在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)在華能玉環(huán)電廠的應(yīng)用

傅望安，田維一

(1.華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán) 317604；2.北京華圣金程科技有限公司，北京 100085)

長期以來，電站鍋爐入爐煤實(shí)時(shí)檢測一直是個(gè)難題。電廠燃煤沿用傳統(tǒng)的燃煤質(zhì)量監(jiān)督方式，即采樣、制樣和實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，已不能適應(yīng)電力生產(chǎn)的需要。運(yùn)行人員不能實(shí)時(shí)的掌握入爐煤質(zhì)的變化，無法進(jìn)行必要性的措施調(diào)整來保障鍋爐安全及經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。因此，迫切需要開發(fā)出先進(jìn)的燃燒監(jiān)測手段，以實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒多變煤種的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的煤質(zhì)測量。

下面介紹在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS的主要參數(shù)及特點(diǎn)、工作原理及在華能玉環(huán)電廠(4×1000MW超超臨界機(jī)組)#3鍋爐的應(yīng)用情況。

1 在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS的工作原理

在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS利用全光譜光電火焰檢測技術(shù)，實(shí)時(shí)辨識入爐煤種及煤質(zhì)，在線獲得入爐煤的煤質(zhì)信息，為控制系統(tǒng)提供真實(shí)、有效、及時(shí)的前饋數(shù)據(jù)，及早的參與燃燒調(diào)整，及時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)控制優(yōu)化。

煤粉燃燒火焰的光輻射包含了紫外線、可見光和紅外線，不同組分和熱值的煤粉燃燒后所放射出的各種光線的含量和能量是不同的，其光輻射具有不同的特征，如頻譜分布、局部閃爍等。根據(jù)這種光輻射特征差異，通過全光譜光電火焰檢測裝置對火焰全波段的光譜特征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、放大、傳送，并利用先進(jìn)的小波分析、主元分析等信號處理方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)，建立火焰特征與煤種/煤質(zhì)信息的對應(yīng)關(guān)系，以用于燃煤信息在線辨識，見圖1。

圖1 工作原理圖

基于全光譜光電火焰檢測的在線煤質(zhì)辨識技術(shù)，主要就是利用了全光譜光電火焰檢測裝置，實(shí)時(shí)辨識入爐煤煤種及煤質(zhì)，在線獲得入爐煤的煤質(zhì)信息。

2 在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS的系統(tǒng)構(gòu)成

在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS由全光譜光電火焰檢測裝置、現(xiàn)場控制箱、數(shù)據(jù)采集與處理單元、主控機(jī)柜等組成，見圖2，系統(tǒng)安裝簡便、對外部環(huán)境特別是系統(tǒng)安全沒有影響。

全光譜光電火焰檢測裝置安裝在原有的火檢測量口，不需要做任何改變，安裝成本低。火焰特征轉(zhuǎn)化成光電信號，進(jìn)入采集系統(tǒng)，通過放大過濾后送到光譜分析及建模軟件單元，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)過程，獲得煤質(zhì)信息。

圖2 系統(tǒng)安裝示意圖

3 在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS的主要參數(shù)及特點(diǎn)

3.1 主要技術(shù)參數(shù)

⑴ 辨識指標(biāo)：入爐煤煤種，入爐煤發(fā)熱量

⑵ 辨識誤差：3%左右，即入爐煤發(fā)熱量的誤差為±150 kcal/kg。

⑶ 辨識周期：6 s ～ 10 s。

3.2 主要特點(diǎn)

⑴ 系統(tǒng)采用雙機(jī)冗余的設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。

⑵ 系統(tǒng)采用報(bào)警監(jiān)控設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)向DCS發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信號。

⑶ 系統(tǒng)采用全光譜光電火焰檢測技術(shù)進(jìn)行煤質(zhì)辨識，不影響鍋爐設(shè)備的正常運(yùn)行，是當(dāng)前煤質(zhì)辨識技術(shù)的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)。

⑷ 系統(tǒng)采用主元分析方法，大大提高光譜特性采集后的數(shù)據(jù)處理效率，以確保辨識結(jié)果的快速性、時(shí)效性。

⑸ 辨識結(jié)果的平滑輸出，提升了煤質(zhì)辨識數(shù)據(jù)的可用性。

⑹ 提供多種接口形式：硬連接(4～20 mA，干接點(diǎn))、網(wǎng)絡(luò)(TCP/IP、Modbus)，并可通過OPC、API等與DCS、SIS、MIS連接。

