煤质自适应控制在超临界机组的应用

刘友宽,李长更,唐立军,杜景琦

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

煤质自适应控制在超临界机组的应用

刘友宽,李长更,唐立军,杜景琦

(云南电网公司电力研究院,昆明 650217)

对超临界W火焰机组煤质自适应控制技术进行了研究,提出了快速的煤质热值软测量方法和燃料与给水等调节的煤质自适应校正方法,改进和优化了基于直接能量平衡 (DEB)协调控制方法,结合采用经典方法构造的热量信号,实现了超临界机组的煤质自适应控制,保证了机组主参数调节的稳定性,提高了控制系统对煤质变化的鲁棒性。

超临界；直流炉；煤质自适应；DEB热量信号

1 前言

超临界机组与亚临界机组相比,具有无可比拟的经济性。但随着机组参数的提高,采用直流炉的超临界机组,因为没有汽包环节,机组总的汽-水循环工质质量与亚临界汽包炉相比大大下降,工质在机组内的循环速率上升,这就要求超临界机组控制系统应更为严格地保持机组负荷与燃烧速率之间的关系；直流机组由于没有作为蓄热储能作用的汽包环节,工质循环倍率接近1,这就要求自动控制系统严格地保持机组的物料平衡关系；由于超临界机组循环工质的总质量下降,循环速率上升,工艺特性加快,这就要求自动控制系统的实时性更强,控制快速性能更好。但是,由于目前 “计划电、市场煤”的影响,电煤煤质变化一直是火电机组控制方面的一大难题,而超临界机组的控制仍以传统的燃水比控制为基础,煤质的变化势必严重影响系统的能量平衡、流量平衡,因此,研究一种适用于超临界机组的煤质自适应控制策略成为亟待解决的问题。

在超临界火电机组的煤质自适应控制上,从理论与仿真上已有不少的研究,其大多居于复杂的智能控制方法,离实用化还有一定的距离。文献 [1]介绍了燃煤发热量软测量技术,该软测量技术引入给水流量、阀门开度、燃料量、机前压力、中间点压力和调节级压力进行计算分析得出燃煤热值。文献 [2]和 [3]给出了燃煤煤质理论分析模型,该模型需要完整的烟气分析信息作为模型输入。文献 [4]通过对国内大量煤质特性进行分析,得出一种利用锅炉风量和排烟氧量计算热量的方法。文献 [5]针对锅炉燃料发热量大范围波动工况下的燃烧数据特性,提出了关联信息算法和非线性映像网络的混合模型,用于预测燃料发热量的变化。

以下研究了超临界火电机组的煤质自适应控制方法,采用了快速的煤质软测量方法,测出的煤质用于在机组控制中受煤质变化影响较大的协调控制、燃料控制、风量控制、给水控制等控制系统,实现协调控制、燃料、给水、送风的煤质自适应控制。

2 煤质自适应控制策略设计

2.1 热量信号的构造

热量信号的经典方法是直接能量平衡 (DEB)中的测量信号,在亚临界机组中已经广泛应用,目的是构造代表锅炉负荷的信号,用于机组的运行监视与自动控制。在超临界机组中,基于同亚临界机组一样的原理,即主要是通过主蒸汽供给汽机的负荷信号叠加蒸汽侧容器、管道等储存的蒸汽负荷与锅炉金属材料等因温度变化产生的蓄热变化等最终形成的锅炉热量信号,也可以加以利用。通过式(1)来计算超临界机组的热量信号：

HR=TEF+Cb·PD′(1)

其中：HR—Heat Release热量信号,若忽略机组在不同负荷段发电效率的影响,可衡定比例地代表锅炉热量信号 (MW)；

Cb—锅炉蓄热系数 (MW.s/MPa)；

PD'—中间点压力变化率 (MPa/s)；

TEF—Total Energy Flow总能流,若忽略机组在不同负荷段发电效率的影响,可衡定比例地代表汽机负荷 (MW)。

汽机侧负荷TEF,可用下面的式子来表示：

TEF=K1·P1(2)

