超臨界燃煤機(jī)組入爐煤熱值軟測量及其協(xié)調(diào)控制的研究與應(yīng)用

燕鳴

摘要：近年來煤電企業(yè)不斷加大摻燒力度，入爐煤熱值變化頻繁，嚴(yán)重影響了機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性。目前受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投入限制，入爐煤熱值普遍還停留在定期離線化驗(yàn)階段，無論是數(shù)據(jù)實(shí)時性還是取樣代表性方面，均遠(yuǎn)不能滿足機(jī)組快速響應(yīng)電網(wǎng)快速調(diào)峰和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求。本文在某350MW超臨界機(jī)組上采用以功煤比系數(shù)為基礎(chǔ)、燃燒動靜態(tài)特征信息融合的入爐煤熱值軟測量方法，應(yīng)用至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，解決了由于燃煤熱值變化引起的燃水比失調(diào)問題，提高了機(jī)組的動態(tài)響應(yīng)性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：煤質(zhì)軟測量燃燒特征信息融合協(xié)調(diào)控制

Research and Application of Soft-Sensing and Coordinated Control of Coal Calorific Value in Supercritical Coal-Fired Unit

YAN Ming

（Huadian Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou， Zhejiang Province，310030 China）

Abstract：In recent years， coal-fired thermal power enterprises have been increasing the intensity of blending， and the calorific value of coal has changed frequently， which seriously affects the safety and economy of units. At present， due to technical and economic constraints， the calorific value of coal in the furnace generally remains at the stage of regular off-line testing， whether in terms of real-time data or representative sampling， the utility model can not meet the requirements of fast response， fast peak regulation and safe and economical operation of the power network.In this paper， a soft-sensing method based on the power-coal Ratio Coefficient and the fusion of Dynamic and static characteristic information is applied to the coordinated control system of a 350MW supercritical unit， the unbalance of the ratio of fuel to water caused by the change of the calorific value of coal is solved， and the dynamic response， stability and economy of the unit are improved.

KeyWords：Soft-sensing of coal quality;Combustion characteristics;Information fusion;Coordinated control

近年煤電企業(yè)不斷加大摻燒力度，入爐煤熱值變化頻繁，導(dǎo)致機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)難以及時、準(zhǔn)確地響應(yīng)調(diào)整，燃燒穩(wěn)定性大幅下降。而入爐煤熱值普遍還停留在定期離線化驗(yàn)階段，遠(yuǎn)不能滿足機(jī)組快速響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)峰和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。

1入爐煤熱值對超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的必要性

燃煤熱值變化是影響煤電機(jī)組運(yùn)行的重要因素，尤其對超臨界機(jī)組影響極大。因亞臨界汽包爐的協(xié)調(diào)控制尚可采用直接能量平衡（DEB）法構(gòu)成熱量信號，而超臨界直流爐無汽包配置，蓄熱能力更弱，需維持一定過熱度才能達(dá)到熱態(tài)運(yùn)行，無法得到類似汽包爐的熱量信號，故存在燃料與給水耦合問題。其工質(zhì)流和能量流相互影響，使水、汽溫及協(xié)調(diào)控制回路之間存在很強(qiáng)的非線性耦合，因此對燃料所含的熱量與給水間的配合要求很高，燃料熱值變化勢必影響系統(tǒng)平衡和控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，甚至波及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。故亟需獲得對入爐煤熱值的監(jiān)測手段，并應(yīng)用至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，自動、準(zhǔn)確適應(yīng)燃煤熱值變化。

2熱值測量方法

2.1硬件監(jiān)測技術(shù)

受檢測技術(shù)、測點(diǎn)代表性、成本高等限制，其性能及穩(wěn)定性尚未成熟，應(yīng)用成功案例少。

2.2先進(jìn)控制系統(tǒng)研究

眾多學(xué)者圍繞燃煤熱值問題展開了較多先進(jìn)控制系統(tǒng)研究[1]，受選取參數(shù)精度、鍋爐結(jié)構(gòu)配置、爐內(nèi)燃燒狀況、運(yùn)行調(diào)整水平等較多耦合性和非線性因素影響，普遍存在模型精度達(dá)不到要求、算法復(fù)雜、實(shí)時響應(yīng)不足、成本高等缺點(diǎn)，不適宜工程應(yīng)用[2]。

2.3常見工程校正方法

2.3.1間接能量信號構(gòu)造熱值信號

其主要有主蒸汽流量、中間點(diǎn)溫度（焓值）熱值校正兩種思路。前者難以準(zhǔn)確區(qū)分熱值變化的動、靜態(tài)成分，且主蒸汽流量準(zhǔn)確度不高。后者無論是修正燃料還是給水，難以兩者兼顧，若要兼顧需不斷改變兩者比例，邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜，尚不能適應(yīng)多工況。

