煤質自適應控制在超臨界機組的應用

劉友寬,李長更,唐立軍,杜景琦

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

煤質自適應控制在超臨界機組的應用

劉友寬,李長更,唐立軍,杜景琦

(云南電網公司電力研究院,昆明 650217)

對超臨界W火焰機組煤質自適應控制技術進行了研究,提出了快速的煤質熱值軟測量方法和燃料與給水等調節的煤質自適應校正方法,改進和優化了基于直接能量平衡 (DEB)協調控制方法,結合采用經典方法構造的熱量信號,實現了超臨界機組的煤質自適應控制,保證了機組主參數調節的穩定性,提高了控制系統對煤質變化的魯棒性。

超臨界；直流爐；煤質自適應；DEB熱量信號

1 前言

超臨界機組與亞臨界機組相比,具有無可比擬的經濟性。但隨著機組參數的提高,采用直流爐的超臨界機組,因為沒有汽包環節,機組總的汽-水循環工質質量與亞臨界汽包爐相比大大下降,工質在機組內的循環速率上升,這就要求超臨界機組控制系統應更為嚴格地保持機組負荷與燃燒速率之間的關系；直流機組由于沒有作為蓄熱儲能作用的汽包環節,工質循環倍率接近1,這就要求自動控制系統嚴格地保持機組的物料平衡關系；由于超臨界機組循環工質的總質量下降,循環速率上升,工藝特性加快,這就要求自動控制系統的實時性更強,控制快速性能更好。但是,由于目前 “計劃電、市場煤”的影響,電煤煤質變化一直是火電機組控制方面的一大難題,而超臨界機組的控制仍以傳統的燃水比控制為基礎,煤質的變化勢必嚴重影響系統的能量平衡、流量平衡,因此,研究一種適用于超臨界機組的煤質自適應控制策略成為亟待解決的問題。

在超臨界火電機組的煤質自適應控制上,從理論與仿真上已有不少的研究,其大多居于復雜的智能控制方法,離實用化還有一定的距離。文獻 [1]介紹了燃煤發熱量軟測量技術,該軟測量技術引入給水流量、閥門開度、燃料量、機前壓力、中間點壓力和調節級壓力進行計算分析得出燃煤熱值。文獻 [2]和 [3]給出了燃煤煤質理論分析模型,該模型需要完整的煙氣分析信息作為模型輸入。文獻 [4]通過對國內大量煤質特性進行分析,得出一種利用鍋爐風量和排煙氧量計算熱量的方法。文獻 [5]針對鍋爐燃料發熱量大范圍波動工況下的燃燒數據特性,提出了關聯信息算法和非線性映像網絡的混合模型,用于預測燃料發熱量的變化。

以下研究了超臨界火電機組的煤質自適應控制方法,采用了快速的煤質軟測量方法,測出的煤質用于在機組控制中受煤質變化影響較大的協調控制、燃料控制、風量控制、給水控制等控制系統,實現協調控制、燃料、給水、送風的煤質自適應控制。

2 煤質自適應控制策略設計

2.1 熱量信號的構造

熱量信號的經典方法是直接能量平衡 (DEB)中的測量信號,在亞臨界機組中已經廣泛應用,目的是構造代表鍋爐負荷的信號,用于機組的運行監視與自動控制。在超臨界機組中,基于同亞臨界機組一樣的原理,即主要是通過主蒸汽供給汽機的負荷信號疊加蒸汽側容器、管道等儲存的蒸汽負荷與鍋爐金屬材料等因溫度變化產生的蓄熱變化等最終形成的鍋爐熱量信號,也可以加以利用。通過式(1)來計算超臨界機組的熱量信號：

HR=TEF+Cb·PD′(1)

其中：HR—Heat Release熱量信號,若忽略機組在不同負荷段發電效率的影響,可衡定比例地代表鍋爐熱量信號 (MW)；

Cb—鍋爐蓄熱系數 (MW.s/MPa)；

PD'—中間點壓力變化率 (MPa/s)；

TEF—Total Energy Flow總能流,若忽略機組在不同負荷段發電效率的影響,可衡定比例地代表汽機負荷 (MW)。

汽機側負荷TEF,可用下面的式子來表示：

TEF=K1·P1(2)

