劉思捷，丁 寧

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

超（超）臨界機(jī)組燃料及制粉系統(tǒng)建模淺析

劉思捷1，丁 寧2

（1.華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

通過對超（超）臨界機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行歸納，著重分析燃料對機(jī)組運(yùn)行、爐膛燃燒、蒸汽壓力、主氣溫的影響。經(jīng)過采集某百萬級別燃煤發(fā)電機(jī)組各負(fù)荷段燃料主控及制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)，基于機(jī)理建模完成對制粉系統(tǒng)建模和模型修正分析，仿真結(jié)果能夠較準(zhǔn)確的反映實(shí)際工況的燃料系統(tǒng)運(yùn)行，達(dá)到了良好的建模效果，為復(fù)雜系統(tǒng)深入建模提供了一種方法。

超超臨界；燃料主控；機(jī)理建模

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，火力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)過程自動(dòng)化所包含的功能日益多樣化。超（超）臨界機(jī)組中，可以將負(fù)荷控制系統(tǒng)的模型分為幾個(gè)部分，鍋爐主控和汽輪機(jī)主控，這兩部分中的給水流量，燃燒量都會在負(fù)荷擺動(dòng)的時(shí)候，造成波動(dòng)影響機(jī)組的主汽壓和主汽溫，并影響協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的品質(zhì)。本文通過對某電廠超超臨界機(jī)組的燃燒系統(tǒng)進(jìn)行辨識，并通過對機(jī)組燃料主控及制粉系統(tǒng)機(jī)理建模淺析，得出準(zhǔn)確的建模方法。

1 超（超）臨界機(jī)組的概況

近年來超（超）臨界得到了飛速發(fā)展，有利于降低煤耗，提高發(fā)電效率，同時(shí)可以通過擴(kuò)大脫硝投入范圍達(dá)到減少NOX，SO2以及其他大氣污染[1]。一般超（超）臨界機(jī)組的主蒸汽壓力可以達(dá)到27~30MPa，主蒸汽溫度已達(dá)到了610℃。大容量超超臨界機(jī)組有很好的負(fù)荷適應(yīng)性和良好的運(yùn)行特性，很大程度減少了污染物，又具有環(huán)保特征。目前，在這一領(lǐng)域的技術(shù)研究已經(jīng)到了比較完整和成熟的階段，很多發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都在推廣這一技術(shù)，在改善環(huán)境和節(jié)省能源方面都取得了很大的成就，超超臨界技術(shù)發(fā)展領(lǐng)先的國家有日本、德國和丹麥，丹麥的AVV2電廠的超臨界機(jī)組，機(jī)組效率高達(dá)49%，是目前世界上運(yùn)行機(jī)組效率最高的火電發(fā)電機(jī)組[1]。

在國內(nèi)，超超臨界機(jī)組雖然起步較晚，但進(jìn)步很快，目前已經(jīng)有不少大型裝機(jī)容量的超超臨界機(jī)組投產(chǎn)，如華電國際的鄒縣電廠2×1000MW的超超臨界機(jī)組及華能玉環(huán)發(fā)電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組，都已經(jīng)投入運(yùn)行，使得我國的超大容量超超臨界機(jī)組制造，安裝，調(diào)試運(yùn)行技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段，也將火電機(jī)組發(fā)展帶入了一個(gè)新的篇章。

超超臨界機(jī)組有以下幾方面特點(diǎn)[2]：

（1）超超臨界機(jī)組為直流爐，沒有汽包環(huán)節(jié)，給水經(jīng)過加熱、蒸發(fā)和變成過熱蒸汽是一次性連續(xù)完成的，因此其不受工作壓力限制，工質(zhì)穩(wěn)定。

