鍋爐入爐煤量預測模型研究

谷俊杰，　張　巖，　劉　康，　孫苗青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003)

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鍋爐入爐煤量預測模型研究

谷俊杰，張巖，劉康，孫苗青

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003)

摘要：設計了煤質自適應前饋校正，以功煤系數為出發點，借助組合預測模型的思想建立鍋爐入爐煤量的預測模型，采用方差倒數法求取前1 h功煤系數對當前時刻功煤系數的最優權重系數，實現對入爐煤量和功煤系數的預測，并利用該模型對某660 MW機組4號鍋爐的入爐煤量進行預測.結果表明：將實時入爐煤量的預測值作為實際入爐煤量，其預測平均準確度能達到97%左右，提高了入爐煤量的預測準確率.

關鍵詞：入爐煤量； 前饋校正； 預測模型； 功煤系數； 電網調度負荷指令

電廠入爐煤的供應都是以電廠設計煤種為準， 但來煤得不到保證，入爐煤質差、煤質變化頻繁，與設計煤種相差很大，易引起壓力、功率和溫度的波動[1-2].隨著電網容量的增大以及用戶對供電質量要求的提高，電網調度對火電機組負荷變化的要求也越來越高，煤質差、煤質變化頻繁導致很多火電機組的協調變負荷能力不能適應電網調度的要求，嚴重影響機組的穩定性和變負荷能力，也減弱了機組上網競爭的能力[3].

自適應煤質變化協調控制系統是一項最新的科研成果，通過大型火電機組多年調試經驗的積累和獨到的分析，煤質變化對負荷變化的影響小，輸出指令變化平穩，設計了簡單易懂的協調控制策略.各參數設置原理簡單，具有自適應煤質變化的能力，極大地提高了大型火電機組變負荷能力和機組運行穩定性，使得協調控制系統具備自適應入爐煤質變化的能力[4].

許多學者對機組的煤質自適應控制進行了廣泛深入的研究.楊景祺等[1]指出在目前鍋爐的運行中，多數不能達到設計煤種的運行要求，并且煤種的變化多樣，因此有必要在眾多的系統設計中考慮熱值(British Thermal Unit, BTU)修正.李必成等[5]通過對燃煤品質大范圍波動工況下的燃燒數據進行分析，提出使用關聯信息算法和非線性映像網絡混合模型預測燃料熱值的變化.劉吉臻等[6]采用煙氣不完全分析方法，構造一個不依賴煙氣二氧化碳含量信號的煤質實時分析模型，實現對鍋爐入爐煤收到基成分的監測.羅志浩等[7]在常規燃煤BTU校正基礎上增加了一個快速計算的PID控制器，設計了穩定快速BTU校正回路.蔣欣軍等[8]提出新型串級BTU控制策略.劉友寬等[9]通過構造一種新的熱量信號，建立了BTU校正模型.這些學者對整個鍋爐熱力系統的能耗進行分析并根據能耗情況開展節能研究，以準確完成鍋爐在動態過程的各種指標.

大多數研究方法采用BTU校正回路，通過反饋調節進行煤質自適應控制.在汽包爐中，通常用熱量信號修正燃料的熱值，這種方法主要考慮了鍋爐熱量信號的整定，使熱量信號僅代表燃料的變化，但是BTU校正回路具有一定的遲延，不能及時反映煤質變化.直流爐蓄能較小，無法得到類似于汽包爐的熱量信號，因此在直流爐BTU修正中最多的是采用蒸汽流量對熱值進行修正，考慮的基本點是根據設計煤種的熱值，所燃燒的煤量應該產生的熱量與實際煤種產生的熱量存在偏差，通過此偏差對燃料進行補償，這種BTU修正方法在實際應用中往往導致系統不穩定[1].BTU校正在汽包爐與直流爐中均存在缺陷，筆者基于功煤系數[4]設計了煤質自適應前饋回路，對入爐煤量指令進行優化，減小實時入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差，提高了機組自適應煤質變化的能力.

1自適應煤質變化前饋設計

1.1煤質變化性能分析

煤質的好壞直接影響爐膛內燃燒放熱量、燃燒穩定性及鍋爐效率.對于煤質達不到機組設計要求的來煤，電廠普遍采用配煤摻燒技術，調整入爐煤的品質.配煤摻燒技術主要包括分磨磨制爐內摻燒、煤場配煤混合磨制和煤場混煤爐內摻燒等方法.由于操作水平、環境和來煤情況變化等原因，煤的實際摻混效果并不好，入爐煤質變化很大，增強了對鍋爐內部管道的腐蝕和沖刷，導致水煤比失調、主蒸汽溫度偏低和主蒸汽壓力偏低等[10].

