直流鍋爐混煤燃燒自適應(yīng)控制的研究與應(yīng)用

李 華，劉勝清

（華能瑞金電廠，江西贛州 341008）

1 引言

1.1 直流鍋爐的發(fā)展及特點(diǎn)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力系統(tǒng)供電的供電質(zhì)量也提出了更高的要求。直流鍋爐以其啟停速度快、負(fù)荷變化快的特點(diǎn)已逐步成為調(diào)峰的主力機(jī)組，國內(nèi)新建的機(jī)組基本上以超臨界、超超臨界的機(jī)組為主，甚至是300 MW等級的機(jī)組也出現(xiàn)了超臨界機(jī)組，且直流鍋爐則成為鍋爐的不二選擇。

控制系統(tǒng)中直流鍋爐和汽包爐最大不同處為給水控制系統(tǒng)。由于沒有固定的汽水分界點(diǎn)，當(dāng)負(fù)荷要求變化時(shí)，汽輪機(jī)的調(diào)門開度先發(fā)生變化，導(dǎo)致主汽壓變較大幅度的波動；同時(shí)給水量變化，主汽溫、主汽壓、蒸汽量都跟著快速變化，其影響程度遠(yuǎn)大于汽包爐；即給水量增大，主汽壓、主蒸汽量明顯增大，主汽溫則顯著降低；且燃料量變化時(shí)，主汽溫也大幅變化，故直流鍋爐控制系統(tǒng)特點(diǎn)之一就是確保燃水比相對穩(wěn)定，來控制主汽溫正常。

1.2 混煤燃燒需求的發(fā)展

一般來說，燃煤鍋爐是根據(jù)特定設(shè)計(jì)煤種來進(jìn)行設(shè)計(jì)，煤種不同，鍋爐的爐型、結(jié)構(gòu)、燃燒器及燃燒系統(tǒng)的運(yùn)行方式也不同。設(shè)計(jì)煤種是鍋爐的最佳燃用煤種。實(shí)際機(jī)組運(yùn)行中，越來越多的電廠很難長期持續(xù)燃用設(shè)計(jì)煤種，為了在節(jié)省成本的同時(shí)又能維持原有機(jī)組運(yùn)行效率，多數(shù)電廠選擇混煤摻燒。

目前我國火電廠的燃煤供應(yīng)有三個(gè)明顯變化：一是煤種多變，煤炭的生產(chǎn)、銷售和供應(yīng)及電廠的生產(chǎn)情況時(shí)常變化，使得向電廠提供的煤種特性往往相差懸殊：二是劣質(zhì)煤比例增大，由于電力負(fù)荷增長較快，而電煤供應(yīng)緊張，為降低企業(yè)成本，使電廠燃用的低質(zhì)煤逐漸增多。三是計(jì)劃外采購、來煤加工多渠道及煤炭市場的開放，電廠可能同時(shí)購進(jìn)多個(gè)煤種。這些原因使電廠所用的煤種多樣化、多變化。混煤燃燒成為我國電廠用煤的必然趨勢。

2 直流鍋爐混煤燃燒控制存在問題

直流鍋爐穩(wěn)定控制的核心就是要保持煤水比的穩(wěn)定，一般來說常用的控制是根據(jù)鍋爐主控計(jì)算出的煤量折算出合適的需求水量，然后根據(jù)分離器出口溫度（中間點(diǎn)溫度）進(jìn)行調(diào)節(jié)，其主調(diào)是分離器出口溫度（也是中間點(diǎn)溫度的過熱度）。當(dāng)煤種穩(wěn)定的時(shí)候，這種控制方式是可行的，但是煤種不穩(wěn)定時(shí)，也就是混煤情況下，就存在比較大的問題。給水量是通過煤水比計(jì)算得出的，導(dǎo)致在差煤的時(shí)候給水量太大，煤質(zhì)好的時(shí)候給水量有可能太小，要靠給水主調(diào)的積分進(jìn)行補(bǔ)償，延遲性比較大，對于響應(yīng)快速的直流鍋爐來說，將對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響，在很多情況下機(jī)組的協(xié)調(diào)控制無法投入，給運(yùn)行人員的操作增加難度，同時(shí)也影響了機(jī)組的安全。

