李 儼，張乘銘，刁云鵬，李 佳，姚卓宏

(1.國家能源集團吉林龍華白城熱電廠，吉林 白城 137000；2.河海大學(xué)，南京 211100；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130028；4.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021)

燃煤機組狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確快速測量對提高機組的運行控制效果具有重要的意義，然而，熱力發(fā)電系統(tǒng)中狀態(tài)參數(shù)難以測量或測量不準(zhǔn)問題普遍存在。以鍋爐燃煤為例，入爐煤低位發(fā)熱量參數(shù)一般只能通過離線化驗方法獲取，測量周期為數(shù)小時，難以實現(xiàn)在線實時測量，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的滯后，并影響機組的控制效果[1]。

近年來，軟測量技術(shù)在理論研究和實際應(yīng)用方面發(fā)展迅速。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法或基于工藝機理建模方法建立的軟測量模型，可以通過對較易測量的控制系統(tǒng)參數(shù)來實現(xiàn)對系統(tǒng)不可測參數(shù)的預(yù)測。其中，基于工藝機理分析的軟測量建模運用了能量平衡等原理、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、物料平衡、對過程對象進行機理分析，得出較易測量的控制系統(tǒng)參數(shù)與控制系統(tǒng)不可測參數(shù)之間的關(guān)系，該方法因其工藝機理清晰、易操作等特點，在工程中較為常用。爐膛煤質(zhì)的燃燒過程遵循能量守恒和物料守恒定律，因此，可以根據(jù)燃燒產(chǎn)生的煙氣成分和熱量，實現(xiàn)煤質(zhì)的軟測量[2-3]。

本文基于煤質(zhì)燃燒機理和能量守恒、物料守恒定律，利用鍋爐尾部煙氣成分建立了煤質(zhì)低位熱值的軟測量模型，并將其應(yīng)用在某廠4號鍋爐，實現(xiàn)了煤質(zhì)低位發(fā)熱量的快速精確測量，并成功引進機組協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了機組煤質(zhì)的自適應(yīng)控制。

1 煤質(zhì)低位發(fā)熱量軟測量模型

1.1 煤質(zhì)水分軟測量模型

煤質(zhì)水分計算主要基于機組制粉系統(tǒng)的能量守恒原理。對于直吹式中速磨制粉系統(tǒng)，進入與流出制粉系統(tǒng)的能量存在熱平衡關(guān)系[4-6]，見圖1。

圖1 磨煤機系統(tǒng)進出口能量守恒關(guān)系

圖1中進入磨煤機的熱量包括：干燥劑帶入系統(tǒng)的熱量qgzj，磨煤機工作時機械摩擦產(chǎn)生的熱量qmc，原煤帶入系統(tǒng)的熱量qym以及制粉系統(tǒng)中漏入的冷空氣帶入的熱量qlf；流出磨煤機的熱量包括：蒸發(fā)煤中水分消耗的熱量qzf，干燥劑吸熱量qg，煤在加熱過程中所需的熱量qm，系統(tǒng)中磨煤機的散熱損失qlq。根據(jù)進入和流出磨煤機系統(tǒng)的能量守恒，可得到如下關(guān)系：

qgzj+qmc+qym+qlf=qzf+qg+qm+qlq

(1)

其中蒸發(fā)煤中水分消耗的熱量與蒸發(fā)掉的水量有關(guān)：

qzf=ΔM(2 491+1.884tzf-4.19tr)

(2)

式中：tzf為磨煤機出口風(fēng)粉混合后的溫度；tr為環(huán)境溫度。

蒸發(fā)掉的水量ΔM可以通過式(3)計算：

(3)

式中：Mar為收到基水分；Mmf為入爐煤水分。

Mmf可以通過式(4)計算：

(4)

式中R90代表煤粉細(xì)度。

加熱過程中所需的熱量qm可以通過式(5)計算：

(5)

選取制粉系統(tǒng)相關(guān)測點數(shù)據(jù)進行計算，整理后可獲得煤質(zhì)水分含量。將式(2)至式(5)帶入式(1)中，聯(lián)立求解，則可得到入爐煤收到基水分值。

1.2 煤質(zhì)元素的軟測量

鍋爐排煙氣體成分中蘊涵了入爐煤元素含量的信息，由此可以推導(dǎo)出排煙氣成分和煤元素含量之間存在的對應(yīng)關(guān)系?；诿喝紵龝r的化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)平衡的原理，用干燥無灰基元素含量可以將煤燃燒生成的各種氣體表示成如下方程：