2.3.2熱值軟測量工程建模技術(shù)

（1）基于能量守恒定律構(gòu)造的熱值建模。基于超臨界機(jī)組數(shù)學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)校正后，令實(shí)際調(diào)節(jié)級壓力P1和數(shù)學(xué)模型的調(diào)節(jié)級壓力P1進(jìn)行比較，偏差處理后進(jìn)入積分器，積分器的輸出作為燃料熱值估計(jì)值。而分離器出口壓力Pb和機(jī)前壓力PT的變化代表鍋爐蓄能的變化，這兩個壓力與模型的比較偏差作為燃料熱值動態(tài)部分。其對選取的數(shù)學(xué)模型精度和自適應(yīng)性要求較高，被控對象非線性的變化使模型精度受很大影響，且擬合算法復(fù)雜[3]。

（2）基于燃燒機(jī)理的熱值建模。根據(jù)燃燒機(jī)理可建立實(shí)際的風(fēng)量、氧量和熱量三者間的數(shù)學(xué)模型。該方法具有較好動態(tài)響應(yīng)，但對各參數(shù)測量精度要求高，而風(fēng)量、氧量以及通過電廠耗差系統(tǒng)算出的鍋爐、汽機(jī)效率數(shù)值普遍精度不高[4]。

（3）功煤比熱值軟測量建模。即在一段時間內(nèi)，實(shí)際燃煤耗量與實(shí)際發(fā)電負(fù)荷之比，再除以鍋爐設(shè)計(jì)煤種資料中煤量與機(jī)組負(fù)荷的比值。假定熱值隨時間推移變化不大，可推算當(dāng)前入爐煤熱值。

該方法雖動態(tài)響應(yīng)不足，但是當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷時，燃料控制系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)時煤質(zhì)較準(zhǔn)確地改變煤量，避免燃料量偏差的逐漸積累，并且對煤量測量的線性誤差和對機(jī)組效率的變化具有自適應(yīng)控制功能，可由熱值來彌補(bǔ)效率變化對系統(tǒng)的影響。

3入爐煤熱值軟測量模型設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用

本文基于某350MW直吹式中速磨的超臨界機(jī)組，設(shè)計(jì)一種以功煤比系數(shù)為基礎(chǔ)、燃燒動靜態(tài)特征信息融合的入爐煤熱值軟測量方法。

3.1靜態(tài)特征模型設(shè)計(jì)和應(yīng)用

功煤比系數(shù)表征了“有多少熱，發(fā)多少電”的能量守恒定理，也隱含了一旦單位負(fù)荷所用燃料量發(fā)生變化，最主要的原因是：一，燃燒效率改變;二，燃煤熱值改變。前者短時內(nèi)變化不大，故可通過功煤比系數(shù)K將入爐煤熱值先衡量出來，如式（1）所示，再結(jié)合不同工況下的熱值變化特性完善燃燒靜態(tài)特征模型。

K=（B÷P）÷（B0÷P0）?????????????????????????? （1）

其中，K通常限制在0.7至1.3之間;B為實(shí)際燃料耗量（總煤量加上折算為設(shè)計(jì)煤的耗油量）;P為實(shí)際發(fā)電負(fù)荷;P0為設(shè)計(jì)煤種下各負(fù)荷點(diǎn);B0為設(shè)計(jì)煤種下各負(fù)荷點(diǎn)所對應(yīng)的燃料量，在DCS邏輯組態(tài)時可采用設(shè)計(jì)功煤比折線函數(shù)表征。

還需進(jìn)行如下特殊工況處理：

1）RB工況;

2）負(fù)荷<50%;

3）燃料主控手動;

4）高加解列時，設(shè)計(jì)功煤比折線函數(shù)參照鍋爐設(shè)計(jì)資料中高加解列工況確定。

對于實(shí)際燃料量B、實(shí)際負(fù)荷P，需模擬數(shù)分鐘給煤量到入爐燃燒這樣一個過程，即控制系統(tǒng)中給煤量反饋信號經(jīng)三階、一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)后形成對應(yīng)的鍋爐蒸發(fā)量，本文通過現(xiàn)場模擬試驗(yàn)得到[0.8/（s+1）3]×[5.1/（100s+1）]作為慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，相較取數(shù)分鐘實(shí)際負(fù)荷、實(shí)際燃料平均值的算法更符合被控對象特性曲線。

把整臺機(jī)組視為狀態(tài)觀察器，對式（1）做上述處理后得出K值，將K值用于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)燃料控制器中燃料實(shí)測值的校正，即“反饋”校正，用以補(bǔ)償煤質(zhì)變化的外擾，克服長期以來熱值的不確定性，同時也可送至鍋爐主控壓力調(diào)節(jié)器，以平衡壓力的調(diào)節(jié)。

