新型煤質熱值校正控制算法

郝 欣，邵 毅，李建軍，姚 遠

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著《東北電網發電廠并網運行管理實施細則》和《東北區域并網發電廠輔助服務管理辦法實施細則》全面大力實施，并網機組投入自動發電控制(AGC)、一次調頻等輔助服務功能必須符合兩個細則的要求。同時，各大發電廠均面臨發電成本升高的壓力，發電企業不得不摻燒褐煤以降低燃料成本[1]，這直接導致燃料品質大幅度波動，而燃料品質穩定又是AGC達標的重要前提條件。在以上兩個方面問題的雙重壓力下，熱值(BTU)校正控制的問題就凸顯出來，如何在燃料品質不斷變化的條件下，還能保證火電機組自動發電控制(AGC)、一次調頻等功能達到電網要求，解決問題的關鍵就是BTU校正控制系統能長期穩定運行。

1 問題的提出

火電機組燃煤鍋爐主汽壓力控制對象的特性表現為非線性、慢時變、大遲延、大慣性，所有CCS控制回路的前饋和反饋控制參數均以設計煤種為基準進行整定，當燃料品質發生變化時，CCS的鍋爐主控輸出會偏離設計值，導致在負荷指令不變的情況下主汽壓力自發波動，當煤質變好時，鍋爐主控的輸出值低于設計值；反之，當煤質變差時，鍋爐主控的輸出值高于設計值。在機組實際運行中的表現為一組參數在一定時間內，機組控制參數品質指標良好，煤質變化后，同一負荷段內，機組控制參數品質指標惡化，經過熱工人員調整后好轉，但是當煤質再次變化后，機組控制參數品質指標就再次惡化，同樣的問題反復出現，控制品質指標時好時壞，CCS和AGC控制系統無法長時間穩定運行。

燃料品質發生大范圍變化時，對主汽壓力控制產生擾動，影響AGC控制指標，并且煤質變化對于鍋爐主蒸汽壓力控制來講屬于內擾，是直接進入控制通道的擾動，無法通過控制器的調節作用快速克服，必須引入外部補償機制進行校正。常規BTU校正控制在實際應用中存在很大的局限性，主要有以下幾點：①參數整定困難，調節器積分時間設定過長；②BTU控制系統的輸出對鍋爐主控和燃料控制形成內擾；③控制算法過于簡單，計算結果不夠準確，不能正確反映煤質熱值變化。

2 計算方法

2.1 基本思想

采用以負荷—基準煤量關系[2-4]為基礎的串級煤量熱值校正方案，鍋爐主控輸出值為鍋爐設計煤種的煤量值。煤質熱值校正停止計算觸發條件包括：①鍋爐燃料主控切手動；②熱工人員手動解除煤質校正調節器自動。停止計算后，熱值校正調節器則處于跟蹤狀態，調節器輸出等于1。BTU控制功能投入后，當鍋爐燃料主控切手動時，BTU調節器停止計算，處于跟蹤狀態，跟蹤值等于BTU調節器當前值，以保證BTU調節器下次開始投入計算時實現無擾切換，不會對給煤量造成擾動。

BTU控制算法的輸出不能對CCS控制系統產生任何擾動，因此煤質校正計算采用調節器連續實時計算，擇機斷續輸出的方式，即當BTU計算值輸出期間，鍋爐燃料閉環輸出保持不變，鍋爐主控輸出值保持不變，鍋爐主控的主汽壓力校正調節器進入跟蹤模式，跟蹤值等于燃料主控逆運算的結果。

2.2 計算方法

當鍋爐燃料熱值發生變化時，機組參數表現為負荷指令恒定，機組無明顯內外擾動的情況，主蒸汽壓力開始偏離設定值，機組脫離穩態，CCS鍋爐主控調節器開始調節，主蒸汽壓力回歸到設定值，鍋爐燃料量值穩定在一個新的指令上，機組重新進入穩態。在這個過程中，BTU調節器入口值發生變化，調節器輸出值也發生變化，直到BTU調節器入口值重新歸為0，BTU調節器輸出指令停止變化。當BTU計算輸出動作判據的條件滿足時，BTU計算結果輸出。

