劉友寬,李長更,唐立軍,杜景琦

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

煤質(zhì)自適應(yīng)控制在超臨界機(jī)組的應(yīng)用

劉友寬,李長更,唐立軍,杜景琦

(云南電網(wǎng)公司電力研究院,昆明 650217)

對(duì)超臨界W火焰機(jī)組煤質(zhì)自適應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了快速的煤質(zhì)熱值軟測量方法和燃料與給水等調(diào)節(jié)的煤質(zhì)自適應(yīng)校正方法,改進(jìn)和優(yōu)化了基于直接能量平衡 (DEB)協(xié)調(diào)控制方法,結(jié)合采用經(jīng)典方法構(gòu)造的熱量信號(hào),實(shí)現(xiàn)了超臨界機(jī)組的煤質(zhì)自適應(yīng)控制,保證了機(jī)組主參數(shù)調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性,提高了控制系統(tǒng)對(duì)煤質(zhì)變化的魯棒性。

超臨界；直流爐；煤質(zhì)自適應(yīng)；DEB熱量信號(hào)

1 前言

超臨界機(jī)組與亞臨界機(jī)組相比,具有無可比擬的經(jīng)濟(jì)性。但隨著機(jī)組參數(shù)的提高,采用直流爐的超臨界機(jī)組,因?yàn)闆]有汽包環(huán)節(jié),機(jī)組總的汽-水循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量與亞臨界汽包爐相比大大下降,工質(zhì)在機(jī)組內(nèi)的循環(huán)速率上升,這就要求超臨界機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)更為嚴(yán)格地保持機(jī)組負(fù)荷與燃燒速率之間的關(guān)系；直流機(jī)組由于沒有作為蓄熱儲(chǔ)能作用的汽包環(huán)節(jié),工質(zhì)循環(huán)倍率接近1,這就要求自動(dòng)控制系統(tǒng)嚴(yán)格地保持機(jī)組的物料平衡關(guān)系；由于超臨界機(jī)組循環(huán)工質(zhì)的總質(zhì)量下降,循環(huán)速率上升,工藝特性加快,這就要求自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性更強(qiáng),控制快速性能更好。但是,由于目前 “計(jì)劃電、市場煤”的影響,電煤煤質(zhì)變化一直是火電機(jī)組控制方面的一大難題,而超臨界機(jī)組的控制仍以傳統(tǒng)的燃水比控制為基礎(chǔ),煤質(zhì)的變化勢(shì)必嚴(yán)重影響系統(tǒng)的能量平衡、流量平衡,因此,研究一種適用于超臨界機(jī)組的煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略成為亟待解決的問題。

在超臨界火電機(jī)組的煤質(zhì)自適應(yīng)控制上,從理論與仿真上已有不少的研究,其大多居于復(fù)雜的智能控制方法,離實(shí)用化還有一定的距離。文獻(xiàn) [1]介紹了燃煤發(fā)熱量軟測量技術(shù),該軟測量技術(shù)引入給水流量、閥門開度、燃料量、機(jī)前壓力、中間點(diǎn)壓力和調(diào)節(jié)級(jí)壓力進(jìn)行計(jì)算分析得出燃煤熱值。文獻(xiàn) [2]和 [3]給出了燃煤煤質(zhì)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(xiàn) [4]通過對(duì)國內(nèi)大量煤質(zhì)特性進(jìn)行分析,得出一種利用鍋爐風(fēng)量和排煙氧量計(jì)算熱量的方法。文獻(xiàn) [5]針對(duì)鍋爐燃料發(fā)熱量大范圍波動(dòng)工況下的燃燒數(shù)據(jù)特性,提出了關(guān)聯(lián)信息算法和非線性映像網(wǎng)絡(luò)的混合模型,用于預(yù)測燃料發(fā)熱量的變化。

