新型煤质热值校正控制算法

郝 欣，邵 毅，李建军，姚 远

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

近年来，随着《东北电网发电厂并网运行管理实施细则》和《东北区域并网发电厂辅助服务管理办法实施细则》全面大力实施，并网机组投入自动发电控制(AGC)、一次调频等辅助服务功能必须符合两个细则的要求。同时，各大发电厂均面临发电成本升高的压力，发电企业不得不掺烧褐煤以降低燃料成本[1]，这直接导致燃料品质大幅度波动，而燃料品质稳定又是AGC达标的重要前提条件。在以上两个方面问题的双重压力下，热值(BTU)校正控制的问题就凸显出来，如何在燃料品质不断变化的条件下，还能保证火电机组自动发电控制(AGC)、一次调频等功能达到电网要求，解决问题的关键就是BTU校正控制系统能长期稳定运行。

1 问题的提出

火电机组燃煤锅炉主汽压力控制对象的特性表现为非线性、慢时变、大迟延、大惯性，所有CCS控制回路的前馈和反馈控制参数均以设计煤种为基准进行整定，当燃料品质发生变化时，CCS的锅炉主控输出会偏离设计值，导致在负荷指令不变的情况下主汽压力自发波动，当煤质变好时，锅炉主控的输出值低于设计值；反之，当煤质变差时，锅炉主控的输出值高于设计值。在机组实际运行中的表现为一组参数在一定时间内，机组控制参数品质指标良好，煤质变化后，同一负荷段内，机组控制参数品质指标恶化，经过热工人员调整后好转，但是当煤质再次变化后，机组控制参数品质指标就再次恶化，同样的问题反复出现，控制品质指标时好时坏，CCS和AGC控制系统无法长时间稳定运行。

燃料品质发生大范围变化时，对主汽压力控制产生扰动，影响AGC控制指标，并且煤质变化对于锅炉主蒸汽压力控制来讲属于内扰，是直接进入控制通道的扰动，无法通过控制器的调节作用快速克服，必须引入外部补偿机制进行校正。常规BTU校正控制在实际应用中存在很大的局限性，主要有以下几点：①参数整定困难，调节器积分时间设定过长；②BTU控制系统的输出对锅炉主控和燃料控制形成内扰；③控制算法过于简单，计算结果不够准确，不能正确反映煤质热值变化。

2 计算方法

2.1 基本思想

采用以负荷—基准煤量关系[2-4]为基础的串级煤量热值校正方案，锅炉主控输出值为锅炉设计煤种的煤量值。煤质热值校正停止计算触发条件包括：①锅炉燃料主控切手动；②热工人员手动解除煤质校正调节器自动。停止计算后，热值校正调节器则处于跟踪状态，调节器输出等于1。BTU控制功能投入后，当锅炉燃料主控切手动时，BTU调节器停止计算，处于跟踪状态，跟踪值等于BTU调节器当前值，以保证BTU调节器下次开始投入计算时实现无扰切换，不会对给煤量造成扰动。

BTU控制算法的输出不能对CCS控制系统产生任何扰动，因此煤质校正计算采用调节器连续实时计算，择机断续输出的方式，即当BTU计算值输出期间，锅炉燃料闭环输出保持不变，锅炉主控输出值保持不变，锅炉主控的主汽压力校正调节器进入跟踪模式，跟踪值等于燃料主控逆运算的结果。

2.2 计算方法

当锅炉燃料热值发生变化时，机组参数表现为负荷指令恒定，机组无明显内外扰动的情况，主蒸汽压力开始偏离设定值，机组脱离稳态，CCS锅炉主控调节器开始调节，主蒸汽压力回归到设定值，锅炉燃料量值稳定在一个新的指令上，机组重新进入稳态。在这个过程中，BTU调节器入口值发生变化，调节器输出值也发生变化，直到BTU调节器入口值重新归为0，BTU调节器输出指令停止变化。当BTU计算输出动作判据的条件满足时，BTU计算结果输出。

算法中设计单独的时间振荡器计算出BTU输出时间窗口，计算公式：

(1)

式中：T1为计算输出时间，s；T为DCS计算周期，s。计算输出值窗口期内检测机组当前状态是否满足BTU输出条件。当锅炉燃煤热值高于设计煤种时，BTU调节器输出值增加，校正后的煤量等于BTU输出值与实际煤量的乘积，当校正后的煤量等于当前负荷设计煤种煤量时，则BTU调节器入口差值等于0，调节器保持当前值不变。

根据燃料主控调节器的计算公式：

(2)

式中：μC为燃料主控回路输出指令；Kp为燃料主控调节器增益；Ki为燃料主控调节器积分时间常数；eC为燃料主控偏差。其中eC的计算公式：

eC=μB-K×FC+σ

(3)

式中：FC为燃料实际测量值；μB为燃料需求指令；K为热值校正系数；σ为变量吸收回路输出值。当BTU的输出结果K(热值校正系数)发生变化时，燃料量偏差eC同时改变，燃料主控调节器输出值μc(给煤机平均指令)必然会发生变化，进而使锅炉主蒸汽压力偏离设定值，锅炉主控输出也会由于主蒸汽压力的变化而变化，变化结果会扩散到锅炉的多个控制回路，对主汽蒸压力形成了完全不必要的扰动，影响机组AGC控制精度。为了克服这一缺点，新型控制算法采用“连续计算，断续输出”的控制思想，当“BTU计算输出动作判据”成立时，BTU算法输出热值校正系数K，即K=KC，BTU控制器输出值KC的计算公式：

(4)

式中：Ki为调节器积分时间常数；ek为计算偏差，其计算公式：

ek=f1(LDC)-KC×FC

(5)

