王 策，丁偉聰，張新勝

（1. 浙江浙能臺州第二發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317109；2. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；3. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014）

0 引言

在燃煤發(fā)電機組中，燃料系統(tǒng)是保證鍋爐燃燒運行的重要系統(tǒng)，主要由制粉系統(tǒng)組成，燃料系統(tǒng)的任務(wù)是控制燃燒的過程，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行［1-2］。大型超超臨界機組的燃料系統(tǒng)通常配置6套制粉系統(tǒng)，用以保證鍋爐的燃燒。隨著新形勢下電力架構(gòu)的變化，火電機組調(diào)峰范圍越來越大，參與深度調(diào)峰越來越多，調(diào)峰下限負荷越來越低，這就導(dǎo)致了制粉系統(tǒng)的頻繁啟停。制粉系統(tǒng)啟動時間的長短對于負荷的影響非常大，因此如何快速安全地啟動制粉系統(tǒng)是提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的重要保障［3］。另外，機組從點火初期到投入?yún)f(xié)調(diào)控制的過程中，燃料的增減需要運行人員手動干預(yù)，然而燃料系統(tǒng)中包含大量的輔機設(shè)備以及擋板調(diào)門，同時還要保證磨煤機出口溫度穩(wěn)定以及一次風(fēng)量在一定范圍內(nèi)，如果對機組負荷沒有準確的預(yù)測，對于何時啟動制粉系統(tǒng)也就沒有一個準確的時間點，這將導(dǎo)致啟動制粉系統(tǒng)的整個過程不是一個連續(xù)的過程，中間夾雜著對于設(shè)備、參數(shù)的不定時操作，運行人員只能靠經(jīng)驗去啟動，不僅耗費時間、精力，安全性也差［4］。由于燃料并不是根據(jù)機組負荷平穩(wěn)輸出的，因此容易造成部分區(qū)域超溫、升降負荷速率不達標甚至機組直接跳機等風(fēng)險［5］。對此，余麗瑩［6］提出優(yōu)化鍋爐系統(tǒng)啟動流程，通過制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)自啟?？刂?，實現(xiàn)從鍋爐點火到40%負荷燃料的全程控制。張嘉英等［7］將結(jié)合了自適應(yīng)控制與預(yù)測控制的改進廣義預(yù)測控制應(yīng)用到鍋爐燃料控制系統(tǒng)，通過預(yù)測模型優(yōu)化燃料指令，利用MATLAB 仿真驗證了控制效果。劉向杰等［8］基于復(fù)雜模型建模，提出了采用模糊控制優(yōu)化燃料量控制系統(tǒng)的方法。近年來，隨著智能算法的發(fā)展，逐漸形成了機組智能啟停技術(shù)結(jié)合智能控制在工業(yè)控制中的應(yīng)用研究方向，大體上包括預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法，針對傳統(tǒng)DCS（分散控制系統(tǒng)）在機組智能啟停方面的局限性，實現(xiàn)機組各系統(tǒng)及燃料的全程控制［9］。

針對目前燃料系統(tǒng)在火電機組啟動以及運行中的種種問題，本文提出了一種面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的火電機組燃料全程控制方法，采用面向?qū)ο髮W(xué)習(xí)的設(shè)計理念，將機組啟動以及運行的規(guī)范納入燃料系統(tǒng)的學(xué)習(xí)對象中。標準化和智能化機組燃料系統(tǒng)的啟動過程以及運行方式，一方面為運行人員提供必要的設(shè)備與系統(tǒng)運行提示，另一方面針對運行人員的不同操作習(xí)慣提供規(guī)范、邊界條件的操作指導(dǎo)，同時降低機組啟動以及運行中由于燃料系統(tǒng)操作不當引起的相關(guān)風(fēng)險，從本質(zhì)上提高自動化水平［10-12］。

1 燃料全程控制的總體思路

燃料系統(tǒng)的任務(wù)是控制燃燒過程，使燃料燃燒所提供的熱量適應(yīng)外界對鍋爐輸出的蒸汽負荷的需求，同時保證鍋爐的安全經(jīng)濟運行。如何實現(xiàn)機組從點火初期到投入?yún)f(xié)調(diào)控制過程中燃料的自動增減，以及降負荷過程中協(xié)調(diào)退出后燃燒的減少以及啟停磨組的時機，是實現(xiàn)燃料全程控制的難題。另外，超超臨界燃料控制系統(tǒng)設(shè)備繁多、流程復(fù)雜、參數(shù)控制難度大，為減輕運行操作負擔(dān)，最簡單有效的方法是化整為零，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計模式［13］，將燃料控制系統(tǒng)主對象根據(jù)調(diào)節(jié)需求與系統(tǒng)功能解構(gòu)為相對獨立的子對象系統(tǒng)，分系統(tǒng)進行規(guī)劃，根據(jù)工況變化自治實現(xiàn)運行控制，自主改變操作模式，將運行人員從繁瑣的操作與緊張的預(yù)判中解脫出來。

