СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЫСТРОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК F01K13/02 

Изобретение относится к способу для быстрого регулирования мощности энергетической установки с турбоагрегатом, содержащим паровую турбину и генератор, причем для установки избыточной мощности генератора в процессе эксплуатации установки активируют имеющиеся накопители энергии. Оно относится далее к устройству для осуществления способа.

Надежное снабжение электроэнергией в электрической системе энергоснабжения предполагает тщательное согласование между производством электрической энергии за счет числа энергетических блоков и отбором этой энергии за счет множества потребителей в электрической распределительной сети. Если производство и отбор электрической энергии одинаково велики, то частота сети, являющаяся существенным параметром в электрической сети, является постоянной. Ее номинальное значение, например в Европейской объединенной электроэнергетической системе, составляет 50 Гц. Отклонение частоты, которое появляется, например, при отказе энергетического блока, и за счет подключения или отключения потребителя, может рассматриваться как мера для повышения или соответственно понижения производимой мощности. Наряду с отработкой отклонений частоты внутри системы энергоснабжения дальнейшая задача заключается в том, чтобы соблюдать заданную обменную мощность на местах связи к частичным сетям, из которых состоит распределительная сеть (объединенная электросеть или автономная электросеть). Требование состоит поэтому в том, чтобы быстрое повышение мощности энергетического блока было доступным в течение секунд.

Возможности для быстрого регулирования мощности и поддержки частоты описаны в журнале "VGB Kraftwerkstechnik", номер 1, январь 1980, стр. 18-23. В то время как для быстрого изменения мощности в секундном диапазоне (быстро реализуемый резерв) существует множество одновременно или альтернативно производимых возможностей вмешательства, для остающегося изменения мощности энергетического блока требуется изменение подачи топлива. Поэтому на электростанции, работающей на ископаемом топливе, для преодоления времен запаздывания в течение первых секунд открывают удерживаемые до сих пор в дросселированном положении регулирующие клапаны паровой турбины и за счет этого практически без задержки активируют и разряжают доступные накопители пара.

Наряду с повышением мощности за счет устранения дросселирования регулирующих клапанов паровой турбины также отключают предусмотренные в пароводяном контуре паровой турбины подогреватели, которые обогреваются посредством пара промежуточного отбора из паровой турбины. Направленный одновременно через подогреватель низкого давления конденсатный поток в течение нескольких секунд может быть прерван или снова повышен. Эта мера для быстрого регулирования мощности в энергетических блоках, работающих на ископаемом топливе, путем отключения подогревателя с прекращением подачи конденсата описана, например, в немецком патенте DE-PS 33 04 292.

Для регулирования и/или управления быстро реализуемого (секундного) резерва, то есть регулированного использования потоков пара к регенеративным подогревателям и/или конденсаторам для обогрева, а также пара для технологических нужд и конденсата в пароводяном контуре паровой турбины энергетического блока, поэтому обычно используют устройство регулирования. Оно обуславливает для быстрого регулирования мощности, то есть для активирования быстро реализуемого резерва, дросселирование подачи пара к подогревателям, дросселирование пара для технологических нужд и/или дросселирование конденсата. При этом заданные позиционные значения для регулировочных клапанов в отводах турбины и для исполнительных органов для регулирования конденсата формируют таким образом, что достигается требуемая избыточная мощность генератора. Недостатком при этом, однако, является то, что координация требующейся скорости изменения мощности и амплитуды мощности с другими величинами процесса, в частности с изменениями температуры в линии подогрева и/или конденсаторах для обогрева, а также с подачей вспомогательного конденсата является чрезвычайно трудной. Кроме того, являются неучтенными приоритеты использования отдельных мер для быстрого регулирования мощности. Кроме того, вследствие обычно нелинейных объектов регулирования качество регулирования не является особенно высоким,
В основе изобретения поэтому лежит задача указания способа для быстрого предоставления в распоряжение мощности в энергетической установке, которым достигается особенно эффективное регулирование. Это должно достигаться в случае особенно подходящего для осуществления способа устройства простыми средствами.

