司瑞才，張 鍔

（1.吉林省電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2.寧夏電力科學(xué)研究院，銀川 750001）

隨著電煤價(jià)格矛盾的日益突出，電廠發(fā)電用煤來源和成份復(fù)雜多變。由于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)都是根據(jù)煤種設(shè)計(jì)的，煤種變化將造成鍋爐運(yùn)行狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)值，影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性［1］。在這種情況下，煤質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)就變的很重要。

電站鍋爐入爐煤元素含量和發(fā)熱量的監(jiān)測(cè)一直是一個(gè)難題，要實(shí)現(xiàn)機(jī)組經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無論采用正平衡法還是采用反平衡法，必須解決入爐煤品質(zhì)的在線測(cè)量問題。目前國(guó)內(nèi)主要利用雙能量射線透射測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)非接觸式動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)燃煤中的灰分、水分等煤質(zhì)成分，但這種方法需要增加昂貴的硬件設(shè)備，故目前在國(guó)內(nèi)電廠中應(yīng)用還是比較少。多數(shù)電廠不具備在線實(shí)時(shí)測(cè)量煤質(zhì)情況的條件，對(duì)于入爐煤質(zhì)的檢測(cè)方法基本上還停留在人工取樣、制樣、化驗(yàn)的水平，存在著嚴(yán)重的滯后和采樣誤差［2］。隨著能源的緊張，一些電廠開始采用混煤摻燒的燃燒形式，增大了入爐煤質(zhì)檢測(cè)的難度。因此，國(guó)、內(nèi)外也不斷尋找其它的方法來實(shí)現(xiàn)入爐煤元素成分的監(jiān)測(cè)。

燃煤水分、灰分和低位發(fā)熱量是燃煤的主要性能指標(biāo)，目前需要找出一種既方便又經(jīng)濟(jì)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法。隨著電廠自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)可以方便地獲得，這些運(yùn)行數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著豐富的機(jī)組狀態(tài)信息［3］。目前應(yīng)用較多的是軟測(cè)量的方法，即采用在線測(cè)量的輔助變量和離線分析信息去估計(jì)不可測(cè)或難測(cè)量的變量。目前，大容量鍋爐配備了較為齊全的運(yùn)行監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的二次處理，可以從中提取更有價(jià)值的信息。本系統(tǒng)就是通過建立了入爐煤低位發(fā)熱量，收到基水分和收到基灰分的軟測(cè)量模型，充分利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀表，挖掘運(yùn)行參數(shù)蘊(yùn)涵的信息，實(shí)現(xiàn)了入爐煤元素和發(fā)熱量的在線監(jiān)測(cè)。

1 入爐煤水分計(jì)算模型

1.1 水分理論計(jì)算

磨煤機(jī)是制粉系統(tǒng)的主要設(shè)備。對(duì)于直吹式MPS型中速磨，原煤的磨制和干燥均在磨煤機(jī)內(nèi)進(jìn)行，以每kg煤為準(zhǔn)計(jì)算，磨煤機(jī)內(nèi)存在以下的熱平衡關(guān)系