算法中設計單獨的時間振蕩器計算出BTU輸出時間窗口，計算公式：

(1)

式中：T1為計算輸出時間，s；T為DCS計算周期，s。計算輸出值窗口期內檢測機組當前狀態是否滿足BTU輸出條件。當鍋爐燃煤熱值高于設計煤種時，BTU調節器輸出值增加，校正后的煤量等于BTU輸出值與實際煤量的乘積，當校正后的煤量等于當前負荷設計煤種煤量時，則BTU調節器入口差值等于0，調節器保持當前值不變。

根據燃料主控調節器的計算公式：

(2)

式中：μC為燃料主控回路輸出指令；Kp為燃料主控調節器增益；Ki為燃料主控調節器積分時間常數；eC為燃料主控偏差。其中eC的計算公式：

eC=μB-K×FC+σ

(3)

式中：FC為燃料實際測量值；μB為燃料需求指令；K為熱值校正系數；σ為變量吸收回路輸出值。當BTU的輸出結果K(熱值校正系數)發生變化時，燃料量偏差eC同時改變，燃料主控調節器輸出值μc(給煤機平均指令)必然會發生變化，進而使鍋爐主蒸汽壓力偏離設定值，鍋爐主控輸出也會由于主蒸汽壓力的變化而變化，變化結果會擴散到鍋爐的多個控制回路，對主汽蒸壓力形成了完全不必要的擾動，影響機組AGC控制精度。為了克服這一缺點，新型控制算法采用“連續計算，斷續輸出”的控制思想，當“BTU計算輸出動作判據”成立時，BTU算法輸出熱值校正系數K，即K=KC，BTU控制器輸出值KC的計算公式：

(4)

式中：Ki為調節器積分時間常數；ek為計算偏差，其計算公式：

ek=f1(LDC)-KC×FC

(5)

式中：f1為鍋爐標準負荷—燃料量函數；LDC為實際負荷指令；FC為燃料實際測量值；KC為BTU控制器輸出值。當計算輸出值窗口期內檢測機組當前狀態不滿足BTU輸出條件時，燃料主控輸出保持不變，燃料主控調節器輸入變量eC保持當前值，變量吸收回路σ動作，將燃料主控調節器入口由于BTU計算所形成多余的差值重新變為0，實現了燃料主控調節器輸入變量eC保持不變，即eC(t)=eC(t-1)。變量吸收回路σ計算的差分方程如計算式：

σ[n]=(K[n-1]×FC-σ[n-1])/k[n]

(6)

當“BTU計算輸出動作判據”成立后，燃料主控調節器重新投入計算時，燃料主控輸出的給煤機平均指令不會發生突變，對鍋爐不會造成任何擾動。

BTU控制計算結果能正確反映煤質變化情況的前提條件是機組處于穩態運行工況，即負荷指令無變化，鍋爐主蒸汽壓力波動范圍小于±0.3 MPa。BTU滿足計算條件時連續計算煤質校正系數，但并不將計算結果實時送到燃料主控回路，只有在輸出時間窗口到來時，才將BTU調節器的計算結果KC送到燃料主控回路參與燃料量的計算。

