郝曉輝，劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定 071003)

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直冷式空冷機(jī)組燃料BTU實(shí)時(shí)校正方法研究

郝曉輝，劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，保定 071003)

煤質(zhì)的頻繁變化嚴(yán)重影響著直冷式空冷機(jī)組的特性和效率?；痣姀S來(lái)煤不穩(wěn)定且實(shí)際煤種發(fā)熱量很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的得到，給機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大困難。對(duì)此，針對(duì)直冷式空冷機(jī)組研究了一種基于模型的燃料BTU校正方法，用機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值與機(jī)組模型負(fù)荷預(yù)測(cè)值的比值來(lái)反映實(shí)際煤種發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量的關(guān)系，實(shí)時(shí)校正進(jìn)入鍋爐的燃料量，消除入爐煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證：在煤質(zhì)頻繁波動(dòng)情況下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制品質(zhì)良好，煤質(zhì)穩(wěn)定情況下不會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)控制產(chǎn)生影響；得到的BTU校正系數(shù)不受模型輸入信號(hào)的影響，能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映實(shí)際煤發(fā)熱量的變化。該方法可行且有效，可適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)煤質(zhì)頻繁變化的情況。

直冷式空冷機(jī)組；煤發(fā)熱量；BTU校正

直冷式空冷機(jī)組在不同負(fù)荷階段、不同環(huán)境工況下，入爐煤發(fā)熱量的變化直接影響機(jī)組特性和效率[1]。目前，火電廠來(lái)煤不穩(wěn)定且大多數(shù)燃用煤種均偏離設(shè)計(jì)煤種，嚴(yán)重影響著控制指標(biāo)的品質(zhì)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2-5]。對(duì)于機(jī)組控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，入爐煤質(zhì)實(shí)時(shí)的變化影響著鍋爐的燃燒狀態(tài)，進(jìn)而影響燃料控制系統(tǒng)。因此，燃料發(fā)熱量校正回路(燃料BTU校正)是機(jī)組燃料控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[6]。

燃料BTU校正的基本思想是：根據(jù)實(shí)際煤發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量的偏差來(lái)對(duì)燃料量進(jìn)行補(bǔ)償[7]。本文針對(duì)直冷式空冷機(jī)組，研究了一種基于機(jī)組負(fù)荷-壓力動(dòng)態(tài)模型的燃料BTU校正方法，實(shí)時(shí)校正鍋爐的燃料量，進(jìn)而消除入爐煤質(zhì)變化對(duì)機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響。通過(guò)與傳統(tǒng)BTU校正方法對(duì)比和對(duì)基于機(jī)組模型的燃料BTU校正方法進(jìn)行機(jī)理分析，來(lái)說(shuō)明該方法的特點(diǎn)，最后利用機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的優(yōu)點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

1 傳統(tǒng)BTU校正方法

煤發(fā)熱量有高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量之分，高位發(fā)熱量與低位發(fā)熱量的區(qū)別在于燃料燃燒產(chǎn)物中的水呈液態(tài)還是氣態(tài)，水呈液態(tài)為高位發(fā)熱量，水呈氣態(tài)為低位發(fā)熱量。在電廠中煤在鍋爐中進(jìn)行燃燒，鍋爐中的溫度超過(guò)水蒸氣的凝結(jié)溫度，因此本文提到的煤發(fā)熱量均為煤的低位發(fā)熱量。

傳統(tǒng)煤種熱值校正系數(shù)BTU是根據(jù)實(shí)際功率通過(guò)燃料量和負(fù)荷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出理論燃料量[8]。接著對(duì)理論燃料量與實(shí)際燃料量的偏差進(jìn)行積分運(yùn)算，得到的結(jié)果即為BTU校正系數(shù)[9]。但該方法存在一定的局限性，如：不能適應(yīng)煤種的頻繁變化，積分參數(shù)確定存在困難，BTU輸出易超出上限，啟、停磨時(shí)擾動(dòng)大等等。

通常超臨界機(jī)組燃料BTU校正根據(jù)鍋爐的負(fù)荷指令和熱負(fù)荷(主蒸汽流量)之間的偏差，對(duì)發(fā)熱量信號(hào)進(jìn)行修正。當(dāng)煤的發(fā)熱量偏離設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量時(shí)，這個(gè)偏差就會(huì)存在，但煤發(fā)熱量不變，汽機(jī)調(diào)門(mén)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)同樣會(huì)影響主蒸汽的流量進(jìn)而導(dǎo)致負(fù)荷指令與熱負(fù)荷之間出現(xiàn)偏差。這種方法存在的問(wèn)題是難以區(qū)分偏差是由煤發(fā)熱量變化引起還是由其他擾動(dòng)導(dǎo)致，一般認(rèn)為只要偏差存在即是實(shí)際煤發(fā)熱量值偏離設(shè)計(jì)值，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