面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的燃料控制系統(tǒng)以分布式自治的子對象系統(tǒng)為基礎(chǔ)，串接系統(tǒng)內(nèi)部的任務(wù)規(guī)劃與指令結(jié)構(gòu)，根據(jù)機組啟動及運行階段的狀態(tài)自動判斷各個子系統(tǒng)的啟停模式，輸出適應(yīng)當前工況的運行指令，并根據(jù)經(jīng)驗次數(shù)自適應(yīng)學(xué)習(xí)最優(yōu)啟動指令及輸出狀態(tài)。燃料全程控制原理框圖如圖1所示。

圖1 燃料全程控制原理框圖Fig.1 Block diagram of the whole-process fuel control principle

燃料全程控制系統(tǒng)的主對象包括各設(shè)備系統(tǒng)子對象和模塊化功能模組。由圖1可知，啟機燃料全程控制調(diào)節(jié)功能模組是燃料控制的關(guān)鍵功能模組，主要關(guān)聯(lián)制粉系統(tǒng)、調(diào)節(jié)設(shè)備系統(tǒng)和磨組管控系統(tǒng)3個內(nèi)部子對象，以及給水系統(tǒng)的1個外部子對象，各子對象系統(tǒng)之間協(xié)同調(diào)用運行，根據(jù)模組功能自主切換模式化控制。磨組管控系統(tǒng)作為燃料全程控制的規(guī)劃大腦，負責(zé)燃料系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的全局控制，通過自動控制或在操作人員啟停授權(quán)下對相關(guān)子系統(tǒng)進行啟動或停運指令的下發(fā)，同時還負責(zé)對操作過程中的操作響應(yīng)、操作目標值以及操作設(shè)定值進行學(xué)習(xí)規(guī)劃。制粉系統(tǒng)根據(jù)目標規(guī)劃產(chǎn)生的需求指令對燃料系統(tǒng)的子系統(tǒng)進行啟停操作，啟停的路徑靈活多變，在保證安全的前提下根據(jù)機組狀態(tài)自適應(yīng)生成啟停操作路徑。調(diào)節(jié)設(shè)備系統(tǒng)作為目標規(guī)劃的參考，實時采集機組信息以提供當前機組階段下對應(yīng)的目標規(guī)劃信息。

面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的燃料全程控制共分為鍋爐點火、升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)、轉(zhuǎn)態(tài)以及協(xié)調(diào)投入6個階段，如圖2所示。在鍋爐點火階段，燃料指令根據(jù)點火期間機組分離器出口溫度以及主蒸汽壓力動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。在升溫升壓以及汽機沖轉(zhuǎn)階段，燃料指令根據(jù)主蒸汽溫度、主蒸汽壓力，以及旁路當前模式與開度產(chǎn)生燃料指令設(shè)定值。轉(zhuǎn)態(tài)期間，根據(jù)轉(zhuǎn)態(tài)前機組在濕態(tài)下穩(wěn)定運行的過程參數(shù)，計算鍋爐所需的理論給煤量增量，在轉(zhuǎn)態(tài)過程中按特性試驗確定的最佳給煤量變化速率逐漸增加入爐煤量，直至達到理論給煤量增量［14］。協(xié)調(diào)投入后根據(jù)協(xié)調(diào)負荷指令獲取對應(yīng)燃料量，同時根據(jù)目標規(guī)劃系統(tǒng)自適應(yīng)控制磨組啟停。整個過程無需運行人員干預(yù)，全自動產(chǎn)生燃料指令，燃料系統(tǒng)設(shè)備根據(jù)階段規(guī)劃啟停，以滿足不同工況需求。

圖2 燃料全程控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of whole-process fuel control