P1为汽机调节级压力,K1比例系数。TEF稳态时与机组负荷基本呈一比一线性关系。

通过经典方法计算的热量信号在机组正常运行中,大的变化趋势与机组负荷一致,但热量信号代表的是锅炉负荷,基本代表锅炉产生的热量,短时间的变化方向与机组负荷各不一样。如图1所示,显示了某超临界600 MW机组在450 MW至600 MW的升负荷过程中热量信号与机组负荷的对比曲线。

图1 热量信号与机组负荷对比

在热量信号的计算中,蓄热系数的求取可选取负荷变动时的数据利用经验公式进行求取[6-8]。经计算,某600 MW超临界W火焰机组的蓄热系数为Cb=3100(MW.s/MPa),与某600 MW亚临界W火焰机组计算与应用的蓄热系数3200相当。分析两类机组的负荷容量、主蒸汽容积、锅炉金属材料重量是相当的,故蓄热系数相当。

2.2 煤质热值软测量方法

在确定了锅炉热量信号的求取方法后,可以通过下面两种方法来进行煤质的计算：

方法一,通过计算锅炉热量信号与煤量之比的滤波值来代表煤质：

R=Filter(HR/M)(3) HR—热量信号 (MW)；M—总煤量,t/h；Filter—滤波模块；R—煤质系数。

用式 (1)计算的锅炉热量信号,在煤质稳定条件下的变化趋势与煤量/风量一致,但存在一定时间的惯性与滞后。一般选取1～2倍燃料调节周期时间。

方法二,文中提出了基于火电机组协调控制对象特性提出的一种燃煤热值快速计算方法,通过计算锅炉热量信号与煤量惯性环节、延时后的比值,经滤波后来快速代表燃煤热值参量：

R=Filter(HR/LEADLAG(M)e-子s(4)

LEADLAG—惯性环节模块；

子—滞后时间,s。

计算的燃煤热值能在半分钟内响应燃煤热值的变化,两分钟之内自动调整机炉协调控制及子系统至相应的状态。方法二计算的燃煤热值与方法一相比,体现出一个优点 “快”：快了4～8倍,且能保证稳定可靠。在方法二推出后,现场的应用实施均采用了此方法。

2.3 煤质自适应校正

2.3.1 燃料调节的煤质自适应校正

燃料调节被调量为热量信号,设定值为锅炉负荷指令,采用变参数调节,或变PID输入偏差增益等方式,实现煤质的自动校正,以保持闭环控制回路的特征函数不变,燃料调节的变P、I、D参数可以用下式来自动改变：

Kp=k1/f(TEF)/R (5) T1=k2·f(TEF)·R (6) TD=k3/f(TEF)/R (7)其中,KP、TI、TD—分别为并联型PID调节器的比例系数、积分时间、微分时间；

k1～k3—整定的控制参数；

f(TEF)—随负荷变化的机组效率曲线；R—燃煤热值参量。

对于无 PID变参数的控制系统,可采用在PID外的偏差输入端乘以 R0/R或者 R0/R/f (TEF)实现燃料的煤质校正,如图2,R0为设计煤种下的燃煤热值参量。

2.3.2 锅炉给水调节的煤质自适应校正

超临界机组的锅炉给水调节中,水燃比是关键的一个计算环节,给水调节保证了水燃比就能保证给水控制的基本稳定。在大多数的超临界机组的控制中,未进行锅炉热量信号与煤质的计算,导致水燃比计算变为水煤比,在机组煤质发生变化后,水煤比计算值已偏离了代表的水燃比,引发给水控制的不稳定,需人工根据机组的运行与进煤化验情况不停进行比值的修正,保证给水控制的稳定。

煤质自适应校正方案中,燃料调节采用了锅炉指令作为设定值,调节锅炉热量信号与锅炉指令匹配。故在给水调节中,形成给水流量主指令的燃料指令采用锅炉指令信号与锅炉热量信号的选择值。在燃料调节投入时,选择燃料指令经高阶惯性环节处理后乘以一个转换系数变换成给水流量指令,高阶惯性环节是模拟锅炉指令到燃料在汽水系统中的相应环节。若燃料调节在手动方式,热量信号HR即可代表产生的热量,给水主指令FWD计算如下：

