超（超）臨界機組燃料及制粉系統(tǒng)建模淺析

劉思捷，丁 寧

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州310030）

超（超）臨界機組燃料及制粉系統(tǒng)建模淺析

劉思捷1，丁 寧2

（1.華電電力科學研究院，浙江杭州310030；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，浙江杭州310030）

通過對超（超）臨界機組運行特點進行歸納，著重分析燃料對機組運行、爐膛燃燒、蒸汽壓力、主氣溫的影響。經(jīng)過采集某百萬級別燃煤發(fā)電機組各負荷段燃料主控及制粉系統(tǒng)數(shù)據(jù)，基于機理建模完成對制粉系統(tǒng)建模和模型修正分析，仿真結果能夠較準確的反映實際工況的燃料系統(tǒng)運行，達到了良好的建模效果，為復雜系統(tǒng)深入建模提供了一種方法。

超超臨界；燃料主控；機理建模

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展和自動化水平的提高，火力發(fā)電機組的生產(chǎn)過程自動化所包含的功能日益多樣化。超（超）臨界機組中，可以將負荷控制系統(tǒng)的模型分為幾個部分，鍋爐主控和汽輪機主控，這兩部分中的給水流量，燃燒量都會在負荷擺動的時候，造成波動影響機組的主汽壓和主汽溫，并影響協(xié)調控制系統(tǒng)的品質。本文通過對某電廠超超臨界機組的燃燒系統(tǒng)進行辨識，并通過對機組燃料主控及制粉系統(tǒng)機理建模淺析，得出準確的建模方法。

1 超（超）臨界機組的概況

近年來超（超）臨界得到了飛速發(fā)展，有利于降低煤耗，提高發(fā)電效率，同時可以通過擴大脫硝投入范圍達到減少NOX，SO2以及其他大氣污染[1]。一般超（超）臨界機組的主蒸汽壓力可以達到27~30MPa，主蒸汽溫度已達到了610℃。大容量超超臨界機組有很好的負荷適應性和良好的運行特性，很大程度減少了污染物，又具有環(huán)保特征。目前，在這一領域的技術研究已經(jīng)到了比較完整和成熟的階段，很多發(fā)達國家和發(fā)展中國家都在推廣這一技術，在改善環(huán)境和節(jié)省能源方面都取得了很大的成就，超超臨界技術發(fā)展領先的國家有日本、德國和丹麥，丹麥的AVV2電廠的超臨界機組，機組效率高達49%，是目前世界上運行機組效率最高的火電發(fā)電機組[1]。

在國內，超超臨界機組雖然起步較晚，但進步很快，目前已經(jīng)有不少大型裝機容量的超超臨界機組投產(chǎn)，如華電國際的鄒縣電廠2×1000MW的超超臨界機組及華能玉環(huán)發(fā)電廠2×1000MW超超臨界機組，都已經(jīng)投入運行，使得我國的超大容量超超臨界機組制造，安裝，調試運行技術進入了一個新的階段，也將火電機組發(fā)展帶入了一個新的篇章。

超超臨界機組有以下幾方面特點[2]：

（1）超超臨界機組為直流爐，沒有汽包環(huán)節(jié)，給水經(jīng)過加熱、蒸發(fā)和變成過熱蒸汽是一次性連續(xù)完成的，因此其不受工作壓力限制，工質穩(wěn)定。

（2）鍋爐蓄熱能力低，負荷變化范圍較大時，如果控制策略靈敏則可以適應外界的負荷變動。

（3）超超臨界機組啟停爐時間較短，不超過一小時，而汽包爐，汽包壁很厚，啟動速度很慢通常要3~10h左右。

2 超（超）臨界機組的負荷控制特點

2.1 多變量控制系統(tǒng)

多變量控制系統(tǒng)通常采用輸入輸出量等量的控制結構，即有m個輸入相應的就設置m個輸出，構成m個控制回路。對系統(tǒng)進行分析輸出量受輸入量的影響最大，因此需要對輸入量和輸出量進行配對。

2.2 強耦合性

超超臨界機組機爐之間的控制參數(shù)存在著強烈的耦合性。直流鍋爐汽水系統(tǒng)中沒有設置汽包，沒有相應的蓄能設備，水的吸熱、蒸發(fā)、過熱過程均在水冷壁管中完成，飽和蒸汽和飽和水在管路中沒有明顯的分界。相應的給水量、燃料量調門開度、減溫水量的變化影響機組的運行特性，使工質的吸熱過程變化，進而影響到鍋爐出口過熱蒸汽參數(shù)、主蒸汽參數(shù)、主蒸汽做功等一系列后續(xù)參數(shù)；超超臨界機組各系統(tǒng)之間有著強烈的耦合性，如圖1所示。