電廠中采用的另外一種BTU校正方法是通過(guò)定期采樣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)化驗(yàn)得到燃料發(fā)熱量，與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量之間進(jìn)行適當(dāng)換算，最后由運(yùn)行人員手動(dòng)直接修正鍋爐主控指令。這種方法可以保證燃料控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，但由于采樣化驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，修正指令存在嚴(yán)重滯后的問(wèn)題。當(dāng)煤質(zhì)頻繁變化時(shí)，無(wú)法實(shí)時(shí)的校正燃料量的輸入。

由上述列舉的傳統(tǒng)的BTU校正方法可見(jiàn)，這些方法并不能在很好的適應(yīng)煤質(zhì)頻繁波動(dòng)的情況下保證燃料控制系統(tǒng)的穩(wěn)定及其他控制指標(biāo)的品質(zhì)。

2 機(jī)組模型

文獻(xiàn)[10]中，在對(duì)空冷裝置、汽輪機(jī)回?zé)峒訜嵯到y(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合水冷機(jī)組負(fù)荷-壓力動(dòng)態(tài)模型，引入汽輪機(jī)效率修正后建立了空冷機(jī)組的負(fù)荷-壓力非線性動(dòng)態(tài)模型，此類典型模型可以描述為：

rm=e-τsuB

(1)

(2)

(3)

pt=pd-K2(K1rB)1.5

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：uB為燃料量，kg/s；uT為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度，%；pe為排汽壓力，kPa。pt為機(jī)前壓力，MPa；NE為機(jī)組負(fù)荷，MW；τ為制粉系統(tǒng)延遲時(shí)間，s；rm為實(shí)際進(jìn)入磨煤量，kg/s；Tf為制粉系統(tǒng)慣性時(shí)間，s；rB為鍋爐燃燒率，kg/s；Cb為鍋爐蓄熱系數(shù)，MJ/MPa；K3為汽輪機(jī)增益；K1為燃料增益；pd為汽包壓力，MPa；K2為過(guò)熱器壓降系數(shù)；Tt為汽輪機(jī)慣性時(shí)間，s；K4為汽輪機(jī)效率修正系數(shù)；Tn為環(huán)境因素影響汽輪機(jī)效率的慣性時(shí)間，s；p1為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力，MPa。

式(1)和式(2)用來(lái)描述制粉系統(tǒng)的純遲延和慣性，式(3)為鍋爐能量平衡方程，式(4)描述的是過(guò)熱器差壓特性，式(5)為修正后的汽輪機(jī)能量平衡方程，式(6)用來(lái)計(jì)算汽輪機(jī)效率修正系數(shù)K4，式(7)用來(lái)描述汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力。

式(1)～式(6)對(duì)應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中F1(t)、F2(t)和F3(t)均為一階慣性環(huán)節(jié)；F(x)和F1(x)分別擬合式(4)和式(6)中的冪函數(shù)。

模型中靜態(tài)參數(shù)可由機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)確定，動(dòng)態(tài)參數(shù)需要利用燃料量及汽機(jī)高壓調(diào)門(mén)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)確定。在確定模型中參數(shù)后，模型輸入?yún)?shù)即可計(jì)算得到機(jī)組負(fù)荷和機(jī)前壓力的預(yù)測(cè)值。

圖1 機(jī)組模型結(jié)構(gòu) Fig. 1 The Structure of unit model

3 基于模型的燃料BTU校正方法

在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際煤種發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量相等時(shí)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷值與由機(jī)組負(fù)荷-壓力模型得到的機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值近似相等；當(dāng)實(shí)際煤種發(fā)熱量偏離設(shè)計(jì)煤種時(shí)，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值隨實(shí)際煤種發(fā)熱量等比例變化。機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值NE(MW)與機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值NEs(MW)的比值等于實(shí)際煤種發(fā)熱量Qar(MJ/kg)與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量Qars(MJ/kg)的比值，即為BTU校正系數(shù)。對(duì)應(yīng)的關(guān)系如式(8)所示。

(8)

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，依據(jù)機(jī)組模型和模型的輸入信號(hào)，實(shí)時(shí)得到機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值，利用機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值除以機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值得到BTU校正系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正鍋爐的燃料量，消除煤發(fā)熱量變化對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的影響。