Относительно способа эта задача согласно изобретению решается за счет того, что для регулированного активирования накопителей энергии используют нечеткую логику, причем используют правила нечеткой логики из опыта эксплуатации установки и причем на основе избыточной мощности генератора и на основе энергетической ситуации активируемых накопителей определяют степень активирования отдельных накопителей энергии.

При этом изобретение исходит из соображения, что надо оценивать множество параметров процесса или переменных процесса. При этом анализ существенных для регулируемого процесса переменных процесса должен производиться в их совокупности. С помощью нечеткой логики тогда можно вводить в оценку опыт эксплуатации установки (экспертные знания) и учитывать при последующем формировании позиционных заданных значений.

В предпочтительной форме дальнейшего развития для реализации необходимых при этом правил нечеткой логики учитывают приоритет использования отдельных накопителей энергии. Кроме того, при оценке переменных процесса или данных процесса для определения позиционных заданных значений предпочтительно учитывают их готовность и/или их временное ограничение.

Относительно устройства названная задача решается согласно изобретению за счет системы нечеткой логики, входные сигналы которой отражает избыточную мощность генератора, а также энергетическую ситуацию активируемых накопителей, а выходы которой указывают степень активирования отдельных накопителей энергии.

В предпочтительной форме выполнения система нечеткой логики содержит первый регулятор нечеткой логики, сигналы на входах которого отражают энергетическую ситуацию активируемых накопителей, а выход которого указывает стратегию использования для осуществляемых мер, а также временные ограничения отдельных активируемых накопителей. Предпочтительно первый регулятор нечеткой логики содержит дополнительно вход для сигнала, отражающего степень дросселирования по меньшей мере одного соединенного с паровой турбиной на стороне притока исполнительного органа.

Целесообразно система нечеткой логики содержит второй регулятор нечеткой логики, сигналы на входах которого отражают заданное значение мощности и действительное значение избыточной мощности генератора, а также стратегию использования и ограничения, а выходы которого указывают заданные позиционные значения для исполнительных органов для пара.

Система нечеткой логики содержит далее целесообразно третий регулятор нечеткой логики, сигналы на входах которого отражают действительное позиционное значение по меньшей мере одного исполнительного органа для пара и действительное значение температуры и/или давления накопленной в пароводяном контуре питательной воды, а выходы которого указывают заданные позиционные значения для исполнительных органов для конденсата. При этом предпочтительно сигнал входа третьего регулятора нечеткой логики отражает значение для скорости изменения положения клапана по меньшей мере одного исполнительного органа для пара.

Целесообразно система нечеткой логики содержит кроме того четвертый регулятор нечеткой логики, сигнал на входе которого отражает действительное значение для уровня в по меньшей мере одном промежуточном накопителе, включенном в пароводяной контур, а выход которого указывает заданное позиционное значение для ввода конденсата в накопитель конденсата или вывода из него.

Достигнутые изобретением преимущества заключаются, в частности, в том, что за счет использования нечеткой логики с применением опыта эксплуатации установки достигается регулированное активирование в процессе эксплуатации установки имеющихся накопителей энергии. При этом могут учитываться приоритеты использования отдельных мер. Кроме того, обеспечивается бережный режим ведения процесса при одновременно особенно эффективном использовании имеющихся накопителей энергии. В частности, достигается быстрое регулирование мощности высокого качества.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежей. При этом на фигурах показано:
фиг. 1 - блок-схема турбогенератора в качестве отрезка процесса энергетического блока и
фиг. 2 - блок-схема системы нечеткой логики в качестве устройства регулирования для отрезка процесса согласно фиг. 1.

Фиг. 1 показывает принципиальную блок-схему отрезка процесса энергетического блока с турбогенератором, который состоит из частичной турбины высокого давления 2, частичной турбины среднего давления 4 и частичной турбины низкого давления 6, а также генератора 8 При эксплуатации турбогенератора свежий пар FD через регулирующий клапан свежего пара 10 вводится в частичную турбину высокого давления 2. Первый частичный поток FD₁, а также устанавливаемый посредством регулирующего клапана 12 второй частичный поток FD₂ отбирается от частичной турбины высокого давления 2 для линии подогрева высокого давления 14. Устанавливаемый посредством следующего регулирующего клапана 16 третий частичный поток FD₃ отбирается от частичной турбины высокого давления 2 для емкости питательной воды 18. Отработавший пар FD' из частичной турбины высокого давления 2 подводится через промежуточный перегреватель 20 к частичной турбине среднего давления 4.