⑺ 系統(tǒng)安裝、維護(hù)簡便，軟件終身免費(fèi)升級。

4 在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS的應(yīng)用

4.1 華能玉環(huán)電廠#3機(jī)組設(shè)備概況

華能玉環(huán)電廠#3機(jī)組(1000 MW)是由哈爾濱鍋爐集團(tuán)股份有限公司制造的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號為HG-2953/27.46-YM1。采用Π型布置、單爐膛、低NOx PM主燃燒器和MACT燃燒技術(shù)、反向雙切圓燃燒方式。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺磨煤機(jī)，煤粉細(xì)度按200目篩通過率為80%。

設(shè)計(jì)燃料為神府東勝煤和晉北煤。實(shí)際燃用的煤種，均是由華能集團(tuán)配給的，包括印尼煤、澳洲煤、俄羅斯煤、伊泰煤、大友煤、金優(yōu)煤和扎平煤。大多數(shù)是船運(yùn)煤，同時(shí)也包含有熱值較低的煤種，諸如扎平煤等，這就需要電廠在實(shí)際燃用過程中，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行有效的混煤摻燒。

4.2 全光譜光電火焰檢測裝置的選址安裝

在華能玉環(huán)電廠#3鍋爐各燃燒器層選址并布置3套全光譜光電火焰檢測裝置，3套全光譜光電火焰檢測裝置安裝于#3鍋爐的B、D、F層，其編號為1對應(yīng)B層、2對應(yīng)D層、3對應(yīng)F層。檢測器1和檢測器3利用B、F層單角燃燒器臨近觀火孔作為安裝位，直接觀測燃燒器火焰，檢測器2安裝在D層火檢位置通過光纖觀測燃燒器火焰。檢測器探頭冷卻風(fēng)取自爐膛火檢冷卻風(fēng)系統(tǒng)，單個(gè)探頭冷卻風(fēng)風(fēng)量為0.4 m3/min。

每套全光譜光電火焰檢測裝置通過9針信號電纜與就地控制箱相連，就地控制箱布置在臨近的檢修平臺。經(jīng)過就地控制箱放大處理的信號，由高屏蔽12芯通訊電纜送入#3電子間的OFIS控制機(jī)柜。OFIS控制機(jī)柜可選擇硬鏈接的方法與DCS系統(tǒng)相連，亦可選擇RJ45進(jìn)入內(nèi)網(wǎng)控制，將數(shù)據(jù)送給SIS系統(tǒng)或MIS系統(tǒng)。

4.3 應(yīng)用情況

華能玉環(huán)電廠#3鍋爐OFIS在線煤質(zhì)辨識項(xiàng)目自2009年02月至2010年02月完成項(xiàng)目的調(diào)研、設(shè)計(jì)、科技研發(fā)、工程實(shí)施、數(shù)據(jù)調(diào)試至驗(yàn)收工作。

綜合考慮各方面因素，選取檢測器2和檢測器3為重點(diǎn)試驗(yàn)對象，檢測器1作為對比參考使用。系統(tǒng)自2009年12月29日至2010年02月06日持續(xù)運(yùn)行40余天，這期間檢測器2共采集并化驗(yàn)有效煤樣332個(gè)，檢測器3共采集并化驗(yàn)有效煤樣345個(gè)。

華能玉環(huán)電廠#3鍋爐OFIS在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)于2010年02月07日正式投入使用，運(yùn)行表明：

⑴ 檢測器2在熱值區(qū)間5 9 0 0 k c a l/kg～6400 kcal/kg之間的辨識結(jié)果較為準(zhǔn)確，全區(qū)間內(nèi)辨識的平均準(zhǔn)確度為98%以上，平均絕對偏差為1.78%，最小誤差能夠達(dá)到0.01%，見圖3。

圖3 華能玉環(huán)電廠#3鍋爐檢測器2在線煤質(zhì)辨識熱值分析圖

⑵ 檢測器3在熱值區(qū)間5800 kcal/kg～6400 kcal/kg之間的辨識結(jié)果較為準(zhǔn)確，全區(qū)間內(nèi)辨識的平均準(zhǔn)確度為96%以上，平均絕對偏差為3.90%，最小誤差能夠達(dá)到0.03%，見圖4。