P1為汽機調節級壓力,K1比例系數。TEF穩態時與機組負荷基本呈一比一線性關系。

通過經典方法計算的熱量信號在機組正常運行中,大的變化趨勢與機組負荷一致,但熱量信號代表的是鍋爐負荷,基本代表鍋爐產生的熱量,短時間的變化方向與機組負荷各不一樣。如圖1所示,顯示了某超臨界600 MW機組在450 MW至600 MW的升負荷過程中熱量信號與機組負荷的對比曲線。

圖1 熱量信號與機組負荷對比

在熱量信號的計算中,蓄熱系數的求取可選取負荷變動時的數據利用經驗公式進行求取[6-8]。經計算,某600 MW超臨界W火焰機組的蓄熱系數為Cb=3100(MW.s/MPa),與某600 MW亞臨界W火焰機組計算與應用的蓄熱系數3200相當。分析兩類機組的負荷容量、主蒸汽容積、鍋爐金屬材料重量是相當的,故蓄熱系數相當。

2.2 煤質熱值軟測量方法

在確定了鍋爐熱量信號的求取方法后,可以通過下面兩種方法來進行煤質的計算：

方法一,通過計算鍋爐熱量信號與煤量之比的濾波值來代表煤質：

R=Filter(HR/M)(3) HR—熱量信號 (MW)；M—總煤量,t/h；Filter—濾波模塊；R—煤質系數。

用式 (1)計算的鍋爐熱量信號,在煤質穩定條件下的變化趨勢與煤量/風量一致,但存在一定時間的慣性與滯后。一般選取1～2倍燃料調節周期時間。

方法二,文中提出了基于火電機組協調控制對象特性提出的一種燃煤熱值快速計算方法,通過計算鍋爐熱量信號與煤量慣性環節、延時后的比值,經濾波后來快速代表燃煤熱值參量：

R=Filter(HR/LEADLAG(M)e-子s(4)

LEADLAG—慣性環節模塊；

子—滯后時間,s。

計算的燃煤熱值能在半分鐘內響應燃煤熱值的變化,兩分鐘之內自動調整機爐協調控制及子系統至相應的狀態。方法二計算的燃煤熱值與方法一相比,體現出一個優點 “快”：快了4～8倍,且能保證穩定可靠。在方法二推出后,現場的應用實施均采用了此方法。

2.3 煤質自適應校正

2.3.1 燃料調節的煤質自適應校正

燃料調節被調量為熱量信號,設定值為鍋爐負荷指令,采用變參數調節,或變PID輸入偏差增益等方式,實現煤質的自動校正,以保持閉環控制回路的特征函數不變,燃料調節的變P、I、D參數可以用下式來自動改變：

Kp=k1/f(TEF)/R (5) T1=k2·f(TEF)·R (6) TD=k3/f(TEF)/R (7)其中,KP、TI、TD—分別為并聯型PID調節器的比例系數、積分時間、微分時間；

k1～k3—整定的控制參數；

f(TEF)—隨負荷變化的機組效率曲線；R—燃煤熱值參量。

對于無 PID變參數的控制系統,可采用在PID外的偏差輸入端乘以 R0/R或者 R0/R/f (TEF)實現燃料的煤質校正,如圖2,R0為設計煤種下的燃煤熱值參量。

2.3.2 鍋爐給水調節的煤質自適應校正

超臨界機組的鍋爐給水調節中,水燃比是關鍵的一個計算環節,給水調節保證了水燃比就能保證給水控制的基本穩定。在大多數的超臨界機組的控制中,未進行鍋爐熱量信號與煤質的計算,導致水燃比計算變為水煤比,在機組煤質發生變化后,水煤比計算值已偏離了代表的水燃比,引發給水控制的不穩定,需人工根據機組的運行與進煤化驗情況不停進行比值的修正,保證給水控制的穩定。