基于模型的燃料BTU校正方法，調(diào)整的是進(jìn)入鍋爐的實(shí)際燃料量，其作用與機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中鍋爐主控調(diào)整燃料量相同，若兩者同時(shí)參與調(diào)整，將會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，BTU校正邏輯中應(yīng)加入低通濾波器，使得BTU校正的頻率范圍低于鍋爐主控調(diào)節(jié)指令的頻率范圍，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來(lái)對(duì)機(jī)組負(fù)荷-壓力動(dòng)態(tài)模型研究的深入，使得基于模型的BTU校正方法可以忽略燃料量、汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度和排汽壓力對(duì)機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值的影響，只考慮煤種實(shí)際發(fā)熱量對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)值的影響，可以有效的減小校正信號(hào)的誤差。

相對(duì)于傳統(tǒng)的BTU校正方法，基于模型的燃料BTU校正方法，能根據(jù)實(shí)際煤種發(fā)熱量的變化，實(shí)時(shí)校正進(jìn)入鍋爐的燃料量；能很好的適應(yīng)煤質(zhì)頻繁波動(dòng)的情況，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

在這里，進(jìn)行變煤質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)，即模擬煤發(fā)熱量發(fā)生突變的情況下，該基于模型燃料BTU校正方法的正確性。通過(guò)改變負(fù)荷-壓力動(dòng)態(tài)模型中的燃料增益K1來(lái)間接實(shí)現(xiàn)煤發(fā)熱量的改變[11]。

當(dāng)煤發(fā)熱量發(fā)生突變時(shí)，機(jī)組實(shí)際負(fù)荷隨著發(fā)熱量的改變而改變，如圖2和圖3所示。在t=200 s時(shí)，煤發(fā)熱量由19.42 MJ·kg-1突變至17.05 MJ·kg-1；同時(shí)機(jī)組負(fù)荷由最初的600 MW經(jīng)過(guò)一個(gè)響應(yīng)過(guò)程最后穩(wěn)定在534.5 MW。

圖2 煤發(fā)熱量變化曲線Fig. 2 The curve of coal calorific value

實(shí)際煤種發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量之比為17.05/19.42≈0.88；機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值與機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值之比為534.5/600≈0.89?？梢?jiàn)，由機(jī)組負(fù)荷比值得到的BTU校正系數(shù)同由煤種發(fā)熱量比值得到的近似相等。因此，機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值與機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值的比值能夠反映煤發(fā)熱量的變化，得到的BTU校正系數(shù)能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。

4.2 實(shí)例驗(yàn)證

針對(duì)DTII電廠600 MW直冷式空冷機(jī)組，模型中參數(shù)可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)確定[12-13]。模型可描述為：

rm=uB(t-25)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

p1=0.01ptuT

(15)

控制系統(tǒng)中投入燃料BTU校正的邏輯，截取現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)該BTU校正方法的有效性。工況Ⅰ：取煤質(zhì)頻繁變化情況下，機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值如圖4中所示；對(duì)應(yīng)的BTU校正系數(shù)如圖5中所示，機(jī)前壓力實(shí)際值與預(yù)測(cè)值如圖6中所示。

圖4 工況I機(jī)組負(fù)荷對(duì)比曲線Fig. 4 Load curves of condition I

圖5 工況I BTU校正系數(shù)Fig. 5 BTU correction coefficient of condition I

圖6 工況I機(jī)前壓力對(duì)比曲線Fig. 6 Turottle pressure curves of condition I

圖4中模型負(fù)荷預(yù)測(cè)值同機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值的變化趨勢(shì)一致且均低于機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值；得到的BTU校正系數(shù)變化范圍在1.00～1.15之間。圖6中模型的預(yù)測(cè)值與機(jī)前壓力實(shí)際值變化趨勢(shì)一致，機(jī)組機(jī)前壓力控制品質(zhì)較好，驗(yàn)證了該BTU校正方法的有效性。

工況Ⅱ：取煤質(zhì)較穩(wěn)定情況下機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值如圖7中所示，對(duì)應(yīng)的BTU校正系數(shù)如圖8中所示；機(jī)前壓力實(shí)際值與預(yù)測(cè)值如圖9中所示。