以下研究了超臨界火電機(jī)組的煤質(zhì)自適應(yīng)控制方法,采用了快速的煤質(zhì)軟測量方法,測出的煤質(zhì)用于在機(jī)組控制中受煤質(zhì)變化影響較大的協(xié)調(diào)控制、燃料控制、風(fēng)量控制、給水控制等控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制、燃料、給水、送風(fēng)的煤質(zhì)自適應(yīng)控制。

2 煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)

2.1 熱量信號(hào)的構(gòu)造

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

HR=TEF+Cb·PD′(1)

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

Cb—鍋爐蓄熱系數(shù) (MW.s/MPa)；

PD'—中間點(diǎn)壓力變化率 (MPa/s)；

TEF—Total Energy Flow總能流,若忽略機(jī)組在不同負(fù)荷段發(fā)電效率的影響,可衡定比例地代表汽機(jī)負(fù)荷 (MW)。

汽機(jī)側(cè)負(fù)荷TEF,可用下面的式子來表示：

TEF=K1·P1(2)

P1為汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力,K1比例系數(shù)。TEF穩(wěn)態(tài)時(shí)與機(jī)組負(fù)荷基本呈一比一線性關(guān)系。

通過經(jīng)典方法計(jì)算的熱量信號(hào)在機(jī)組正常運(yùn)行中,大的變化趨勢(shì)與機(jī)組負(fù)荷一致,但熱量信號(hào)代表的是鍋爐負(fù)荷,基本代表鍋爐產(chǎn)生的熱量,短時(shí)間的變化方向與機(jī)組負(fù)荷各不一樣。如圖1所示,顯示了某超臨界600 MW機(jī)組在450 MW至600 MW的升負(fù)荷過程中熱量信號(hào)與機(jī)組負(fù)荷的對(duì)比曲線。

圖1 熱量信號(hào)與機(jī)組負(fù)荷對(duì)比

在熱量信號(hào)的計(jì)算中,蓄熱系數(shù)的求取可選取負(fù)荷變動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行求取[6-8]。經(jīng)計(jì)算,某600 MW超臨界W火焰機(jī)組的蓄熱系數(shù)為Cb=3100(MW.s/MPa),與某600 MW亞臨界W火焰機(jī)組計(jì)算與應(yīng)用的蓄熱系數(shù)3200相當(dāng)。分析兩類機(jī)組的負(fù)荷容量、主蒸汽容積、鍋爐金屬材料重量是相當(dāng)?shù)?故蓄熱系數(shù)相當(dāng)。

2.2 煤質(zhì)熱值軟測量方法

在確定了鍋爐熱量信號(hào)的求取方法后,可以通過下面兩種方法來進(jìn)行煤質(zhì)的計(jì)算：

方法一,通過計(jì)算鍋爐熱量信號(hào)與煤量之比的濾波值來代表煤質(zhì)：

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

用式 (1)計(jì)算的鍋爐熱量信號(hào),在煤質(zhì)穩(wěn)定條件下的變化趨勢(shì)與煤量/風(fēng)量一致,但存在一定時(shí)間的慣性與滯后。一般選取1～2倍燃料調(diào)節(jié)周期時(shí)間。

方法二,文中提出了基于火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制對(duì)象特性提出的一種燃煤熱值快速計(jì)算方法,通過計(jì)算鍋爐熱量信號(hào)與煤量慣性環(huán)節(jié)、延時(shí)后的比值,經(jīng)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(huán)節(jié)模塊；

子—滯后時(shí)間,s。

計(jì)算的燃煤熱值能在半分鐘內(nèi)響應(yīng)燃煤熱值的變化,兩分鐘之內(nèi)自動(dòng)調(diào)整機(jī)爐協(xié)調(diào)控制及子系統(tǒng)至相應(yīng)的狀態(tài)。方法二計(jì)算的燃煤熱值與方法一相比,體現(xiàn)出一個(gè)優(yōu)點(diǎn) “快”：快了4～8倍,且能保證穩(wěn)定可靠。在方法二推出后,現(xiàn)場的應(yīng)用實(shí)施均采用了此方法。

