谷俊杰, 張 巖, 劉 康, 孫苗青
(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北保定 071003)
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鍋爐入爐煤量預(yù)測模型研究
谷俊杰,張巖,劉康,孫苗青
(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,河北保定 071003)
摘要:設(shè)計(jì)了煤質(zhì)自適應(yīng)前饋校正,以功煤系數(shù)為出發(fā)點(diǎn),借助組合預(yù)測模型的思想建立鍋爐入爐煤量的預(yù)測模型,采用方差倒數(shù)法求取前1 h功煤系數(shù)對當(dāng)前時(shí)刻功煤系數(shù)的最優(yōu)權(quán)重系數(shù),實(shí)現(xiàn)對入爐煤量和功煤系數(shù)的預(yù)測,并利用該模型對某660 MW機(jī)組4號鍋爐的入爐煤量進(jìn)行預(yù)測.結(jié)果表明:將實(shí)時(shí)入爐煤量的預(yù)測值作為實(shí)際入爐煤量,其預(yù)測平均準(zhǔn)確度能達(dá)到97%左右,提高了入爐煤量的預(yù)測準(zhǔn)確率.
關(guān)鍵詞:入爐煤量; 前饋校正; 預(yù)測模型; 功煤系數(shù); 電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令
電廠入爐煤的供應(yīng)都是以電廠設(shè)計(jì)煤種為準(zhǔn), 但來煤得不到保證,入爐煤質(zhì)差、煤質(zhì)變化頻繁,與設(shè)計(jì)煤種相差很大,易引起壓力、功率和溫度的波動(dòng)[1-2].隨著電網(wǎng)容量的增大以及用戶對供電質(zhì)量要求的提高,電網(wǎng)調(diào)度對火電機(jī)組負(fù)荷變化的要求也越來越高,煤質(zhì)差、煤質(zhì)變化頻繁導(dǎo)致很多火電機(jī)組的協(xié)調(diào)變負(fù)荷能力不能適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度的要求,嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定性和變負(fù)荷能力,也減弱了機(jī)組上網(wǎng)競爭的能力[3].
自適應(yīng)煤質(zhì)變化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一項(xiàng)最新的科研成果,通過大型火電機(jī)組多年調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的積累和獨(dú)到的分析,煤質(zhì)變化對負(fù)荷變化的影響小,輸出指令變化平穩(wěn),設(shè)計(jì)了簡單易懂的協(xié)調(diào)控制策略.各參數(shù)設(shè)置原理簡單,具有自適應(yīng)煤質(zhì)變化的能力,極大地提高了大型火電機(jī)組變負(fù)荷能力和機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性,使得協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具備自適應(yīng)入爐煤質(zhì)變化的能力[4].
許多學(xué)者對機(jī)組的煤質(zhì)自適應(yīng)控制進(jìn)行了廣泛深入的研究.楊景祺等[1]指出在目前鍋爐的運(yùn)行中,多數(shù)不能達(dá)到設(shè)計(jì)煤種的運(yùn)行要求,并且煤種的變化多樣,因此有必要在眾多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮熱值(British Thermal Unit, BTU)修正.李必成等[5]通過對燃煤品質(zhì)大范圍波動(dòng)工況下的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提出使用關(guān)聯(lián)信息算法和非線性映像網(wǎng)絡(luò)混合模型預(yù)測燃料熱值的變化.劉吉臻等[6]采用煙氣不完全分析方法,構(gòu)造一個(gè)不依賴煙氣二氧化碳含量信號的煤質(zhì)實(shí)時(shí)分析模型,實(shí)現(xiàn)對鍋爐入爐煤收到基成分的監(jiān)測.羅志浩等[7]在常規(guī)燃煤BTU校正基礎(chǔ)上增加了一個(gè)快速計(jì)算的PID控制器,設(shè)計(jì)了穩(wěn)定快速BTU校正回路.蔣欣軍等[8]提出新型串級BTU控制策略.劉友寬等[9]通過構(gòu)造一種新的熱量信號,建立了BTU校正模型.這些學(xué)者對整個(gè)鍋爐熱力系統(tǒng)的能耗進(jìn)行分析并根據(jù)能耗情況開展節(jié)能研究,以準(zhǔn)確完成鍋爐在動(dòng)態(tài)過程的各種指標(biāo).