圖7 工況Ⅱ機(jī)組負(fù)荷對(duì)比曲線Fig. 7 Load curves of condition Ⅱ

圖8 工況ⅡBTU校正系數(shù)Fig. 8 BTU correction coefficient of condition Ⅱ

圖9 工況Ⅱ機(jī)前壓力對(duì)比曲線Fig. 9 Turottle pressure curves of condition Ⅱ

圖7和圖9中機(jī)組負(fù)荷預(yù)測(cè)值與機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值、機(jī)組機(jī)前壓力預(yù)測(cè)值與實(shí)際值曲線基本保持一致。圖8中BTU校正系數(shù)在0.97～1.03之間，基本保持不變，與實(shí)際工況相符；BTU校正系數(shù)接近于1表明實(shí)際煤種的發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量近似相等。

空冷機(jī)組排汽壓力的波動(dòng)會(huì)對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)帶來(lái)影響。工況Ⅰ和工況Ⅱ中排汽壓力基本不變。在此，截取排汽壓力波動(dòng)較大時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。工況Ⅲ：取排汽壓力急劇下降，煤質(zhì)較穩(wěn)定時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，排汽壓力變化曲線如圖10所示；機(jī)組負(fù)荷的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值如圖11中所示，對(duì)應(yīng)的BTU校正系數(shù)如圖12中所示，機(jī)前壓力實(shí)際值與預(yù)測(cè)值如圖13中所示。

圖10 工況Ⅲ排汽壓力Fig. 10 Exhaust steam pressure of condition Ⅲ

圖11 工況Ⅲ機(jī)組負(fù)荷對(duì)比曲線Fig. 11 Load curves of condition Ⅲ

圖12 工況ⅢBTU校正系數(shù)Fig. 12 BTU correction coefficient of condition Ⅲ

圖13 工況Ⅲ機(jī)前壓力對(duì)比曲線Fig. 13 Turottle pressure curves of condition Ⅲ

在排汽壓力變化較大的情況下，圖11和圖13中機(jī)組負(fù)荷和機(jī)前壓力控制品質(zhì)良好。BTU校正系數(shù)在0.95～1.05之間，與實(shí)際煤質(zhì)穩(wěn)定的情況符合。

5 結(jié)論

針對(duì)直冷式空冷機(jī)組，采用基于模型的燃料BTU校正方法，用機(jī)組負(fù)荷實(shí)際值與模型負(fù)荷預(yù)測(cè)值的比值得到實(shí)時(shí)的BTU校正系數(shù)。可以根據(jù)實(shí)際煤種的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)進(jìn)入鍋爐的給煤量，消除煤發(fā)熱量對(duì)整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到如下結(jié)論：

1)在煤質(zhì)頻繁波動(dòng)情況下，機(jī)組負(fù)荷和機(jī)前壓力的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值變化趨勢(shì)一致且控制品質(zhì)良好表明該BTU校正方法可行且有效；在煤質(zhì)穩(wěn)定的情況下BTU校正系數(shù)基本保持不變，不會(huì)影響控制系統(tǒng)。

2)機(jī)組負(fù)荷和機(jī)前壓力的模型預(yù)測(cè)值能很好的跟蹤實(shí)際值的變化，表明基于模型的BTU校正方法不受模型輸入的影響，只與實(shí)際煤種發(fā)熱量有關(guān)，能有效的表示實(shí)際煤種發(fā)熱量與設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱量的關(guān)系。

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(責(zé)任編輯 鄭文棠)

Study on Real-time Correction Method of Fuel BTU for Direct Air-cooling Unit

HAO Xiaohui, LIU Xinping

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The frequent changes of coal calorific value seriously affect the characteristics and efficiency of direct air-cooling unit. Source instability of coal in thermal power plant and difficulty in getting the actual calorific value of coal real-time and accuracy brings great difficulties for the design of unit coordinated control system.Therefore, A model-based fuel BTU correction method for direct air-cooling unit. is studied. The ratio between the actual value of the unit load and the forecast load of the unit model is used to reflect the relationship between the calorific value of the actual coal and design of calorific value of coal. Therefore, the fuel quantity entering the boiler is corrected in real time and the influence of coal calorific value variation on the unit coordinated control system is eliminated. Through simulation experiment and actual data validation, the coordination control system has good control quality in the case of frequent coal calorific value fluctuation and there is no effect when coal calorific value is stable. What’s more, the obtained BTU correction coefficient is not affected by the input signal of model, which can accurately reflect the actual coal calorific value changes in real time. This method is feasible and effective and it can be adapted to the frequent changes of coal quality in the field.

direct air-cooling unit; coal calorific value; BTU correction

2016-05-27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2012CB215200)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014MS145)

郝曉輝(1992)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究工作(e-mail)1360716194@qq.com。

10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2016.04.007

TK323

A

2095-8676(2016)04-0032-05