2 燃料全程控制策略

面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的燃料全程控制的策略主要包括：制粉系統(tǒng)全程管控、制粉系統(tǒng)智能啟動、升溫升壓下高旁自動控制以及不同階段煤量指令的自適應(yīng)生成。如圖3所示，從啟動第一套制粉系統(tǒng)置基礎(chǔ)給煤量、熱態(tài)沖洗、高旁投入、進汽沖轉(zhuǎn)，到啟動第二套制粉系統(tǒng)、轉(zhuǎn)態(tài)、投入?yún)f(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了機組在啟動過程中的燃料全程控制［15］。

圖3 燃料全程控制策略Fig.3 The whole-process fuel control strategy

2.1 制粉系統(tǒng)全程管控

制粉系統(tǒng)全程管控是整個燃料全程控制系統(tǒng)的核心，主要通過采集機組狀態(tài)以及磨組當前情況，自動判斷并完成制粉系統(tǒng)啟動指令發(fā)送。制粉系統(tǒng)全程管控設(shè)置有“投入”與“退出”按鈕，當投入制粉系統(tǒng)全程管控時，以當前制粉系統(tǒng)最優(yōu)啟動順序為目標，判斷并發(fā)送制粉系統(tǒng)管控指令。判斷設(shè)定函數(shù)如下：

式中：U為最優(yōu)啟動順序因子；ai為啟動方式，分為冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動；tj為啟動時間，采用第j臺制粉系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)中最快的啟動時間或由運行人員手動輸入；kj為第j臺制粉系統(tǒng)的決策變量，根據(jù)底層磨組系數(shù)＞中層磨組系數(shù)＞上層磨組系數(shù)，對層磨組系數(shù)＞非對層磨組系數(shù)加權(quán)計算；xj為第j臺磨組狀態(tài)，取值為0 或1，磨組處于檢修或者故障時為0，正常狀態(tài)時為1。

同時針對機組升降負荷和磨組暖磨時間的關(guān)系，結(jié)合當前磨組下機組余量帶載能力，建立磨組暖磨啟動時機預(yù)測模型。制粉系統(tǒng)管控流程如圖4所示。

圖4 制粉系統(tǒng)管控流程Fig.4 Control flow of the pulverizing system

2.2 制粉系統(tǒng)智能啟動

制粉系統(tǒng)智能啟動是整個燃料全程控制的基礎(chǔ)，主要包括制粉系統(tǒng)暖磨和制粉系統(tǒng)啟磨［16］。針對機組狀態(tài)自適應(yīng)產(chǎn)生啟動制粉系統(tǒng)路徑，分為冷態(tài)啟動制粉系統(tǒng)以及熱態(tài)啟動制粉系統(tǒng)。并且針對啟動制粉系統(tǒng)的靈活性以及響應(yīng)負荷的時效性自適應(yīng)產(chǎn)生暖磨速率設(shè)定，可設(shè)置溫升邊界條件，進而滿足多工況下制粉系統(tǒng)的啟動，提高制粉系統(tǒng)啟動的時效性以及安全性。

如圖5所示，制粉系統(tǒng)暖磨可以靈活地對制粉系統(tǒng)進行操作，當制粉系統(tǒng)接收到管控指令后，制粉系統(tǒng)暖磨可以自行判斷出機組狀態(tài)，自適應(yīng)產(chǎn)生暖磨速率。本方法采用熱風(fēng)門以一定的溫升率控制磨煤機出口溫度，同時利用磨煤機出口壓力作為冷風(fēng)門調(diào)節(jié)參數(shù)，采用基于歷史數(shù)據(jù)及特性試驗的專家知識庫算法，產(chǎn)生磨煤機出口溫度修正因子對出口壓力設(shè)定值進行修正，生成響應(yīng)冷風(fēng)門對應(yīng)的磨煤機出口壓力設(shè)定值，同時引入純積分作用的增量式PID（比例-積分-微分）控制回路［17-19］，對暖磨速率進行精準控制，保證在暖磨過程中磨出口溫度穩(wěn)定可控。

圖5 制粉系統(tǒng)智能啟動邏輯框圖Fig.5 Block diagram of intelligent startup logic of the pulverizing system

制粉系統(tǒng)智能啟動可以根據(jù)制粉管控系統(tǒng)的指令，結(jié)合機組狀態(tài)及當前燃料量，判斷磨組是否需要暖磨后立即啟磨，提高制粉系統(tǒng)啟動的時效性。在磨組啟動過程中，根據(jù)磨煤機出口溫度自適應(yīng)修正給煤機煤量指令進行煤量調(diào)平，保證磨煤機出口溫度在最佳設(shè)定狀態(tài)。