（2）鍋爐蓄熱能力低，負(fù)荷變化范圍較大時(shí)，如果控制策略靈敏則可以適應(yīng)外界的負(fù)荷變動(dòng)。

（3）超超臨界機(jī)組啟停爐時(shí)間較短，不超過一小時(shí)，而汽包爐，汽包壁很厚，啟動(dòng)速度很慢通常要3~10h左右。

2 超（超）臨界機(jī)組的負(fù)荷控制特點(diǎn)

2.1 多變量控制系統(tǒng)

多變量控制系統(tǒng)通常采用輸入輸出量等量的控制結(jié)構(gòu)，即有m個(gè)輸入相應(yīng)的就設(shè)置m個(gè)輸出，構(gòu)成m個(gè)控制回路。對系統(tǒng)進(jìn)行分析輸出量受輸入量的影響最大，因此需要對輸入量和輸出量進(jìn)行配對。

2.2 強(qiáng)耦合性

超超臨界機(jī)組機(jī)爐之間的控制參數(shù)存在著強(qiáng)烈的耦合性。直流鍋爐汽水系統(tǒng)中沒有設(shè)置汽包，沒有相應(yīng)的蓄能設(shè)備，水的吸熱、蒸發(fā)、過熱過程均在水冷壁管中完成，飽和蒸汽和飽和水在管路中沒有明顯的分界。相應(yīng)的給水量、燃料量調(diào)門開度、減溫水量的變化影響機(jī)組的運(yùn)行特性，使工質(zhì)的吸熱過程變化，進(jìn)而影響到鍋爐出口過熱蒸汽參數(shù)、主蒸汽參數(shù)、主蒸汽做功等一系列后續(xù)參數(shù)；超超臨界機(jī)組各系統(tǒng)之間有著強(qiáng)烈的耦合性，如圖1所示。

圖1 機(jī)組主控參數(shù)耦合特性

圖2 給燃料量與負(fù)荷的原始數(shù)據(jù)

圖3 處理后的燃料量與主汽壓數(shù)據(jù)

3 燃料量系統(tǒng)建模

3.1 主汽壓與燃料量關(guān)系辨識

以某廠1000MW超超臨界鍋爐為辨識對象。正常運(yùn)行時(shí)，制粉系統(tǒng)5套運(yùn)行，一套備用。設(shè)計(jì)煤種為平朔安太堡煤煤種，采樣數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間為5s，總給燃料量為5臺給煤機(jī)燃料量反饋值之和，給燃料量單位為，主汽壓單位為。燃料量與負(fù)荷的原始數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。由圖2可看出鍋爐負(fù)荷是從800MW平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)變化，二十多分鐘后，負(fù)荷穩(wěn)定，曲線重新回歸800MW，符合數(shù)據(jù)遴選條件。給出燃料量與主汽壓的原始數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。從圖3可以看出，給燃料量波動(dòng)在36%左右，而給水量波動(dòng)在11%左右，所以可以認(rèn)為主汽壓的波動(dòng)主要是由于燃料量的波動(dòng)而引起。

采樣數(shù)據(jù)中一般都包含了測量噪聲和其他非過程干擾，在進(jìn)行辨識工作之前要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，常用的數(shù)學(xué)濾波方法。本次辨識對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行了五點(diǎn)三次平滑濾波處理。處理后的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 處理后的燃料量與主汽壓數(shù)據(jù)

由前文分析可知，燃料量變化引起主汽壓變化的過程是一個(gè)具有滯后、慣性和自平衡能力的過程，所以模型傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)選有自平衡對象：

在選定合適的模型類之后，辨識的任務(wù)就是尋找具體的過程參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。過程參數(shù)包括過程的慣性時(shí)間、比例系數(shù)、零點(diǎn)大小等，結(jié)構(gòu)參數(shù)也就是參數(shù)n（階次）和τ（延時(shí)時(shí)間）。模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇是建模工作中重要的一個(gè)步奏，它決定了模型品質(zhì)的優(yōu)劣。模型類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)選定以后，盡管還可以采用不同的估計(jì)模型參數(shù)的方法，但是最終的模型質(zhì)量就已基本確定。

