基于制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能磨煤機運行組合控制算法

李 珂

（大唐西北電力試驗研究院，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著新能源發(fā)電容量的增加以及火電機組配煤摻燒的影響，新型電力系統(tǒng)對火電機組調(diào)節(jié)的靈活性、穩(wěn)定性要求越來越高［1］。為了提升配煤摻燒工況下火電機組主動支撐高比例新能源發(fā)電的能力，本文深入分析煤質(zhì)變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，構建火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)，并提出智能磨煤機運行組合控制算法，旨在提升新型電力系統(tǒng)下火電機組運行的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性。火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)通過提取全生命周期過程的有效數(shù)據(jù)，創(chuàng)建制粉系統(tǒng)模型，針對調(diào)節(jié)偏差、應用服務系統(tǒng)需求，動態(tài)交互式優(yōu)化整個制粉過程［2-4］。智能磨煤機運行組合控制策略基于經(jīng)濟指標優(yōu)先或者特性指標優(yōu)先的原則，在制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)中融入智能組合算法，結合狀態(tài)觀測器，智能選擇磨煤機的最佳運行組合方式［5-7］。

1 火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構

以某火電機組為例，制粉系統(tǒng)主要設備包括磨煤機、磨煤機分離器電機、磨煤機分離器變頻器、給煤機電動機、給煤機變頻器、潤滑油泵、潤滑油箱電加熱器、潤滑油箱電加熱帶、磨煤機入口冷熱風關斷門、冷熱風調(diào)門、磨煤機入口密封風門、消防蒸汽電動門、磨出口啟動插板門等。除了以上設備，部分制粉系統(tǒng)還包括等離子系統(tǒng)相關設備［8］。

火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)通過物理系統(tǒng)建模、數(shù)據(jù)分析、信息融合、通訊交互等功能，在真實與虛擬兩個架構層面對燃燒系統(tǒng)進行監(jiān)視、追蹤、調(diào)節(jié)、優(yōu)化，動態(tài)交互式控制整個制粉過程［9-10］，從而克服燃燒系統(tǒng)的滯后性，保證燃燒的及時性，對提升燃燒系統(tǒng)的響應速率、主蒸汽壓力的穩(wěn)定性有重要意義。

火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)架構圖如圖1 所示，包括物理制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)、孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)、制粉應用服務系統(tǒng)、動態(tài)實時交互系統(tǒng)。虛擬制粉系統(tǒng)包括幾何模型、物理模型、行為模型；制粉應用服務系統(tǒng)包括燃煤運動軌跡監(jiān)視、可視化在線診斷、三維操作指導。

圖1 火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)架構圖

1.2 系統(tǒng)功能

1.2.1 物理制粉系統(tǒng)

物理制粉系統(tǒng)為火電機組制粉系統(tǒng)物理設備、工藝及流程、工藝參數(shù)的總和，是孿生系統(tǒng)幾何模型、物理模型、行為模型等建模的依據(jù)和指導。制粉系統(tǒng)中給煤機運送煤塊到爐膛燃燒的過程中使用的設備包括給煤機、磨煤機、風粉管道、爐膛。煤塊經(jīng)過給煤機運輸至磨煤機，磨煤機將煤塊研磨為滿足細度要求的煤粉，煤粉被熱一次風通過風粉管道吹送至爐膛燃燒。

1.2.2 虛擬制粉系統(tǒng)

虛擬制粉系統(tǒng)依據(jù)物理制粉系統(tǒng)進行虛擬建模，包括幾何模型、物理模型、行為模型，實現(xiàn)物理模型到虛擬模型的映射，將物理設備、系統(tǒng)、工藝流程、工藝參數(shù)等映射到虛擬制粉系統(tǒng)中。

1）幾何模型。構建物理制粉系統(tǒng)的機械結構幾何模型，包括皮帶、給煤機、磨煤機、熱風門、管道、冷一次風、熱一次風等。

2）物理模型?；诓杉膶崟r數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)構建虛擬制粉系統(tǒng)的幾何模型、物理模型和行為模型，實現(xiàn)對物理制粉系統(tǒng)的虛擬映射，包括給煤機轉速、磨煤機制粉時間、冷一次風量、熱一次風量、一次風壓、煤塊運動軌跡及時間、燃燒工況等。

