煤質(zhì)低位發(fā)熱量軟測(cè)量技術(shù)原理及應(yīng)用

李 儼，張乘銘，刁云鵬，李 佳，姚卓宏

(1.國(guó)家能源集團(tuán)吉林龍華白城熱電廠(chǎng)，吉林 白城 137000；2.河海大學(xué)，南京 211100；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130028；4.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021)

燃煤機(jī)組狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確快速測(cè)量對(duì)提高機(jī)組的運(yùn)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(cè)量或測(cè)量不準(zhǔn)問(wèn)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(guò)離線(xiàn)化驗(yàn)方法獲取，測(cè)量周期為數(shù)小時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的滯后，并影響機(jī)組的控制效果[1]。

近年來(lái)，軟測(cè)量技術(shù)在理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面發(fā)展迅速。通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法或基于工藝機(jī)理建模方法建立的軟測(cè)量模型，可以通過(guò)對(duì)較易測(cè)量的控制系統(tǒng)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)不可測(cè)參數(shù)的預(yù)測(cè)。其中，基于工藝機(jī)理分析的軟測(cè)量建模運(yùn)用了能量平衡等原理、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、物料平衡、對(duì)過(guò)程對(duì)象進(jìn)行機(jī)理分析，得出較易測(cè)量的控制系統(tǒng)參數(shù)與控制系統(tǒng)不可測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系，該方法因其工藝機(jī)理清晰、易操作等特點(diǎn)，在工程中較為常用。爐膛煤質(zhì)的燃燒過(guò)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(shí)現(xiàn)煤質(zhì)的軟測(cè)量[2-3]。

本文基于煤質(zhì)燃燒機(jī)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(cè)量模型，并將其應(yīng)用在某廠(chǎng)4號(hào)鍋爐，實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)低位發(fā)熱量的快速精確測(cè)量，并成功引進(jìn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組煤質(zhì)的自適應(yīng)控制。

1 煤質(zhì)低位發(fā)熱量軟測(cè)量模型

1.1 煤質(zhì)水分軟測(cè)量模型

煤質(zhì)水分計(jì)算主要基于機(jī)組制粉系統(tǒng)的能量守恒原理。對(duì)于直吹式中速磨制粉系統(tǒng)，進(jìn)入與流出制粉系統(tǒng)的能量存在熱平衡關(guān)系[4-6]，見(jiàn)圖1。

圖1 磨煤機(jī)系統(tǒng)進(jìn)出口能量守恒關(guān)系

圖1中進(jìn)入磨煤機(jī)的熱量包括：干燥劑帶入系統(tǒng)的熱量qgzj，磨煤機(jī)工作時(shí)機(jī)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(jī)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(guò)程中所需的熱量qm，系統(tǒng)中磨煤機(jī)的散熱損失qlq。根據(jù)進(jìn)入和流出磨煤機(jī)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(jī)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(guò)式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Mar為收到基水分；Mmf為入爐煤水分。

Mmf可以通過(guò)式(4)計(jì)算：

(4)

式中R90代表煤粉細(xì)度。

加熱過(guò)程中所需的熱量qm可以通過(guò)式(5)計(jì)算：

(5)

選取制粉系統(tǒng)相關(guān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(cè)量

鍋爐排煙氣體成分中蘊(yùn)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(duì)應(yīng)關(guān)系。基于煤燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)平衡的原理，用干燥無(wú)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(wú)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(wú)灰基元素成分；φCO2,daf,φSO2,daf,φN2,daf,φO2,daf為以干燥基成分計(jì)算的各種標(biāo)準(zhǔn)氣體量；φgk,daf為以干燥基成分計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)空氣；α為排煙過(guò)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(wú)灰基元素含量表示的燃料特性系數(shù)；收到基水分Mar通過(guò)式(1)至式(5)計(jì)算。

1.3 入爐煤低位發(fā)熱量計(jì)算模型和灰分校正

根據(jù)煤的元素含量計(jì)算收到基低位發(fā)熱量的方法，由門(mén)捷列夫公式可得到煤質(zhì)低位發(fā)熱量的計(jì)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(duì)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(chǎng)常用煤質(zhì)，可近似得到灰分計(jì)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(gè)計(jì)算流程見(jiàn)圖2，其中S1是利用式(1)至式(5)計(jì)算煤質(zhì)水分，S2是利用式(6)至式(19)計(jì)算煤質(zhì)元素，S3是利用式(20)、式(21)計(jì)算灰分和熱量對(duì)元素校正。