2.3 升溫升壓高旁自動控制

升溫升壓高旁自動控制可為整個燃料全程控制系統(tǒng)提供輔助過程參考，通過高旁自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)燃料與蒸汽的自動平衡，完成機組啟動狀態(tài)下的燃料自動匹配。高旁自動控制主要包括升溫升壓過程中高旁投入的情況下，高旁根據(jù)機組狀態(tài)進入不同模式，進而使燃料指令進行自適應(yīng)修正。高旁啟動模式主要分為最小壓力模式、爬坡模式、定壓模式［20］。當高旁處于最小壓力模式時，燃料指令根據(jù)主蒸汽壓升進行調(diào)節(jié)，當高旁開度超過最小壓力模式下設(shè)置開度，高旁將進入爬坡模式，自動提升主蒸汽壓力設(shè)定值，直至主蒸汽壓力設(shè)定值達到?jīng)_轉(zhuǎn)壓力。當進入爬坡模式時，高旁的初始開度對爬坡性能會產(chǎn)生極大影響，高旁開度不合適，將會使爬坡壓力設(shè)定值產(chǎn)生振蕩，影響爬坡效率。高旁自動控制根據(jù)高旁爬坡初始開度設(shè)定爬坡優(yōu)異范圍，當超過爬坡優(yōu)異范圍時，根據(jù)范圍大小及主蒸汽壓力過超量調(diào)節(jié)燃料指令，使高旁開度返回爬坡優(yōu)異范圍。同時，在升溫升壓期間，根據(jù)主蒸汽溫升速率自適應(yīng)產(chǎn)生燃料指令。升溫升壓煤量控制邏輯如圖6所示。

圖6 升溫升壓煤量控制邏輯框圖Fig.6 Block diagram of coal supply control logic based on temperature and pressure rise

2.4 轉(zhuǎn)態(tài)自動控制

轉(zhuǎn)態(tài)自動控制是整個燃料全程控制系統(tǒng)的過程切換系統(tǒng)，自動實現(xiàn)機組模式從濕態(tài)切換至干態(tài)正常運行。轉(zhuǎn)態(tài)自動控制主要是根據(jù)質(zhì)量平衡和能量平衡方程，結(jié)合轉(zhuǎn)態(tài)前機組在濕態(tài)工況下穩(wěn)定運行的過程參數(shù)，計算使機組進入干態(tài)運行所需的理論給煤量增量。在轉(zhuǎn)態(tài)過程中，按特性試驗確定的最佳給煤量變化速率逐漸增加入爐煤量，直至達到理論給煤量增量，同時根據(jù)過熱度修正煤量以及給水流量，并且以壁溫作為邊界調(diào)節(jié)修正加煤量以及加煤速率［21］。在轉(zhuǎn)態(tài)初期，考慮到鍋爐的遲延特性，通過降低給水流量，減少省煤器入口給水量，以加速轉(zhuǎn)態(tài)進程。

3 燃料全程控制投運效果

在某1 050 MW超超臨界機組上進行了面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的火電機組燃料全程控制方法的實際投運，從啟動第一套制粉系統(tǒng)置基礎(chǔ)給煤量、升溫升壓、熱態(tài)沖洗、高旁投入、汽機沖轉(zhuǎn)，到啟動第二套制粉系統(tǒng)、轉(zhuǎn)態(tài)，直至投入?yún)f(xié)調(diào)控制，應(yīng)用效果良好，磨組自動啟動，旁路自動控制以及轉(zhuǎn)態(tài)過程中燃料控制的調(diào)節(jié)品質(zhì)和控制目標均達到了系統(tǒng)要求。在機組啟動的整個過程中，運行人員無需對制粉系統(tǒng)、高旁、燃料指令等一次設(shè)備以及控制參數(shù)進行單獨操作，大大降低了運行人員的操作負擔(dān)。機組點火啟動是一個漫長的過程，在常規(guī)啟動中運行人員需時刻注意燃料系統(tǒng)中的燃料指令，避免誤操作，通過將燃料全程控制對象化、階段化，在不同階段根據(jù)機組狀態(tài)動態(tài)學(xué)習(xí)燃料需求指令，動態(tài)規(guī)劃設(shè)備啟動路徑，將運行人員從繁瑣的設(shè)備操作以及復(fù)雜的控制設(shè)定中解放出來，提高操作規(guī)范性，標準化啟停流程，優(yōu)化操作過程，提高自動化水平，同時為智能運行提供智能載體。相關(guān)參數(shù)運行曲線如圖7、圖8所示。