式中：f1为锅炉标准负荷—燃料量函数；LDC为实际负荷指令；FC为燃料实际测量值；KC为BTU控制器输出值。当计算输出值窗口期内检测机组当前状态不满足BTU输出条件时，燃料主控输出保持不变，燃料主控调节器输入变量eC保持当前值，变量吸收回路σ动作，将燃料主控调节器入口由于BTU计算所形成多余的差值重新变为0，实现了燃料主控调节器输入变量eC保持不变，即eC(t)=eC(t-1)。变量吸收回路σ计算的差分方程如计算式：

σ[n]=(K[n-1]×FC-σ[n-1])/k[n]

(6)

当“BTU计算输出动作判据”成立后，燃料主控调节器重新投入计算时，燃料主控输出的给煤机平均指令不会发生突变，对锅炉不会造成任何扰动。

BTU控制计算结果能正确反映煤质变化情况的前提条件是机组处于稳态运行工况，即负荷指令无变化，锅炉主蒸汽压力波动范围小于±0.3 MPa。BTU满足计算条件时连续计算煤质校正系数，但并不将计算结果实时送到燃料主控回路，只有在输出时间窗口到来时，才将BTU调节器的计算结果KC送到燃料主控回路参与燃料量的计算。

2.3 具体实现方案

根据2.2节中的BTU计算式(4)和式(5)提出具体实现方案，计算框图如图1所示。图1中，煤质校正系数BTU01即K，当控制器输出窗口没有打开时K保持不变，对燃料主控计算不会形成任何扰动。其它计算公式在DCS系统中也很容易实现。控制方案主要包括以下内容：

a. BTU控制输出时间窗口的计算以及机组当前状态的判断；

b. 优化燃料主控回路，当BTU控制输出值变化时，燃料主控调节器进入跟踪模式，燃料主控输出指令保持不变；

c. 设置变量吸收回路实现燃料主控回路入口设定值在调节器跟踪模式时等于校正后燃料测量值，保证调节器由跟踪模式进入计算模式时输出指令要平滑过渡，不能出现大幅度跃变；

d. 机组变负荷过程中，BTU控制回路停止计算。

图1 BTU算法实现方案

3 实际应用效果

某厂4号机组AGC投入后，起初1周内AGC控制指标基本正常，可以满足电网的要求。1周后，AGC控制指标恶化，被电网考核，通过调取机组历史数据曲线和运行员反映，基本可以判断是煤质发生了比较大的变化，控制逻辑中主汽压力调节器的静态输出值比1周前的数值高了11.2%，也同样印证了煤质变差是导致AGC控制指标恶化的根本原因。

3.1 负荷燃料关系模型

BTU控制的核心思想是定时修正标准负荷燃料函数关系模型，使机组当前负荷值与燃料量实时保持正确比值，即当燃料热值发生变化，BTU控制回路输出值对标准函数进行校正，保证当前负荷燃料函数与标准值基本相同，为锅炉主控回路计算打下良好的基础。锅炉负荷燃料关系函数采用锅炉厂家所提供的热力计算结果汇总表中数据进行设置，该函数是机组电负荷与燃料的标准关系模型，是所有控制算法的基础数据，如表1所示。

表1 负荷燃料关系函数

3.2 应用效果

BTU控制投入后，燃料品质波动导致AGC控制指标恶化的问题得到了明显缓解，AGC控制模式可以长期稳定投入，电网考核次数明显下降，AGC调节速率长时间保持稳定，不因燃料热值波动影响AGC调节速率，机组主要控制指标在AGC运行模式下保持稳定，满足规程要求。实际运行曲线如图2所示，机组AGC负荷指令310～366 MW，在机组升负荷过程中，主蒸汽压力与负荷同步变化，主蒸汽温度等参数波动范围在535～543℃之间，符合电力规程要求，机组负荷变化速率设定为9 MW/min，实际负荷变化速率达到6.5 MW/min，达到电网调度部门对AGC负荷变化速率不低于6 MW/min的要求。BTU控制有效地降低了锅炉煤质热值波动对AGC控制指标的影响，即使在燃料热值长时间

变动的情况下，AGC负荷变化速率依然可以满足电网需求，4号机组AGC在电网调度的考核成绩大幅度提高。

图2 BTU投入后机组降负荷过程

4 结束语

电网对并网火电机组AGC控制指标考核日趋严格，竞价上网要求电厂必须大力降低发电成本，燃料品质和AGC控制指标的矛盾日益突出。本文提出的新型BTU控制算法，有效地弥补了传统BTU控制的缺陷，抑制了燃料品质对主蒸汽压力控制通道的内扰，并适用于各种类型机组，能够在各种机组的DCS系统上实施，对系统硬件无特别要求。本文提出的控制算法已经在多台机组中得到应用，对AGC控制指标长期稳定满足电网要求起到了积极促进的作用，具有良好的推广应用价值。

参考文献：

[1] 郝 欣，张 志，王 喆.掺烧褐煤机组AGC方式下滑压运行控制策略研究[J].吉林电力，2012(5):23-25.

[2] 黄卫剑, 张 曦,朱亚清,等.火电机组燃料品质自适应性优化控制策略研究[J].中国电力，2012(6):43-46.

[3] 蒋欣军, 王煜伟,周晓韡.新型串级热值校正技术在直流锅炉配煤掺烧中的应用[J].锅炉技术，2013(6):65-69.

[4] 倪 敏, 魏向国,张明法. 超临界空冷机组协调控制中新型热值校正方法的研究与应用[J].热力发电，2014(1):46-51.