大多數(shù)研究方法采用BTU校正回路,通過反饋調(diào)節(jié)進(jìn)行煤質(zhì)自適應(yīng)控制.在汽包爐中,通常用熱量信號修正燃料的熱值,這種方法主要考慮了鍋爐熱量信號的整定,使熱量信號僅代表燃料的變化,但是BTU校正回路具有一定的遲延,不能及時(shí)反映煤質(zhì)變化.直流爐蓄能較小,無法得到類似于汽包爐的熱量信號,因此在直流爐BTU修正中最多的是采用蒸汽流量對熱值進(jìn)行修正,考慮的基本點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計(jì)煤種的熱值,所燃燒的煤量應(yīng)該產(chǎn)生的熱量與實(shí)際煤種產(chǎn)生的熱量存在偏差,通過此偏差對燃料進(jìn)行補(bǔ)償,這種BTU修正方法在實(shí)際應(yīng)用中往往導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[1].BTU校正在汽包爐與直流爐中均存在缺陷,筆者基于功煤系數(shù)[4]設(shè)計(jì)了煤質(zhì)自適應(yīng)前饋回路,對入爐煤量指令進(jìn)行優(yōu)化,減小實(shí)時(shí)入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差,提高了機(jī)組自適應(yīng)煤質(zhì)變化的能力.
1自適應(yīng)煤質(zhì)變化前饋設(shè)計(jì)
1.1煤質(zhì)變化性能分析
煤質(zhì)的好壞直接影響爐膛內(nèi)燃燒放熱量、燃燒穩(wěn)定性及鍋爐效率.對于煤質(zhì)達(dá)不到機(jī)組設(shè)計(jì)要求的來煤,電廠普遍采用配煤摻燒技術(shù),調(diào)整入爐煤的品質(zhì).配煤摻燒技術(shù)主要包括分磨磨制爐內(nèi)摻燒、煤場配煤混合磨制和煤場混煤爐內(nèi)摻燒等方法.由于操作水平、環(huán)境和來煤情況變化等原因,煤的實(shí)際摻混效果并不好,入爐煤質(zhì)變化很大,增強(qiáng)了對鍋爐內(nèi)部管道的腐蝕和沖刷,導(dǎo)致水煤比失調(diào)、主蒸汽溫度偏低和主蒸汽壓力偏低等[10].
為了使得機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能夠?qū)γ嘿|(zhì)的變化及時(shí)做出調(diào)整,采用功煤系數(shù)概念.功煤系數(shù)是指單位發(fā)電機(jī)功率所消耗的實(shí)時(shí)入爐煤量:
(1)
式中:α為功煤系數(shù),t/(h·MW);qm為實(shí)時(shí)入爐煤量,t/h;N為發(fā)電機(jī)功率,MW.
功煤系數(shù)可用來粗略估計(jì)進(jìn)入爐膛的實(shí)時(shí)煤質(zhì),煤質(zhì)越好(熱值越高、水分越少),功煤系數(shù)越小,反之越大.功煤系數(shù)與機(jī)組負(fù)荷和燃料風(fēng)門開度沒有固定關(guān)系.
對某660 MW機(jī)組4號鍋爐某時(shí)間段歷史數(shù)據(jù)(見表1)進(jìn)行計(jì)算分析,其功煤系數(shù)變化范圍為0.350~0.401 t/(h·MW).
表1 某660 MW機(jī)組4號鍋爐某時(shí)間段歷史數(shù)據(jù)
1.2煤質(zhì)自適應(yīng)控制策略
電廠入爐煤為設(shè)計(jì)煤種時(shí),機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖1左側(cè)所示.根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令N0經(jīng)“負(fù)荷-入爐煤量函數(shù)f1(x)”計(jì)算出設(shè)計(jì)煤種理論入爐煤量,利用主蒸汽設(shè)計(jì)壓力p0與實(shí)際壓力pT的差值進(jìn)行閉環(huán)調(diào)整,得出設(shè)計(jì)煤種實(shí)際入爐煤量,鍋爐主控M/A(M表示手動(dòng),A表示自動(dòng))利用此信號調(diào)整各給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速,控制實(shí)時(shí)入爐煤量.
圖1 直流爐煤質(zhì)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)
在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中,入爐煤往往不是設(shè)計(jì)煤種,傳統(tǒng)煤質(zhì)自適應(yīng)控制大多采用BTU校正,將實(shí)際入爐煤校正為設(shè)計(jì)煤種.傳統(tǒng)直流爐BTU校正主要依據(jù)負(fù)荷(用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力p1或總給水流量表示)對應(yīng)的入爐煤量與校正后的入爐煤量偏差進(jìn)行反饋校正,如圖1中虛線框部分.其校正原理為:在BTU校正回路中,若忽略燃油量,入爐煤量DM等于燃料發(fā)熱系數(shù)kQ乘以由給煤機(jī)實(shí)測轉(zhuǎn)速信號代表的實(shí)際入爐煤量Dn,即
(2)
(3)
式中:DQ為通過直流爐的負(fù)荷計(jì)算得出的理論入爐煤量,其中直流爐的負(fù)荷可用總給水流量或汽輪機(jī)第一級壓力p1代表,t/h;DM為修正后的入爐煤量,t/h.