煤質自適應校正方案中,燃料調節采用了鍋爐指令作為設定值,調節鍋爐熱量信號與鍋爐指令匹配。故在給水調節中,形成給水流量主指令的燃料指令采用鍋爐指令信號與鍋爐熱量信號的選擇值。在燃料調節投入時,選擇燃料指令經高階慣性環節處理后乘以一個轉換系數變換成給水流量指令,高階慣性環節是模擬鍋爐指令到燃料在汽水系統中的相應環節。若燃料調節在手動方式,熱量信號HR即可代表產生的熱量,給水主指令FWD計算如下：

FWD=K1·SEL[LEADLAG(LE ADLAG (LEAD LAG(BD))),HR] (8)

K1—機組功率與給水流量的匹配系數；BD—鍋爐指令；

HR—鍋爐熱量信號；

LEADLAG—慣性環節；

SEL—選擇模塊。

若采用水煤比進行鍋爐給水調節,也可采用如下方式來計算給水主指令FWD：

FWD=K2·LEADLAG(LE ADLAG(LEAD LAD(MD)))·R/R0(9)

MD—總給煤量指令；

R—燃煤熱值參量；

R0—設計煤種下的燃煤熱值參量；

LEADLAG—慣性環節；

K2—設計煤種下的給水流量與給煤量比值。

2.3.3 風量的煤質自適應校正

對超臨界機組的風量調節,采用類似于亞臨界機組的方式：

FPAPSP=f1(M)(10)

FTAFSP=f3[MAX(R·DM,R·DELAY (M)](11)

其中,FPAPSP、 FPAFSP、 FTAFSP—分別為一次風壓、一次風量、總風量自動設定值；

f1～f3—多段折線函數；

M—鍋爐總給煤量；

DM—鍋爐煤量指令；

MAX—大選處理；

DELAY(M)—煤量的延時處理。

對于燃料調節采用了鍋爐指令作為設定值,調節鍋爐熱量信號與鍋爐指令匹配?？傦L量指令采用經典的計算即可：

FTAFSP=f3[MAX(BD,HR)] (12)

2.4 協調控制方案的改進

基于前述的超臨界機組的鍋爐熱量信號可用[9-11],同樣超臨界機組的協調控制可類似的采用直接能量平衡 (DEB)協調控制方案。常規直接能量平衡 (DEB)協調控制它是火電機組常用的控制策略,其控制效果較為理想且控制方案簡潔。但DEB控制策略存在諸多不足[12]。針對不足,在超臨界機組上進行了下述的改進與優化,最終的協調控制框圖如圖2所示。

1)為滿足 AGC的精度和快速性要求,改CCS的機組功率串級調節回路為單回路調節,如圖2中的虛框D部分,使調節更快、更穩定和高精度。

2)優化了DEB的鍋爐指令計算,如虛框E部分。原經典的鍋爐指令計算模塊NRGD為：

NRGD=WT+C1·WT·WT′+C2·PTSP′(13)

其中 WT=TEF.PTSP/PT,C1、C2為系數, WT′為的WT變化率,PT為主汽壓力,PTSP為主汽壓力設定值,PTSP′為PTSP變化率。式 (13)中：WT項是主量,燃料調節使鍋爐熱量信號HR與汽機負荷TEF穩態時一致,就保證了主汽壓力與設定值一致；C1.WT.WT′項用于機組變負荷中補償鍋爐熱量信號對燃料的滯后及燃料調節斜坡變化時的穩態偏差；C2.PTSP′項用于補償鍋爐滑壓的蓄熱量變化。

現提出了對NRGD的改進：

NRGD=WT+C1·DP+C2·UNITD′+C3·PTSP′+C4·D′P(14)

其中UNITD為機組負荷當前指令,不含一次調頻量,UNITD′為UNITD的微分；DP為機前壓力設定值與機前壓力的偏差。這種算法有效解決了如下問題：因DEB的鍋爐指令核心算法中采用了含代表汽機側負荷-調節級壓力的微分,在汽機側發生擾動會對鍋爐側的控制產生較大影響；增加了機前壓力偏差與偏差的微分調節項,解決了機組機前壓力調節的穩定性、控制精度與快速性問題。

3)增加主汽壓力設定值的高階慣性環節處理,如虛框B所示。錯開鍋爐指令中動態補償C3.PTSP′項與C2.UNITD′、C4.DP′項正向同時疊加,使動態變負荷過程風/煤變化率減小,變化更平穩。