為了使得機組協調控制系統能夠對煤質的變化及時做出調整，采用功煤系數概念.功煤系數是指單位發電機功率所消耗的實時入爐煤量：

(1)

式中：α為功煤系數，t/(h·MW)；qm為實時入爐煤量，t/h；N為發電機功率，MW.

功煤系數可用來粗略估計進入爐膛的實時煤質，煤質越好(熱值越高、水分越少)，功煤系數越小，反之越大.功煤系數與機組負荷和燃料風門開度沒有固定關系.

對某660 MW機組4號鍋爐某時間段歷史數據(見表1)進行計算分析，其功煤系數變化范圍為0.350～0.401 t/(h·MW).

表1　某660 MW機組4號鍋爐某時間段歷史數據

1.2煤質自適應控制策略

電廠入爐煤為設計煤種時，機組協調控制系統如圖1左側所示.根據電網調度負荷指令N0經“負荷-入爐煤量函數f1(x)”計算出設計煤種理論入爐煤量，利用主蒸汽設計壓力p0與實際壓力pT的差值進行閉環調整，得出設計煤種實際入爐煤量，鍋爐主控M/A(M表示手動，A表示自動)利用此信號調整各給煤機的轉速，控制實時入爐煤量.

圖1　直流爐煤質自適應協調控制系統

在機組實際運行過程中，入爐煤往往不是設計煤種，傳統煤質自適應控制大多采用BTU校正，將實際入爐煤校正為設計煤種.傳統直流爐BTU校正主要依據負荷(用汽輪機調節級壓力p1或總給水流量表示)對應的入爐煤量與校正后的入爐煤量偏差進行反饋校正，如圖1中虛線框部分.其校正原理為：在BTU校正回路中，若忽略燃油量，入爐煤量DM等于燃料發熱系數kQ乘以由給煤機實測轉速信號代表的實際入爐煤量Dn，即

(2)

(3)

式中：DQ為通過直流爐的負荷計算得出的理論入爐煤量，其中直流爐的負荷可用總給水流量或汽輪機第一級壓力p1代表，t/h；DM為修正后的入爐煤量，t/h.

當DM與DQ存在偏差時，通過積分功能，增大kQ輸出，即增大BTU校正系數.BTU校正正是按照上面的函數關系生成控制回路，把總給水流量或汽輪機第一級壓力p1與修正后的入爐煤量偏差限幅后積分輸出到BTU校正手操站.

傳統BTU控制策略具有參數整定難、對煤種突變適應性差、BTU輸出易超限和存在遲延等缺陷[8].對入爐煤量進行前饋設計，把電網調度負荷指令的擾動作為前饋信號，對待測時刻前1 h的燃煤進行分析，預測功煤系數的變化，對入爐煤量指令進行優化，即對圖1中“負荷-入爐煤量函數f1(x)”進行優化，減小實時入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差，提高機組自適應煤質變化的能力.

根據當前燃煤的實際情況，為了比較精確地估計當前負荷指令下所需要的燃料指令，采用了功煤系數，使變負荷時燃料指令能夠根據當時煤種情況準確變化；負荷不變化時，能夠使燃料指令前饋根據煤質變化情況做出相應動作，減小由于燃料變化對能量供需平衡的影響.

2功煤系數的預測模型

2.1組合預測模型

2.1.1組合預測原理

(4)

約束條件如下：

(5)

2.1.2預測方法

采用上述組合預測方法對4號鍋爐某時間段歷史數據進行分析，分別用擬合優度為1的多項式、傅里葉函數進行擬合，發現預測結果仍然很差，雖然組合預測模型能將歷史數據擬合得很好，但是對于功煤系數的預測，其預測準確性很差.因此對于功煤系數的預測問題，采用組合預測模型存在局限性.

針對上述情況，利用組合預測模型的思想，用前1 h的功煤系數對當前時刻功煤系數進行預測，約束條件同式(5).

(6)

2.2最優權重系數的確定

為了提高入爐煤量計算的準確性，利用前1 h的歷史數據對當前時刻功煤系數進行估算，具體方法如下：每10 min為一個數據采樣點，即根據前6個采樣點的運行數據，采用方差倒數法獲得每個采樣點對當前時刻功煤系數的最優權重系數，力求客觀計算功煤系數.