圖1 機組主控參數(shù)耦合特性

圖2 給燃料量與負荷的原始數(shù)據(jù)

圖3 處理后的燃料量與主汽壓數(shù)據(jù)

3 燃料量系統(tǒng)建模

3.1 主汽壓與燃料量關系辨識

以某廠1000MW超超臨界鍋爐為辨識對象。正常運行時，制粉系統(tǒng)5套運行，一套備用。設計煤種為平朔安太堡煤煤種，采樣數(shù)據(jù)的采樣時間為5s，總給燃料量為5臺給煤機燃料量反饋值之和，給燃料量單位為，主汽壓單位為。燃料量與負荷的原始數(shù)據(jù)曲線如圖2所示。由圖2可看出鍋爐負荷是從800MW平穩(wěn)運行時出現(xiàn)變化，二十多分鐘后，負荷穩(wěn)定，曲線重新回歸800MW，符合數(shù)據(jù)遴選條件。給出燃料量與主汽壓的原始數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。從圖3可以看出，給燃料量波動在36%左右，而給水量波動在11%左右，所以可以認為主汽壓的波動主要是由于燃料量的波動而引起。

采樣數(shù)據(jù)中一般都包含了測量噪聲和其他非過程干擾，在進行辨識工作之前要進行數(shù)據(jù)預處理，常用的數(shù)學濾波方法。本次辨識對采樣數(shù)據(jù)進行了五點三次平滑濾波處理。處理后的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 處理后的燃料量與主汽壓數(shù)據(jù)

由前文分析可知，燃料量變化引起主汽壓變化的過程是一個具有滯后、慣性和自平衡能力的過程，所以模型傳遞函數(shù)結構選有自平衡對象：

在選定合適的模型類之后，辨識的任務就是尋找具體的過程參數(shù)和結構參數(shù)。過程參數(shù)包括過程的慣性時間、比例系數(shù)、零點大小等，結構參數(shù)也就是參數(shù)n（階次）和τ（延時時間）。模型結構參數(shù)的選擇是建模工作中重要的一個步奏，它決定了模型品質的優(yōu)劣。模型類型和結構參數(shù)選定以后，盡管還可以采用不同的估計模型參數(shù)的方法，但是最終的模型質量就已基本確定。

在實驗過程中，利用粒子群算法對K，a，T，n，τ進行尋優(yōu)，尋找出他們的一個合適組合，由于結構參數(shù)對模型的學習效果影響巨大，如果把這些結構參數(shù)和過程參數(shù)放在一起學習往往效果很不理想。

由于引入了遲延時間，根據(jù)經(jīng)驗，在熱工對象中，n的階次一般控制在三階以內。所以對難以一次性找到K，a，T，n，τ一個合適組合這個問題，可以讓n=1，2，3的時候分別用PSO算法對K，a，T，τ進行尋優(yōu)，然后再選取誤差最小的一個組合。在計算中采用的誤差準則為：

利用上述方法學習，在此工況下得到燃料量與主汽壓的傳遞函數(shù)為：

最終擬合誤差為0.0116，辨識結果是可以接受的，在600~1200s之間的數(shù)據(jù)有一定的偏差，這是由于給水量等擾動引起的，這是不可消除的，所以說這個結果是可以接受的。

3.2 給煤機模型

給煤機的模型擬設定有15個輸入，7個輸出，6個中間參數(shù)。給煤機算法中，若出口原煤流量、給煤機斷煤、給煤機堵煤，則給煤機的輸出都為0。

式中in[6]—煤倉煤位；

coef[4]—煤倉煤位底限；

in[8]—給煤機堵煤，數(shù)字量；

in[10]—給煤機斷煤；

in[15]—皮帶打滑；

out[1]—出口原煤流量，kg/h；

coef[1]—給燃料量系數(shù)；

in4temp—給煤機標稱化轉速；

k2—系數(shù)1.0。

式中coef[5]—給煤機功率系數(shù)1；

coef[6]—給煤機功率系數(shù)2；

out[6]—給煤機功率。

入口燃料量的影響可以通過這樣的關系表達：設k2的初始值為0.0，當入口燃料量大于1.0時，k2迅速改變，此時取值也為1.0。

3.3 磨煤機模型

磨煤機模型具有20個輸入，20個輸出，以及35個中間參數(shù)。該算法模擬了中速磨煤機運行的動態(tài)過程。該算法從風量影響、含水量計算、磨煤機內部壓降、能量平衡模式、磨煤機出口溫度和電機幾個部分對磨煤機進行了模擬。