ωC,daf=53.59γCO2(φRO2,daf+φN2,daf+φO2,daf)+

(1-γCO2)/ГCucr

(6)

ωS,daf=142.86γSO2(φRO2,daf+φN2,daf+φO2,daf)

(7)

(8)

ωH,daf=A1ωC,daf+B1

(9)

ωO,daf=A2ωC,daf+B2

(10)

ωN,daf=100-ωC,daf-ωH,daf-ωO,daf-ωS,daf

(11)

式中：

φRO2,daf=0.018 66(ωC,daf+0.375ωS,daf)-0.018 66ГCucr

(12)

φN2,daf=0.008ωN,daf+(1-φ)αφgk,daf

(13)

φO2,daf=φ(α-1)φgk,daf

(14)

φgk,daf=0.088 9(ωC,daf+0.375ωS,daf)+0.265ωH,daf-0.033 3ωO,daf-0.088 9ГCucr

(15)

(16)

(17)

ωCucr=ɑfhωCfh+ɑdzωCdz

(18)

(19)

其中：A1,A2,B1,B2是干燥無灰基組成特性系數(shù)；ωCucr為灰渣中的平均未燃盡碳含量；γCO2,γO2,γSO2為排煙煙氣中的氣體容積份額；ωC,daf,ωH,daf,ωO,daf,ωN,daf,ωS,daf為煤的干燥無灰基元素成分；φCO2,daf,φSO2,daf,φN2,daf,φO2,daf為以干燥基成分計算的各種標(biāo)準(zhǔn)氣體量；φgk,daf為以干燥基成分計算的標(biāo)準(zhǔn)空氣；α為排煙過量空氣系數(shù)；φ為空氣中氧氣的容積份額；ГCucr為未燃盡碳損失的修正量； ɑfh,ɑdz為飛灰和爐底渣的份額；ωCfh,ωCdz為飛灰和爐底渣的含碳量；β為用干燥無灰基元素含量表示的燃料特性系數(shù)；收到基水分Mar通過式(1)至式(5)計算。

1.3 入爐煤低位發(fā)熱量計算模型和灰分校正

根據(jù)煤的元素含量計算收到基低位發(fā)熱量的方法，由門捷列夫公式可得到煤質(zhì)低位發(fā)熱量的計算方法：

Qar,net,p=339QCar+1 028QHar-109(QOar-QSar)-25Mar

(20)

QCar、QHar、QOar、QSar分別為煤質(zhì)低位發(fā)熱量對應(yīng)的各元素成分的熱量。

根據(jù)多元回歸分析原理，基于53種火電廠常用煤質(zhì)，可近似得到灰分計算模型：

Aar=104.479 7-0.916Mar-2.71Qar,net,p

(21)

聯(lián)立式(1)至式(20)，即可得到灰分校正后的入爐煤低位發(fā)熱量。

基于以上分析，燃煤低位發(fā)熱量整個計算流程見圖2，其中S1是利用式(1)至式(5)計算煤質(zhì)水分，S2是利用式(6)至式(19)計算煤質(zhì)元素，S3是利用式(20)、式(21)計算灰分和熱量對元素校正。

圖2 燃煤低位發(fā)熱量計算流程

2 模型有效性驗證

2.1 數(shù)據(jù)來源

采集機組歷史數(shù)據(jù)，對模型的有效性進行驗證，從機組分散控制系統(tǒng)或廠級實時監(jiān)控信息系統(tǒng)中選取以下測點：給煤量、磨煤機入口風(fēng)量、磨煤機入口溫度、磨煤機出口溫度、磨煤機電流、漏風(fēng)系數(shù)、煙氣含氧量、煙氣成分SO2，NOx含量等相關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集周期為10 s。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集后，需要對采集到的異常數(shù)據(jù)進行處理，一般情況下數(shù)據(jù)的異常值主要表現(xiàn)為：缺失值、無效值、空值等。對觀測的所有輸入點進行異常值排查、篩選，主要操作手段為3倍標(biāo)準(zhǔn)差、繪制箱型圖法、95%置信區(qū)間；插值、模擬量替換、均值平滑、多測點融合處理。由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的特殊性，有些數(shù)據(jù)是在固定的范圍波動，如小風(fēng)門數(shù)據(jù)的正常值范圍為[0,100]，即將經(jīng)驗值與理論結(jié)合對不同類型的數(shù)據(jù)進行不同的處理，具體操作如下：