2.3 煤質(zhì)自適應(yīng)校正

2.3.1 燃料調(diào)節(jié)的煤質(zhì)自適應(yīng)校正

燃料調(diào)節(jié)被調(diào)量為熱量信號(hào),設(shè)定值為鍋爐負(fù)荷指令,采用變參數(shù)調(diào)節(jié),或變PID輸入偏差增益等方式,實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)的自動(dòng)校正,以保持閉環(huán)控制回路的特征函數(shù)不變,燃料調(diào)節(jié)的變P、I、D參數(shù)可以用下式來自動(dòng)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(lián)型PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間；

k1～k3—整定的控制參數(shù)；

f(TEF)—隨負(fù)荷變化的機(jī)組效率曲線；R—燃煤熱值參量。

對(duì)于無 PID變參數(shù)的控制系統(tǒng),可采用在PID外的偏差輸入端乘以 R0/R或者 R0/R/f (TEF)實(shí)現(xiàn)燃料的煤質(zhì)校正,如圖2,R0為設(shè)計(jì)煤種下的燃煤熱值參量。

2.3.2 鍋爐給水調(diào)節(jié)的煤質(zhì)自適應(yīng)校正

超臨界機(jī)組的鍋爐給水調(diào)節(jié)中,水燃比是關(guān)鍵的一個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié),給水調(diào)節(jié)保證了水燃比就能保證給水控制的基本穩(wěn)定。在大多數(shù)的超臨界機(jī)組的控制中,未進(jìn)行鍋爐熱量信號(hào)與煤質(zhì)的計(jì)算,導(dǎo)致水燃比計(jì)算變?yōu)樗罕?在機(jī)組煤質(zhì)發(fā)生變化后,水煤比計(jì)算值已偏離了代表的水燃比,引發(fā)給水控制的不穩(wěn)定,需人工根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行與進(jìn)煤化驗(yàn)情況不停進(jìn)行比值的修正,保證給水控制的穩(wěn)定。

煤質(zhì)自適應(yīng)校正方案中,燃料調(diào)節(jié)采用了鍋爐指令作為設(shè)定值,調(diào)節(jié)鍋爐熱量信號(hào)與鍋爐指令匹配。故在給水調(diào)節(jié)中,形成給水流量主指令的燃料指令采用鍋爐指令信號(hào)與鍋爐熱量信號(hào)的選擇值。在燃料調(diào)節(jié)投入時(shí),選擇燃料指令經(jīng)高階慣性環(huán)節(jié)處理后乘以一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)變換成給水流量指令,高階慣性環(huán)節(jié)是模擬鍋爐指令到燃料在汽水系統(tǒng)中的相應(yīng)環(huán)節(jié)。若燃料調(diào)節(jié)在手動(dòng)方式,熱量信號(hào)HR即可代表產(chǎn)生的熱量,給水主指令FWD計(jì)算如下：

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

K1—機(jī)組功率與給水流量的匹配系數(shù)；BD—鍋爐指令；

HR—鍋爐熱量信號(hào)；

LEADLAG—慣性環(huán)節(jié)；

SEL—選擇模塊。

若采用水煤比進(jìn)行鍋爐給水調(diào)節(jié),也可采用如下方式來計(jì)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(shè)計(jì)煤種下的燃煤熱值參量；

LEADLAG—慣性環(huán)節(jié)；

K2—設(shè)計(jì)煤種下的給水流量與給煤量比值。

2.3.3 風(fēng)量的煤質(zhì)自適應(yīng)校正

對(duì)超臨界機(jī)組的風(fēng)量調(diào)節(jié),采用類似于亞臨界機(jī)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(fēng)壓、一次風(fēng)量、總風(fēng)量自動(dòng)設(shè)定值；

f1～f3—多段折線函數(shù)；

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(shí)處理。

對(duì)于燃料調(diào)節(jié)采用了鍋爐指令作為設(shè)定值,調(diào)節(jié)鍋爐熱量信號(hào)與鍋爐指令匹配?？傦L(fēng)量指令采用經(jīng)典的計(jì)算即可：