3）行為模型。在給煤機轉動運輸模型中，實時采集給煤機轉速，統(tǒng)計煤塊從進入給煤機標識區(qū)到離開給煤機標識區(qū)的時間，通過轉速判斷皮帶運輸是否正常［11］；在磨煤機制粉模型中，統(tǒng)計煤塊從進入磨煤機標識區(qū)到離開磨煤機標識區(qū)的時間，并且根據(jù)磨煤機振動頻率、給煤率等信號判斷是否堵磨；在管道風力攜粉運動模型中，構建攜粉運動軌跡，并計算攜粉力，統(tǒng)計煤粉從管道到爐膛的時間，并根據(jù)虛擬數(shù)據(jù)優(yōu)化風力、風速、風溫；在煤粉爐膛燃燒模型中，根據(jù)爐膛火焰監(jiān)視相關數(shù)據(jù)，跟蹤爐膛燃燒情況，并通過總風量、氧量等判斷是否屬于富氧燃燒工況。

1.2.3 孿生數(shù)據(jù)系統(tǒng)

提取物理制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)信息，將優(yōu)化算法、經(jīng)驗算法給出的數(shù)據(jù)進行雙向通信，對物理制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整。具體包括：接收物理制粉系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)并傳遞至虛擬制粉系統(tǒng)，再把虛擬制粉系統(tǒng)優(yōu)化后的參數(shù)返送至物理制粉系統(tǒng)，完成對物理制粉系統(tǒng)的運行優(yōu)化；接收虛擬制粉系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)，與物理制粉系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比分析后刪除異常數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)返送至虛擬制粉系統(tǒng)；接收制粉應用服務系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)，根據(jù)物理制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)當前的數(shù)據(jù)特性，調(diào)整制粉應用服務系統(tǒng)的感知數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返送至制粉應用服務系統(tǒng)。

1.2.4 制粉應用服務系統(tǒng)

通過建立燃煤運動軌跡圖，基于物理制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)準確追蹤燃煤運動過程，實現(xiàn)燃煤運動軌跡監(jiān)視、可視化在線診斷、三維操作指導。

1）燃煤運動軌跡監(jiān)視。實時動態(tài)監(jiān)視燃煤運動軌跡，包括運動時間、速度、位置、給煤量等，預估燃煤運動軌跡，為斷煤、堵磨等異常工況的發(fā)生提供有力數(shù)據(jù)。

2）可視化在線診斷。發(fā)生異常工況時，可視化在線診斷異常工況原因，并且上報至系統(tǒng)，通過三維操作指導給出解決辦法。

3）三維操作指導。觀察是否堵煤、斷煤，風量是否充足，燃燒是否充分。當出現(xiàn)異常工況時，通過操作指導反饋至系統(tǒng)，通過報警、自動干預、人工干預等方式及時調(diào)整［12-13］。

1.2.5 動態(tài)實時交互系統(tǒng)

通過總線信息傳輸技術，實現(xiàn)物理制粉系統(tǒng)與虛擬制粉系統(tǒng)、虛擬制粉系統(tǒng)與制粉應用服務系統(tǒng)、物理制粉系統(tǒng)與制粉應用服務系統(tǒng)之間的信息交互與反饋。

2 智能磨煤機運行組合策略

機組在運行過程中，負荷發(fā)生實時動態(tài)變化，燃煤機組調(diào)節(jié)負荷最根本的方式是調(diào)節(jié)燃料量，而燃料量是由多臺磨煤機共同決定的，每臺磨煤機的攜粉性能、燃煤熱值均不同。因此，在不同的磨煤機運行組合方式下，機組的調(diào)節(jié)品質(zhì)、經(jīng)濟效益有所差別?；诮?jīng)濟指標優(yōu)先或特性指標優(yōu)先的原則，智能選擇磨煤機的最佳運行組合方式，通過狀態(tài)觀測器、狀態(tài)反饋修正智能磨煤機運行組合控制算法模型，實現(xiàn)燃燒的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性［14］。智能磨煤機運行組合控制邏輯如圖2所示。