（1）進(jìn)入系統(tǒng)的熱量有

干燥劑帶入的熱量

式中C1——干燥劑入口熱容量，kJ（kg·℃）

Mf——磨煤機(jī)入口風(fēng)量，kg／s；

Mm——磨煤機(jī)的磨煤出力，kg／s；

t1——磨煤機(jī)進(jìn)口風(fēng)溫度，℃。

磨煤機(jī)研磨部件的熱量

式中knm——中速磨knm=0.6；

W——磨煤機(jī)的功率，kW。

制粉系統(tǒng)漏入冷空氣的物理熱

式中tA——環(huán)境溫度，℃；

klf——漏風(fēng)系數(shù)；Kw；

C1k——冷空氣熱空量，kJ（kg·℃）。

原煤的物理熱

（2）帶出系統(tǒng)的熱量有

蒸發(fā)煤的水分所消耗的熱量

干燥劑帶走的熱量

式中C2——干燥劑出口熱容量，kJ（kg·℃）；

t2——磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合物溫度，℃。

加熱煤所消耗的熱量

式中Mmf——磨煤機(jī)出口煤粉所含水分，%；

Crd——干燥基煤的出口熱容量，煙煤Crd=1.09，

kJ（kg·℃）。

系統(tǒng)的散熱損失

式中Q1q——制粉系統(tǒng)設(shè)備散熱損失，直吹式系統(tǒng)：；Qin——制粉系統(tǒng)的輸入熱量。

干燥過程中每1kg原煤所失掉的水分為

式中R90——煤粉細(xì)度。

根據(jù)能量平衡原理，帶入熱量=帶出熱量，即

1.2 簡(jiǎn)化后的計(jì)算公式

鑒于計(jì)算煤水分的公式太復(fù)雜，在DCS中做組態(tài)不方便，所以需要對(duì)公式進(jìn)行簡(jiǎn)化［4］。因此選擇華北某發(fā)電廠冬季近10天的數(shù)據(jù)來分析，由于在近幾次的工業(yè)分析中煤中的水分保持在12%左右，選擇Mar=12%帶入磨煤機(jī)的輸入輸出方程中。通過數(shù)據(jù)來反映磨的輸入和輸出中各項(xiàng)熱量的大小，將其中很小的部分省略掉，以此來簡(jiǎn)化公式。將Mar=12%帶入輸入輸出方程中可以得到各項(xiàng)熱量的圖形，如圖1、圖2所示。

從圖1中可以看出，在磨煤機(jī)輸入熱量中漏入冷空氣的物理熱在0～0.6之間變化，煤的物理熱在0～8之間變化，這兩項(xiàng)相對(duì)于干燥劑的物理熱和漏入冷空氣的物理熱很小，所以在進(jìn)行水分軟測(cè)量計(jì)算中把這兩項(xiàng)忽略。

從圖2中可以看出，在磨煤機(jī)輸出熱量中散熱損失在0.6～1.1之間變化，相對(duì)于其他三項(xiàng)來說都很小，所以在進(jìn)行水分軟測(cè)量計(jì)算中把這一項(xiàng)忽略。

圖1 磨煤機(jī)的輸入熱量

所以根據(jù)能量平衡原理，帶入熱量=帶出熱量，可以簡(jiǎn)化為

圖2 磨煤機(jī)的輸出熱量

整理后的磨煤機(jī)輸入輸出方程：

1.3 模型不動(dòng)點(diǎn)迭代計(jì)算

式（13）整理后的形式為：

式中A，B，C——在線檢測(cè)數(shù)據(jù)及其其他參數(shù)的函數(shù)的表達(dá)式。

式（14）是一個(gè)非線性方程，其中需要用到不動(dòng)點(diǎn)迭代法的求解方法即將f（x）=0改寫為等價(jià)形式x=φ（x）。因此針對(duì)方程應(yīng)用不動(dòng)點(diǎn)迭代法得出：

在MATLAB中不動(dòng)點(diǎn)的迭代計(jì)算用Unit Delay模塊來實(shí)現(xiàn)。其軟測(cè)量的計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 軟測(cè)量的計(jì)算模型

2 模型的實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際計(jì)算中，磨煤機(jī)進(jìn)口干燥劑的質(zhì)量比熱C1、磨出口干燥劑質(zhì)量比熱C2和冷空氣的質(zhì)量比熱Clk都是隨著溫度的變化而變化。在文獻(xiàn)［5］中給出了空氣的質(zhì)量比熱與溫度的關(guān)系，同時(shí)一般電廠中磨煤機(jī)的干燥劑主要是以空氣為主。所以將C1、C2和Clk的值分別通過t1、t2和環(huán)境溫度函數(shù)擬合和線性插值的方法得到［6］。其他參數(shù)Mf，Mm，t1，t2，tA，W的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從電廠的 DCS控制系統(tǒng)來獲得。

2.1 模型在某一工況下應(yīng)用

將上述模型應(yīng)用到某一個(gè)工況下，根據(jù)該模型得到的水分的值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較。

該工況數(shù)據(jù)來自華北某發(fā)電廠，該電廠鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、固態(tài)排渣、單爐膛、Π型布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、半露天布置、控制循環(huán)汽包爐。采用三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器，平衡通風(fēng)，擺動(dòng)式燃燒器四角切圓燃燒。設(shè)計(jì)燃料為準(zhǔn)格爾煙煤。6套制粉系統(tǒng)為正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置ZGM-123型中速磨煤機(jī)。