Из частичной турбины среднего давления 4 происходит дальнейший отбор пара. Для этого посредством регулирующего клапана 22 отбирают устанавливаемый первый частичный поток MD₁ для линии подогрева низкого давления 24. Дальнейший отбор происходит через устанавливаемый посредством регулирующего клапана 26 второй частичный поток MD₂ для конденсатора для обогрева 28. Далее отбор происходит через устанавливаемый посредством регулирующего клапана 30 третий частичный поток MD₃ в качестве пара для технологических нужд PD. Отработавший пар MD' частичной турбины среднего давления 4 подводят через перепускной клапан 32 к частичной турбине низкого давления 6.

Из частичной турбины низкого давления 6 происходит также отбор пара для линии подогрева низкого давления 24 и для конденсатора для обогрева 28. Для этого первый частичный поток ND₁ непосредственно, а второй частичный поток ND₂ через регулирующий клапан 34 подводят к линии подогрева низкого давления 24. Точно также к конденсатору для обогрева 28 подводят третий частичный поток ND₃ непосредственно, а четвертый частичный поток ND₄ через регулирующий клапан 36. Отработавший пар ND' из частичной турбины низкого давления 6 конденсируется в конденсаторе 40.

Основной конденсат К из сливного пространства 42 конденсатора 40 посредством конденсатного насоса 44 через линию подогрева низкого давления 24 подают в емкость питательной воды 18. Из емкости питательной воды 18 посредством насоса питательной воды 46 питательная вода S подается через линию подогрева высокого давления 14. Вспомогательный конденсат NK₁ из линии подогрева высокого давления 14 подают посредством вспомогательного конденсатного насоса 48 в емкость питательной воды 18. Точно также вспомогательный конденсат NK₂ из линии подогрева низкого давления 24 подают посредством вспомогательного конденсатного насоса 50 в конденсатор 40, то есть в его сливное пространство 42. Кроме того вспомогательный конденсат NK₃ из конденсатора для обогрева 28 подают посредством вспомогательного конденсатного насоса 52 в сливное пространство 42 конденсатора 40.

В то время как подачу основного конденсата К и питательной воды S производят через регулирование уровня L_K/L_SBW подачу вспомогательного конденсата NK_1,2,3 устанавливают через отдельные регулирования уровня NR₁, NKR₂ или соответственно NKR₃. К ним может подводиться общее заданное позиционное значение Y_NKR. При этом соединенный через конденсатный насос 48 со сливным пространством 42 конденсатора 40 накопитель холодного конденсата 54 служит для ввода или вывода части основного конденсата К.

Устройство для быстрого регулирования мощности представлено на фиг. 2. Оно содержит систему нечеткой логики 60 с четырьмя регуляторами нечеткой логики 62, 64, 66 и 68. Система нечеткой логики 60 содержит в качестве входных величин откорректированное по частоте заданное значение мощности P_s, а также действительное значение избыточной мощности P_I генератора 8. Действительное значение избыточной мощности P_I измеряют посредством измерительного устройства 70 на генераторе 8 (фигура 1) Другими входными величинами системы нечеткой логики 60 являются температура T_SW и давление P_SW питательной воды S, которые измеряют посредством измерительного устройства 72 в емкости питательной воды 18 (фиг.1). Далее к системе нечеткой логики 60 в качестве входных величин подводят измеренный в сливном пространстве 42 конденсатора 40 уровень конденсата L_K и измеренный в емкости питательной воды 18 уровень питательной воды L_SWB. В качестве дальнейших входных величин e₁...e_n к системе нечеткой логики 60 подводят информации о степени дросселирования (закрывания) D₁₀, D₃₂ регулирующего клапана свежего пара 10 или соответственно перепускного клапана 32 и данные о приоритетах использования ЕР, техническая готовность ТВ и характерная нагрузка KL электростанции, а также дальнейшие переменные процесса Р.