FWD=K1·SEL[LEADLAG(LE ADLAG (LEAD LAG(BD))),HR] (8)

K1—机组功率与给水流量的匹配系数；BD—锅炉指令；

HR—锅炉热量信号；

LEADLAG—惯性环节；

SEL—选择模块。

若采用水煤比进行锅炉给水调节,也可采用如下方式来计算给水主指令FWD：

FWD=K2·LEADLAG(LE ADLAG(LEAD LAD(MD)))·R/R0(9)

MD—总给煤量指令；

R—燃煤热值参量；

R0—设计煤种下的燃煤热值参量；

LEADLAG—惯性环节；

K2—设计煤种下的给水流量与给煤量比值。

2.3.3 风量的煤质自适应校正

对超临界机组的风量调节,采用类似于亚临界机组的方式：

FPAPSP=f1(M)(10)

FTAFSP=f3[MAX(R·DM,R·DELAY (M)](11)

其中,FPAPSP、 FPAFSP、 FTAFSP—分别为一次风压、一次风量、总风量自动设定值；

f1～f3—多段折线函数；

M—锅炉总给煤量；

DM—锅炉煤量指令；

MAX—大选处理；

DELAY(M)—煤量的延时处理。

对于燃料调节采用了锅炉指令作为设定值,调节锅炉热量信号与锅炉指令匹配。总风量指令采用经典的计算即可：

FTAFSP=f3[MAX(BD,HR)] (12)

2.4 协调控制方案的改进

基于前述的超临界机组的锅炉热量信号可用[9-11],同样超临界机组的协调控制可类似的采用直接能量平衡 (DEB)协调控制方案。常规直接能量平衡 (DEB)协调控制它是火电机组常用的控制策略,其控制效果较为理想且控制方案简洁。但DEB控制策略存在诸多不足[12]。针对不足,在超临界机组上进行了下述的改进与优化,最终的协调控制框图如图2所示。

1)为满足 AGC的精度和快速性要求,改CCS的机组功率串级调节回路为单回路调节,如图2中的虚框D部分,使调节更快、更稳定和高精度。

2)优化了DEB的锅炉指令计算,如虚框E部分。原经典的锅炉指令计算模块NRGD为：

NRGD=WT+C1·WT·WT′+C2·PTSP′(13)

其中 WT=TEF.PTSP/PT,C1、C2为系数, WT′为的WT变化率,PT为主汽压力,PTSP为主汽压力设定值,PTSP′为PTSP变化率。式 (13)中：WT项是主量,燃料调节使锅炉热量信号HR与汽机负荷TEF稳态时一致,就保证了主汽压力与设定值一致；C1.WT.WT′项用于机组变负荷中补偿锅炉热量信号对燃料的滞后及燃料调节斜坡变化时的稳态偏差；C2.PTSP′项用于补偿锅炉滑压的蓄热量变化。

现提出了对NRGD的改进：

NRGD=WT+C1·DP+C2·UNITD′+C3·PTSP′+C4·D′P(14)

其中UNITD为机组负荷当前指令,不含一次调频量,UNITD′为UNITD的微分；DP为机前压力设定值与机前压力的偏差。这种算法有效解决了如下问题：因DEB的锅炉指令核心算法中采用了含代表汽机侧负荷-调节级压力的微分,在汽机侧发生扰动会对锅炉侧的控制产生较大影响；增加了机前压力偏差与偏差的微分调节项,解决了机组机前压力调节的稳定性、控制精度与快速性问题。

3)增加主汽压力设定值的高阶惯性环节处理,如虚框B所示。错开锅炉指令中动态补偿C3.PTSP′项与C2.UNITD′、C4.DP′项正向同时叠加,使动态变负荷过程风/煤变化率减小,变化更平稳。