圖2 燃煤低位發(fā)熱量計(jì)算流程

2 模型有效性驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采集機(jī)組歷史數(shù)據(jù)，對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，從機(jī)組分散控制系統(tǒng)或廠(chǎng)級(jí)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息系統(tǒng)中選取以下測(cè)點(diǎn)：給煤量、磨煤機(jī)入口風(fēng)量、磨煤機(jī)入口溫度、磨煤機(jī)出口溫度、磨煤機(jī)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(duì)采集到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)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(wú)效值、空值等。對(duì)觀(guān)測(cè)的所有輸入點(diǎn)進(jìn)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(cè)點(diǎn)融合處理。由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的特殊性，有些數(shù)據(jù)是在固定的范圍波動(dòng)，如小風(fēng)門(mén)數(shù)據(jù)的正常值范圍為[0,100]，即將經(jīng)驗(yàn)值與理論結(jié)合對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的處理，具體操作如下：

a.停機(jī)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(mén)數(shù)據(jù)將小于0的等于0，大于100%的為100%，依據(jù)：經(jīng)驗(yàn)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(shí)別異常值，用其強(qiáng)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理；

e.引入輸入數(shù)據(jù)邊界保護(hù)策略，確保重要測(cè)點(diǎn)缺失時(shí)，熱值計(jì)算正常運(yùn)行。

以上處理辦法都是保證引入計(jì)算的變量是正常值從而保證熱值的計(jì)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(duì)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(gè)調(diào)整參數(shù)分別提供5月份整月對(duì)比及5月份第二周數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果，具體內(nèi)容見(jiàn)圖3至圖6，其中1代表煤量(已向上平移2.9×104kJ便于觀(guān)察)、2代表主蒸汽流量(已向上平移4×104kJ便于觀(guān)察)、3代表未修正前的熱值信號(hào)、4代表修正后熱值信號(hào)。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(guò)程中，熱值信號(hào)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(guò)低，熱值變化幅度過(guò)高，不利于鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行，因此推薦使用調(diào)整參數(shù)為1.0的熱值信號(hào)。

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(guò)以上方案的引入，已經(jīng)能夠確保熱量信號(hào)的有效性，在做到安全引入的前提下，進(jìn)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(cè)提供一種快速分析工具，使運(yùn)行人員能及時(shí)地根據(jù)煤質(zhì)變化對(duì)鍋爐的燃燒狀態(tài)做出調(diào)整，使鍋爐達(dá)到最佳燃燒工況，從而實(shí)現(xiàn)鍋爐的優(yōu)化運(yùn)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(chǎng)配套使用的煤質(zhì)低位發(fā)熱量監(jiān)視系統(tǒng)，只用作運(yùn)行監(jiān)視使用，未能將煤質(zhì)低位發(fā)熱量引入到機(jī)組的閉環(huán)控制中。煤質(zhì)低位發(fā)熱量引入到機(jī)組閉環(huán)控制的前提條件是軟測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定與可靠。本文通過(guò)重點(diǎn)核查模型輸入測(cè)點(diǎn)的異常值處理策略，對(duì)模型輸入信號(hào)添加有效的邊界保護(hù)，以防出現(xiàn)個(gè)別測(cè)點(diǎn)異常時(shí)，不能正常進(jìn)行熱值計(jì)算，并對(duì)熱值輸出信號(hào)進(jìn)行有效的平滑處理，提供多個(gè)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(chǎng)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(xiàn)見(jiàn)圖7，由曲線(xiàn)可以看出，引入煤質(zhì)低位發(fā)熱量修正后，機(jī)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(xiàn)

4 結(jié)論

熱值軟測(cè)量技術(shù)主要用于建立一種入爐煤低位發(fā)熱量的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)模型。該模型基于能量守恒和物料守恒原理，通過(guò)測(cè)量鍋爐磨煤機(jī)進(jìn)出口參數(shù)以及排煙氣體成分等參數(shù)，可以間接實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)煤元素分析和低位發(fā)熱量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和邏輯搭建，驗(yàn)證了煤質(zhì)低位發(fā)熱量可以成功引入機(jī)組的閉環(huán)控制，控制效果良好。