a.停機數(shù)據(jù)刪除，依據(jù)：主汽流量小于400 t/h的數(shù)據(jù)均刪除；

b.小風(fēng)門數(shù)據(jù)將小于0的等于0，大于100%的為100%，依據(jù)：經(jīng)驗值[0,100%]；

c.其他變量小于0的數(shù)據(jù)均為0，然后繪制箱型圖識別異常值，用其強關(guān)聯(lián)的指標(biāo)模擬代替，或者均值平滑等手段加以處理；

d.多測點數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合處理；

e.引入輸入數(shù)據(jù)邊界保護策略，確保重要測點缺失時，熱值計算正常運行。

以上處理辦法都是保證引入計算的變量是正常值從而保證熱值的計算結(jié)果的正確性。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理熱值結(jié)果處理前后圖形繪制

主要對比指標(biāo)為處理前后的熱值、總給煤量、主汽流量，調(diào)整參數(shù)分別0.5、1.0、2.0、3.0，每個調(diào)整參數(shù)分別提供5月份整月對比及5月份第二周數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，具體內(nèi)容見圖3至圖6，其中1代表煤量(已向上平移2.9×104kJ便于觀察)、2代表主蒸汽流量(已向上平移4×104kJ便于觀察)、3代表未修正前的熱值信號、4代表修正后熱值信號。從圖3至圖6中可以看到，隨著調(diào)整參數(shù)從0.5增加到4.0的過程中，熱值信號將逐步趨于平穩(wěn)，但最終熱值的能力也在逐步變差；另一方面，如果調(diào)整參數(shù)過低，熱值變化幅度過高，不利于鍋爐的平穩(wěn)運行，因此推薦使用調(diào)整參數(shù)為1.0的熱值信號。

圖3 調(diào)整參數(shù)為0.5

圖4 調(diào)整參數(shù)為1.0

圖5 調(diào)整參數(shù)為2.0

圖6 調(diào)整參數(shù)為3.0

通過以上方案的引入，已經(jīng)能夠確保熱量信號的有效性，在做到安全引入的前提下，進一步提升了鍋爐控制品質(zhì)。該算法提供的煤質(zhì)低位發(fā)熱量模型可以為入爐煤熱值和鍋爐效率的監(jiān)測提供一種快速分析工具，使運行人員能及時地根據(jù)煤質(zhì)變化對鍋爐的燃燒狀態(tài)做出調(diào)整，使鍋爐達到最佳燃燒工況，從而實現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化運行。

3 煤質(zhì)低位發(fā)熱量在協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用

目前，大多數(shù)電廠配套使用的煤質(zhì)低位發(fā)熱量監(jiān)視系統(tǒng)，只用作運行監(jiān)視使用，未能將煤質(zhì)低位發(fā)熱量引入到機組的閉環(huán)控制中。煤質(zhì)低位發(fā)熱量引入到機組閉環(huán)控制的前提條件是軟測量信號的穩(wěn)定與可靠。本文通過重點核查模型輸入測點的異常值處理策略，對模型輸入信號添加有效的邊界保護，以防出現(xiàn)個別測點異常時，不能正常進行熱值計算，并對熱值輸出信號進行有效的平滑處理，提供多個調(diào)整參數(shù)備選后成功將煤質(zhì)低位發(fā)熱量引入到火電廠閉環(huán)控制中。基于煤質(zhì)低位發(fā)熱量修正的協(xié)調(diào)控制曲線見圖7，由曲線可以看出，引入煤質(zhì)低位發(fā)熱量修正后，機組負(fù)荷跟隨良好，主蒸汽壓力參數(shù)穩(wěn)定。

圖7 基于煤質(zhì)低位發(fā)熱量修正的協(xié)調(diào)控制曲線

4 結(jié)論

熱值軟測量技術(shù)主要用于建立一種入爐煤低位發(fā)熱量的實時在線監(jiān)測模型。該模型基于能量守恒和物料守恒原理，通過測量鍋爐磨煤機進出口參數(shù)以及排煙氣體成分等參數(shù)，可以間接實現(xiàn)煤質(zhì)煤元素分析和低位發(fā)熱量的實時監(jiān)測。通過對數(shù)據(jù)的處理和邏輯搭建，驗證了煤質(zhì)低位發(fā)熱量可以成功引入機組的閉環(huán)控制，控制效果良好。