以華能瑞金電廠為例，目前供煤廠家較多，混合配煤后，每個(gè)煤倉煤熱值不同，甚至同個(gè)煤倉也存在不同煤種，導(dǎo)致煤種變化不可預(yù)測。從歷史記錄看最好的煤120 t/h的煤量能350 MW滿負(fù)荷發(fā)電，最差滿負(fù)荷350 MW發(fā)電需要180 t/h的煤量。這種混煤后帶來的煤熱值不穩(wěn)定，大大影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，原有按標(biāo)準(zhǔn)煤進(jìn)行設(shè)計(jì)的控制策略已較難保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

存在上述這種情況的燃煤電廠并不在少數(shù)，如何解決混煤后機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，特別是直流鍋爐機(jī)組，已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。本文從智能控制的角度出發(fā)，提出一種針對直流鍋爐的自適應(yīng)煤種變化的控制策略，主要從如何智能測算燃煤的熱值，以及如何將燃煤熱值參與到機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略中，使得機(jī)組能智能識別煤種變化，確保機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 燃煤熱值的智能測算

混煤燃燒對直流鍋爐運(yùn)行產(chǎn)生較大影響的原因主要是直流鍋爐對煤水比的穩(wěn)定性有著較高的要求，而混煤燃燒帶來的變化主要是單位質(zhì)量燃煤熱值的變化，也就是說同樣質(zhì)量的煤燃燒產(chǎn)生的能量發(fā)生了變化。這樣同樣的負(fù)荷所需要煤的總量就發(fā)生變化，通過煤水比計(jì)算得出的水也就發(fā)生了變化，而這種情況下本質(zhì)上水并不需要發(fā)生變化。因此如果能將燃煤熱值引入到煤水比的計(jì)算控制中就能有效解決這個(gè)問題。

但是目前科學(xué)上還沒有找到較好的辦法可以通過物理測量的方式計(jì)算出燃煤的熱值，不過對控制而言，并不需要很準(zhǔn)確的燃煤熱值。目前有的機(jī)組利用氧量估算出合適的燃煤熱值，不過由于氧量變化和測量問題也導(dǎo)致通過氧量估算熱值并不準(zhǔn)確，本文提出一種燃煤熱值的另一種測算方法。

燃煤的瞬時(shí)熱值目前可以通過機(jī)組的實(shí)時(shí)負(fù)荷和實(shí)時(shí)所需的煤量近似計(jì)算得出，如下：

其中C v為燃煤瞬時(shí)熱值；MW為當(dāng)前機(jī)組的

發(fā)電負(fù)荷，單位MW；Ful為機(jī)組的瞬時(shí)煤量，單位T/H；K為系數(shù)，單位大卡/MW。

機(jī)組的實(shí)時(shí)負(fù)荷和實(shí)時(shí)煤量都可以通過物理測量得知。系數(shù)K與鍋爐的效率以及廠用電率有關(guān)系，K基本上變化不大，近似為一個(gè)常數(shù)。以瑞金電廠發(fā)電機(jī)組為例，發(fā)1kWh的電所消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤為310 g，那么據(jù)此就可以確定系數(shù)K的大?。?/p>

雖然燃煤的瞬時(shí)熱值可以通過計(jì)算近似得出，但是單獨(dú)估算出的瞬時(shí)熱值卻是不可用的。因?yàn)樵趬毫Ω邥r(shí)，煤量要減少，這個(gè)時(shí)候其實(shí)煤的熱值沒有變化，但是計(jì)算出的煤的熱值會增高，特別是斷煤的時(shí)候，煤的熱值非常高。瞬時(shí)值不可用，如果取一段時(shí)間內(nèi)的平均值，那么這個(gè)就有較大的參考價(jià)值，因?yàn)槿济涸谙鄬Ψ€(wěn)定的一段時(shí)間內(nèi)是其熱值是相對穩(wěn)定的，如2個(gè)小時(shí)內(nèi)的平均值，完全可以用于預(yù)估控制。根據(jù)這個(gè)系數(shù)進(jìn)行修正，從而優(yōu)化協(xié)調(diào)系統(tǒng)以及給水系統(tǒng)。

燃煤熱值平均值的算法原理SAMA圖如圖1所示。

圖1 煤熱值計(jì)算原理

圖1中，I：積分模塊，R為復(fù)位端；T為切換塊，S=0時(shí)取2，S=1時(shí)取1；ONP：上升沿；OFP下降沿；FIFO先進(jìn)先出堆棧。