圖7 燃料全程投運效果Fig.7 Effect of commissioning of whole-process fuel control

圖8 制粉系統(tǒng)智能啟動效果Fig.8 Effect of intelligent startup of pulverizing system

圖7展示了全程燃料控制的投用效果，可以看出：從機組點火開始，自動置基礎(chǔ)給煤量20 t/h，期間根據(jù)主蒸汽壓升以及溫升修正給煤量，升溫升壓過程中通過高旁開度反饋情況自適應(yīng)降低燃料量至30 t/h，快速降低高旁開度，使高旁進入爬坡優(yōu)異范圍，后根據(jù)主蒸汽溫升速率以及壓升速率緩慢提升燃料指令，至轉(zhuǎn)態(tài)前140 t/h 燃料指令，轉(zhuǎn)態(tài)期間根據(jù)自動控制提升煤量至160 t/h，轉(zhuǎn)態(tài)完成后機組投入?yún)f(xié)調(diào)，從鍋爐點火至投入?yún)f(xié)調(diào)總用時9 h。整個過程燃料指令平穩(wěn)增長，主蒸汽壓升、主蒸汽溫升速率穩(wěn)定。

圖8 展示了制粉系統(tǒng)智能暖磨啟磨的投用效果，可以看出：通過制粉系統(tǒng)智能啟動的磨組耗時小于15 min，熱風(fēng)門控制磨煤機出口溫升以4 ℃/min 的速率將出口溫度設(shè)定值提高至75 ℃，冷風(fēng)門控制磨煤機出口壓力0.35 kPa，當磨煤機啟動時切換至冷風(fēng)門控制磨煤機出口溫度75 ℃，熱風(fēng)門控制磨煤機一次風(fēng)量120 t/h，當給煤機運行后根據(jù)磨煤機出口溫度提升煤量指令至煤量偏置歸零，期間將磨煤機出口溫度緩慢提高至90 ℃的正常運行溫度設(shè)定。整個過程中，磨煤機出口溫度控制偏差在5 ℃以內(nèi)，磨煤機一次風(fēng)量偏差控制在10 t/h 以內(nèi)，同時煤量調(diào)平過程中磨煤機出口溫度平緩，整個系統(tǒng)波動較小。

4 結(jié)語

針對燃煤機組啟動過程中燃料系統(tǒng)控制的特點與困難，提出了一種面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的燃料全程控制方法，將整個啟機過程對象化、階段化，將復(fù)雜漫長的燃料控制過程處理成一個個對象與階段，其關(guān)系既獨立又聯(lián)系，在復(fù)雜多變的工況下可根據(jù)歷史啟動數(shù)據(jù)、運行啟動數(shù)據(jù)以及機組當前工況自適應(yīng)學(xué)習(xí)啟動最優(yōu)路徑與參數(shù)，大大提高了啟機過程中燃料系統(tǒng)的安全性、時效性與機組自動化水平。

面向?qū)ο髣討B(tài)學(xué)習(xí)的燃料全程控制在無需運行人員干預(yù)的情況下，實現(xiàn)了從鍋爐點火、升溫升壓、汽機沖轉(zhuǎn)、機組并網(wǎng)、轉(zhuǎn)態(tài)到協(xié)調(diào)投入的全過程燃料自動控制，將復(fù)雜的操作階段化、智能化，使運行人員從繁瑣的設(shè)備操作中解放出來，更注重于過程參數(shù)的優(yōu)化，提高了整個機組的安全性，大大減輕了運行人員的操作負擔(dān)。

近年來，隨著燃煤熱值的巨大波動、機組新設(shè)備的不斷更新以及兩個細則對機組運行要求日益嚴格，燃機機組的運行方式也發(fā)生了極大變化，單純依靠機組本身動態(tài)學(xué)習(xí)的方法已不能完全滿足目前日新月異的機組運行要求。同時，隨著智能化控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，以新型控制系統(tǒng)為核心的DCS 結(jié)合新型智能化算法以及智能化設(shè)備成為未來的優(yōu)化方向，通過機組數(shù)據(jù)建立非線性模型，為火電機組在燃料全程控制上提出更精確、更貼近熱力學(xué)分析的智能控制方式，整體提升火電機組的智慧化運行水平。