當(dāng)DM與DQ存在偏差時(shí),通過積分功能,增大kQ輸出,即增大BTU校正系數(shù).BTU校正正是按照上面的函數(shù)關(guān)系生成控制回路,把總給水流量或汽輪機(jī)第一級壓力p1與修正后的入爐煤量偏差限幅后積分輸出到BTU校正手操站.
傳統(tǒng)BTU控制策略具有參數(shù)整定難、對煤種突變適應(yīng)性差、BTU輸出易超限和存在遲延等缺陷[8].對入爐煤量進(jìn)行前饋設(shè)計(jì),把電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令的擾動(dòng)作為前饋信號,對待測時(shí)刻前1 h的燃煤進(jìn)行分析,預(yù)測功煤系數(shù)的變化,對入爐煤量指令進(jìn)行優(yōu)化,即對圖1中“負(fù)荷-入爐煤量函數(shù)f1(x)”進(jìn)行優(yōu)化,減小實(shí)時(shí)入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差,提高機(jī)組自適應(yīng)煤質(zhì)變化的能力.
根據(jù)當(dāng)前燃煤的實(shí)際情況,為了比較精確地估計(jì)當(dāng)前負(fù)荷指令下所需要的燃料指令,采用了功煤系數(shù),使變負(fù)荷時(shí)燃料指令能夠根據(jù)當(dāng)時(shí)煤種情況準(zhǔn)確變化;負(fù)荷不變化時(shí),能夠使燃料指令前饋根據(jù)煤質(zhì)變化情況做出相應(yīng)動(dòng)作,減小由于燃料變化對能量供需平衡的影響.
2功煤系數(shù)的預(yù)測模型
2.1組合預(yù)測模型
2.1.1組合預(yù)測原理
(4)
約束條件如下:
(5)
2.1.2預(yù)測方法
采用上述組合預(yù)測方法對4號鍋爐某時(shí)間段歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,分別用擬合優(yōu)度為1的多項(xiàng)式、傅里葉函數(shù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果仍然很差,雖然組合預(yù)測模型能將歷史數(shù)據(jù)擬合得很好,但是對于功煤系數(shù)的預(yù)測,其預(yù)測準(zhǔn)確性很差.因此對于功煤系數(shù)的預(yù)測問題,采用組合預(yù)測模型存在局限性.
針對上述情況,利用組合預(yù)測模型的思想,用前1 h的功煤系數(shù)對當(dāng)前時(shí)刻功煤系數(shù)進(jìn)行預(yù)測,約束條件同式(5).
(6)
2.2最優(yōu)權(quán)重系數(shù)的確定
為了提高入爐煤量計(jì)算的準(zhǔn)確性,利用前1 h的歷史數(shù)據(jù)對當(dāng)前時(shí)刻功煤系數(shù)進(jìn)行估算,具體方法如下:每10 min為一個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn),即根據(jù)前6個(gè)采樣點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù),采用方差倒數(shù)法獲得每個(gè)采樣點(diǎn)對當(dāng)前時(shí)刻功煤系數(shù)的最優(yōu)權(quán)重系數(shù),力求客觀計(jì)算功煤系數(shù).
圖2給出了電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令與入爐煤量的變化趨勢.由圖2可以看出,電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令與入爐煤量的變化趨勢是一致的,并且第i(i=1,2,…,6)個(gè)采樣點(diǎn)的電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令與當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令的偏差可正可負(fù),因此采用方差倒數(shù)法對誤差平方和較小的采樣點(diǎn)賦以較高權(quán)重.最優(yōu)權(quán)重系數(shù)計(jì)算公式[11]為
(7)
(8)
式中:Di為第i個(gè)采樣點(diǎn)的電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令與當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令的誤差平方和,MW2;Ni為待測時(shí)刻前(i×10) min的電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令,MW.
圖2 電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令與入爐煤量的變化趨勢
由式(7)可知,對于不同的待測時(shí)刻,其最優(yōu)權(quán)重系數(shù)是變化的.因此,所建立的基于功煤系數(shù)的預(yù)測模型是變權(quán)重系數(shù)的組合預(yù)測模型.