圖4 華能玉環(huán)電廠#3鍋爐檢測器3在線煤質(zhì)辨識熱值分析圖

⑶ 該系統(tǒng)入爐煤發(fā)熱量辨識周期僅為6 s，滿足電廠實(shí)時(shí)監(jiān)測煤質(zhì)的要求。

5 在線辨識煤質(zhì)系統(tǒng)OFIS的應(yīng)用展望

5.1 利用OFIS在線辨識的入爐煤發(fā)熱量替換熱值校正信號

在鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中，燃燒主控回路接受鍋爐指令信號來迅速改變?nèi)剂狭亢退惋L(fēng)量，以便適應(yīng)外部負(fù)荷的需求。一定的負(fù)荷指令變化就需要有一定的燃料量變化與之對應(yīng)，在傳統(tǒng)的燃燒控制過程中，由于無法實(shí)時(shí)獲知入爐煤的發(fā)熱量，只能選擇鍋爐所產(chǎn)生的特定參數(shù)的蒸汽量來代表燃料在爐膛中的發(fā)熱量。

而目前電廠入爐煤呈現(xiàn)多元化特性，由于煤質(zhì)波動(dòng)，就不可能得到對應(yīng)設(shè)計(jì)煤種發(fā)熱時(shí)一定鍋爐指令的鍋爐出力。熱值校正回路就是為了消除這個(gè)不一致而采用蒸汽流量信號來自動(dòng)校正燃料發(fā)熱量，最終達(dá)到消除燃料熱值變化所引起的熱值偏差，如圖5所示為熱值校正回路邏輯圖。但是，通過蒸汽流量信號校正燃料發(fā)熱量，從時(shí)間上滯后150 s以上，熱值校正過程與汽壓調(diào)節(jié)過程不匹配，造成了系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)的較大波動(dòng)。

圖5 熱值校正回路

OFIS在線辨識的入爐煤發(fā)熱量可以以4～20 mA的信號，通過硬連接的方式以秒級的速度(6s)送入DCS系統(tǒng)。OFIS在線辨識的入爐煤發(fā)熱量完全可以替換/構(gòu)建華能玉環(huán)電廠#3機(jī)組DCS系統(tǒng)內(nèi)原有的熱值校正回路，可以有效提高熱值校正與汽壓調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)匹配，提高機(jī)組自動(dòng)化程度和提升機(jī)組運(yùn)行控制的品質(zhì)。

5.2 基于OFIS的混煤摻燒管理

華能玉環(huán)電廠將OFIS在線辨識的入爐煤煤質(zhì)信息用于煤種的混配摻燒。煤種的混配分爐外摻配和爐內(nèi)摻配。爐外摻配方式是兩臺斗輪機(jī)同時(shí)分別按規(guī)定出力取不同煤種，匯合到一條皮帶機(jī)上上煤，爐外摻配的缺點(diǎn)是煤質(zhì)摻配不均勻，系統(tǒng)出力偏低，容易出現(xiàn)皮帶機(jī)短時(shí)過載堵煤的現(xiàn)象，需要爐內(nèi)摻配方式進(jìn)行有效的補(bǔ)充。

爐內(nèi)摻配方式是將不同的煤種加至指定的煤倉，根據(jù)OFIS在線辨識出的入爐煤煤質(zhì)信息實(shí)時(shí)調(diào)整給煤機(jī)的出力，在爐內(nèi)進(jìn)行摻配燃燒。對于偏離設(shè)計(jì)值較大的煤質(zhì)，爐內(nèi)摻燒要進(jìn)行摻燒試驗(yàn)， OFIS在線辨識出的入爐煤煤質(zhì)信息將作為摻燒試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，以通過試驗(yàn)確定最佳摻燒比例，見圖6。嚴(yán)把煤質(zhì)入爐關(guān)口是保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

圖6 以O(shè)FIS煤質(zhì)信息為關(guān)鍵參數(shù)的爐內(nèi)摻燒控制圖

采用OFIS在線辨識的入爐煤煤質(zhì)信息作為爐內(nèi)摻燒的前饋信號，必然對火力發(fā)電企業(yè)大力推廣混煤摻燒有非常積極的指導(dǎo)作用。