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

2.4 協(xié)調(diào)控制方案的改進(jìn)

基于前述的超臨界機(jī)組的鍋爐熱量信號(hào)可用[9-11],同樣超臨界機(jī)組的協(xié)調(diào)控制可類似的采用直接能量平衡 (DEB)協(xié)調(diào)控制方案。常規(guī)直接能量平衡 (DEB)協(xié)調(diào)控制它是火電機(jī)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(duì)不足,在超臨界機(jī)組上進(jìn)行了下述的改進(jìn)與優(yōu)化,最終的協(xié)調(diào)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(jī)組功率串級(jí)調(diào)節(jié)回路為單回路調(diào)節(jié),如圖2中的虛框D部分,使調(diào)節(jié)更快、更穩(wěn)定和高精度。

2)優(yōu)化了DEB的鍋爐指令計(jì)算,如虛框E部分。原經(jīng)典的鍋爐指令計(jì)算模塊NRGD為：

NRGD=WT+C1·WT·WT′+C2·PTSP′(13)

其中 WT=TEF.PTSP/PT,C1、C2為系數(shù), WT′為的WT變化率,PT為主汽壓力,PTSP為主汽壓力設(shè)定值,PTSP′為PTSP變化率。式 (13)中：WT項(xiàng)是主量,燃料調(diào)節(jié)使鍋爐熱量信號(hào)HR與汽機(jī)負(fù)荷TEF穩(wěn)態(tài)時(shí)一致,就保證了主汽壓力與設(shè)定值一致；C1.WT.WT′項(xiàng)用于機(jī)組變負(fù)荷中補(bǔ)償鍋爐熱量信號(hào)對(duì)燃料的滯后及燃料調(diào)節(jié)斜坡變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)偏差；C2.PTSP′項(xiàng)用于補(bǔ)償鍋爐滑壓的蓄熱量變化。

現(xiàn)提出了對(duì)NRGD的改進(jìn)：

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

其中UNITD為機(jī)組負(fù)荷當(dāng)前指令,不含一次調(diào)頻量,UNITD′為UNITD的微分；DP為機(jī)前壓力設(shè)定值與機(jī)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(jī)側(cè)負(fù)荷-調(diào)節(jié)級(jí)壓力的微分,在汽機(jī)側(cè)發(fā)生擾動(dòng)會(huì)對(duì)鍋爐側(cè)的控制產(chǎn)生較大影響；增加了機(jī)前壓力偏差與偏差的微分調(diào)節(jié)項(xiàng),解決了機(jī)組機(jī)前壓力調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性、控制精度與快速性問題。

3)增加主汽壓力設(shè)定值的高階慣性環(huán)節(jié)處理,如虛框B所示。錯(cuò)開鍋爐指令中動(dòng)態(tài)補(bǔ)償C3.PTSP′項(xiàng)與C2.UNITD′、C4.DP′項(xiàng)正向同時(shí)疊加,使動(dòng)態(tài)變負(fù)荷過程風(fēng)/煤變化率減小,變化更平穩(wěn)。

4)在主汽壓力設(shè)定值形成的輸入信號(hào)改用不含一次調(diào)頻的功率指令UNITD,如虛框C所示。保證一次調(diào)頻響應(yīng)的同時(shí),減小了機(jī)組滑壓方式運(yùn)行時(shí)因一次調(diào)頻指令形成的主汽壓力設(shè)定值變化對(duì)鍋爐側(cè)的控制產(chǎn)生較大擾動(dòng)。

5)在接受調(diào)度指令的ADS模塊與調(diào)度指令模塊間增加一個(gè)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)度AGC指令與機(jī)組功率指令相差超過設(shè)定死區(qū)時(shí),機(jī)組指令快速跟蹤AGC指令至死區(qū)內(nèi)；進(jìn)入死區(qū)后,機(jī)組指令按慢速率跟蹤AGC指令。這樣可避免負(fù)荷指令小幅的頻繁波動(dòng)時(shí)鍋爐指令相應(yīng)的調(diào)節(jié)波動(dòng),使鍋爐側(cè)波動(dòng)減小。