Входы e₁...e_n принадлежат к первому регулятору нечеткой логики 62 системы нечеткой логики 60. Они учитывают существенные для подлежащего регулированию отрезка процесса переменные процесса D₁₀, D₃₂, EP, TB, KL и Р. С помощью отложенных в первом регуляторе нечеткой логики 62 правил нечеткой логики FR₁ из опыта эксплуатации установки (экспертные знания) определяют стратегию использования мер, требующихся для быстрого регулирования мощности энергетического блока. Далее там определяют временные ограничения накопителей энергии, подлежащих активированию на отрезке процесса. Эта стратегия использования, то есть ступенчатое расположение мер и ограничений образуют выходную величину f первого регулятора нечеткой логики 62.

Эта выходная величина f является одновременно входной величиной второго регулятора нечеткой логики 64. Дальнейшими входными величинами а и b второго регулятора нечеткой логики 64 являются откорректированное по частоте заданное значение мощности P_S или соответственно действительное значение избыточной мощности P_I. Во втором регуляторе нечеткой логики 64 из этих входных величин а, b и f на основе правил нечеткой логики FR₂ определяют выходные величины g - k. В то время как выходные величины g - j являются заданными позиционными значениями, выходная величина k является оцененной скоростью изменения положения клапана dY_m/dt, предусмотренного в отрезке процесса, согласно фиг. 1 исполнительного органа 10, 12, 16, 22, 26, 32, 34 и 36. Выходная величина g второго регулятора нечеткой логики 64 указывает заданное позиционное значение Y_HK для регулирующих клапанов 26 и 36 для конденсата для обогрева. Выходная величина h указывает заданные позиционные значения Y_FD, Y_UK для регулирующего клапана свежего пара 10 или соответственно перепускного клапана 32. Выходная величина i указывает заданное позиционное значение Y_PD для регулирующего клапана 30, который устанавливает количество отбираемого в единицу времени пара для технологических нужд PD. Выходная величина j указывает заданные позиционные значения Y_KL для регулирующих клапанов пара промежуточного отбора 12, 16, 22 и 34.

Выходные величины j и k второго регулятора нечеткой логики 64 являются одновременно входными величинами третьего регулятора нечеткой логики 66. В качестве дальнейшей входной величины с к третьему регулятору нечеткой логики 66 подводят температуру T_SW и давление P_SW питательной воды S в емкости питательной воды 18. Из этих входных величин j, k и c c помощью правил нечеткой логики FR₃ в качестве выходных величин 1 и о формируют заданные позиционные значения Y_KP, Y_NKP для регулирования конденсата или соответственно вспомогательного конденсата NKR_1,2,3.

В четвертом регуляторе нечеткой логики 68 системы нечеткой логики 60 в качестве выходной величины q формируют заданное позиционное значение Y_KKP для количества подлежащего вводу в накопитель холодного конденсата 54 или выводимого из него конденсата К. Для этого к регулятору нечеткой логики 68 в качестве входной величины d подводят уровень конденсата и питательной воды L_K или соответственно L_SWB. Образование заданного позиционного значения Y_KKP происходит также с помощью правил нечеткой логики FR₄.

За счет примененных в системе нечеткой логики 60 технологических знаний обеспечивается как бережное ведение процесса энергетической установки или энергетического блока при быстрых изменениях мощности, так и особенно эффективное использование имеющихся накопителей энергии. При этом технологические знания поступают в правила нечеткой логики FR₁ - FR₄ отдельных регуляторов нечеткой логики 62 - 68. В частности, для реализации правил нечеткой логики FR₁ первого регулятора нечеткой логики 62 учитывается приоритет использования отдельных накопителей энергии. Активирование накопителей энергии происходит за счет дросселирования подачи пара к линиям подогрева 14 и 24 и/или дросселирования пара для технологических нужд PD или дросселирования конденсата К и/ или побочного конденсата NK_1,2,3 Образование соответствующих заданных позиционных значений Y для регулирующих или установочных клапанов в отводах турбины и для регулирования конденсата происходит при этом в связи с требуемой избыточной мощностью генератора P_S.