4)在主汽壓力設定值形成的輸入信號改用不含一次調頻的功率指令UNITD,如虛框C所示。保證一次調頻響應的同時,減小了機組滑壓方式運行時因一次調頻指令形成的主汽壓力設定值變化對鍋爐側的控制產生較大擾動。

5)在接受調度指令的ADS模塊與調度指令模塊間增加一個兩速率限制模塊,如虛框A所示,采用含死期的超前滯后模塊LEADLAG實現。當調度AGC指令與機組功率指令相差超過設定死區時,機組指令快速跟蹤AGC指令至死區內；進入死區后,機組指令按慢速率跟蹤AGC指令。這樣可避免負荷指令小幅的頻繁波動時鍋爐指令相應的調節波動,使鍋爐側波動減小。

圖2 超臨界機組DEB煤質自適應協調控制方案的優化與改進框圖

3 工程應用

圖3為采用煤質自適應控制策略的云南某600 MW超臨界機組在穩定負荷下,煤質系數在2.39至2.65變化,變化了11%,機組的功率與主汽壓力等主參數控制依然很優秀,受影響小,其中機組功率控制偏差在±0.5%Pe以內,主汽壓力控制偏差在±0.2 MPa以內。

圖3 穩態情況下,煤質波動時的響應曲線

圖4為機組負荷從495 MW升至585 MW,負荷變化率設定為2.0%額定負荷每分鐘,實際負荷變化率為1.7%額定負荷每分鐘,機組負荷的動態偏差在1.0%額定負荷以內,穩態偏差在0.9%額定負荷以內；主汽壓力的動態偏差在0.4MPa以內,穩態偏差在0.2MPa以內,技術指標均滿足行業規定要求的優良指標。

圖4 超臨界機組負荷變動的響應曲線

可以看出,采用煤質自適應控制策略的超臨界機組在以2.0%額定負荷每分鐘的負荷變化率進行負荷變動時,機組主汽壓力等主參數調節效果很好；機組負荷能夠在鍋爐側主參數穩定的情況下,滿足調度規定的變化率要求。

圖5為機組在CCS協調控制方式下的轉差為+12r/min的一次調頻試驗,機組負荷瞬間疊加+ 40 MW指令,從圖中可以看出,采用煤質自適應的控制策略,機組在一次調頻最大量12r/min轉差擾動時機組總煤量變化相當平穩,主汽壓力控制動態偏差在±0.3MPa內且能較快恢復。

圖5 CCS方式下、轉差+12r/min的一次調頻響應曲線

從圖5可看出,當機組一次調頻動作、機組負荷出現大幅度階躍變化時,采用煤質自適應控制策略的超臨界機組能夠在利用機組蓄熱的同時快速響應,保證了機組主汽壓力等主參數的穩定。

4 結束語

通過在云南某臺600 MW超臨界機組的實際投用表明,研究的快速煤質自適應控制方法能夠很好地克服煤質變化對機組主參數的擾動,在變負荷過程中能夠在保證機組運行穩定性的同時,很好的適應電網的負荷變化率要求,并提高了控制系統在煤質變化時的控制精度與魯棒性,為超臨界機組的自動控制開辟了一種新的途徑。

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Application of Coal Adaptive Control Technology on Supercritical Unit

LIU Youkuang,LI Changgeng,TANG Lijun,DU Jingqi
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

Researched the Supercritical W-shape Flame Boiler Unit coal adaptive control technology,proposed coal calorific value soft measurement method and fuel and water regulation of coal self adaptive method,improved the coordination control method based on direct energy balance(DEB),realized the self-adaptive coal control of supercritical unit by combining with the heat signal constructed by using the classical method,guaranteed the stability of the main parameters of the unit control,and improved the robustness of the control system on the coal quality variation.

Supercritical,One-through boiler,coal adaptive control technology,DEB,Heat release signal

TR3

B

1006-7345(2014)02-0048-05

2013-10-20

劉友寬 (1973),男,碩士,高級工程師,主要從事熱工自動化、電網自動化、變電站綜合自動化方面的生產、科研等工作(e-mail)SUPER_LYK@163.com。