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直流鍋爐混煤燃燒自適應(yīng)控制的研究與應(yīng)用

2013-10-11 08:55劉勝清
江西電力 2013年1期
關(guān)鍵詞:混煤煤量煤種

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(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)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(jí)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(dòng);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(duì)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(chǎng)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?;烀喝紵蔀槲覈姀S用煤的必然趨勢(shì)。

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(duì)于響應(yīng)快速的直流鍋爐來說,將對(duì)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(cè)。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(duì)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(cè)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(shí)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(cè)算

混煤燃燒對(duì)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(duì)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(cè)量的方式計(jì)算出燃煤的熱值,不過對(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(huì)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?duì)穩(wěn)定的一段時(shí)間內(nèi)是其熱值是相對(duì)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(duì)外具有較快的功率響應(yīng)和一定的調(diào)頻能力,又保證對(duì)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(hào)的構(gòu)成,應(yīng)當(dāng)既考慮穩(wěn)態(tài)偏差,又考慮動(dòng)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(duì)機(jī)組平衡產(chǎn)生影響,特別是對(duì)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(cè)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(dòng)(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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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?。?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(duì)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(huì)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(dòng),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(duì)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(duì)控制的修正,使得控制系統(tǒng)能自動(dòng)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(duì)于熱值較低的煤種,通過熱值修正,對(duì)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(dòng),提高了機(jī)組對(duì)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(cè)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(duì)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。

[1]劉維.超(超)臨界機(jī)組控制方法與應(yīng)用[M].北京:中國電力工業(yè)出版社,2010.

[2]孫奎明,時(shí)海剛.熱工自動(dòng)化(第二版)[M].北京:中國電力工業(yè)出版社,2009.

[3]胡雄輝,劉武林,李勁柏.自適應(yīng)煤質(zhì)變化協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究[C].2008年全國熱控交流大會(huì)論文集,2008.

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