要注意FiFo堆棧在脈沖上升沿時(shí)進(jìn)行堆棧，其余時(shí)間不進(jìn)行堆棧，然后取平均值則就是給煤量的修正系數(shù)。

4 自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是根據(jù)單元機(jī)組的負(fù)荷控制特點(diǎn)，為解決負(fù)荷控制中的內(nèi)外兩個(gè)能量供求平衡關(guān)系而提出來的一種控制策略。它把鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合控制，使其同時(shí)按照電網(wǎng)負(fù)荷需求指令和內(nèi)部主要運(yùn)行參數(shù)的偏差要求協(xié)調(diào)運(yùn)行，既保證單元機(jī)組對外具有較快的功率響應(yīng)和一定的調(diào)頻能力，又保證對內(nèi)維持主蒸汽壓力偏差在允許范圍內(nèi)。鍋爐和汽機(jī)控制指令信號的構(gòu)成，應(yīng)當(dāng)既考慮穩(wěn)態(tài)偏差，又考慮動態(tài)偏差。目前直流鍋爐單元機(jī)組常用的協(xié)調(diào)控制策略之一是鍋爐跟隨的協(xié)調(diào)方式，就是汽機(jī)主控調(diào)節(jié)負(fù)荷，鍋爐主控維持汽機(jī)前壓力。

機(jī)組協(xié)調(diào)控制中，鍋爐主控指令的計(jì)算是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，其結(jié)果將直接用來計(jì)算給煤量，給水量和送風(fēng)量。以給煤量為例，鍋爐主控根據(jù)負(fù)荷指令計(jì)算機(jī)組需求的煤量，然后在根據(jù)壓力偏差進(jìn)行煤量的修正，最終計(jì)算出所需要的總給煤量，鍋爐主控指令與給煤量之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖上可以看出，鍋爐主控指令的變化將直接影響到給煤量的變化。因此鍋爐主控指令的計(jì)算將直接對機(jī)組平衡產(chǎn)生影響，特別是對于混煤燃燒的機(jī)組影響更為明顯。目前通常使用的鍋爐主控指令計(jì)算如圖3所示。鍋爐主控指令由主蒸汽壓力進(jìn)行主調(diào)，通過主蒸汽壓力設(shè)定與實(shí)際檢測主蒸汽壓力的反饋偏差進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，最后再加入負(fù)荷給定作為前饋控制變量，在負(fù)荷給定發(fā)生變化時(shí)，能提前變化，盡量克服機(jī)組的慣性帶來的影響。從這個(gè)計(jì)算過程來看，鍋爐主控指令并沒有反應(yīng)燃煤熱值的變化。當(dāng)燃煤的熱值發(fā)生變化時(shí)，鍋爐主控指令計(jì)算得出的給煤量并沒有發(fā)生變化，但是這時(shí)在相同當(dāng)量燃煤實(shí)際燃燒產(chǎn)生的能量已經(jīng)產(chǎn)生的變化，其直接體現(xiàn)就是汽水分離點(diǎn)的移動（即中間點(diǎn)溫度的過熱度發(fā)生變化），以及主蒸汽壓力的變化。在該控制策略中，最后只能通過主蒸汽壓力的偏差再進(jìn)行積分調(diào)節(jié)對給煤量進(jìn)行修正，這個(gè)過程顯然無法很好適應(yīng)直流鍋爐快速性的特點(diǎn)，對機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行將產(chǎn)生直接影響。

圖2 鍋爐主控與給煤量關(guān)系

為了增強(qiáng)機(jī)組控制對煤種變化的適應(yīng)性，本文提出一種在鍋爐主控指令計(jì)算環(huán)節(jié)加入燃煤熱值修正的做法，使得鍋爐主控指令能實(shí)時(shí)預(yù)知燃煤熱值的變化，提前對鍋爐主控指令進(jìn)行調(diào)整，確保煤水比的穩(wěn)定，其原理如圖3所示。通過采用燃煤熱值對機(jī)組燃料需求量進(jìn)行修正，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，通過靜態(tài)前饋f（x）實(shí)時(shí)計(jì)算出對應(yīng)的燃料需求量，再根據(jù)當(dāng)前實(shí)際煤的發(fā)熱量情況，對這一需求量進(jìn)行修正，使其能接近設(shè)計(jì)煤種的發(fā)熱量。當(dāng)煤的熱值穩(wěn)定且與設(shè)計(jì)煤種的發(fā)熱量相當(dāng)時(shí)，則負(fù)荷指令靜態(tài)前饋量反應(yīng)的是機(jī)組實(shí)際的燃料需求，無需通過熱值的修正來改變?nèi)剂狭俊．?dāng)煤種的熱值設(shè)計(jì)煤種的熱值相差較大時(shí)，給負(fù)荷指令的前饋量乘以煤的熱值修正量，得到新的機(jī)組燃料需求量。這一過程，就是根據(jù)負(fù)荷變化量所需標(biāo)準(zhǔn)煤量產(chǎn)生修正值，將非設(shè)計(jì)煤種的煤量換算為標(biāo)準(zhǔn)煤量，以提高機(jī)組對煤種的適應(yīng)性。