當(dāng)煤質(zhì)為設(shè)計(jì)煤種并維持不變時， K值為1;當(dāng)實(shí)際燃煤耗量大時，K值大于1.總給煤量指令除以K值得到修正后的總給煤量，作為燃料控制器的實(shí)測值，此時實(shí)測值變小，表征入爐煤實(shí)際熱值低，通過燃料控制器PID調(diào)節(jié)作用，會增加更多的煤，反之亦然[5]。

3.2動態(tài)特征模型設(shè)計(jì)和應(yīng)用

上述靜態(tài)模型在穩(wěn)態(tài)時可直接應(yīng)用，變負(fù)荷時因?qū)嶋H負(fù)荷和燃料變化較大且幅值不等，動態(tài)時可先作如下處理：如圖1所示，首先在默認(rèn)短周期內(nèi)（5min）燃料熱值變化不大，然后以DCS運(yùn)算周期為K值修正周期，實(shí)時對K值進(jìn)行閉環(huán)修正，其修正方法為以運(yùn)算周期為單位進(jìn)行迭代計(jì)算，將實(shí)時工況區(qū)分為動態(tài)初始階段、動態(tài)結(jié)束階段和穩(wěn)態(tài)階段，并在這三個階段進(jìn)行負(fù)荷、燃料的存儲和計(jì)算，最終得到熱值軟測量信號并引入?yún)f(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中進(jìn)行運(yùn)算。

在此基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)煤質(zhì)突變時燃燒動態(tài)響應(yīng)能力，通過機(jī)組實(shí)時數(shù)據(jù)與典型工況比對分析，在判斷風(fēng)、煤、水等主參數(shù)變化不大的情況下，可根據(jù)以下重要參數(shù)變化特征進(jìn)行分類建模。

（1）燃煤熱值突然變低時，火焰中心會上移，過、再熱器壁溫測量值變大;反之表征熱值變高。

（2）爐膛負(fù)壓在送、引風(fēng)機(jī)開度未變或在一較小范圍內(nèi)變化時，爐膛負(fù)壓突然變大（判據(jù)為經(jīng)濾波處理后的爐膛負(fù)壓峰峰值突然變大），表征燃煤熱值突然變低;反之表征熱值變高。

（3）汽輪機(jī)高調(diào)門未變或在一較小范圍內(nèi)變化時，燃煤熱值突然變低時，主汽壓力突然下降;反之表征熱值變高。

再針對穩(wěn)定負(fù)荷、變負(fù)荷后參數(shù)穩(wěn)定這兩種工況判據(jù)，對以上三類模型進(jìn)行區(qū)分建模。

若發(fā)生三類動態(tài)模型加權(quán)輸出值超過設(shè)定值，直接解除“默認(rèn)短周期內(nèi)（5min）燃料熱值不發(fā)生大范圍變化”的限制，也不受慣性環(huán)節(jié)約束，將該輸出值直接疊加在鍋爐主控壓力調(diào)節(jié)器前饋中，增強(qiáng)煤質(zhì)突變時的動態(tài)響應(yīng)能力，同時也疊加在功煤比系數(shù)K上（需經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)），最終，在靜態(tài)模型基礎(chǔ)上結(jié)合變負(fù)荷和燃燒動態(tài)特征信息完成全部模型構(gòu)建[6]。

4模型訓(xùn)練和應(yīng)用效果

4.1模型訓(xùn)練

將電廠常燒的設(shè)計(jì)煤、優(yōu)質(zhì)煤、劣質(zhì)煤3種煤種作為參考樣本，運(yùn)用大量的鍋爐運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練，通過給定的輸入來預(yù)測輸出結(jié)果，運(yùn)用該模型對測試樣本進(jìn)行測算并與煤質(zhì)離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，持續(xù)完善模型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在相關(guān)數(shù)據(jù)異常時自動保持當(dāng)前值并發(fā)出報警。

4.2應(yīng)用效果

將該模型引至RB目標(biāo)煤量、燃水比計(jì)算等，徹底解決由于煤種的熱值頻繁、大幅變化引起的燃水比失調(diào)，進(jìn)而造成主汽溫、主汽壓等參數(shù)大幅波動問題。

模型應(yīng)用后，機(jī)組變負(fù)荷工況時，應(yīng)用前主汽壓力最大動態(tài)偏差達(dá)1.1MPa，應(yīng)用后僅為0.6MPa。在燃煤熱值接近（較差）時，優(yōu)化前總煤量波動達(dá)20t/h，優(yōu)化后波動為11t/h。由此可見，在模型應(yīng)用前煤量明顯過調(diào)而導(dǎo)致波動。

5結(jié)語

本文基于機(jī)組過程參數(shù)建模，可較為準(zhǔn)確地確定燃煤熱值，并應(yīng)用至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，提高了機(jī)組動態(tài)響應(yīng)和安全經(jīng)濟(jì)性。

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