4)在主汽压力设定值形成的输入信号改用不含一次调频的功率指令UNITD,如虚框C所示。保证一次调频响应的同时,减小了机组滑压方式运行时因一次调频指令形成的主汽压力设定值变化对锅炉侧的控制产生较大扰动。

5)在接受调度指令的ADS模块与调度指令模块间增加一个两速率限制模块,如虚框A所示,采用含死期的超前滞后模块LEADLAG实现。当调度AGC指令与机组功率指令相差超过设定死区时,机组指令快速跟踪AGC指令至死区内；进入死区后,机组指令按慢速率跟踪AGC指令。这样可避免负荷指令小幅的频繁波动时锅炉指令相应的调节波动,使锅炉侧波动减小。

图2 超临界机组DEB煤质自适应协调控制方案的优化与改进框图

3 工程应用

图3为采用煤质自适应控制策略的云南某600 MW超临界机组在稳定负荷下,煤质系数在2.39至2.65变化,变化了11%,机组的功率与主汽压力等主参数控制依然很优秀,受影响小,其中机组功率控制偏差在±0.5%Pe以内,主汽压力控制偏差在±0.2 MPa以内。

图3 稳态情况下,煤质波动时的响应曲线

图4为机组负荷从495 MW升至585 MW,负荷变化率设定为2.0%额定负荷每分钟,实际负荷变化率为1.7%额定负荷每分钟,机组负荷的动态偏差在1.0%额定负荷以内,稳态偏差在0.9%额定负荷以内；主汽压力的动态偏差在0.4MPa以内,稳态偏差在0.2MPa以内,技术指标均满足行业规定要求的优良指标。

图4 超临界机组负荷变动的响应曲线

可以看出,采用煤质自适应控制策略的超临界机组在以2.0%额定负荷每分钟的负荷变化率进行负荷变动时,机组主汽压力等主参数调节效果很好；机组负荷能够在锅炉侧主参数稳定的情况下,满足调度规定的变化率要求。

图5为机组在CCS协调控制方式下的转差为+12r/min的一次调频试验,机组负荷瞬间叠加+ 40 MW指令,从图中可以看出,采用煤质自适应的控制策略,机组在一次调频最大量12r/min转差扰动时机组总煤量变化相当平稳,主汽压力控制动态偏差在±0.3MPa内且能较快恢复。

图5 CCS方式下、转差+12r/min的一次调频响应曲线

从图5可看出,当机组一次调频动作、机组负荷出现大幅度阶跃变化时,采用煤质自适应控制策略的超临界机组能够在利用机组蓄热的同时快速响应,保证了机组主汽压力等主参数的稳定。

4 结束语

通过在云南某台600 MW超临界机组的实际投用表明,研究的快速煤质自适应控制方法能够很好地克服煤质变化对机组主参数的扰动,在变负荷过程中能够在保证机组运行稳定性的同时,很好的适应电网的负荷变化率要求,并提高了控制系统在煤质变化时的控制精度与鲁棒性,为超临界机组的自动控制开辟了一种新的途径。

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Application of Coal Adaptive Control Technology on Supercritical Unit

LIU Youkuang,LI Changgeng,TANG Lijun,DU Jingqi
(Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217)

Researched the Supercritical W-shape Flame Boiler Unit coal adaptive control technology,proposed coal calorific value soft measurement method and fuel and water regulation of coal self adaptive method,improved the coordination control method based on direct energy balance(DEB),realized the self-adaptive coal control of supercritical unit by combining with the heat signal constructed by using the classical method,guaranteed the stability of the main parameters of the unit control,and improved the robustness of the control system on the coal quality variation.

Supercritical,One-through boiler,coal adaptive control technology,DEB,Heat release signal

TR3

B

1006-7345(2014)02-0048-05

2013-10-20

刘友宽 (1973),男,硕士,高级工程师,主要从事热工自动化、电网自动化、变电站综合自动化方面的生产、科研等工作(e-mail)SUPER_LYK@163.com。