基于機組負荷-壓力動態(tài)模型的燃料發(fā)熱量實時計算

基于機組負荷-壓力動態(tài)模型的燃料發(fā)熱量實時計算

在熱能裝置的自動管理系統(tǒng)中，燃料發(fā)熱量信號可以快速消除燃燒擾動，降低裝置負荷的壓力，降低風煤比和水煤比的偏差，這對提高裝置的穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益非常重要。目前，我國的煤炭生產(chǎn)嚴重，機組使用的煤炭來源復雜，煤炭質(zhì)量變化較大。這已成為影響機組安全運行的主要因素之一。為了提高設備的抗煤能力，應通過監(jiān)測中引入燃料發(fā)熱量校正環(huán)節(jié)。電廠中常規(guī)的工業(yè)分析方法無法滿足實時控制要求,并且存在巨大的采樣制樣誤差.煤質(zhì)在線分析儀通過核輻射方法對煤進行元素分析,并可以將結(jié)果擬合為工業(yè)分析數(shù)據(jù),但因價格昂貴,尚未被廣泛使用.目前在控制中采用的燃料發(fā)熱量校正信號,大多利用燃燒相關(guān)信號構(gòu)造得到,最常見的方法是對標幺化后給煤量和主蒸汽流量信號偏差進行積分.由于很多因素沒有考慮,這種方法并不能取得很好的實際效果.300MW及以上機組大多采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng),在給煤機上安裝有稱重裝置,可以比較準確地測量進入鍋爐的燃煤量.煤在鍋爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱量是可以計算的,包括鍋爐有效吸熱量及各項損失,雖然存在一定誤差,但整體計算精度可以接受.理論上燃煤發(fā)熱量可以簡單地由鍋爐總熱量除以總給煤量得到.但由于給煤量信號要經(jīng)過制粉、燃燒和吸熱3個動態(tài)環(huán)節(jié)后才轉(zhuǎn)化為鍋爐總熱量信號,兩者在時間上是不一致的.目前大型機組都參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,機組參數(shù)波動頻繁,此類方法的應用受到很大的限制.另外,在穩(wěn)態(tài)下鍋爐總熱量是由總?cè)剂狭繘Q定的,但在暫態(tài)情況下,諸多因素將影響鍋爐總熱量.例如,鍋爐總?cè)剂狭勘３植蛔兌啓C高壓調(diào)門開度增加,將導致鍋爐釋放部分蓄熱從而使鍋爐瞬時總熱量增加;給水流量增加,將導致汽包、水冷壁內(nèi)工質(zhì)焓值下降從而使鍋爐瞬時總熱量減少.在機組負荷變動時,這些誤差足以掩蓋實際燃料發(fā)熱量的變化.機組控制需要的燃料發(fā)熱量信號首先要求其快速性,既信號能夠盡量快地反映實際燃料發(fā)熱量的變化;其次要求要有較高的信噪比,即噪聲干擾少,燃料發(fā)熱量信號與其它信號不相關(guān).傳統(tǒng)的熱量信號構(gòu)造方法難以滿足以上2個要求.1機組簡化模型對于汽包鍋爐,機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制輸入為鍋爐燃料和汽輪機調(diào)門開度,被控參數(shù)為機組負荷和機前壓力.反映的正是機組燃料輸入與能量輸出之間的動態(tài)關(guān)系.直吹式制粉系統(tǒng)汽包鍋爐機組的負荷-壓力模型可簡化為一雙入雙出多變量系統(tǒng),輸入為燃料量uB(kg/s),汽輪機調(diào)門開度uT(%);中間變量為進入磨的實際煤量r′m(kg/s)和鍋爐燃燒率rB(kg/s);輸出為機前壓力pt(MPa),機組負荷NE(MW),模型同時能夠反映機組主要參數(shù)汽包壓力pb(MPa),汽輪機調(diào)節(jié)級壓力p1(MPa)的變化情況.此類機組簡化模型可以描述為r′m=e-τsuB(1)ΤfdrBdt=-rB+r′m(2)Cbdpbdt=-Κ3ptμΤ+Κ1rB(3)ΚtdΝdt=-Ν+Κ3ptuΤ(4)pt=pb-Κ2(Κ1rB)1.5(5)r′m=e?τsuB(1)TfdrBdt=?rB+r′m(2)Cbdpbdt=?K3ptμT+K1rB(3)KtdNdt=?N+K3ptuT(4)pt=pb?K2(K1rB)1.5(5)式中,K1為燃料增益;K2為過熱器阻力系數(shù);K3為汽輪機增益;τ為制粉過程遲延時間;Tf為制粉慣性時間;Cb為鍋爐蓄熱系數(shù);Kt為汽輪機動態(tài)時間.在直吹式制粉系統(tǒng)中,煤經(jīng)過給煤機,在磨煤機內(nèi)磨制成煤粉后送入爐膛內(nèi)燃燒,這一過程存在很大的慣性和遲延,式(1)～式(2)的物理意義是描述制粉過程的慣性和遲延.煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒釋放熱量被將水加熱為過熱蒸汽,式(3)描述這一能量平衡過程.式(4)描述蒸汽在汽輪機內(nèi)做功及流經(jīng)再熱器的慣性.式(5)描述過熱器的差壓特性.