圖2給出了電網調度負荷指令與入爐煤量的變化趨勢.由圖2可以看出，電網調度負荷指令與入爐煤量的變化趨勢是一致的，并且第i(i=1，2，…，6)個采樣點的電網調度負荷指令與當前時刻電網調度負荷指令的偏差可正可負，因此采用方差倒數法對誤差平方和較小的采樣點賦以較高權重.最優權重系數計算公式[11]為

(7)

(8)

式中：Di為第i個采樣點的電網調度負荷指令與當前時刻電網調度負荷指令的誤差平方和，MW2;Ni為待測時刻前(i×10) min的電網調度負荷指令，MW.

圖2　電網調度負荷指令與入爐煤量的變化趨勢

由式(7)可知，對于不同的待測時刻，其最優權重系數是變化的.因此，所建立的基于功煤系數的預測模型是變權重系數的組合預測模型.

3預測模型的驗證與分析

3.1預測模型的驗證

實時入爐煤量的預測計算以表1中17:20時刻為例，利用16:20—17:10時刻內6組數據對17：20時刻應該加入的實時入爐煤量進行預測，算法流程見圖3.

圖3　實時入爐煤量計算流程

待測時刻的功煤系數如式(6)所示，進而可以求出實時入爐煤量的預測值：

(9)

理論入爐煤量為待測時刻的功煤系數與待測時刻電網調度負荷指令的乘積：

(10)

將實時入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差與理論入爐煤量之間的比值定義為待測時刻入爐煤量的偏差.

同理，17：20以后時刻的實時入爐煤量均可以用前6個采樣點進行預測，預測結果如表2所示，其中平均誤差為3%.

3.2預測模型的結果分析

借助組合預測模型的思想，確定歷史采樣點對當前采樣點的最優權重系數，繼而利用歷史采樣點的功煤系數對當前采樣點功煤系數進行預測，求得當前采樣點入爐煤量.

由計算結果可以看出：(1)從單個預測結果角度分析，預測模型預測實時入爐煤量的最大誤差不超過10%，即實時入爐煤量的準確度能達到90%以上；(2)從所取的所有數據角度分析，預測平均誤差為3%，即預測平均準確度能達到97%左右，誤差相對較小，驗證了預測模型具有較高的預測準確率.

4結論

以功煤系數為出發點，借助組合預測模型的思想，采用方差倒數法求取前1 h入爐煤功煤系數對當前時刻功煤系數的最優權重系數，實現實時入爐煤量的預測，解決了由于入爐煤種熱值變化較大而引起的問題.基于功煤系數的入爐煤量預測模型不僅具有較高的預測準確率，而且具有操作簡便、實現性強等特點.預測模型的結果表明，模型具有較好的應用價值.此外，可將此方法集成到集散控制系統中，實時修正入爐煤量，以提高入爐煤量控制的準確性.

表2　實時入爐煤量和誤差計算結果

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Study on Prediction Model for Coal Feed Rate of a Boiler

GUJunjie,ZHANGYan,LIUKang,SUNMiaoqing

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)

Abstract：An adaptive feed-forward correction to coal quality was designed, based on which a prediction model was established for the coal feed rate of a boiler considering the power-coal coefficient via the concept of combination model. The optimal weighting factor of last 1 h to current power-coal coefficient was solved by reciprocal method, so as to predict the coal feed rate and power-coal coefficient. The model was applied to the prediction of coal feed rate in No.4 boiler of a 660 MW unit. Results show that the average prediction accuracy on coal feed rate can be improved up to 97% if the predicted value is regarded as the actual coal feed rate.

Key words：coal feed rate； feed-forward correction; prediction model; power-coal coefficient; power grid dispatching load instruction

文章編號：1674-7607(2016)02-0118-05

中圖分類號：TK229.2

文獻標志碼：A學科分類號：470.30

作者簡介：谷俊杰(1959-)，男，河北定州人，教授，碩士，主要從事火電機組優化與控制等方面的研究.張巖(通信作者)，男，碩士研究生，電話(Tel.)：18331125716；E-mail：yanzhang_2014@163.com.

基金項目：河北省教育廳科學研究指導性資助項目(z2007414)

收稿日期：2015-06-01

修訂日期：2015-06-26