圖2 智能磨煤機運行組合控制邏輯

2.1 狀態(tài)觀測器設計

選取鍋爐主控輸出作為觀察狀態(tài)x，構建系統(tǒng)狀態(tài)方程：

式中：A為系統(tǒng)矩陣，B為控制矩陣，x為狀態(tài)變量，u為控制矢量。觀測器的狀態(tài)方程為

式中：C為輸出矩陣；L為觀測矩陣；y為系統(tǒng)輸出。觀測矩陣L為：

引入s算子，特征多項式f0(s)為：

式中：I為單位矩陣。將觀測狀態(tài)輸入智能磨煤機運行組合控制算法模型中，對模型參數(shù)進行修正。

2.2 智能磨煤機運行組合控制算法模型

2.2.1 算法指標

1）經(jīng)濟指標R

經(jīng)濟指標R代表了燃燒的經(jīng)濟性，在相同工況運行所用燃料量越少，經(jīng)濟性指標越優(yōu)，即R指標越小，燃燒經(jīng)濟性越高。

式中：BTU為熱值修正系數(shù)；P為功率；F為對應負荷下統(tǒng)計周期內(nèi)的平均燃料量。

2）特性指標K

特性指標K代表了機組的運行特性，相同采樣時間、相同負荷段下，綜合自動發(fā)電控制（automatic generation control，AGC）平均合格率、一次調(diào)頻平均合格率、平均主蒸汽壓力偏差、平均主蒸汽溫度偏差4 項機組重要運行參數(shù)，K值越小說明機組運行特性越好。

式中：O為AGC平均合格率；Z為一次調(diào)頻平均合格率；Q為平均主蒸汽壓力偏差；W為平均主蒸汽溫度偏差；α、β、γ、δ為權重系數(shù)。

2.2.2 組合算法

融合指標的智能磨煤機運行組合控制算法流程架構如圖3所示。

圖3 融合指標的智能磨組運行組合控制算法流程架構圖

1）運行方式分組，以具有5 臺磨煤機的機組為例，機組正常運行工況下至少設計2 臺磨煤機運行。2 臺磨煤機運行時，有種組合方式；3 臺磨煤機運行時，有種組合方式；4 臺磨煤機運行，有種組合方式；5臺磨煤機運行，有種組合方式。

2）根據(jù)運行工況，排除異常磨煤機，采集磨煤機不同運行組合方式下算法指標計算所需的運行參數(shù)。計算經(jīng)濟指標需要采集的運行參數(shù)包括熱值修正系數(shù)、功率、對應負荷下統(tǒng)計周期內(nèi)的平均燃料量。計算特性指標需要采集的運行參數(shù)包括AGC 平均合格率、一次調(diào)頻平均合格率、平均主蒸汽壓力偏差、平均主蒸汽溫度偏差［15］。在機組穩(wěn)定工況下，針對不同工況與運行組合方式，進行3 次采集，每次采集機組30 min內(nèi)的數(shù)據(jù)，每次采集的采樣周期為1 min。

3）根據(jù)可供選擇的磨煤機運行組合方式，分別計算不同運行組合方式下的經(jīng)濟指標R和特性指標K。

4）選擇優(yōu)先考慮的指標，并根據(jù)選擇的優(yōu)先考慮指標，分別計算不同磨煤機運行組合方式下的復合指標。經(jīng)濟指標優(yōu)先時，復合指標F=0.7×R+0.3×K。特性指標優(yōu)先時，復合指標G=0.7×K+0.3×R。根據(jù)復合指標，確定磨煤機的最佳運行組合方式。

3 案例與變負荷試驗分析

選取某300 MW 亞臨界機組進行變負荷試驗。該機組鍋爐采用擺動式燃燒器，四角布置、切向燃燒，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，單爐膛、露天布置、全鋼架懸吊結構、平衡通風、固態(tài)排渣。過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用二級噴水調(diào)節(jié)方式，再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用擺動燃燒器調(diào)節(jié)方式。汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、單抽供熱式汽輪機。發(fā)電機為水-氫-氫冷發(fā)電機，采用自并勵靜止勵磁系統(tǒng)。