汽輪機調(diào)節(jié)級壓力可以描述為:p1=ptuΤ/100(6)p1=ptuT/100(6)模型靜態(tài)參數(shù)可由機組設計參數(shù)確定,必要時可利用機組穩(wěn)態(tài)運行數(shù)據(jù)進行修正;動態(tài)參數(shù)需要利用燃料量及汽輪機高壓調(diào)門擾動實驗確定.2調(diào)門開度信號和燃料擾動模型中K1的物理意義是單位燃料量對應的機組負荷,存在以下關(guān)系:Qar=Κ1ηu(7)式中,Qar為燃料低位發(fā)熱量(MJ/kg);ηu為機組發(fā)電效率.在一般情況下,機組熱效率是負荷的函數(shù),可以根據(jù)機組設計的負荷-發(fā)電煤耗曲線確定.進行機組效率修正后,K1僅與相Qar關(guān),求得K1即可知燃料發(fā)熱量.聯(lián)合式(1)～式(6),有:Κ1=100Κ3p1(s)+Cbpb(s)s11+Κfse-τsuB(s)(8)公式中包含1個靜態(tài)參數(shù)K3和3個動態(tài)參數(shù)Tf、τ和Cb.(1)在靜態(tài)時有K3=0.01N/p1,利用機組設計數(shù)據(jù)可以得到.(2)獲得Cb需要進行汽輪機高壓調(diào)門擾動實驗.將燃料指令和汽輪機高壓調(diào)門開度指令切為手動狀態(tài),在機組負荷和壓力均穩(wěn)定時,uB保持不變,uT階躍增加.記錄機組負荷NE和汽包壓力pb直到穩(wěn)定.鍋爐的蓄系數(shù)為:Cb=∫(Ν(t)-Ν(0))dtpbt-pb0(9)獲得Tf、τ需要進行燃料擾動實驗,但存在的困難是無法直接測量燃料在爐膛內(nèi)燃燒釋放的熱量信號.文獻提出了一種利用鍋爐總風量和排煙氧量計算熱量的方法:Q=(21-Ο2)V21Κvq(10)式中,O2為鍋爐排煙氧量,%;V為鍋爐總風量;Kvq為煤的空氣熱量比,m3/MJ,對于絕大多數(shù)煤種,Kvq為0.261左右.此方法計算熱量的絕對精度不是很高,但是利用風煙側(cè)信號計算得到的熱量,其動態(tài)響應速度要優(yōu)于利用汽水側(cè)參數(shù)構(gòu)造的DEB熱量信號.由于需要辨識的是動態(tài)參數(shù),熱量信號的絕對精度并非十分重要.具體實驗過程是:將燃料指令和汽輪機高調(diào)門開度指令切為手動狀態(tài),在機組負荷和壓力均穩(wěn)定時,uT保持不變,uB階躍增加,記錄O2和V直到穩(wěn)定,利用公式(9)構(gòu)造Q,通過uB與Q之間的關(guān)系辨識Tf、τ.汽輪機慣性時間可通過汽輪機甩負荷實驗數(shù)據(jù)確定,變化范圍相對較小.由于存在未建模因素和模型誤差,利用式(7)和式(8)計算得到的燃料發(fā)熱量信號也存在一定的擾動.主要是汽包壓力不僅僅受uB和uT的影響,還受給水波動的影響,微分作用會將擾動放大,因此需要對汽包壓力進行濾波.通過分析運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),相對與uB和uT,給水擾動的頻率分量較多為高頻分量,可以采用具有最快下降特性的高階切比雪夫濾波器對汽包壓力進行濾波后再計算.3機組發(fā)電效率以大唐盤山電廠3號機為例,鍋爐為HG-2023/17.6-YM4型亞臨界壓力一次中間再熱汽包鍋爐,采用正壓直吹式制粉系統(tǒng);汽輪機為哈汽N600-16.7/537/537-I型單軸4缸4排汽凝汽式汽輪機.在正常情況下,機組采用滑壓運行方式,50%～100%負荷范圍內(nèi)可以不投油助燃.機組額定負荷主要設計參數(shù)示于表1.根據(jù)設計參數(shù)和擾動實驗,確定機組模型為:r′m=e-23suB(10)189drBdt=-rB+r′m(11)7690dpbdt=-0.506ptuΤ+8.816rB(12)12dΝdt=-Ν+0.506ptuΤ(13)pt=pb-0.000205(8.816rB)1.5(14)利用式(7)可估算額定負荷下機組發(fā)電效率約為43.05%,與設計值相吻合.機組發(fā)電效率同時受到多種因素的影響,是影響燃料發(fā)熱量計算準確度的主要原因.這里只進行了負荷修正,不過對于控制來說,這樣的精度已經(jīng)足夠滿足要求了.圖1為1個月內(nèi)計算燃料低位熱值Qar和電廠化驗室的實測數(shù)據(jù)的對比.可以看出,兩者的趨勢大致是吻合的.化學分析存在較大的采樣、制樣誤差,可能是造成偏差的主要原因.圖2為機組參與一次調(diào)頻,負荷小范圍波動下的Qar變化情況.可以看出,Qar具有很好的穩(wěn)定性,受負荷波動的影響很小.圖3為負荷穩(wěn)定情況下Qar發(fā)生變化的情況,由于消除了壓力側(cè)擾動,Qar噪聲成份很少.能夠反映燃料發(fā)熱量的變化.圖4顯示一段機組升負荷情況下曲線,機組負荷由520MW上升至600MW,升負荷期間啟動1臺磨煤機,對應投入1層燃燒器.可以看出,Qar基本不受磨煤機啟停的影響,具有很好的抗鍋爐側(cè)擾動的能力.4燃料發(fā)熱量計算方法本文提出一種基于機組負荷壓力模型的燃料發(fā)熱量信號實時計算方法.該方法利用機組負荷-壓力非線性動態(tài)模型計算出的燃料低位發(fā)熱量,具有以下特點:(1)燃料發(fā)熱