該廠的煤粉細(xì)度R90=23，該電廠使用的是準(zhǔn)格爾煙煤，根據(jù)文獻(xiàn)［5］煙煤的干燥物理熱一般取Crd=1.09，磨得漏風(fēng)系數(shù)Klf=0.03，磨輸入功率轉(zhuǎn)化為熱量的系數(shù)Knm=0.6。這些離線參數(shù)設(shè)定為固定值。表1給出了某工況下實(shí)時(shí)參數(shù)的取值情況。

表1 某工況下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)取值

從 MATLAB的workspace中輸入，t1=［1216.25］，t2= ［180.659］，Mm= ［142.228］，Mf=［177.55］，tA=［1 -0.253］，W=［1319.79］，在Simulink中運(yùn)行得到如圖4所示曲線。

圖4顯示水分測(cè)量值為11.6%，在試驗(yàn)期間，通過這個(gè)時(shí)段的工業(yè)分析，收到基水分均值在12%左右，該模型基本滿足要求。

2.2 模型在多工況下應(yīng)用

在某工況下應(yīng)用成功后，現(xiàn)將該方法應(yīng)用到連續(xù)的工況中。同樣采用此電廠的數(shù)據(jù)。上面規(guī)定的離散數(shù)據(jù)設(shè)定為固定值。C1、C2和Clk的值分別通過t1、t2和環(huán)境溫度函數(shù)擬合和線性插值方法得到。其他的一些實(shí)時(shí)在線的數(shù)據(jù)取自電廠的DCS。

圖4 某工況下的水分運(yùn)行曲線

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)取該電廠某年3月1日0時(shí)～3月3日0時(shí)近2天的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，取5min的均值。在使用中，將有異常工況的點(diǎn)剔除，數(shù)據(jù)以矩陣形式輸入到工作空間中并保存，再使用時(shí)點(diǎn)擊MATLAB的workspace中的import data輸入數(shù)據(jù)到計(jì)算模型中。運(yùn)行后在該時(shí)段的燃煤水分值如圖5所示。

圖5 多工況下的水分運(yùn)行曲線

表2 入爐煤的收到基水分和上煤量

由表2和圖5可知，建立的水分測(cè)量模型計(jì)算出的煤水分和每天8小時(shí)的煤質(zhì)工業(yè)分析報(bào)告的數(shù)據(jù)基本一致，基本上能夠反映煤質(zhì)的變化規(guī)律。但是電廠日均燒煤近萬噸，每次做分析用煤僅幾毫克，這種采樣誤差存在可想而知。同時(shí)，從分析結(jié)果看，水分變化范圍也較大，水分受外界影響較大，所以僅靠每天3次的工業(yè)分析結(jié)果，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求的。所以還需要采用一些先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理來處理電廠中的數(shù)據(jù)，有效的去除一些噪聲信號(hào)，從而得到更加真實(shí)有用的結(jié)論。

3 結(jié)語

本文根據(jù)機(jī)理分析并且依據(jù)DCS組態(tài)要求通過簡(jiǎn)化計(jì)算公式來建立了燃煤水分的軟測(cè)量模型。該方法根據(jù)不同使用目的，可以通過DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)，也可以通過計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際煤質(zhì)工業(yè)分析報(bào)告數(shù)據(jù)變化規(guī)律相符，能滿足現(xiàn)場(chǎng)工作人員使用要求，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水分的目的，相較于以往的工業(yè)分析和人工分析來說，具有實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還需要將機(jī)理分析與數(shù)據(jù)融合，小波分析和主元分析等數(shù)據(jù)處理技術(shù)結(jié)合起來對(duì)已有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而得到更可靠的結(jié)論，具有跟可靠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)要求。

［1］ 劉福國(guó).電站鍋爐入爐煤元素分析和發(fā)熱量的軟測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（6）：139-145.LIU Fu-guo.Real time identification technique for ultimate analysis and calorific value of burning coal in utility boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（6）：139-145.

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［3］ 李海青，黃志堯.軟測(cè)量技術(shù)原理及應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

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