热加热器的等效热降：
108、
109、式中，γr为疏水在第r级高压加热器和低压加热器中的放热量，kj/kg；mixn和mixo分别代表抽汽压力低于第n级和第o级抽汽的最近的汇集式加热器，汇集式加热器包括混合式加热器和带疏水泵的疏水放流式加热器；rho代表第o级抽汽后的最近的一次再热；
110、其中，τr，qr，γr的计算方法如下：
111、1)对于疏水放流式回热加热器：
112、τr＝hw,out,r-hgs,in,r
113、qr＝hs,r-hd,r
114、γr＝hd,r-1-hd,r
115、2)对于汇集式回热加热器：
116、τr＝hw,out,r-hw,in,r
117、qr＝hs,r-hw,in,r
118、γr＝hd,r-1-hw,in,i
119、所述步骤六中关于单位给水流量变化对于锅炉系统中省煤器内工质吸热量的影响的具体计算方法：
120、进入锅炉系统中省煤器的给水总热量变化为：
121、δqeco,fw＝δmfwheco,in
122、式中：δqeco,fw为进入锅炉系统中省煤器的给水总热量的变化，kj/s；heco,in为锅炉系统中省煤器入口给水焓值，kj/kg；
123、单位给水流量变化时，流经锅炉系统中省煤器的工质流量产生变化，其吸热量也会产生一定的变化，由于锅炉系统内部受热面前后的烟气温度无法测量，此处使用简单方法计算工质在锅炉系统中省煤器内的吸热量变化：
124、定义锅炉系统中省煤器吸热量变化的两个极限边界；
125、第一，总吸热量的增加量与流量的增加成正比
126、δqeco＝δmfw(heco,out-heco,in)
127、式中：δqeco为锅炉系统中省煤器内工质的总吸热量变化量，kj/s；heco,out为锅炉系统中省煤器工质出口焓值，kj/kg；
128、第二，总吸热量保持不变
129、δqeco＝0
130、实际上，工质在锅炉系统中省煤器中吸热量的变化应该在上述两极限之间：
131、δqeco＝keco,htabsδmfw(heco,out-heco,in)
132、式中：keco,htabs为锅炉系统中省煤器内工质总吸热量修正系数，0＜keco,htabs＜1。
133、所述步骤八中使用亚临界机组功率实时偏差和单位给水流量变化时的亚临界机组功率变化预测值，得到给水流量调节值的具体方式如下：
134、亚临界机组机炉协调控制系统中对于给水流量的调节是借助汽包实时水位与设定水位的偏差实现的，在机组升降负荷时给水流量会和给煤量呈现出同步调节的特征；在给水流量控制逻辑中引入亚临界机组功率偏差前馈，借助亚临界机组实时功率偏差，通过实时计算得到的单位给水流量变化时亚临界机组功率变化预测值，结合亚临界机组功率偏差对给水流量的前馈调节系数，最终得到亚临界机组实时功率偏差对给水流量调节的前馈量，解除了给水流量与给煤量、负荷变化的部分同步耦合关系，从而形成通过给水流量有序异步调节控制亚临界机组功率的优化控制逻辑。
135、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机组功率，首先采集亚临界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压加热器抽汽量的变化，利用亚临界机组等效热降计算方法得到高压加热器给水变化时亚临界机组功率的变化量；随后借助低压加热器能量平衡，计算跟随单位给水流量变化的凝结水流量变化导致的各级低压加热器抽汽量的变化，也利用等效热降计算此时的亚临界机组功率变化；之后，运用锅炉系统能量平衡计算得到给水流量变化引起的主蒸汽流量的变化，利用新蒸汽等效热降计算得到此时的亚临界机组功率变化。将三部分亚临界机组功率变化量加和得到最终单位给水流量变化引起的功率总变化量。同时采集并计算亚临界机组功率的实时偏差，获得亚临界机组功率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功率自动控制逻辑，可以在亚临界机组快速变负荷时有效防止亚临界机组功率偏差超限的问题，消除这一限制亚临界机组变负荷速率进一步提高的瓶颈，进而提高亚临界机组运行灵活性。
136、本发明的优点
137、1)本发明提供了一种给水流量有序异步调节的亚临界机组功率的控制方法，其优点体现在对于给水流量变化时机组功率变化预测值的计算方法上：本发明将亚临界机组功率变化分为三部分，分别是高压加热器给水流量变化导致高压加热器抽汽流量变化引起的亚临界机组功率变化、低压加热器凝结水相应变化导致低压加热器抽汽流量变化引起的亚临界机组功率变化和锅炉系统给水流量变化导致主蒸汽流量变化引起的亚临界机组功率变化。并分别借助高压加热器能量平衡、低压加热器能量平衡和锅炉系统能量平衡计算得到这三部分的预测值，最终综合计算得到单位给水流量调节对应的亚临界机组功率变化预测值，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；
138、2)本发明提供了一种给水流量有序异步调节的亚临界机组功率的控制方法，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亚临界机组功率的影响机理，并公开了单位给水流量变化亚临界机组功率变化预测值的计算方法，同时采集并计算亚临界机组功率实时偏差，经过修正最终得到亚临界机组功率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亚临界机组功率的调控。当亚临界机组功率偏差迅速增大时，根据功率实时偏差与功率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，以抑制亚临界机组功率偏差的增大；且当亚临界机组功率偏差减小时，再根据偏差与预测值的比例关系，依次有序地减少功率偏差的前馈量；通过以上亚临界机组功率偏差前馈给水流量调节方案，对应不同的亚临界机组功率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亚临界机组内部合理流动，最终提升亚临界机组功率控制效果。
1.一种给水流量有序异步调节的亚临界机组功率的控制方法，其特征在于：亚临界机组由锅炉系统和汽轮机系统构成，锅炉系统和汽轮机系统之间通过m个工质进、出口相连；
2.根据权利要求1所述的亚临界机组功率控制方法，其特征在于：所述步骤二中关于数据清洗的具体方法包括：
3.根据权利要求1所述的亚临界机组功率控制方法，其特征在于：步骤三中通过热物性计算各级加热器疏水焓值hd,i所必需的但无测点的各级加热器的疏水压力pd,i按照各级抽汽压力ps,i的95％进行计算，即
4.根据权利要求1所述的亚临界机组功率控制方法，其特征在于：所述步骤四、五中关于各级高压加热器和低压加热器抽汽等效热降和所述步骤六中关于给水流量变化前的新蒸汽等效热降的具体计算方法：
5.根据权利要求1所述的亚临界机组功率控制方法，其特征在于：所述步骤六中关于单位给水流量变化对于锅炉系统中省煤器内工质吸热量的影响的具体计算方法：
6.根据权利要求1所述的亚临界机组功率控制方法，其特征在于：所述步骤八中使用亚临界机组功率实时偏差和单位给水流量变化时的亚临界机组功率变化预测值，得到给水流量调节值的具体方式如下：