其中，能量平衡模式從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉移。

式中in[1]—入口空氣流量；

in[2]—入口空氣溫度；

in[18]—給煤機標稱化轉速；

out[2]—磨煤機出口煤粉溫度；

out[10]—金屬平均溫度；

coef[9]—煤粉氣流對金屬的換熱系數(shù)；

sjcor1—給煤機標稱化轉速修正；

htc—換熱；

qm—從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉移。磨煤機模型中，風量影響的公式為：

式中wcoalmax—入口空氣最大攜煤量；

wfmax—給煤機最大給煤量；

in[5]—入口煤量；

in[9]—磨煤機馬達標稱化轉速；

in[20]—MB磨煤機堵塞（0-100）；

out[10]—磨煤機存煤量；

coef[4]—空氣最大攜煤能力；

coef[7]—給煤機正常時的最大出力；

coef[13]—磨煤機最大存煤量；

coef[35]—存煤消耗速率；

coef[36]—風量對出口煤量的影響；

f1—入口煤可磨性系數(shù)修正；

f2—煤粉細度修正；

f3—出口煤流中的表面水分含量修正；

f4—磨煤機存煤量百分比；

f5—給煤機實際轉速；

vb—XJ磨煤機出力下降[4]。

磨煤機算法中，入口空氣最大攜煤量受空氣最大攜煤能力和入口空氣流量兩個因素影響；給煤機最大給煤量與給煤機正常時的最大出力相關；磨煤機出口煤粉流量則受出口煤流中的表面水分含量修正、磨煤機存煤量百分比、磨煤機馬達標稱化轉速、入口空氣流量、風量對出口煤量的影響、mb、MB磨煤機堵塞（0-100）幾個因素綜合作用影響；磨煤機存煤量受磨煤機存煤量、dth、入口煤量與磨煤機出口煤粉流量的差值影響，在有存煤消耗速率、磨煤機馬達標稱化轉速時還要受到存煤消耗速率的影響；磨煤機出入口差壓受入口空氣流量、磨煤機導納、發(fā)生堵煤時的存煤量系數(shù)影響；煤、空氣和金屬的換熱計算中：包括從煤與空氣混合物到金屬的熱量轉移、到環(huán)境中的熱損失、磨煤機機金屬壁溫、著火產(chǎn)生的熱量計算4個方面；磨煤機出口煤粉溫度受磨煤機出口煤粉溫度、入口空氣流量、入口空氣溫度與磨煤機出口煤粉溫度差值、消防蒸汽流量、消防蒸汽溫度與磨煤機出口煤粉溫度差值、入口煤量入口煤溫度與磨煤機出口煤粉溫度差值的影響；磨煤機堵塞對磨煤機電機功率有影響[5]。

4 結語

通過以上分析，同理可以得出負荷控制系統(tǒng)的其他系統(tǒng)模塊可以通過粒子群辨識的方法得到，并運用機理建模的方式令模塊算法模擬現(xiàn)場，由此搭建出負荷控制系統(tǒng)中的各個組成部分，完成復雜系統(tǒng)的建模。

這些模型的搭建，可以使得在仿真機上更好的完成對于現(xiàn)場工況的模擬，使得對于現(xiàn)場復雜工況的分析和研究更加直觀和準確。

[1]趙樹成.超超臨界機組的參數(shù)選擇[J].熱機技術，2005，（1）：34~36.

[2]趙建軍.100MW機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)改造方案設計與應用[D].保定：華北電力大學，2008.

[3]孫劍.大型循環(huán)流化床鍋爐燃燒系統(tǒng)特性與建模研究[D].北京：華北電力大學大學博士學位論文.2010.

[4]韓璞.熱工過程建模方法的研究及應用[J].華北電力學院學報，1994，（2）：87~92.

[5]馬海軍.系統(tǒng)辨識理論在建模中的應用[J].大眾科技，2010，（5）：78~80.

Analysis on the Modeling of Ultra Supercritical Unit Fuel and Coal Preparation System

LIU Si-jie1，DING Ning2
（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power company Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

In this paper，the operating characteristics of ultra-supercritical units are summarized，and the effects of the fuel on the operation of the fuel，the combustion of the furnace，the steam pressure and the temperature are analyzed. Based on the data of the main control system and the coal powder system，the model of the system is analyzed.The simulation results can reflect the actual operating conditions of the fuel system and achieve a good effect.

ultra-supercritical；fuel master；system modeling

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.012

TM621.7

B

2095-3429（2015）06-0041-04

2015-10-19

修回日期：2015-12-18

劉思捷（1986-），女，河北承德人，工學碩士，從事火電廠燃機電廠系統(tǒng)調試，性能試驗工作；

丁寧（1986-），女，河北承德人，工學碩士，從事火電廠燃機電廠系統(tǒng)調試，性能試驗工作。