圖2 超臨界機(jī)組DEB煤質(zhì)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方案的優(yōu)化與改進(jìn)框圖

3 工程應(yīng)用

圖3為采用煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略的云南某600 MW超臨界機(jī)組在穩(wěn)定負(fù)荷下,煤質(zhì)系數(shù)在2.39至2.65變化,變化了11%,機(jī)組的功率與主汽壓力等主參數(shù)控制依然很優(yōu)秀,受影響小,其中機(jī)組功率控制偏差在±0.5%Pe以內(nèi),主汽壓力控制偏差在±0.2 MPa以內(nèi)。

圖3 穩(wěn)態(tài)情況下,煤質(zhì)波動(dòng)時(shí)的響應(yīng)曲線

圖4為機(jī)組負(fù)荷從495 MW升至585 MW,負(fù)荷變化率設(shè)定為2.0%額定負(fù)荷每分鐘,實(shí)際負(fù)荷變化率為1.7%額定負(fù)荷每分鐘,機(jī)組負(fù)荷的動(dòng)態(tài)偏差在1.0%額定負(fù)荷以內(nèi),穩(wěn)態(tài)偏差在0.9%額定負(fù)荷以內(nèi)；主汽壓力的動(dòng)態(tài)偏差在0.4MPa以內(nèi),穩(wěn)態(tài)偏差在0.2MPa以內(nèi),技術(shù)指標(biāo)均滿足行業(yè)規(guī)定要求的優(yōu)良指標(biāo)。

圖4 超臨界機(jī)組負(fù)荷變動(dòng)的響應(yīng)曲線

可以看出,采用煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略的超臨界機(jī)組在以2.0%額定負(fù)荷每分鐘的負(fù)荷變化率進(jìn)行負(fù)荷變動(dòng)時(shí),機(jī)組主汽壓力等主參數(shù)調(diào)節(jié)效果很好；機(jī)組負(fù)荷能夠在鍋爐側(cè)主參數(shù)穩(wěn)定的情況下,滿足調(diào)度規(guī)定的變化率要求。

圖5為機(jī)組在CCS協(xié)調(diào)控制方式下的轉(zhuǎn)差為+12r/min的一次調(diào)頻試驗(yàn),機(jī)組負(fù)荷瞬間疊加+ 40 MW指令,從圖中可以看出,采用煤質(zhì)自適應(yīng)的控制策略,機(jī)組在一次調(diào)頻最大量12r/min轉(zhuǎn)差擾動(dòng)時(shí)機(jī)組總煤量變化相當(dāng)平穩(wěn),主汽壓力控制動(dòng)態(tài)偏差在±0.3MPa內(nèi)且能較快恢復(fù)。

圖5 CCS方式下、轉(zhuǎn)差+12r/min的一次調(diào)頻響應(yīng)曲線

從圖5可看出,當(dāng)機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作、機(jī)組負(fù)荷出現(xiàn)大幅度階躍變化時(shí),采用煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略的超臨界機(jī)組能夠在利用機(jī)組蓄熱的同時(shí)快速響應(yīng),保證了機(jī)組主汽壓力等主參數(shù)的穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過在云南某臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組的實(shí)際投用表明,研究的快速煤質(zhì)自適應(yīng)控制方法能夠很好地克服煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組主參數(shù)的擾動(dòng),在變負(fù)荷過程中能夠在保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的同時(shí),很好的適應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷變化率要求,并提高了控制系統(tǒng)在煤質(zhì)變化時(shí)的控制精度與魯棒性,為超臨界機(jī)組的自動(dòng)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(jí)工程師,主要從事熱工自動(dòng)化、電網(wǎng)自動(dòng)化、變電站綜合自動(dòng)化方面的生產(chǎn)、科研等工作(e-mail)SUPER_LYK@163.com。