在實(shí)驗(yàn)過程中，利用粒子群算法對K，a，T，n，τ進(jìn)行尋優(yōu)，尋找出他們的一個(gè)合適組合，由于結(jié)構(gòu)參數(shù)對模型的學(xué)習(xí)效果影響巨大，如果把這些結(jié)構(gòu)參數(shù)和過程參數(shù)放在一起學(xué)習(xí)往往效果很不理想。

由于引入了遲延時(shí)間，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在熱工對象中，n的階次一般控制在三階以內(nèi)。所以對難以一次性找到K，a，T，n，τ一個(gè)合適組合這個(gè)問題，可以讓n=1，2，3的時(shí)候分別用PSO算法對K，a，T，τ進(jìn)行尋優(yōu)，然后再選取誤差最小的一個(gè)組合。在計(jì)算中采用的誤差準(zhǔn)則為：

利用上述方法學(xué)習(xí)，在此工況下得到燃料量與主汽壓的傳遞函數(shù)為：

最終擬合誤差為0.0116，辨識結(jié)果是可以接受的，在600~1200s之間的數(shù)據(jù)有一定的偏差，這是由于給水量等擾動(dòng)引起的，這是不可消除的，所以說這個(gè)結(jié)果是可以接受的。

3.2 給煤機(jī)模型

給煤機(jī)的模型擬設(shè)定有15個(gè)輸入，7個(gè)輸出，6個(gè)中間參數(shù)。給煤機(jī)算法中，若出口原煤流量、給煤機(jī)斷煤、給煤機(jī)堵煤，則給煤機(jī)的輸出都為0。

式中in[6]—煤倉煤位；

coef[4]—煤倉煤位底限；

in[8]—給煤機(jī)堵煤，數(shù)字量；

in[10]—給煤機(jī)斷煤；

in[15]—皮帶打滑；

out[1]—出口原煤流量，kg/h；

coef[1]—給燃料量系數(shù)；

in4temp—給煤機(jī)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速；

k2—系數(shù)1.0。

式中coef[5]—給煤機(jī)功率系數(shù)1；

coef[6]—給煤機(jī)功率系數(shù)2；

out[6]—給煤機(jī)功率。

入口燃料量的影響可以通過這樣的關(guān)系表達(dá)：設(shè)k2的初始值為0.0，當(dāng)入口燃料量大于1.0時(shí)，k2迅速改變，此時(shí)取值也為1.0。

3.3 磨煤機(jī)模型

磨煤機(jī)模型具有20個(gè)輸入，20個(gè)輸出，以及35個(gè)中間參數(shù)。該算法模擬了中速磨煤機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程。該算法從風(fēng)量影響、含水量計(jì)算、磨煤機(jī)內(nèi)部壓降、能量平衡模式、磨煤機(jī)出口溫度和電機(jī)幾個(gè)部分對磨煤機(jī)進(jìn)行了模擬。

其中，能量平衡模式從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉(zhuǎn)移。

式中in[1]—入口空氣流量；

in[2]—入口空氣溫度；

in[18]—給煤機(jī)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速；

out[2]—磨煤機(jī)出口煤粉溫度；

out[10]—金屬平均溫度；

coef[9]—煤粉氣流對金屬的換熱系數(shù)；

sjcor1—給煤機(jī)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速修正；

htc—換熱；

qm—從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉(zhuǎn)移。磨煤機(jī)模型中，風(fēng)量影響的公式為：