Способ и устройство предназначены для быстрого регулирования мощности энергетической установки. Турбоагрегат содержит паровую турбину и генератор. При установке избыточной мощности генератора (Р_s) в процессе эксплуатации установки активируют имеющиеся накопители энергии. Для регулированного активирования накопителей энергии используют нечеткую логику. При этом используют правила нечеткой логики (FR_1...4) из опыта эксплуатации установки. Устройство для осуществления способа содержит систему нечеткой логики, входы которой отражают избыточную мощность генератора (Р_s), а также энергетическую ситуацию активируемого накопителя, а выходы которой (d-j, i, о, q) указывают заданные позиционные значения (Y) для степени активирования отдельных накопителей энергии. Такие способ и устройство позволят повысить эффективность регулирования. 2 с. и 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ для быстрого регулирования мощности энергетической установки с турбоагрегатом, содержащим паровую турбину (2, 4, 6) и генератор (8), причем для установки избыточной мощности генератора (P_S) в процессе эксплуатации установки активируют имеющиеся накопители энергии, отличающийся тем, что для регулированного активирования накопителей энергии используют нечеткую логику, причем используют правила нечеткой логики (FR_1-4) из опыта эксплуатации установки и причем на основе избыточной мощности генератора (P_S) и на основе энергетической ситуации активируемых накопителей определяют степень активирования отдельных накопителей энергии. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для реализации правил нечеткой логики (FR₁) учитывают приоритет (EP) использования отдельных накопителей энергии. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для определения заданных позиционных значений (Y) для отдельных накопителей энергии учитывают информацию (TB) об их готовности. 4. Устройство для быстрого регулирования мощности энергетической установки с турбоагрегатом, содержащим паровую турбину (2, 4, 6) и генератора (8), причем для установки избыточной мощности генератора (P_S) в процессе эксплуатации установки являются активируемыми имеющиеся накопители энергии, отличающееся тем, что оно имеет систему нечеткой логики (60), входные сигналы которой (a - e) отражают избыточную мощность генератора (P_S), а также энергетическую ситуацию активируемых накопителей, а выходы которой (g - j, 1, o, q) указывают степень активирования отдельных накопителей энергии. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что система нечеткой логики (60) содержит первый регулятор нечеткой логики (62), сигналы на входах (e₁ - e_n) которого отражают энергетическую ситуацию активируемых накопителей, а выход (f) которого указывает стратегию использования для осуществляемых мер, а также для временных ограничений активируемого накопителя или каждого активируемого накопителя. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что первый регулятор нечеткой логики (62) содержит вход (e) для степени дросселирования (D_FD, D_UK) по меньшей мере одного связанного с паровой турбиной (2, 4, 6) на стороне притока исполнительного органа (10, 32). 7. Устройство по любому из пп.4 - 6, отличающееся тем, что оно имеет второй регулятор нечеткой логики (64), сигналы на входах (a, b, f,) которого отражают заданное значение мощности (P_S) и действительное значение избыточной мощности (P₁) генератора (8), а также стратегию использования и ограничения, а выходы (g - k) которого указывают заданные позиционные значения (Y) для исполнительных органов (10, 12, 16, 22, 26, 30, 32, 34, 36). 8. Устройство по любому из пп.4 - 7, отличающееся тем, что оно имеет третий регулятор нечеткой логики (66), сигналы на входах (c, j, k) которого отражают заданное позиционное значение (Y_KL) по меньшей мере одного исполнительного органа для пара промежуточного отбора (12, 16, 22, 34) и действительное значение температуры (T_SW) и/или действительное значение давления (P_SW) накопленное питательной воды (S), а выходы (1, o) которого указывают заданные позиционные значения (Y_KP, Y_NKP) для исполнительных органов для конденсата (44, 48, 50, 52). 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что сигнал входа (k) третьего регулятора нечеткой логики (66) отражает значение для скорости изменения положения клапана (dY_m/dt) по меньшей мере одного исполнительного органа. 10. Устройство по любому из пп.4 - 9, отличающееся тем, что предусмотрен четвертый регулятор нечеткой логики (68), сигнал на выходе которого (d) отражает значение (L_K, L_SBW) для уровня в по меньшей мере одном промежуточном накопителе (18, 42), а выход (q) которого указывает заданное позиционное значение (Y_KKP) для ввода конденсата K в накопитель конденсата (54) или вывода из него.