2.3 具體實現方案

根據2.2節中的BTU計算式(4)和式(5)提出具體實現方案，計算框圖如圖1所示。圖1中，煤質校正系數BTU01即K，當控制器輸出窗口沒有打開時K保持不變，對燃料主控計算不會形成任何擾動。其它計算公式在DCS系統中也很容易實現。控制方案主要包括以下內容：

a. BTU控制輸出時間窗口的計算以及機組當前狀態的判斷；

b. 優化燃料主控回路，當BTU控制輸出值變化時，燃料主控調節器進入跟蹤模式，燃料主控輸出指令保持不變；

c. 設置變量吸收回路實現燃料主控回路入口設定值在調節器跟蹤模式時等于校正后燃料測量值，保證調節器由跟蹤模式進入計算模式時輸出指令要平滑過渡，不能出現大幅度躍變；

d. 機組變負荷過程中，BTU控制回路停止計算。

圖1 BTU算法實現方案

3 實際應用效果

某廠4號機組AGC投入后，起初1周內AGC控制指標基本正常，可以滿足電網的要求。1周后，AGC控制指標惡化，被電網考核，通過調取機組歷史數據曲線和運行員反映，基本可以判斷是煤質發生了比較大的變化，控制邏輯中主汽壓力調節器的靜態輸出值比1周前的數值高了11.2%，也同樣印證了煤質變差是導致AGC控制指標惡化的根本原因。

3.1 負荷燃料關系模型

BTU控制的核心思想是定時修正標準負荷燃料函數關系模型，使機組當前負荷值與燃料量實時保持正確比值，即當燃料熱值發生變化，BTU控制回路輸出值對標準函數進行校正，保證當前負荷燃料函數與標準值基本相同，為鍋爐主控回路計算打下良好的基礎。鍋爐負荷燃料關系函數采用鍋爐廠家所提供的熱力計算結果匯總表中數據進行設置，該函數是機組電負荷與燃料的標準關系模型，是所有控制算法的基礎數據，如表1所示。

表1 負荷燃料關系函數

3.2 應用效果

BTU控制投入后，燃料品質波動導致AGC控制指標惡化的問題得到了明顯緩解，AGC控制模式可以長期穩定投入，電網考核次數明顯下降，AGC調節速率長時間保持穩定，不因燃料熱值波動影響AGC調節速率，機組主要控制指標在AGC運行模式下保持穩定，滿足規程要求。實際運行曲線如圖2所示，機組AGC負荷指令310～366 MW，在機組升負荷過程中，主蒸汽壓力與負荷同步變化，主蒸汽溫度等參數波動范圍在535～543℃之間，符合電力規程要求，機組負荷變化速率設定為9 MW/min，實際負荷變化速率達到6.5 MW/min，達到電網調度部門對AGC負荷變化速率不低于6 MW/min的要求。BTU控制有效地降低了鍋爐煤質熱值波動對AGC控制指標的影響，即使在燃料熱值長時間

變動的情況下，AGC負荷變化速率依然可以滿足電網需求，4號機組AGC在電網調度的考核成績大幅度提高。

圖2 BTU投入后機組降負荷過程

4 結束語

電網對并網火電機組AGC控制指標考核日趨嚴格，競價上網要求電廠必須大力降低發電成本，燃料品質和AGC控制指標的矛盾日益突出。本文提出的新型BTU控制算法，有效地彌補了傳統BTU控制的缺陷，抑制了燃料品質對主蒸汽壓力控制通道的內擾，并適用于各種類型機組，能夠在各種機組的DCS系統上實施，對系統硬件無特別要求。本文提出的控制算法已經在多臺機組中得到應用，對AGC控制指標長期穩定滿足電網要求起到了積極促進的作用，具有良好的推廣應用價值。

參考文獻：

[1] 郝 欣，張 志，王 喆.摻燒褐煤機組AGC方式下滑壓運行控制策略研究[J].吉林電力，2012(5):23-25.

[2] 黃衛劍, 張 曦,朱亞清,等.火電機組燃料品質自適應性優化控制策略研究[J].中國電力，2012(6):43-46.

[3] 蔣欣軍, 王煜偉,周曉韡.新型串級熱值校正技術在直流鍋爐配煤摻燒中的應用[J].鍋爐技術，2013(6):65-69.

[4] 倪 敏, 魏向國,張明法. 超臨界空冷機組協調控制中新型熱值校正方法的研究與應用[J].熱力發電，2014(1):46-51.