3.1 智能磨煤機運行組合方式分析計算

該機組包括5 臺磨煤機，在負荷260 MW 工況下穩(wěn)定運行，在考慮經(jīng)濟指標優(yōu)先的情況下，選擇合理的磨煤機運行組合方式。

1）運行方式分組。260 MW 負荷下需要4 臺磨煤機運行，可供選擇的磨煤機運行方式有種組合，即A-B-C-D、A-B-C-E、A-B-D-E、A-C-D-E、B-CD-E。

2）根據(jù)當前運行工況，排除異常磨煤機，采集磨煤機不同運行組合方式下算法指標計算所需的運行參數(shù)。在負荷260 MW工況下，根據(jù)運行設計需求選擇4 臺磨煤機運行，有5 種磨煤機運行組合方式。5種磨煤機運行組合方式下的R指標與K指標相關采集參數(shù)如表1和表2所示。

表1 R指標相關采集參數(shù)

表2 K指標相關采集參數(shù)

3）根據(jù)可供選擇的磨煤機運行組合方式，分別計算不同運行組合方式下的經(jīng)濟指標R和特性指標K，權重系數(shù)根據(jù)專家經(jīng)驗值取值如下：α=20，β=19，γ=0.8，δ=0.05。指標計算結果如表3所示。

表3 指標計算結果

4）本案例以經(jīng)濟指標為優(yōu)先考慮的指標。根據(jù)選擇的優(yōu)先考慮指標，計算5 種磨煤機運行組合方式下的復合指標。

根據(jù)選擇的優(yōu)先考慮指標，最優(yōu)組合方式為F4，即A-C-D-E 磨煤機運行組合方式，能夠滿足經(jīng)濟指標優(yōu)先原則。

綜上所述，機組在運行過程中，負荷實時動態(tài)地變化，燃煤機組調(diào)節(jié)負荷最根本的方式是調(diào)節(jié)燃料量，而燃料量是由多臺磨煤機共同調(diào)節(jié)的，由于每臺磨煤機的攜粉性能不同，在不同工況下，基于經(jīng)濟指標優(yōu)先或者特性指標優(yōu)先原則，智能選擇磨煤機的最佳運行組合方式，實現(xiàn)燃燒的經(jīng)濟性、可靠性、穩(wěn)定性。

3.2 變負荷試驗及分析

變負荷試驗狀態(tài)觀測器檢測到系統(tǒng)輸出出現(xiàn)波動，說明系統(tǒng)偏離穩(wěn)態(tài)，利用智能磨煤機運行組合控制算法模型動態(tài)調(diào)整磨煤機運行組合方式，結合燃煤熱值修正，動態(tài)調(diào)節(jié)鍋爐主控，維持主蒸汽壓力的穩(wěn)定，保證變負荷速率。負荷從195 MW 降至150 MW過程中主參數(shù)調(diào)節(jié)指標統(tǒng)計如表4所示。

表4 負荷從195 MW降至150 MW過程中主參數(shù)調(diào)節(jié)指標統(tǒng)計表

由指標統(tǒng)計表可見，機組AGC響應時間為25 s，變負荷速率大于4.5 MW/min，負荷動態(tài)偏差在±2.74 MW以內(nèi)；主蒸汽壓力動態(tài)偏差在±0.45 MPa 以內(nèi)，顯著提升了機組主參數(shù)精準控制能力和負荷快速調(diào)節(jié)能力。

4 結語

構建火電機組制粉數(shù)字孿生系統(tǒng)，創(chuàng)建制粉系統(tǒng)模型，根據(jù)調(diào)節(jié)偏差以及應用服務系統(tǒng)需求，動態(tài)交互式優(yōu)化制粉過程。提出智能磨煤機運行組合控制算法，設計狀態(tài)觀測器，融合經(jīng)濟指標、特性指標、復合指標，智能選擇磨煤機最佳運行組合方式。通過變負荷試驗驗證了該方法的有效性，能夠有效提升機組主參數(shù)精準控制能力、負荷快速調(diào)節(jié)能力，提高了新型電力系統(tǒng)下火電機組調(diào)節(jié)的靈活性、穩(wěn)定性。