3預(yù)測模型的驗(yàn)證與分析
3.1預(yù)測模型的驗(yàn)證
實(shí)時(shí)入爐煤量的預(yù)測計(jì)算以表1中17:20時(shí)刻為例,利用16:20—17:10時(shí)刻內(nèi)6組數(shù)據(jù)對17:20時(shí)刻應(yīng)該加入的實(shí)時(shí)入爐煤量進(jìn)行預(yù)測,算法流程見圖3.
圖3 實(shí)時(shí)入爐煤量計(jì)算流程
待測時(shí)刻的功煤系數(shù)如式(6)所示,進(jìn)而可以求出實(shí)時(shí)入爐煤量的預(yù)測值:
(9)
理論入爐煤量為待測時(shí)刻的功煤系數(shù)與待測時(shí)刻電網(wǎng)調(diào)度負(fù)荷指令的乘積:
(10)
將實(shí)時(shí)入爐煤量與理論入爐煤量之間的偏差與理論入爐煤量之間的比值定義為待測時(shí)刻入爐煤量的偏差.
同理,17:20以后時(shí)刻的實(shí)時(shí)入爐煤量均可以用前6個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如表2所示,其中平均誤差為3%.
3.2預(yù)測模型的結(jié)果分析
借助組合預(yù)測模型的思想,確定歷史采樣點(diǎn)對當(dāng)前采樣點(diǎn)的最優(yōu)權(quán)重系數(shù),繼而利用歷史采樣點(diǎn)的功煤系數(shù)對當(dāng)前采樣點(diǎn)功煤系數(shù)進(jìn)行預(yù)測,求得當(dāng)前采樣點(diǎn)入爐煤量.
由計(jì)算結(jié)果可以看出:(1)從單個(gè)預(yù)測結(jié)果角度分析,預(yù)測模型預(yù)測實(shí)時(shí)入爐煤量的最大誤差不超過10%,即實(shí)時(shí)入爐煤量的準(zhǔn)確度能達(dá)到90%以上;(2)從所取的所有數(shù)據(jù)角度分析,預(yù)測平均誤差為3%,即預(yù)測平均準(zhǔn)確度能達(dá)到97%左右,誤差相對較小,驗(yàn)證了預(yù)測模型具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確率.
4結(jié)論
以功煤系數(shù)為出發(fā)點(diǎn),借助組合預(yù)測模型的思想,采用方差倒數(shù)法求取前1 h入爐煤功煤系數(shù)對當(dāng)前時(shí)刻功煤系數(shù)的最優(yōu)權(quán)重系數(shù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)入爐煤量的預(yù)測,解決了由于入爐煤種熱值變化較大而引起的問題.基于功煤系數(shù)的入爐煤量預(yù)測模型不僅具有較高的預(yù)測準(zhǔn)確率,而且具有操作簡便、實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)等特點(diǎn).預(yù)測模型的結(jié)果表明,模型具有較好的應(yīng)用價(jià)值.此外,可將此方法集成到集散控制系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)修正入爐煤量,以提高入爐煤量控制的準(zhǔn)確性.
表2 實(shí)時(shí)入爐煤量和誤差計(jì)算結(jié)果
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Study on Prediction Model for Coal Feed Rate of a Boiler
GUJunjie,ZHANGYan,LIUKang,SUNMiaoqing
(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China)
Abstract:An adaptive feed-forward correction to coal quality was designed, based on which a prediction model was established for the coal feed rate of a boiler considering the power-coal coefficient via the concept of combination model. The optimal weighting factor of last 1 h to current power-coal coefficient was solved by reciprocal method, so as to predict the coal feed rate and power-coal coefficient. The model was applied to the prediction of coal feed rate in No.4 boiler of a 660 MW unit. Results show that the average prediction accuracy on coal feed rate can be improved up to 97% if the predicted value is regarded as the actual coal feed rate.
Key words:coal feed rate; feed-forward correction; prediction model; power-coal coefficient; power grid dispatching load instruction
文章編號:1674-7607(2016)02-0118-05
中圖分類號:TK229.2
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A學(xué)科分類號:470.30
作者簡介:谷俊杰(1959-),男,河北定州人,教授,碩士,主要從事火電機(jī)組優(yōu)化與控制等方面的研究.張巖(通信作者),男,碩士研究生,電話(Tel.):18331125716;E-mail:yanzhang_2014@163.com.
基金項(xiàng)目:河北省教育廳科學(xué)研究指導(dǎo)性資助項(xiàng)目(z2007414)
收稿日期:2015-06-01
修訂日期:2015-06-26