式中wcoalmax—入口空氣最大攜煤量；

wfmax—給煤機(jī)最大給煤量；

in[5]—入口煤量；

in[9]—磨煤機(jī)馬達(dá)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速；

in[20]—MB磨煤機(jī)堵塞（0-100）；

out[10]—磨煤機(jī)存煤量；

coef[4]—空氣最大攜煤能力；

coef[7]—給煤機(jī)正常時(shí)的最大出力；

coef[13]—磨煤機(jī)最大存煤量；

coef[35]—存煤消耗速率；

coef[36]—風(fēng)量對出口煤量的影響；

f1—入口煤可磨性系數(shù)修正；

f2—煤粉細(xì)度修正；

f3—出口煤流中的表面水分含量修正；

f4—磨煤機(jī)存煤量百分比；

f5—給煤機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；

vb—XJ磨煤機(jī)出力下降[4]。

磨煤機(jī)算法中，入口空氣最大攜煤量受空氣最大攜煤能力和入口空氣流量兩個(gè)因素影響；給煤機(jī)最大給煤量與給煤機(jī)正常時(shí)的最大出力相關(guān)；磨煤機(jī)出口煤粉流量則受出口煤流中的表面水分含量修正、磨煤機(jī)存煤量百分比、磨煤機(jī)馬達(dá)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速、入口空氣流量、風(fēng)量對出口煤量的影響、mb、MB磨煤機(jī)堵塞（0-100）幾個(gè)因素綜合作用影響；磨煤機(jī)存煤量受磨煤機(jī)存煤量、dth、入口煤量與磨煤機(jī)出口煤粉流量的差值影響，在有存煤消耗速率、磨煤機(jī)馬達(dá)標(biāo)稱化轉(zhuǎn)速時(shí)還要受到存煤消耗速率的影響；磨煤機(jī)出入口差壓受入口空氣流量、磨煤機(jī)導(dǎo)納、發(fā)生堵煤時(shí)的存煤量系數(shù)影響；煤、空氣和金屬的換熱計(jì)算中：包括從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉(zhuǎn)移、到環(huán)境中的熱損失、磨煤機(jī)機(jī)金屬壁溫、著火產(chǎn)生的熱量計(jì)算4個(gè)方面；磨煤機(jī)出口煤粉溫度受磨煤機(jī)出口煤粉溫度、入口空氣流量、入口空氣溫度與磨煤機(jī)出口煤粉溫度差值、消防蒸汽流量、消防蒸汽溫度與磨煤機(jī)出口煤粉溫度差值、入口煤量入口煤溫度與磨煤機(jī)出口煤粉溫度差值的影響；磨煤機(jī)堵塞對磨煤機(jī)電機(jī)功率有影響[5]。

4 結(jié)語

通過以上分析，同理可以得出負(fù)荷控制系統(tǒng)的其他系統(tǒng)模塊可以通過粒子群辨識的方法得到，并運(yùn)用機(jī)理建模的方式令模塊算法模擬現(xiàn)場，由此搭建出負(fù)荷控制系統(tǒng)中的各個(gè)組成部分，完成復(fù)雜系統(tǒng)的建模。

這些模型的搭建，可以使得在仿真機(jī)上更好的完成對于現(xiàn)場工況的模擬，使得對于現(xiàn)場復(fù)雜工況的分析和研究更加直觀和準(zhǔn)確。

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Analysis on the Modeling of Ultra Supercritical Unit Fuel and Coal Preparation System

LIU Si-jie1，DING Ning2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power company Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In this paper，the operating characteristics of ultra-supercritical units are summarized，and the effects of the fuel on the operation of the fuel，the combustion of the furnace，the steam pressure and the temperature are analyzed. Based on the data of the main control system and the coal powder system，the model of the system is analyzed.The simulation results can reflect the actual operating conditions of the fuel system and achieve a good effect.

ultra-supercritical；fuel master；system modeling

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.012

TM621.7

B

2095-3429（2015）06-0041-04

2015-10-19

修回日期：2015-12-18

劉思捷（1986-），女，河北承德人，工學(xué)碩士，從事火電廠燃機(jī)電廠系統(tǒng)調(diào)試，性能試驗(yàn)工作；

丁寧（1986-），女，河北承德人，工學(xué)碩士，從事火電廠燃機(jī)電廠系統(tǒng)調(diào)試，性能試驗(yàn)工作。