5.3 以O(shè)FIS在線煤質(zhì)辨識數(shù)據(jù)作為新增參數(shù)的鍋爐燃燒調(diào)整

對華能玉環(huán)電廠#3機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致現(xiàn)有問題的可能原因并制定相應(yīng)對策。將所存在問題量化為目標(biāo)參數(shù)和限制條件，在試驗(yàn)調(diào)整過程中給予充分的考慮，并通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，新增OFIS在線辨識的入爐煤煤質(zhì)信息作為關(guān)鍵參數(shù)，針對目標(biāo)參數(shù)的變化趨勢和相關(guān)數(shù)據(jù)，建立多變量與多目標(biāo)之間的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定最佳燃燒工況。

對華能玉環(huán)電廠#3鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整，對電廠目前常用煤質(zhì)區(qū)間進(jìn)行分區(qū)，以500 kcal/kg作為一個(gè)單位，將煤質(zhì)熱值分為A，B，C三個(gè)區(qū)間，分別在A、B、C三個(gè)熱值區(qū)間進(jìn)行高、中、低負(fù)荷下習(xí)慣性工況標(biāo)定，氧量變化試驗(yàn)，配風(fēng)方式尋優(yōu)，給粉量變化試驗(yàn)，變一次風(fēng)量試驗(yàn)和變煤粉細(xì)度試驗(yàn)等。

在燃燒優(yōu)化調(diào)整的基礎(chǔ)上，對各控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化組合，確定在A、B、C三個(gè)熱值區(qū)間高、中、低負(fù)荷工況下對應(yīng)的最佳燃燒工況I(H/M/L)、II(H/M/L)、III(H/M/L)，同時(shí)對工況I(H/M/L)、工況II(H/M/L)、工況III(H/M/L)分別進(jìn)行性能試驗(yàn)。

以O(shè)FIS在線辨識的入爐煤煤質(zhì)信息作為燃燒調(diào)整的前饋信號，并結(jié)合上述試驗(yàn)所獲得的A、B、C三個(gè)熱值區(qū)間工況下對應(yīng)的最佳燃燒工況I(H/M/L)、II(H/M/L)、III(H/M/L)的運(yùn)行方式進(jìn)行折線補(bǔ)償，重新設(shè)計(jì)邏輯組態(tài)，實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒優(yōu)化的閉環(huán)控制，如圖7、圖8。

圖7 基于OFIS的鍋爐燃燒優(yōu)化系統(tǒng)基本原理圖

圖8 OFIS燃燒優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié)論

在線煤質(zhì)辨識系統(tǒng)OFIS基于煤粉燃燒火焰全光譜特征分析方法進(jìn)行煤質(zhì)辨識，技術(shù)先進(jìn)，方法合理，實(shí)現(xiàn)便捷，辨識精度高，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，安裝維護(hù)簡便、互連性好。

OFIS在線辨識的入爐煤煤質(zhì)信息可作為前饋信號，實(shí)現(xiàn)以提高熱效率和降低污染物排放及機(jī)組安全性為目標(biāo)的優(yōu)化燃燒，在入爐煤質(zhì)波動(dòng)的運(yùn)行狀況下找出不同熱值區(qū)間最佳匹配的操作參數(shù)，選擇最優(yōu)化的系統(tǒng)運(yùn)行方案，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗減排的目標(biāo)提供閉環(huán)優(yōu)化控制。

隨著在線煤質(zhì)辨識技術(shù)的不斷拓展，將逐步實(shí)現(xiàn)入爐煤揮發(fā)份、固定碳、灰分等其他工業(yè)成分的在線精確辨識，將為電力企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組燃燒調(diào)整、加強(qiáng)煤種的混配摻燒管理、預(yù)防結(jié)焦結(jié)渣、強(qiáng)化績效考核、提升企業(yè)自身競爭力等打下良好的基礎(chǔ)并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1]趙征，劉偉，劉吉臻，吳占松.鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化控制及實(shí)現(xiàn)方法[J ].動(dòng)力工程， 2009， (1).

[2]孫奎明，時(shí)海剛.單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[J].熱工自動(dòng)化，2006，(1).