圖3 鍋爐主控指令計(jì)算

5 給水控制策略優(yōu)化

給水控制在直流爐中是變化最大的，也是很重要的控制回路，在沒有進(jìn)行熱值計(jì)算的時(shí)候，給水量的前饋是根據(jù)鍋爐主控的函數(shù)給出的，煤質(zhì)好的時(shí)候給水量偏少，而煤質(zhì)量差的時(shí)候給水量偏大，造成給水溫度控制不合理，從而導(dǎo)致要么效率低下，要么鍋爐管壁超溫嚴(yán)重。給水的控制策略基本不變，只是將原有的水煤比中的煤乘上熱值修正，其原理如圖5所示。這樣在煤質(zhì)差的時(shí)候，鍋爐主控計(jì)算出的給煤量變大，但是這時(shí)在同樣的負(fù)荷下給水量并不需要發(fā)生變化。所以加入了熱值修正后，即使煤質(zhì)變化較大也能給出合理的給水量，合理的前饋量最終控制好分離器出口溫度（中間點(diǎn)溫度）。給水控制主調(diào)是分離器出口溫度（中間點(diǎn)溫度），要是分離器出口溫度在合理范圍內(nèi)，則主蒸汽溫度控制品質(zhì)會明顯改善，鍋爐管壁超溫大大減少。

圖4 給水控制策略優(yōu)化

6 實(shí)際機(jī)組運(yùn)用情況

華能瑞金電廠一期2×s350 MW超臨界機(jī)組，機(jī)組DCS控制系統(tǒng)投運(yùn)之初，按照設(shè)計(jì)煤種運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)控制效果也不錯(cuò)。后來由于各種原因，燃燒的煤種發(fā)生了變化，有時(shí)一段時(shí)期內(nèi)是某一煤種，有時(shí)是幾個(gè)煤種的混合燃燒。由于原有控制策略設(shè)計(jì)并未考慮到煤種變化，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)波動，嚴(yán)重的時(shí)候協(xié)調(diào)控制都無法投入，給生產(chǎn)運(yùn)行帶來很大的影響。

圖5 未優(yōu)化前的投運(yùn)情況

2012年5 月對機(jī)組協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了優(yōu)化，如上述方案增加燃煤熱值對控制的修正，使得控制系統(tǒng)能自動適應(yīng)煤種變化。經(jīng)過組態(tài)優(yōu)化和精心調(diào)試，機(jī)組已經(jīng)投入運(yùn)行。與投用前相比，主蒸汽壓力控制品質(zhì)、主蒸汽溫度控制品質(zhì)明顯改善，給煤量能快速跟隨負(fù)荷變化，這一措施有效可行，對于熱值較低的煤種，通過熱值修正，對機(jī)組負(fù)荷所需煤量進(jìn)行了補(bǔ)償，有效的克服了因鍋爐主控PID調(diào)節(jié)的滯后，造成的主蒸汽壓力的波動，提高了機(jī)組對煤種的適應(yīng)性。

圖6 優(yōu)化后的投運(yùn)情況

7 結(jié)語

從實(shí)際應(yīng)用情況來看，本文提出的智能測算燃煤熱值的算法具有較高的可用性，進(jìn)而通過燃煤熱值來修正機(jī)組協(xié)調(diào)控制策略中的鍋爐主控指令，計(jì)算出合理的給煤量和給水量，確保機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高了直流鍋爐機(jī)組對煤種的適應(yīng)性，能有效地解決目前燃煤電廠面臨的混煤燃燒問題。

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